Simuloitu EKG -signaalin hankinta LTSpice -ohjelmalla: 7 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Sydämen kyky pumpata on sähköisten signaalien funktio. Lääkärit voivat lukea nämä signaalit EKG: stä diagnosoidakseen erilaisia sydänongelmia. Ennen kuin lääkäri voi saada signaalin kunnolla valmiiksi, se on kuitenkin suodatettava ja vahvistettava kunnolla. Tässä oppaassa opastan sinua suunnittelemaan piirin eristämään EKG-signaalit rikkomalla tämä piiri jaettiin kolmeen yksinkertaiseen komponenttiin: instrumentointivahvistin, kaistanpäästösuodatin ja lovisuodatin, halutulla raja-arvolla julkaistun kirjallisuuden ja nykyisten mallien määrittämät taajuudet ja voitot.

Tarvikkeet:

Tämä opas on tarkoitettu LTSpice -simulaatioille, joten ainoa materiaali, jota tarvitset piirien mallintamiseen, on LTSpice -sovellus. Jos haluat testata piiriäsi EKG -wav -tiedostolla, löysin omani täältä.

Vaihe 1: Suunnittele kaistanpäästösuodatin

Tyypillisten EKG-signaalien taajuusalueet ovat 0,5-250 Hz. Jos olet utelias tämän teorian takana, voit lukea lisää tästä tai täältä. Tässä oppaassa tämä tarkoittaa sitä, että haluamme suodattaa pois kaiken, joka ei näillä alueilla ole. Voimme tehdä tämän kaistanpäästösuodattimella. Lähetetyn kaavion lähetettyjen muuttujien perusteella kaistanpäästösuodattimet suodattavat alueiden 1/(2*pi*R1*C1) ja 1/(2*pi*R2*C2) välillä. Ne vahvistavat myös signaalia (R2/R1).

Arvot valittiin siten, että taajuuden raja -arvot vastaavat haluttuja EKG -signaalin rajoja ja vahvistus on 100. Kaavio, jossa nämä arvot on korvattu, näkyy oheisissa kuvissa.

Vaihe 2: Lovisuodattimen suunnittelu

Nyt kun olemme suodattaneet kaiken, joka ei ole EKG: n signaalitaajuusalueella, on aika suodattaa pois melun vääristymät sen alueella. Sähkölinjan kohina on yksi yleisimmistä EKG-vääristymistä ja sen taajuus on ~ 50 Hz. Koska tämä on kaistanpäästöalueella, se voidaan poistaa lovisuodattimella. Lovisuodatin toimii poistamalla keskitaajuuden, jonka arvo on 1/(4*pi*R*C) liitteenä olevan kaavion perusteella.

50 Hz: n kohinan suodattamiseksi valittiin vastus ja kondensaattorin arvo, ja niiden arvot liitettiin liitteenä olevaan kaavioon. Huomaa, että tämä ei ole ainoa RC -komponenttien yhdistelmä, joka toimii; se oli juuri se mitä valitsin. Voit vapaasti laskea ja valita erilaisia!

Vaihe 3: Instrumentointivahvistimen suunnittelu

Raaka EKG -signaali on myös vahvistettava. Vaikka kun rakennamme piiriä, asetamme vahvistimen ensin, on helpompaa ajatella ajatuksia suodattimien jälkeen. Tämä johtuu siitä, että piirin kokonaisvahvistus määräytyy osittain kaistanpäästön vahvistuksen avulla (katso vaihe 1 päivitystä varten).

Useimpien EKG: n vahvistus on vähintään 100 dB. Piirin dB -vahvistus on 20*log | Vout / Vin |. Vout/Vin voidaan ratkaista resistiivisten komponenttien suhteen solmuanalyysillä. Piirissämme tämä johtaa uuteen vahvistuslausekkeeseen:

dB Vahvistus = 20*log | (R2/R1)*(1+2*R/RG) |

R1 ja R2 ovat kaistanpäästösuodattimelta (vaihe 1) ja R ja RG ovat tämän vahvistimen komponentteja (katso oheinen kaavio). Ratkaisu 100 dB: n vahvistukselle tuottaa R/RG = 500. Valittiin arvot R = 50 k ohmia ja RG = 100 ohmia.

