Получение симулированного сигнала ЭКГ с использованием LTSpice: 7 шагов

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-23 15:04

Способность сердца перекачивать кровь - это функция электрических сигналов. Клиницисты могут считывать эти сигналы на ЭКГ, чтобы диагностировать различные проблемы с сердцем. Однако перед тем, как врач сможет правильно обработать сигнал, он должен быть должным образом отфильтрован и усилен. В этом руководстве я расскажу, как разработать схему для изоляции сигналов ЭКГ путем разрыва этой цепи, которая была разбита на три простых компонента: инструментальный усилитель, полосовой фильтр и режекторный фильтр с желаемой отсечкой. частоты и коэффициенты усиления определены опубликованной литературой и текущими моделями.

Запасы:

Это руководство, предназначенное для моделирования LTSpice, поэтому единственный материал, который вам понадобится для моделирования схем, - это приложение LTSpice. Если вы хотите протестировать свою схему с помощью файла ЭКГ в формате wav, я нашел свой здесь.

Шаг 1: разработка полосового фильтра

Типичные сигналы ЭКГ имеют частотный диапазон 0,5–250 Гц. Если вам интересно узнать о теории, лежащей в основе этого, прочтите, чтобы узнать больше об этом здесь или здесь. Для целей данного руководства это означает, что мы хотим отфильтровать все, что не находится в этих регионах. Мы можем сделать это с помощью полосового фильтра. На основе переменных, размещенных в опубликованной схеме, полосовые фильтры фильтруют между диапазонами 1 / (2 * pi * R1 * C1) и 1 / (2 * pi * R2 * C2). Они также усиливают сигнал на (R2 / R1).

Значения были выбраны таким образом, чтобы значения отсечки частоты соответствовали желаемым границам сигнала ЭКГ, а коэффициент усиления был бы равен 100. Схема с этими значениями, подставленными в, можно увидеть на прилагаемых рисунках.

Шаг 2: проектирование режекторного фильтра

Теперь, когда мы отфильтровали все, что не входит в частотный диапазон сигнала ЭКГ, пора отфильтровать шумовые искажения в пределах этого диапазона. Шум линии электропередачи является одним из наиболее распространенных искажений ЭКГ и имеет частоту ~ 50 Гц. Поскольку это находится в полосе пропускания, его можно убрать с помощью режекторного фильтра. Режекторный фильтр работает, удаляя центральную частоту со значением 1 / (4 * pi * R * C) на основе прилагаемой схемы.

Номинал резистора и конденсатора были выбраны для фильтрации шума 50 Гц, и их значения были включены в прилагаемую схему. Обратите внимание, что это не единственная комбинация компонентов RC, которая будет работать; это было именно то, что я выбрал. Смело рассчитывайте и выбирайте разные!

Шаг 3: проектирование инструментального усилителя

Необработанный сигнал ЭКГ также необходимо усилить. Хотя, когда мы строим схему, мы ставим усилитель на первое место, но концептуально проще думать после фильтров. Это связано с тем, что общий коэффициент усиления схемы частично определяется полосовым усилением (см. Шаг 1 для обновления).

Большинство ЭКГ имеют усиление не менее 100 дБ. Коэффициент усиления схемы в дБ равен 20 * log | Vout / Vin |. Vout / Vin можно определить с точки зрения резистивных компонентов с помощью узлового анализа. Для нашей схемы это приводит к новому выражению усиления:

Усиление дБ = 20 * log | (R2 / R1) * (1 + 2 * R / RG) |

R1 и R2 от полосового фильтра (шаг 1), а R и RG - компоненты от этого усилителя (см. Прилагаемую схему). Решение для усиления 100 дБ дает R / RG = 500. Были выбраны значения R = 50 кОм и RG = 100 Ом.

Шаг 4: Тестирование компонентов

Все компоненты были отдельно протестированы с помощью инструмента октавного анализа LTSpice AC Sweep. Были выбраны параметры: 100 точек на октаву, начальная частота 0,01 Гц и конечная частота 100 кГц. Я использовал амплитуду входного напряжения 1В, но можно и другую амплитуду. Важный вывод из развертки переменного тока - это форма выходных сигналов, соответствующая изменениям частот.

Эти тесты должны дать графики, подобные тем, которые прилагаются на шагах 1-3. Если нет, попробуйте пересчитать значения резистора или конденсатора. Также возможно, что ваша схема переключается, потому что вы не обеспечиваете достаточное напряжение для питания операционных усилителей. Если ваша математика R и C верна, попробуйте увеличить напряжение, которое вы подаете на операционные усилители.

Шаг 5: Собираем все вместе

Теперь вы готовы собрать все компоненты вместе. Обычно усиление выполняется перед фильтрацией, поэтому сначала был установлен инструментальный усилитель. Полосовой фильтр дополнительно усиливает сигнал, поэтому он был поставлен вторым перед режекторным фильтром, который выполняет чистую фильтрацию. Полная схема также была пропущена через симуляцию AC Sweep, которая дала ожидаемые результаты с усилением от 0,5 до 250 Гц, за исключением диапазона режекции 50 Гц.

Шаг 6: Ввод и проверка сигналов ЭКГ

Вы можете изменить источник напряжения для подачи в схему сигнала ЭКГ вместо развертки переменного тока. Для этого вам нужно будет загрузить желаемый сигнал ЭКГ. Я нашел здесь файл.wav с усиленным шумом, а здесь - сигнал ЭКГ clean.txt. но вы можете найти лучшие. Необработанный ввод и вывод для файла.wav можно увидеть в приложении. Трудно сказать, даст ли сигнал ЭКГ без шумов более качественный выходной сигнал. В зависимости от сигнала вам может потребоваться немного отрегулировать границы фильтра. Также можно увидеть выходной сигнал чистого прохода.

Чтобы изменить вход, выберите источник напряжения, выберите настройку для PWL File и выберите желаемый файл. Я использовал файл.wav, поэтому мне также нужно было изменить текст директивы LTSpice с «PWL File =» на «wavefile =». Для ввода файла.txt следует оставить текст PWL как есть.

Сравнение выходного сигнала с идеальным сигналом ЭКГ показывает, что есть еще кое-что для улучшения с помощью настройки компонентов. Однако, учитывая форму и природу исходного файла с усилением шума, тот факт, что мы смогли выделить зубцы P, QRS и T, является отличным первым шагом. Чистый текстовый файл ЭКГ должен безупречно проходить через фильтр.

Обратите внимание, будьте осторожны при интерпретации этих результатов входного сигнала ЭКГ. Если вы используете только чистый файл.txt, это не означает, что ваша система правильно фильтрует сигнал - это означает только то, что важные компоненты ЭКГ не отфильтровываются. С другой стороны, не зная больше о файле.wav, трудно определить, связаны ли волновые инверсии и странные формы с исходным файлом или возникла проблема с фильтрацией нежелательных сигналов.