Pemerolehan Isyarat ECG Simulasi Menggunakan LTSpice: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:06

Keupayaan jantung untuk mengepam adalah fungsi isyarat elektrik. Doktor boleh membaca isyarat ini pada ECG untuk mendiagnosis pelbagai masalah jantung. Sebelum isyarat dapat disiapkan dengan betul oleh doktor, ia mesti disaring dan diperkuat dengan betul. Dalam panduan ini, saya akan membimbing anda bagaimana merancang litar untuk mengasingkan isyarat EKG dengan mematahkan litar ini yang dipecah menjadi tiga komponen mudah: penguat instrumentasi, penapis hantaran jalur, dan penapis takik, dengan pemotongan yang diinginkan frekuensi dan keuntungan ditentukan oleh literatur yang diterbitkan dan model semasa.

Bekalan:

Ini adalah panduan yang dimaksudkan untuk simulasi LTSpice, jadi satu-satunya bahan yang anda perlukan untuk memodelkan litar adalah aplikasi LTSpice. Sekiranya anda ingin menguji litar anda dengan fail ECG wav, saya ada di sini.

Langkah 1: Merancang Penapis Jalur Band

Isyarat ECG khas mempunyai julat frekuensi 0,5-250 Hz. Sekiranya anda ingin tahu mengenai teori di sebalik ini, sila baca untuk membaca lebih lanjut mengenai ini di sini atau di sini. Untuk tujuan panduan ini, maksudnya ialah kita mahu menyaring segala yang tidak ada di wilayah tersebut. Kita boleh melakukan ini dengan penapis hantaran jalur. Berdasarkan pemboleh ubah yang diposting dalam skema yang diposting, penapis jalur-jalur menyaring antara julat 1 / (2 * pi * R1 * C1) dan 1 / (2 * pi * R2 * C2). Mereka juga menguatkan isyarat dengan (R2 / R1).

Nilai dipilih supaya nilai pemotongan frekuensi akan sepadan dengan batas isyarat ECG yang diinginkan dan keuntungannya sama dengan 100. Skema dengan nilai-nilai ini diganti dapat dilihat pada gambar yang dilampirkan.

Langkah 2: Merancang Notch Filter

Sekarang kita telah menyaring semua yang tidak berada dalam julat frekuensi isyarat ECG, sudah waktunya untuk menyaring gangguan bunyi dalam julatnya. Bunyi talian kuasa adalah salah satu gangguan ECG yang paling biasa dan mempunyai frekuensi ~ 50 Hz. Oleh kerana ini berada dalam jarak jalur-jalur, ia dapat dikeluarkan dengan saringan takik. Penapis takik berfungsi dengan membuang frekuensi tengah dengan nilai 1 / (4 * pi * R * C) berdasarkan skema yang dilampirkan.

Nilai perintang dan kapasitor dipilih untuk menyaring kebisingan 50 Hz, dan nilainya dimasukkan ke dalam skema terpasang. Perhatikan bahawa ini bukan satu-satunya gabungan komponen RC yang akan berfungsi; hanya itu yang saya pilih. Jangan ragu untuk mengira dan memilih yang berbeza!

Langkah 3: Merancang Penguat Instrumentasi

Isyarat ECG mentah juga perlu diperkuat. Walaupun semasa kita membina litar, kita akan meletakkan penguat terlebih dahulu, lebih mudah secara konseptual difikirkan selepas penapis. Ini kerana keuntungan keseluruhan litar sebahagiannya ditentukan oleh penguatan lulus jalur (Lihat Langkah 1 untuk penyegaran).

Sebilangan besar ECG mempunyai keuntungan sekurang-kurangnya 100 dB. Keuntungan dB litar sama dengan 20 * log | Vout / Vin |. Vout / Vin dapat diselesaikan dari segi komponen resistif dengan analisis nod. Untuk rangkaian kami, ini membawa kepada ungkapan keuntungan baru:

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

R1 dan R2 berasal dari saringan band-pass (Langkah 1), dan R dan RG adalah komponen dari penguat ini (lihat skema yang dilampirkan). Menyelesaikan untuk mendapatkan dB 100 hasil R / RG = 500. Nilai R = 50k ohm dan RG = 100 ohm dipilih.