Vaihe 4: Komponenttien testaaminen

Kaikki komponentit testattiin erikseen LTSpicen AC Sweep -oktaavianalyysityökalulla. Valittiin parametrit 100 pistettä oktaavia kohti, 0,01 Hz: n aloitustaajuus ja 100 kHz: n lopetustaajuus. Käytin tulojännitteen amplitudia 1V, mutta voit eri amplitudin. Tärkeä ero AC -pyyhkäisystä on lähtöjen muoto, joka vastaa taajuuksien muutoksia.

Näiden testien pitäisi tuottaa samanlaisia kaavioita kuin liitteenä olevat vaiheet 1-3. Jos he eivät, yritä laskea vastuksen tai kondensaattorin arvot uudelleen. On myös mahdollista, että piirikiskot, koska et tarjoa tarpeeksi jännitettä tehovahvistimille. Jos R- ja C -matematiikka on oikein, yritä lisätä jännitettä, jonka annat op -vahvistimellesi.

Vaihe 5: Yhdistä kaikki

Nyt olet valmis laittamaan kaikki komponentit yhteen. Tyypillisesti vahvistus suoritetaan ennen suodatusta, joten instrumentointivahvistin asetettiin etusijalle. Kaistanpäästösuodatin vahvistaa edelleen signaalia, joten se asetettiin toiseksi ennen lovisuodatinta, joka suodattaa puhtaasti. Kokonaispiiri ajettiin myös AC Sweep -simulaation läpi, mikä tuotti odotettuja tuloksia vahvistuksella välillä 0,5 - 250 Hz, lukuun ottamatta 50 Hz: n lovialuetta.

Vaihe 6: EKG -signaalien syöttäminen ja testaaminen

Voit vaihtaa jännitelähteen toimittamaan piiriin EKG -signaalin AC -lakaisun sijasta. Tätä varten sinun on ladattava haluttu EKG -signaali. Löysin kohinaa parantavan.wav-tiedoston täältä ja clean.txt-EKG-signaalin täältä. mutta saatat löytää parempia.. Wav -tiedoston raaka tulo ja lähtö näkyvät liitteenä. On vaikea sanoa, tuottaako kohinaa parantamaton EKG-signaali paremman ulkonäön. Signaalista riippuen suodattimen rajoja on ehkä muutettava hieman. Puhdaspäästösignaalin lähtö voidaan myös nähdä.

Jos haluat muuttaa tuloa, valitse jännitelähde, valitse PWL -tiedoston asetus ja valitse haluamasi tiedosto. Käyttämäni tiedosto oli.wav -tiedosto, joten minun piti myös muuttaa LTSpice -direktiivin teksti "PWL File =" - "wavefile =". Jos haluat syöttää.txt -tiedoston, säilytä PWL -teksti sellaisenaan.

Lähdön vertaaminen ihanteelliseen EKG-signaaliin osoittaa, että komponenttien säätämisessä on vielä parantamisen varaa. Kuitenkin, kun otetaan huomioon lähdetiedoston muoto ja kohinaa parantava luonne, se, että pystyimme poimimaan P-aallon, QRS- ja T-aallon, on hyvä ensimmäinen askel. Puhtaan EKG -tekstitiedoston pitäisi pystyä kulkemaan suodattimen läpi täydellisesti.

Huomaa, että tulkitset näitä EKG -tulosignaalin tuloksia. Jos käytät vain puhdasta.txt -tiedostoa, se ei tarkoita, että järjestelmäsi suodattaisi signaalin oikein - se tarkoittaa vain sitä, että tärkeitä EKG -komponentteja ei suodateta. Toisaalta, tietämättä enemmän.wav -tiedostosta, on vaikea selvittää, johtuvatko aallon inversiot ja parittomat muodot lähdetiedostosta vai onko ongelmia ei -toivottujen signaalien suodattamisessa.