Imituotas EKG signalo gavimas naudojant „LTSpice“: 7 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

Širdies gebėjimas pumpuoti yra elektrinių signalų funkcija. Klinikai gali perskaityti šiuos signalus EKG, kad diagnozuotų įvairias širdies problemas. Tačiau prieš tai, kai gydytojas gali tinkamai paruošti signalą, jis turi būti tinkamai filtruojamas ir sustiprinamas. Šiame vadove aš jums pasakysiu, kaip suprojektuoti grandinę, skirtą izoliuoti EKG signalus, nutraukiant šią grandinę, buvo suskirstyta į tris paprastus komponentus: prietaisų stiprintuvą, pralaidumo filtrą ir įpjovos filtrą su norimu išjungimu dažnis ir pelnas, kuriuos nustato paskelbta literatūra ir dabartiniai modeliai.

Priedai:

Šis vadovas skirtas „LTSpice“modeliavimui, todėl vienintelė medžiaga, kurios jums reikės grandinėms modeliuoti, yra „LTSpice“programa. Jei norite išbandyti savo grandinę naudodami EKG wav failą, čia radau savo.

1 žingsnis: sukurkite pralaidumo filtrą

Įprastų EKG signalų dažnių diapazonas yra 0,5–250 Hz. Jei jus domina šios teorijos esmė, skaitykite ir skaitykite daugiau apie tai čia arba čia. Šiame vadove tai reiškia, kad norime filtruoti viską ne tuose regionuose. Tai galime padaryti naudodami pralaidumo filtrą. Remiantis paskelbtais schemoje paskelbtais kintamaisiais, pralaidumo filtrai filtruoja tarp 1/(2*pi*R1*C1) ir 1/(2*pi*R2*C2) diapazonų. Jie taip pat sustiprina signalą (R2/R1).

Reikšmės buvo parinktos taip, kad dažnio ribinės vertės atitiktų norimas EKG signalo ribas, o stiprinimas būtų lygus 100. Schema su šiomis reikšmėmis, pakeistomis, matoma pridedamuose paveikslėliuose.

2 žingsnis: suprojektuokite įpjovos filtrą

Dabar, kai mes filtravome viską, kas nėra EKG signalo dažnių diapazone, laikas filtruoti triukšmo iškraipymus savo diapazone. Elektros linijos triukšmas yra vienas iš labiausiai paplitusių EKG iškraipymų ir jo dažnis yra ~ 50 Hz. Kadangi tai yra pralaidumo diapazone, jį galima išimti naudojant įpjovos filtrą. Įpjovos filtras pašalina centrinį dažnį, kurio vertė yra 1/(4*pi*R*C), remiantis pridėta schema.

50 Hz triukšmui filtruoti buvo pasirinkta rezistoriaus ir kondensatoriaus vertė, o jų vertės buvo prijungtos prie pridedamos schemos. Atkreipkite dėmesį, kad tai nėra vienintelis RC komponentų derinys, kuris veiks; kaip tik tai ir pasirinkau. Nesivaržykite apskaičiuoti ir pasirinkti skirtingus!

3 žingsnis: prietaisų stiprintuvo projektavimas

Taip pat reikės sustiprinti neapdorotą EKG signalą. Nors kurdami grandinę pirmiausia laikysime stiprintuvą, konceptualiai lengviau galvoti apie filtrus. Taip yra todėl, kad bendrą grandinės padidėjimą iš dalies lemia juostos pralaidumo stiprinimas (atnaujinimą žr. 1 veiksme).

Dauguma EKG stiprina ne mažiau kaip 100 dB. Grandinės dB stiprinimas yra lygus 20*log | Vout / Vin |. Vout/Vin gali būti išspręstas atsižvelgiant į varžinius komponentus, atliekant mazgų analizę. Mūsų grandinei tai sukelia naują stiprumo išraišką:

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

R1 ir R2 yra iš pralaidumo filtro (1 žingsnis), o R ir RG yra šio stiprintuvo komponentai (žr. Pridedamą schemą). Sprendimas, kai dB padidėjimas yra 100, duoda R/RG = 500. Buvo pasirinktos R = 50 k omų ir RG = 100 omų vertės.

