LTSpice Kullanarak Simüle EKG Sinyali Alımı: 7 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Kalbin pompalama yeteneği, elektrik sinyallerinin bir fonksiyonudur. Klinisyenler, çeşitli kalp sorunlarını teşhis etmek için bu sinyalleri bir EKG'de okuyabilir. Sinyalin bir klinisyen tarafından uygun şekilde hazır olabilmesi için önce uygun şekilde filtrelenmesi ve yükseltilmesi gerekir. Bu kılavuzda, bu devre üç basit bileşene bölünmüştür: bir enstrümantasyon yükselticisi, bir bant geçiren filtre ve istenen kesime sahip bir çentik filtresi. yayınlanmış literatür ve güncel modeller tarafından belirlenen frekanslar ve kazançlar.

Gereçler:

Bu kılavuz LTSpice simülasyonları içindir, bu nedenle devreleri modellemek için ihtiyaç duyacağınız tek malzeme bir LTSpice uygulamasıdır. Devrenizi bir EKG wav dosyası ile test etmek isterseniz, benimkini burada buldum.

Adım 1: Bant Geçiren Filtre Tasarlama

Tipik EKG sinyalleri 0,5-250 Hz frekans aralığına sahiptir. Bunun arkasındaki teoriyi merak ediyorsanız, burada veya burada daha fazlasını okumak için okuyun. Bu kılavuzun amaçları doğrultusunda, bunun anlamı, bu bölgelerde olmayan her şeyi filtrelemek istediğimizdir. Bunu bir bant geçiren filtre ile yapabiliriz. Yayınlanan şematikte yayınlanan değişkenlere bağlı olarak, bant geçiren filtreler 1/(2*pi*R1*C1) ve 1/(2*pi*R2*C2) aralıkları arasında filtre uygular. Ayrıca sinyali (R2/R1) ile yükseltirler.

Değerler, frekans kesme değerlerinin istenen EKG sinyal sınırlarına uyması ve kazancın 100'e eşit olması için seçilmiştir. Ekli şekillerde bu değerlerin değiştirildiği bir şema görülmektedir.

Adım 2: Çentik Filtresinin Tasarlanması

Artık EKG'nin sinyal frekans aralığında olmayan her şeyi filtrelediğimize göre, aralığı içindeki gürültü bozulmalarını filtreleme zamanı. Güç hattı gürültüsü, en yaygın EKG bozulmalarından biridir ve ~50 Hz'lik bir frekansa sahiptir. Bu bant geçiş aralığında olduğu için çentik filtresi ile çıkarılabilir. Çentik filtresi, ekteki şemaya göre 1/(4*pi*R*C) değerinde bir merkez frekansı kaldırarak çalışır.

50 Hz gürültüyü filtrelemek için bir direnç ve kapasitör değeri seçildi ve değerleri ekli bir şemaya takıldı. Bunun, çalışacak olan RC bileşenlerinin tek kombinasyonu olmadığını unutmayın; sadece benim seçtiğim şeydi. Hesaplamaktan ve farklı olanları seçmekten çekinmeyin!

Adım 3: Enstrümantasyon Amplifikatörünün Tasarlanması

Ham bir EKG sinyalinin de amplifiye edilmesi gerekecektir. Devreyi kurduğumuzda, önce amplifikatörü koyacağız, ancak filtrelerden sonra düşünmek kavramsal olarak daha kolay. Bunun nedeni, devrenin genel kazancının kısmen bant geçiren amplifikasyon tarafından belirlenmesidir (bir tazeleme için Adım 1'e bakın).

Çoğu EKG'nin kazancı en az 100 dB'dir. Bir devrenin dB kazancı 20*log|Vout / Vin|'e eşittir. Bir Vout/Vin, düğüm analizi ile dirençli bileşenler açısından çözülebilir. Devremiz için bu, yeni bir kazanç ifadesine yol açar:

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

R1 ve R2 bant geçiren filtredendir (Adım 1) ve R ve RG bu amplifikatörün bileşenleridir (ekli şemaya bakın). 100 dB kazanç için çözümleme, R/RG = 500 verir. R = 50k ohm ve RG = 100 ohm değerleri seçilmiştir.