Langkah 4: Menguji Komponen

Semua komponen diuji secara berasingan dengan alat analisis oktaf Sapu Sapu LTSpice. Parameter 100 mata per oktaf, frekuensi permulaan 0,01 Hz, dan frekuensi akhir 100k Hz dipilih. Saya menggunakan amplitud voltan input 1V, tetapi anda boleh mempunyai amplitud yang berbeza. Langkah penting dari sapuan AC adalah bentuk output yang sesuai dengan perubahan frekuensi.

Ujian ini harus menghasilkan graf yang serupa dengan yang dilampirkan pada Langkah 1-3. Sekiranya tidak, cuba hitung semula nilai perintang atau kapasitor anda. Mungkin juga litar rel anda kerana anda tidak memberikan voltan yang mencukupi untuk menguatkan op. Sekiranya matematik R dan C anda betul, cuba tingkatkan jumlah voltan yang anda berikan kepada op.

Langkah 5: Menggabungkan Semuanya

Sekarang, anda sudah siap mengumpulkan semua komponen. Biasanya, penguat dilakukan sebelum penapisan, jadi penguat instrumentasi diutamakan. Filter band-pass lebih jauh menguatkan sinyal, jadi ditempatkan kedua, sebelum notch filter, yang murni menyaring. Litar keseluruhan dijalankan melalui simulasi Penyapu AC juga, yang menghasilkan hasil yang diharapkan dengan penguatan antara 0,5 - 250 Hz, kecuali untuk julat takik 50 Hz.

Langkah 6: Memasukkan dan Menguji Isyarat ECG

Anda boleh menukar sumber voltan anda untuk membekalkan litar dengan isyarat ECG dan bukannya AC Sapu. Untuk melakukan ini, anda perlu memuat turun isyarat ECG yang anda mahukan. Saya menjumpai fail.wav yang ditingkatkan bunyi di sini dan isyarat ECG clean.txt di sini. tetapi anda mungkin dapat mencari yang lebih baik. Input dan output mentah untuk fail.wav dapat dilihat dilampirkan. Sukar untuk mengatakan sama ada isyarat ECG tanpa bunyi yang ditingkatkan akan menghasilkan output yang lebih baik. Bergantung pada isyarat, anda mungkin perlu sedikit menyesuaikan had penapis anda. Output isyarat clean-pass juga dapat dilihat.

Untuk menukar input, pilih sumber voltan anda, pilih pengaturan untuk Fail PWL, dan pilih fail yang anda inginkan. Fail yang saya gunakan adalah fail.wav, jadi saya juga perlu mengubah teks arahan LTSpice dari "PWL File =" menjadi "wavefile =". Untuk input fail.txt, anda harus menyimpan teks PWL sebagaimana adanya.

Membandingkan output dengan isyarat ECG yang ideal menunjukkan bahawa masih ada ruang untuk diperbaiki dengan komponen-tweaking. Namun, memandangkan bentuk dan sumber fail sumber yang ditingkatkan kebisingan, hakikat bahawa kami dapat mengekstrak gelombang P, QRS, dan gelombang-T adalah langkah pertama yang bagus. Fail teks ECG yang bersih harus dapat melewati penapis dengan sempurna.

Perhatikan berhati-hati bagaimana anda menafsirkan hasil isyarat input ECG ini. Sekiranya anda hanya menggunakan fail.txt yang bersih, itu tidak bermaksud sistem anda berfungsi untuk menyaring isyarat dengan betul - itu hanya bermaksud bahawa komponen ECG yang penting tidak disaring. Sebaliknya, tanpa mengetahui lebih banyak mengenai fail.wav, sukar untuk mengetahui apakah penyongsangan gelombang dan bentuk ganjil disebabkan oleh fail sumber atau jika ada masalah dalam menyaring isyarat yang tidak diingini.