Simulierte EKG-Signalerfassung mit LTSpice - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Die Pumpfähigkeit des Herzens ist eine Funktion elektrischer Signale. Ärzte können diese Signale auf einem EKG ablesen, um verschiedene Herzprobleme zu diagnostizieren. Bevor das Signal jedoch von einem Kliniker richtig verarbeitet werden kann, muss es richtig gefiltert und verstärkt werden. In diesem Handbuch werde ich Sie durch den Entwurf einer Schaltung zum Isolieren von EKG-Signalen führen, indem Sie diese Schaltung in drei einfache Komponenten aufteilen: einen Instrumentenverstärker, einen Bandpassfilter und einen Sperrfilter mit gewünschtem Cut-Off Frequenzen und Verstärkungen, die durch veröffentlichte Literatur und aktuelle Modelle bestimmt werden.

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Dies ist eine Anleitung für LTSpice-Simulationen, daher ist das einzige Material, das Sie zum Modellieren der Schaltungen benötigen, eine LTSpice-Anwendung. Wenn Sie Ihre Schaltung mit einer EKG-Wav-Datei testen möchten, habe ich meine hier gefunden.

Schritt 1: Entwerfen eines Bandpassfilters

Typische EKG-Signale haben Frequenzbereiche von 0,5-250 Hz. Wenn Sie neugierig auf die Theorie dahinter sind, lesen Sie hier oder hier mehr darüber. Für die Zwecke dieses Leitfadens bedeutet dies, dass wir alles herausfiltern möchten, was sich nicht in diesen Regionen befindet. Wir können dies mit einem Bandpassfilter tun. Basierend auf den veröffentlichten Variablen im veröffentlichten Schaltplan filtern Bandpassfilter zwischen Bereichen von 1/(2*pi*R1*C1) und 1/(2*pi*R2*C2). Außerdem verstärken sie das Signal um (R2/R1).

Die Werte wurden so gewählt, dass die Frequenzgrenzwerte den gewünschten EKG-Signalgrenzen entsprechen und die Verstärkung gleich 100 ist. Ein Schema mit diesen Werten ist in den beigefügten Abbildungen zu sehen.

Schritt 2: Entwerfen des Notch-Filters

Nachdem wir nun alles herausgefiltert haben, was nicht im Signalfrequenzbereich des EKGs liegt, ist es an der Zeit, Rauschverzerrungen innerhalb seines Bereichs herauszufiltern. Netzrauschen ist eine der häufigsten EKG-Verzerrungen und hat eine Frequenz von ~50 Hz. Da dieser im Bandpassbereich liegt, kann er mit einem Notch-Filter entfernt werden. Ein Notch-Filter funktioniert durch Entfernen einer Mittenfrequenz mit einem Wert von 1/(4*pi*R*C) basierend auf dem beigefügten Schaltplan.

Ein Widerstand und ein Kondensatorwert wurden ausgewählt, um 50 Hz-Rauschen herauszufiltern, und ihre Werte wurden in einen beigefügten Schaltplan gesteckt. Beachten Sie, dass dies nicht die einzige Kombination von RC-Komponenten ist, die funktioniert; es war genau das, was ich gewählt habe. Fühlen Sie sich frei zu berechnen und verschiedene zu wählen!

Schritt 3: Entwerfen des Instrumentierungsverstärkers

Ein Roh-EKG-Signal muss ebenfalls verstärkt werden. Obwohl beim Aufbau der Schaltung der Verstärker an erster Stelle steht, ist es konzeptionell einfacher, nach den Filtern zu denken. Dies liegt daran, dass die Gesamtverstärkung der Schaltung teilweise durch die Bandpassverstärkung bestimmt wird (siehe Schritt 1 für eine Auffrischung).

Die meisten EKGs haben eine Verstärkung von mindestens 100 dB. Die dB-Verstärkung einer Schaltung ist gleich 20*log|Vout/Vin|. Ein Vout/Vin kann in Bezug auf Widerstandskomponenten durch Knotenanalyse aufgelöst werden. Für unsere Schaltung führt dies zu einem neuen Verstärkungsausdruck:

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

R1 und R2 stammen vom Bandpassfilter (Schritt 1), und R und RG sind Komponenten dieses Verstärkers (siehe beigefügtes Schema). Das Auflösen nach einer dB-Verstärkung von 100 ergibt R/RG = 500. Es wurden Werte von R = 50 kOhm und RG = 100 Ohm gewählt.

