Adquisició de senyal ECG simulada mitjançant LTSpice: 7 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

La capacitat del cor per bombar és una funció dels senyals elèctrics. Els metges poden llegir aquests senyals en un ECG per diagnosticar diversos problemes cardíacs. Abans que el clínic pugui preparar correctament el senyal, ha de ser filtrat i amplificat adequadament. En aquesta guia, us explicaré com dissenyar un circuit per aïllar els senyals d’ECG trencant aquest circuit, que es divideix en tres components simples: un amplificador d’instrumentació, un filtre de pas de banda i un filtre de graella, amb el tall desitjat freqüències i guanys determinats per la literatura publicada i els models actuals.

Subministraments:

Aquesta és una guia destinada a simulacions de LTSpice, de manera que l’únic material que necessiteu per modelar els circuits és una aplicació de LTSpice. Si voleu provar el vostre circuit amb un fitxer wav ECG, he trobat el meu aquí.

Pas 1: dissenyar un filtre passa-banda

Els senyals ECG típics tenen rangs de freqüència de 0,5 a 250 Hz. Si teniu curiositat per la teoria que hi ha al darrere, no dubteu a llegir-ne més informació aquí o aquí. Als efectes d'aquesta guia, el que això significa és que volem filtrar tot allò que no es troba en aquestes regions. Ho podem fer amb un filtre passa-banda. Basat en les variables publicades a l’esquema publicat, els filtres de pas de banda filtren entre intervals d’1 / (2 * pi * R1 * C1) i 1 / (2 * pi * R2 * C2). També amplifiquen el senyal per (R2 / R1).

Es van escollir valors de manera que els valors de tall de freqüència coincidissin amb els límits de senyal de l’ECG desitjats i el guany fos igual a 100. A les figures adjuntes es pot veure un esquema amb aquests valors substituïts en.

Pas 2: dissenyar el filtre Notch

Ara que hem filtrat tot allò que no es troba en el rang de freqüència del senyal de l’ECG, és hora de filtrar les distorsions de soroll dins del seu rang. El soroll de la línia elèctrica és una de les distorsions ECG més freqüents i té una freqüència de ~ 50 Hz. Com que es troba dins de l'interval de pas de banda, es pot treure amb un filtre de graella. Un filtre de tacs funciona eliminant una freqüència central amb un valor d'1 / (4 * pi * R * C) basat en l'esquema adjunt.

Es va triar un valor de resistència i condensador per filtrar el soroll de 50 Hz i els seus valors es van connectar a un esquema adjunt. Tingueu en compte que aquesta no és l'única combinació de components RC que funcionarà; va ser just el que vaig triar. Siéntase lliure de calcular i triar-ne de diferents!

Pas 3: Disseny de l'amplificador d'instrumentació

També caldrà amplificar un senyal d’ECG cru. Tot i que quan construïm el circuit, posarem l’amplificador en primer lloc, és més fàcil pensar conceptualment després dels filtres. Això es deu al fet que el guany global del circuit està parcialment determinat per l'amplificació de pas de banda (vegeu el pas 1 per obtenir una actualització).

La majoria dels ECG tenen un guany d'almenys 100 dB. El guany de dB d’un circuit és igual a 20 * log | Vout / Vin |. Es pot resoldre un Vout / Vin en termes de components resistius mitjançant anàlisi nodal. Per al nostre circuit, això condueix a una nova expressió de guany:

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

R1 i R2 provenen del filtre de pas de banda (pas 1), i R i RG són components d’aquest amplificador (vegeu l’esquema adjunt). Resoldre un guany de 100 dB produeix R / RG = 500. Es van seleccionar valors de R = 50k ohms i RG = 100 ohms.

Pas 4: provar els components

Tots els components es van provar per separat amb l'eina d'anàlisi d'octava AC Sweep de LTSpice. Es van seleccionar paràmetres de 100 punts per octava, freqüència inicial de 0,01 Hz i freqüència final 100k Hz. He utilitzat una amplitud de tensió d'entrada d'1 V, però es pot una amplitud diferent. L’important que s’aparta de l’escombrat de corrent altern és la forma de les sortides corresponents als canvis de freqüències.

Aquestes proves haurien de generar gràfics similars als adjunts dels passos 1-3. Si no ho fan, proveu de tornar a calcular els valors de la resistència o del condensador. També és possible que els rails del vostre circuit no proporcionin suficient voltatge per alimentar els amplificadors operatius. Si les vostres matemàtiques de R i C són correctes, proveu d'augmentar la quantitat de voltatge que doneu als vostres amplificadors operatius.

Pas 5: ajuntar-ho tot

Ara ja podeu preparar tots els components. Normalment, l'amplificació es realitza abans de la filtració, de manera que l'amplificador d'instrumentació es va posar en primer lloc. El filtre de pas de banda amplifica encara més el senyal, de manera que es va col·locar en segon lloc, abans que el filtre de graella, que filtra purament. El circuit total es va executar també mitjançant una simulació AC Sweep, que va produir els resultats esperats amb amplificació entre 0,5 i 250 Hz, excepte el rang de 50 Hz.

Pas 6: Introducció i prova de senyals ECG

Podeu canviar la font de tensió per subministrar el circuit amb un senyal ECG en lloc d’un AC Sweep. Per fer-ho, haureu de descarregar el senyal d’ECG desitjat. He trobat un fitxer.wav millorat amb el soroll aquí i un senyal d’ECG clean.txt aquí. però és possible que en pugueu trobar de millors. Es pot veure adjunt l’entrada i la sortida en brut del fitxer.wav. És difícil dir si un senyal d’ECG millorat sense soroll produiria una sortida de millor aspecte. Segons el senyal, és possible que hàgiu d'ajustar lleugerament els límits del filtre. També es pot veure la sortida del senyal de pas net.

Per canviar l'entrada, seleccioneu la font de tensió, trieu la configuració del fitxer PWL i seleccioneu el fitxer desitjat. El fitxer que he utilitzat era un fitxer.wav, de manera que també calia canviar el text de la directiva LTSpice de "PWL File =" a "wavefile =". Per a l'entrada de fitxers.txt, heu de mantenir el text PWL tal qual.

La comparació de la sortida amb un senyal d’ECG ideal mostra que encara hi ha marge de millora amb la modificació de components. Tanmateix, donada la forma i el soroll millorats del fitxer font, el fet que hàgim pogut extreure una ona P, QRS i ona T és un primer primer pas. El fitxer de text ECG net hauria de poder passar perfectament pel filtre.

Tingueu en compte com interpreteu aquests resultats del senyal d'entrada d'ECG. Si només utilitzeu el fitxer.txt net, això no vol dir que el vostre sistema funcioni per filtrar correctament un senyal, només vol dir que els components ECG importants no es filtren. D'altra banda, sense saber més sobre el fitxer.wav, és difícil saber si les inversions d'ones i les formes senars es deuen o no al fitxer font o si hi ha un problema en filtrar els senyals no desitjats.