Προσομοιωμένη απόκτηση σήματος ΗΚΓ χρησιμοποιώντας το LTSpice: 7 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:31

Η ικανότητα της καρδιάς να αντλεί είναι συνάρτηση των ηλεκτρικών σημάτων. Οι κλινικοί γιατροί μπορούν να διαβάσουν αυτά τα σήματα σε ΗΚΓ για τη διάγνωση διαφόρων καρδιακών προβλημάτων. Ωστόσο, προτού το σήμα είναι έτοιμο από τον κλινικό ιατρό, πρέπει να φιλτραριστεί και να ενισχυθεί σωστά. Σε αυτόν τον οδηγό, θα σας καθοδηγήσω πώς να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα για να απομονώσετε σήματα ΗΚΓ διακόπτοντας αυτό το κύκλωμα χωρίστηκε σε τρία απλά στοιχεία: έναν ενισχυτή οργάνων, ένα φίλτρο μπάντας και ένα φίλτρο εγκοπών, με την επιθυμητή διακοπή συχνότητες και κέρδη που καθορίζονται από δημοσιευμένη βιβλιογραφία και τρέχοντα μοντέλα.

Προμήθειες:

Αυτός ο οδηγός προορίζεται για προσομοιώσεις LTSpice, οπότε το μόνο υλικό που θα χρειαστείτε για να μοντελοποιήσετε τα κυκλώματα είναι μια εφαρμογή LTSpice. Αν θέλετε να δοκιμάσετε το κύκλωμά σας με ένα αρχείο wav ECG, βρήκα το δικό μου εδώ.

Βήμα 1: Σχεδιάζοντας ένα φίλτρο Band-pass

Τα τυπικά σήματα ΗΚΓ έχουν εύρος συχνοτήτων 0,5-250 Hz. Αν είστε περίεργοι για τη θεωρία πίσω από αυτό, διαβάστε για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με αυτό εδώ ή εδώ. Για τους σκοπούς αυτού του οδηγού, αυτό σημαίνει ότι θέλουμε να φιλτράρουμε τα πάντα όχι σε αυτές τις περιοχές. Μπορούμε να το κάνουμε αυτό με ένα φίλτρο band-pass. Με βάση τις καταχωρημένες μεταβλητές στο δημοσιευμένο σχηματικό, τα φίλτρα διέλευσης ζώνης φιλτράρουν μεταξύ των τιμών 1/(2*pi*R1*C1) και 1/(2*pi*R2*C2). Ενισχύουν επίσης το σήμα κατά (R2/R1).

Οι τιμές επιλέχθηκαν έτσι ώστε οι τιμές διακοπής συχνότητας να ταιριάζουν με τα επιθυμητά όρια σήματος ΗΚΓ και το κέρδος να είναι ίσο με 100. Στα συνημμένα σχήματα φαίνεται ένα σχηματικό σχήμα με αυτές τις τιμές που αντικαθίστανται.

Βήμα 2: Σχεδιασμός του φίλτρου εγκοπών

Τώρα που έχουμε φιλτράρει όλα όσα δεν βρίσκονται στο εύρος συχνοτήτων σήματος του ΗΚΓ, ήρθε η ώρα να φιλτράρουμε τις παραμορφώσεις θορύβου εντός του εύρους του. Ο θόρυβος της γραμμής τροφοδοσίας είναι μία από τις πιο συνηθισμένες παραμορφώσεις του ΗΚΓ και έχει συχνότητα ~ 50 Hz. Δεδομένου ότι αυτό βρίσκεται εντός του εύρους διέλευσης μπάντας, μπορεί να αφαιρεθεί με ένα φίλτρο εγκοπών. Ένα φίλτρο εγκοπών λειτουργεί αφαιρώντας μια κεντρική συχνότητα με τιμή 1/(4*pi*R*C) με βάση το συνημμένο σχηματικό σχήμα.

Επιλέχθηκε μια τιμή αντίστασης και πυκνωτή για να φιλτράρει τον θόρυβο 50 Hz και οι τιμές τους συνδέθηκαν σε ένα συνημμένο σχηματικό σχήμα. Σημειώστε ότι αυτός δεν είναι ο μόνος συνδυασμός στοιχείων RC που θα λειτουργήσουν. ήταν ακριβώς αυτό που επέλεξα. Μη διστάσετε να υπολογίσετε και να επιλέξετε διαφορετικά!

Βήμα 3: Σχεδιάζοντας τον ενισχυτή οργάνων

Ένα ακατέργαστο σήμα ΗΚΓ θα πρέπει επίσης να ενισχυθεί. Αν και όταν κατασκευάζουμε το κύκλωμα, θα βάλουμε τον ενισχυτή πρώτο, είναι πιο εύκολο εννοιολογικά να σκεφτούμε μετά τα φίλτρα. Αυτό συμβαίνει επειδή το συνολικό κέρδος του κυκλώματος καθορίζεται εν μέρει από την ενίσχυση της διέλευσης ζώνης (Βλέπε βήμα 1 για ανανέωση).

Τα περισσότερα ΗΚΓ έχουν κέρδος τουλάχιστον 100 dB. Το κέρδος dB ενός κυκλώματος ισούται με 20*log | Vout / Vin |. Ένα Vout/Vin μπορεί να επιλυθεί ως προς τα συστατικά αντίστασης με κομβική ανάλυση. Για το κύκλωμά μας, αυτό οδηγεί σε μια νέα έκφραση κέρδους:

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

Τα R1 και R2 προέρχονται από το φίλτρο μπάντας (Βήμα 1) και τα R και RG είναι συστατικά αυτού του ενισχυτή (δείτε το συνημμένο σχηματικό σχήμα). Η επίλυση για κέρδος dB 100 αποδίδει R/RG = 500. Επιλέχθηκαν τιμές R = 50k ohms και RG = 100 ohms.