Schritt 4: Testen der Komponenten

Alle Komponenten wurden separat mit dem Oktavanalysetool AC Sweep von LTSpice getestet. Es wurden Parameter von 100 Punkten pro Oktave, 0,01 Hz Startfrequenz und 100 kHz Endfrequenz ausgewählt. Ich habe eine Eingangsspannungsamplitude von 1 V verwendet, aber Sie können eine andere Amplitude verwenden. Die wichtige Erkenntnis aus dem AC-Sweep ist die Form der Ausgänge, die Frequenzänderungen entsprechen.

Diese Tests sollten ähnliche Grafiken wie die in den Schritten 1-3 angehängten ergeben. Wenn dies nicht der Fall ist, versuchen Sie, Ihre Widerstands- oder Kondensatorwerte neu zu berechnen. Es ist auch möglich, dass Ihre Schaltungsschienen nicht genügend Spannung haben, um die Operationsverstärker mit Strom zu versorgen. Wenn Ihre R- und C-Mathematik richtig ist, versuchen Sie, die Spannung zu erhöhen, die Sie an Ihre Operationsverstärker geben.

Schritt 5: Alles zusammenfügen

Jetzt können Sie alle Komponenten zusammensetzen. Normalerweise wird die Verstärkung vor der Filterung durchgeführt, daher wurde der Instrumentenverstärker an erster Stelle gesetzt. Der Bandpassfilter verstärkt das Signal weiter, so dass er vor dem Notchfilter, der rein filtert, an zweiter Stelle steht. Die gesamte Schaltung wurde auch einer AC-Sweep-Simulation unterzogen, die die erwarteten Ergebnisse mit einer Verstärkung zwischen 0,5 - 250 Hz lieferte, mit Ausnahme des 50-Hz-Notch-Bereichs.

Schritt 6: EKG-Signale eingeben und testen

Sie können Ihre Spannungsquelle ändern, um den Stromkreis mit einem EKG-Signal anstelle eines AC-Sweeps zu versorgen. Dazu müssen Sie Ihr gewünschtes EKG-Signal herunterladen. Ich habe hier eine rauschverstärkte.wav-Datei und hier ein sauberes.txt-EKG-Signal gefunden. aber vielleicht findest du bessere. Die rohe Eingabe und Ausgabe für die.wav-Datei ist im Anhang zu sehen. Es ist schwer zu sagen, ob ein nicht rauschverstärktes EKG-Signal eine besser aussehende Ausgabe erzeugen würde oder nicht. Je nach Signal müssen Sie möglicherweise Ihre Filtergrenzen leicht anpassen. Der Clean-Pass-Signalausgang ist ebenfalls zu sehen.

Um den Eingang zu ändern, wählen Sie Ihre Spannungsquelle, wählen Sie die Einstellung für PWL-Datei und wählen Sie Ihre gewünschte Datei aus. Die von mir verwendete Datei war eine.wav-Datei, daher musste ich auch den Text der LTSpice-Anweisung von "PWL File = " in "wavefile = " ändern. Für die Eingabe der.txt-Datei sollten Sie den PWL-Text unverändert lassen.

Der Vergleich der Ausgabe mit einem idealen EKG-Signal zeigt, dass es bei der Komponentenoptimierung noch Raum für Verbesserungen gibt. Angesichts der Form und des rauschverstärkten Charakters der Quelldatei ist die Tatsache, dass wir jedoch eine P-Welle, QRS und T-Welle extrahieren konnten, ein großartiger erster Schritt. Die saubere EKG-Textdatei sollte den Filter perfekt passieren können.

Beachten Sie, wie Sie diese Ergebnisse des EKG-Eingangssignals interpretieren. Wenn Sie nur die saubere.txt-Datei verwenden, bedeutet dies nicht, dass Ihr System ein Signal richtig filtert – es bedeutet nur, dass die wichtigen EKG-Komponenten nicht herausgefiltert werden. Auf der anderen Seite, ohne mehr über die.wav-Datei zu wissen, ist es schwer zu erkennen, ob die Welleninversionen und ungeraden Formen auf die Quelldatei zurückzuführen sind oder ob es ein Problem beim Herausfiltern unerwünschter Signale gibt.