Simulerad EKG -signalinsamling med LTSpice: 7 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:36

Hjärtans förmåga att pumpa är en funktion av elektriska signaler. Kliniker kan läsa dessa signaler på ett EKG för att diagnostisera olika hjärtproblem. Innan signalen kan vara ordentligt klar av en läkare måste den dock filtreras och förstärkas ordentligt. I den här guiden kommer jag att gå igenom hur du utformar en krets för att isolera EKG-signaler genom att bryta denna krets var uppdelad i tre enkla komponenter: en instrumentförstärkare, ett bandpassfilter och ett hackfilter med önskad avstängning frekvenser och vinster som bestäms av publicerad litteratur och aktuella modeller.

Tillbehör:

Den här guiden är avsedd för LTSpicesimuleringar, så det enda material du behöver för att modellera kretsarna är en LTSpice -applikation. Om du vill testa din krets med en EKG -wav -fil hittade jag min här.

Steg 1: Designa ett bandpassfilter

Typiska EKG-signaler har frekvensområden på 0,5-250 Hz. Om du är nyfiken på teorin bakom detta, läs mer om det här eller här. För den här guiden är vad detta betyder att vi vill filtrera bort allt som inte finns i dessa regioner. Vi kan göra detta med ett bandpassfilter. Baserat på de publicerade variablerna i den publicerade schemat, filtrerar bandpassfilter mellan intervallet 1/(2*pi*R1*C1) och 1/(2*pi*R2*C2). De förstärker också signalen med (R2/R1).

Värden valdes så att frekvensavstängningsvärdena skulle matcha de önskade EKG -signalgränserna och förstärkningen skulle vara lika med 100. En schematisk med dessa värden substituerade kan ses i de bifogade figurerna.

Steg 2: Designa Notch Filter

Nu när vi har filtrerat bort allt som inte finns i EKG: s signalfrekvensområde, är det dags att filtrera bort störningar i branschen. Kraftledningsbrus är en av de vanligaste EKG-störningarna och har en frekvens på ~ 50 Hz. Eftersom detta ligger inom bandpass-intervallet kan det tas ut med ett hackfilter. Ett hackfilter fungerar genom att ta bort en mittfrekvens med värdet 1/(4*pi*R*C) baserat på den bifogade schemat.

Ett motstånd och kondensatorvärde valdes för att filtrera bort 50 Hz brus, och deras värden kopplades till ett bifogat schema. Observera att detta inte är den enda kombinationen av RC -komponenter som fungerar; det var precis vad jag valde. Beräkna gärna och välj olika!

Steg 3: Designa instrumentförstärkaren

En rå EKG -signal måste också förstärkas. Även om vi bygger kretsen kommer vi att sätta förstärkaren först, det är lättare konceptuellt att tänka efter filtren. Detta beror på att kretsens totala förstärkning delvis bestäms av bandpassförstärkningen (se steg 1 för en uppdatering).

De flesta EKG har en förstärkning på minst 100 dB. En krets dB -förstärkning är lika med 20*log | Vout / Vin |. En Vout/Vin kan lösas med avseende på resistiva komponenter genom nodalanalys. För vår krets leder detta till ett nytt vinstuttryck:

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

R1 och R2 är från bandpassfiltret (steg 1), och R och RG är komponenter från denna förstärkare (se bifogad schema). Lösning för en dB -förstärkning på 100 ger R/RG = 500. Värden på R = 50k ohm och RG = 100 ohm valdes.

Steg 4: Testa komponenterna

Alla komponenter testades separat med LTSpices AC Sweep -oktavanalysverktyg. Parametrar på 100 punkter per oktav, 0,01 Hz startfrekvens och 100k Hz slutfrekvens valdes. Jag använde en ingångsspänningsamplitud på 1V, men du kan en annan amplitud. Den viktiga avhämtningen från AC -svepet är formen på utgångarna som motsvarar förändringar i frekvenser.

Dessa tester bör ge grafer som liknar de bifogade i steg 1-3. Om de inte gör det, försök att räkna om dina motstånds- eller kondensatorvärden. Det är också möjligt att din krets räls eftersom du inte ger tillräckligt med spänning för att driva förstärkarna. Om din R- och C -matematik stämmer kan du försöka öka mängden spänning du ger till dina förstärkare.

Steg 5: Sätta ihop allt

Nu är du redo att sätta ihop alla komponenter. Normalt utförs förstärkning före filtrering, så instrumentationsförstärkaren sattes först. Bandpassfiltret förstärker signalen ytterligare, så den placerades på andra plats före hackfilteret, som rent filtrerar. Den totala kretsen kördes också via en AC Sweep -simulering, som gav förväntade resultat med förstärkning mellan 0,5 - 250 Hz, förutom 50 Hz -hackområdet.

Steg 6: Mata in och testa EKG -signaler

Du kan ändra din spänningskälla för att förse kretsen med en EKG -signal istället för en AC -svepning. För att göra detta måste du ladda ner önskad EKG -signal. Jag hittade en brusförbättrad.wav-fil här och en clean.txt-EKG-signal här. men du kanske kan hitta bättre. Raw input och output för.wav -fil kan ses bifogad. Det är svårt att säga om en icke-brusförstärkt EKG-signal skulle ge en snyggare utgång. Beroende på signalen kan du behöva justera filtergränserna något. Clean-pass-signalutgången kan också ses.

För att ändra ingången, välj din spänningskälla, välj inställningen för PWL -fil och välj önskad fil. Filen jag använde var en.wav -fil, så jag behövde också ändra LTSpice -direktivtexten från "PWL File =" till "wavefile =". För.txt -filinmatning bör du behålla PWL -texten som den är.

Att jämföra utmatningen med en idealisk EKG-signal visar att det fortfarande finns utrymme för förbättringar med komponentjustering. Men med tanke på källfilens form och brusförbättrade karaktär är det faktum att vi kunde extrahera en P-våg, QRS och T-våg ett bra första steg. Den rena EKG -textfilen ska kunna passera perfekt genom filtret.

Observera var försiktig med hur du tolkar dessa EKG -ingångssignalresultat. Om du bara använder den rena.txt -filen betyder det inte att ditt system fungerar för att filtrera en signal korrekt - det betyder bara att de viktiga EKG -komponenterna inte filtreras bort. Å andra sidan, utan att veta mer om.wav -filen, är det svårt att avgöra om våginversioner och udda former beror på källfilen eller om det finns ett problem med att filtrera bort oönskade signaler.