Adım 4: Bileşenleri Test Etme

Tüm bileşenler, LTSpice'in AC Sweep oktav analiz aracıyla ayrı ayrı test edildi. Oktav başına 100 nokta, 0.01 Hz başlangıç frekansı ve 100k Hz bitiş frekansı parametreleri seçilmiştir. 1V'luk bir giriş voltajı genliği kullandım, ancak farklı bir genlik kullanabilirsiniz. AC taramasından önemli çıkarım, frekanslardaki değişikliklere karşılık gelen çıkışların şeklidir.

Bu testler, 1-3. Adımlarda ekli olanlara benzer grafikler vermelidir. Hayırsa, direnç veya kapasitör değerlerinizi yeniden hesaplamayı deneyin. Ayrıca, op amperlere güç sağlamak için yeterli voltaj sağlamadığınız için devre raylarınızın çıkması da mümkündür. R ve C matematiğiniz doğruysa, op amp(ler)inize verdiğiniz voltaj miktarını artırmayı deneyin.

Adım 5: Hepsini Bir Araya Getirmek

Artık tüm bileşenleri bir araya getirmeye hazırsınız. Tipik olarak, amplifikasyon filtrasyondan önce gerçekleştirilir, bu nedenle enstrümantasyon amplifikatörü ilk sıraya konur. Bant geçiren filtre, sinyali daha da yükseltir, bu nedenle tamamen filtreleyen çentik filtresinden önce ikinci sırada yer alır. Toplam devre, 50 Hz çentik aralığı dışında 0,5 - 250 Hz arasında amplifikasyonla beklenen sonuçları veren bir AC Süpürme simülasyonundan da geçirildi.

Adım 6: EKG Sinyallerinin Girilmesi ve Test Edilmesi

Devreye AC Süpürme yerine bir EKG sinyali sağlamak için voltaj kaynağınızı değiştirebilirsiniz. Bunu yapmak için, istediğiniz EKG sinyalini indirmeniz gerekecektir. Burada paraziti geliştirilmiş bir.wav dosyası ve burada bir clean.txt EKG sinyali buldum. ama daha iyilerini bulabilirsin..wav dosyası için ham girdi ve çıktı ekte görülebilir. Gürültüsüz geliştirilmiş bir EKG sinyalinin daha iyi görünen bir çıktı üretip üretmeyeceğini söylemek zor. Sinyale bağlı olarak, filtre sınırlarınızı biraz ayarlamanız gerekebilir. Temiz geçiş sinyali çıkışı da görülebilir.

Girişi değiştirmek için voltaj kaynağınızı seçin, PWL Dosyası ayarını seçin ve istediğiniz dosyayı seçin. Kullandığım dosya bir.wav dosyasıydı, bu yüzden LTSpice yönerge metnini "PWL File = " yerine "wavefile = " olarak değiştirmem gerekiyordu..txt dosyası girişi için PWL metnini olduğu gibi tutmalısınız.

Çıktıyı ideal bir EKG sinyaliyle karşılaştırmak, bileşen ince ayar ile iyileştirme için hala biraz yer olduğunu gösterir. Bununla birlikte, kaynak dosyanın şekli ve gürültüyle geliştirilmiş doğası göz önüne alındığında, bir P-dalgası, QRS ve T-dalgası çıkarabildiğimiz gerçeği harika bir ilk adımdır. Temiz EKG metin dosyası filtreden mükemmel bir şekilde geçebilmelidir.

Bu EKG giriş sinyali sonuçlarını nasıl yorumladığınıza dikkat edin. Yalnızca temiz.txt dosyasını kullanırsanız, bu, sisteminizin bir sinyali düzgün şekilde filtrelemek için çalıştığı anlamına gelmez - bu yalnızca önemli EKG bileşenlerinin filtrelenmediği anlamına gelir. Öte yandan,.wav dosyası hakkında daha fazla bilgi sahibi olmadan, dalga inversiyonlarının ve tek şekillerin kaynak dosyadan kaynaklanıp kaynaklanmadığını veya istenmeyen sinyallerin filtrelenmesinde bir sorun olup olmadığını anlamak zordur.