Βήμα 4: Δοκιμή των εξαρτημάτων

Όλα τα συστατικά δοκιμάστηκαν ξεχωριστά με το εργαλείο ανάλυσης οκτάβας AC Sweep της LTSpice. Επιλέχθηκαν παράμετροι 100 πόντων ανά οκτάβα, συχνότητας έναρξης 0,01 Hz και συχνότητας λήξης 100k Hz. Χρησιμοποίησα ένα πλάτος τάσης εισόδου 1V, αλλά μπορείτε ένα διαφορετικό πλάτος. Η σημαντική απομάκρυνση από τη σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος είναι το σχήμα των εξόδων που αντιστοιχούν σε αλλαγές στις συχνότητες.

Αυτές οι δοκιμές θα πρέπει να δίνουν γραφήματα παρόμοια με τα συνημμένα στα Βήματα 1-3. Εάν δεν το κάνουν, δοκιμάστε να υπολογίσετε ξανά τις τιμές της αντίστασης ή του πυκνωτή σας. Είναι επίσης πιθανό το κύκλωμά σας να κινείται επειδή δεν παρέχετε αρκετή τάση για να τροφοδοτήσετε τους ενισχυτές λειτουργίας. Εάν τα μαθηματικά R και C είναι σωστά, προσπαθήστε να αυξήσετε την τάση που δίνετε στους ενισχυτές (ες) σας.

Βήμα 5: Το βάζουμε όλα μαζί

Τώρα, είστε έτοιμοι να ενώσετε όλα τα εξαρτήματα. Τυπικά, η ενίσχυση πραγματοποιείται πριν από τη διήθηση, οπότε ο ενισχυτής οργάνων τέθηκε πρώτος. Το φίλτρο band-pass ενισχύει περαιτέρω το σήμα, έτσι τοποθετήθηκε δεύτερο, πριν από το φίλτρο εγκοπής, το οποίο καθαρά φιλτράρει. Το συνολικό κύκλωμα διεξήχθη επίσης μέσω προσομοίωσης εναλλασσόμενου ρεύματος, το οποίο παρήγαγε αναμενόμενα αποτελέσματα με ενίσχυση μεταξύ 0,5 - 250 Hz, εκτός από το εύρος εγκοπών 50 Hz.

Βήμα 6: Εισαγωγή και έλεγχος σημάτων ΗΚΓ

Μπορείτε να αλλάξετε την πηγή τάσης για να τροφοδοτήσετε το κύκλωμα με σήμα ΗΚΓ αντί για σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος. Για να γίνει αυτό, θα πρέπει να κατεβάσετε το σήμα ΗΚΓ που θέλετε. Βρήκα ένα αρχείο.wav με ενισχυμένο θόρυβο εδώ και ένα σήμα ΗΚΓ clean.txt εδώ. αλλά ίσως μπορείτε να βρείτε καλύτερες. Μπορείτε να δείτε συνημμένα την ακατέργαστη είσοδο και έξοδο για το αρχείο.wav. Είναι δύσκολο να πούμε εάν το σήμα ΗΚΓ χωρίς θόρυβο θα παράγει καλύτερη εμφάνιση. Ανάλογα με το σήμα, μπορεί να χρειαστεί να προσαρμόσετε ελαφρώς τα όρια του φίλτρου σας. Μπορεί επίσης να φανεί η έξοδος σήματος καθαρής διέλευσης.

Για να αλλάξετε την είσοδο, επιλέξτε την πηγή τάσης, επιλέξτε τη ρύθμιση για το αρχείο PWL και επιλέξτε το αρχείο που θέλετε. Το αρχείο που χρησιμοποίησα ήταν ένα αρχείο.wav, οπότε έπρεπε επίσης να αλλάξω το κείμενο της οδηγίας LTSpice από "PWL File =" σε "wavefile =". Για την εισαγωγή αρχείου.txt, θα πρέπει να διατηρήσετε το κείμενο PWL ως έχει.

Η σύγκριση της εξόδου με ένα ιδανικό σήμα ΗΚΓ δείχνει ότι υπάρχει ακόμα περιθώριο βελτίωσης με την προσαρμογή εξαρτημάτων. Ωστόσο, δεδομένου του σχήματος και της φύσης του ενισχυμένου θορύβου του αρχείου προέλευσης, το γεγονός ότι μπορέσαμε να εξαγάγουμε ένα κύμα Ρ, QRS και Τ-κύμα είναι ένα μεγάλο πρώτο βήμα. Το καθαρό αρχείο κειμένου ΗΚΓ θα πρέπει να μπορεί να περάσει τέλεια από το φίλτρο.

Σημείωση προσέξτε πώς ερμηνεύετε αυτά τα αποτελέσματα σήματος εισόδου ΗΚΓ. Εάν χρησιμοποιείτε μόνο το καθαρό αρχείο.txt, αυτό δεν σημαίνει ότι το σύστημά σας λειτουργεί για να φιλτράρει σωστά ένα σήμα - σημαίνει μόνο ότι δεν φιλτράρονται τα σημαντικά συστατικά του ΗΚΓ. Από την άλλη πλευρά, χωρίς να γνωρίζουμε περισσότερα για το αρχείο.wav, είναι δύσκολο να καθοριστεί εάν οι αναστροφές κύματος και τα περίεργα σχήματα οφείλονται στο αρχείο προέλευσης ή εάν υπάρχει πρόβλημα φιλτραρίσματος ανεπιθύμητων σημάτων.