4 žingsnis: komponentų bandymas

Visi komponentai buvo atskirai išbandyti naudojant „LTSpice“AC Sweep oktavos analizės įrankį. Buvo pasirinkti 100 taškų per oktavą parametrai, 0,01 Hz pradinis dažnis ir 100 k Hz pabaigos dažnis. Aš naudoju 1 V įėjimo įtampos amplitudę, bet jūs galite skirtingą amplitudę. Svarbus kintamosios srovės valymo būdas yra išėjimų forma, atitinkanti dažnių pokyčius.

Šie bandymai turėtų duoti grafikus, panašius į pridedamus 1-3 veiksmuose. Jei jie ne, pabandykite perskaičiuoti savo rezistoriaus ar kondensatoriaus vertes. Taip pat gali būti, kad jūsų grandinės bėgeliai, nes nesuteikiate pakankamai įtampos, kad galėtumėte maitinti stiprintuvus. Jei jūsų R ir C matematika yra teisinga, pabandykite padidinti įtampą, kurią suteikiate savo stiprintuvui (-ams).

5 žingsnis: sudėkite viską kartu

Dabar esate pasiruošę sudėti visus komponentus. Paprastai stiprinimas atliekamas prieš filtravimą, todėl prietaisų stiprintuvas buvo pirmas. Pralaidus pralaidumo filtras dar labiau sustiprina signalą, todėl jis buvo antras, prieš įpjovos filtrą, kuris grynai filtruoja. Visa grandinė taip pat buvo atlikta naudojant „AC Sweep“modeliavimą, kuris davė laukiamų rezultatų, kai stiprinimas buvo nuo 0,5 iki 250 Hz, išskyrus 50 Hz išpjovų diapazoną.

6 veiksmas: EKG signalų įvedimas ir bandymas

Galite pakeisti įtampos šaltinį, kad grandinė būtų aprūpinta EKG signalu, o ne kintamosios srovės šlavimu. Norėdami tai padaryti, turėsite atsisiųsti norimą EKG signalą. Čia radau triukšmo sustiprintą.wav failą ir „clean.txt“EKG signalą. bet gal pavyks rasti geresnių. Neapdorotą.wav failo įvestį ir išvestį galima pamatyti pridedamą. Sunku pasakyti, ar be triukšmo patobulintas EKG signalas išvestų geriau. Priklausomai nuo signalo, gali tekti šiek tiek pakoreguoti filtro ribas. Taip pat galima pamatyti išvalyto signalo išvestį.

Norėdami pakeisti įvestį, pasirinkite savo įtampos šaltinį, pasirinkite PWL failo nustatymą ir pasirinkite norimą failą. Mano naudojamas failas buvo.wav failas, todėl man taip pat reikėjo pakeisti LTSpice direktyvos tekstą iš „PWL File =“į „wavefile =“. Jei norite įvesti.txt failą, PWL tekstą turėtumėte palikti tokį, koks yra.

Palyginus išvestį su idealiu EKG signalu, matyti, kad dar yra kur tobulėti keičiant komponentus. Tačiau, atsižvelgiant į šaltinio failo formą ir padidintą triukšmą, tai pirmas puikus žingsnis yra tai, kad mums pavyko išgauti P bangą, QRS ir T bangą. Švarus EKG teksto failas turėtų puikiai praeiti pro filtrą.

Atkreipkite dėmesį, kad aiškinate šiuos EKG įvesties signalo rezultatus. Jei naudojate tik švarų.txt failą, tai nereiškia, kad jūsų sistema tinkamai filtruoja signalą - tai tik reiškia, kad svarbūs EKG komponentai nėra išfiltruoti. Kita vertus, nežinant daugiau apie.wav failą, sunku išsiaiškinti, ar bangų inversijos ir nelyginės formos atsirado dėl šaltinio failo, ar kyla problemų filtruojant nepageidaujamus signalus.