Simuleret EKG -signaloptagelse ved hjælp af LTSpice: 7 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Hjertets evne til at pumpe er en funktion af elektriske signaler. Klinikere kan aflæse disse signaler på et EKG for at diagnosticere forskellige hjerteproblemer. Inden signalet kan være ordentligt klart af en læge, skal det dog filtreres og forstærkes korrekt. I denne vejledning vil jeg guide dig igennem, hvordan du designer et kredsløb til at isolere EKG-signaler ved at bryde dette kredsløb blev opdelt i tre enkle komponenter: en instrumenteringsforstærker, et båndpasfilter og et hakfilter med ønsket cut-off frekvenser og gevinster bestemt af offentliggjort litteratur og aktuelle modeller.

Tilbehør:

Dette er vejledning beregnet til LTSpice -simuleringer, så det eneste materiale, du skal bruge til at modellere kredsløbene, er en LTSpice -applikation. Hvis du ønsker at teste dit kredsløb med en EKG -wav -fil, fandt jeg mit her.

Trin 1: Design af et Band-pass filter

Typiske EKG-signaler har frekvensområder på 0,5-250 Hz. Hvis du er nysgerrig efter teorien bag dette, kan du læse for at læse mere om dette her eller her. I forbindelse med denne vejledning betyder det, at vi vil filtrere alt ud, ikke i disse regioner. Vi kan gøre dette med et band-pass filter. Baseret på de indsendte variabler i den opslåede skematiske filtre filtrerer band-pass filtre mellem områderne 1/(2*pi*R1*C1) og 1/(2*pi*R2*C2). De forstærker også signalet med (R2/R1).

Værdier blev valgt, så frekvensafbrydelsesværdierne matchede de ønskede EKG -signalgrænser, og forstærkningen ville være lig med 100. En skematisk oversigt over disse værdier kan ses i de vedlagte figurer.

Trin 2: Design af Notch Filter

Nu hvor vi har filtreret alt ud, der ikke er i EKG's signalfrekvensområde, er det tid til at filtrere støjforvrængninger inden for sit område. Power-line støj er en af de mest almindelige EKG-forvrængninger og har en frekvens på ~ 50 Hz. Da dette er inden for band-pass-område, kan det tages ud med et hakfilter. Et hakfilter virker ved at fjerne en centerfrekvens med en værdi på 1/(4*pi*R*C) baseret på den vedhæftede skema.

En modstand og kondensatorværdi blev valgt til at filtrere 50 Hz støj, og deres værdier blev tilsluttet en vedhæftet skematisk. Bemærk, at dette ikke er den eneste kombination af RC -komponenter, der fungerer; det var lige hvad jeg valgte. Beregn gerne og vælg forskellige!

Trin 3: Design af instrumentforstærkeren

Et råt EKG -signal skal også forstærkes. Selvom vi bygger forstærkeren først, når vi bygger kredsløbet, er det lettere konceptuelt at tænke efter filtrene. Dette skyldes, at kredsløbets samlede forstærkning delvist bestemmes af båndpasforstærkning (se trin 1 for en opdatering).

De fleste EKG'er har en forstærkning på mindst 100 dB. Et kredsløbs dB -forstærkning er lig med 20*log | Vout / Vin |. En Vout/Vin kan løses med hensyn til resistive komponenter ved nodalanalyse. For vores kredsløb fører dette til et nyt gevinstudtryk:

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

R1 og R2 er fra båndpasfilteret (trin 1), og R og RG er komponenter fra denne forstærker (se vedhæftet skema). Løsning for en dB -forstærkning på 100 giver R/RG = 500. Værdier på R = 50k ohm og RG = 100 ohm blev valgt.

Trin 4: Test af komponenterne

Alle komponenter blev separat testet med LTSpices AC Sweep -oktavanalyseværktøj. Parametre på 100 punkter pr. Oktav, 0,01 Hz startfrekvens og 100 k Hz slutfrekvens blev valgt. Jeg brugte en indgangsspændingsamplitude på 1V, men du kan en anden amplitude. Den vigtige take away fra AC -sweep er formen på output, der svarer til ændringer i frekvenser.

Disse test skal vise grafer, der ligner de vedhæftede i trin 1-3. Hvis de ikke gør det, kan du prøve at genberegne dine modstands- eller kondensatorværdier. Det er også muligt, at dit kredsløb skinner, fordi du ikke leverer nok spænding til at drive op -forstærkere. Hvis din R- og C -matematik er rigtig, kan du prøve at øge mængden af spænding, du giver til dine forstærkere.

Trin 5: Sæt det hele sammen

Nu er du klar til at sætte alle komponenterne sammen. Typisk udføres amplifikation før filtrering, så instrumentationsforstærkeren blev sat først. Båndpasfilteret forstærker signalet yderligere, så det blev sat på andenpladsen før hakfilteret, som rent filtrerer. Det samlede kredsløb blev også kørt gennem en AC Sweep -simulering, som gav forventede resultater med forstærkning mellem 0,5 - 250 Hz, bortset fra 50 Hz -hakområdet.

Trin 6: Indtastning og test af EKG -signaler

Du kan ændre din spændingskilde for at forsyne kredsløbet med et EKG -signal i stedet for en vekselstrøm. For at gøre dette skal du downloade det ønskede EKG -signal. Jeg fandt en støjforbedret.wav-fil her og et clean.txt EKG-signal her. men du kan muligvis finde bedre. Den rå input og output for.wav -fil kan ses vedhæftet. Det er svært at sige, om et ikke-støjforstærket EKG-signal ville give et flottere output. Afhængigt af signalet skal du muligvis justere dine filtergrænser lidt. Clean-pass signaludgangen kan også ses.

Hvis du vil ændre input, skal du vælge din spændingskilde, vælge indstillingen for PWL -fil og vælge den ønskede fil. Filen, jeg brugte, var en.wav -fil, så jeg var også nødt til at ændre LTSpice -direktivteksten fra "PWL File =" til "wavefile =". For.txt -filinput skal du beholde PWL -teksten, som den er.

At sammenligne output med et ideelt EKG-signal viser, at der stadig er plads til forbedringer med komponentjustering. I betragtning af kildefilens form og støjforbedrede karakter er det faktum, at vi var i stand til at udtrække en P-bølge, QRS og T-bølge, et godt første skridt. Den rene EKG -tekstfil skal kunne passere perfekt gennem filteret.

Bemærk vær forsigtig, hvordan du fortolker disse EKG -indgangssignalresultater. Hvis du kun bruger den rene.txt -fil, betyder det ikke, at dit system fungerer korrekt til at filtrere et signal - det betyder kun, at de vigtige EKG -komponenter ikke filtreres fra. På den anden side, uden at vide mere om.wav -filen, er det svært at finde ud af, om bølgeinversioner og ulige former skyldes kildefilen, eller hvis der er et problem med at filtrere uønskede signaler ud.