دریافت سیگنال ECG شبیه سازی شده با استفاده از LTSpice: 7 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:51

توانایی قلب برای پمپاژ تابعی از سیگنال های الکتریکی است. پزشکان می توانند این علائم را بر روی نوار قلب برای تشخیص مشکلات مختلف قلب بخوانند. قبل از اینکه سیگنال توسط پزشک به درستی آماده شود ، باید به درستی فیلتر و تقویت شود. در این راهنما ، نحوه طراحی مدار برای جداسازی سیگنال های نوار قلب با شکستن این مدار به سه جزء ساده تقسیم می شود: تقویت کننده ابزار ، فیلتر باند گذر ، و فیلتر ناچ ، با قطع مورد نظر فرکانسها و دستاوردها توسط ادبیات منتشر شده و مدلهای فعلی تعیین می شود.

تدارکات:

این راهنمای شبیه سازی LTSpice است ، بنابراین تنها موادی که برای مدل سازی مدارها به آن احتیاج دارید ، برنامه LTSpice است. اگر می خواهید مدار خود را با یک فایل ECG wav آزمایش کنید ، من مدار خود را در اینجا پیدا کردم.

مرحله 1: طراحی یک فیلتر Band-pass

سیگنالهای معمولی ECG دارای محدوده فرکانسی 0.5-250 هرتز هستند. اگر درباره نظریه پشت این موضوع کنجکاو هستید ، بخوانید تا در اینجا یا اینجا بیشتر بخوانید. از نظر این راهنما ، منظور ما این است که ما می خواهیم همه چیز را در آن مناطق فیلتر کنیم. ما می توانیم این کار را با یک فیلتر باند گذر انجام دهیم. بر اساس متغیرهای ارسال شده در شماتیک ارسال شده ، فیلترهای عبور باند بین محدوده های 1/(2*pi*R1*C1) و 1/(2*pi*R2*C2) فیلتر می کنند. آنها همچنین سیگنال را با (R2/R1) تقویت می کنند.

مقادیر به گونه ای انتخاب شده اند که مقادیر قطع فرکانس با محدوده سیگنال ECG مطلوب مطابقت داشته باشد و سود برابر با 100 باشد. شماتیک با این مقادیر جایگزین شده در شکل های پیوست قابل مشاهده است.

مرحله 2: طراحی فیلتر ناچ

اکنون که همه چیز را در محدوده فرکانس سیگنال ECG فیلتر کرده ایم ، زمان آن رسیده است که اعوجاج نویز را در محدوده آن فیلتر کنیم. نویز خطوط برق یکی از شایع ترین اعوجاج نوار قلب است و فرکانس آن 50 ~ هرتز است. از آنجا که این محدوده در محدوده باند گذر است ، می توان آن را با فیلتر ناچ خارج کرد. فیلتر ناچ با حذف فرکانس مرکزی با مقدار 1/(4*pi*R*C) بر اساس شماتیک پیوست کار می کند.

مقدار مقاومت و خازن برای فیلتر کردن نویز 50 هرتز انتخاب شد و مقادیر آنها در شماتیک پیوست متصل شد. توجه داشته باشید که این تنها ترکیب اجزای RC نیست که کار می کند. این فقط چیزی بود که من انتخاب کردم با خیال راحت محاسبه کنید و موارد مختلف را انتخاب کنید!

مرحله 3: طراحی تقویت کننده ابزار دقیق

سیگنال ECG خام نیز باید تقویت شود. اگرچه وقتی مدار را می سازیم ، آمپلی فایر را در اولویت قرار می دهیم ، اما از نظر مفهومی راحت تر است که بعد از فیلترها فکر کنیم. این به این دلیل است که افزایش کلی مدار تا حدی با تقویت باند گذر تعیین می شود (برای تازه سازی به مرحله 1 مراجعه کنید).

بیشتر ECG ها حداقل 100 دسی بل افزایش دارند. افزایش dB مدار برابر 20*log | Vout / Vin |. Vout/Vin را می توان از نظر اجزای مقاومتی با تجزیه و تحلیل گره حل کرد. برای مدار ما ، این منجر به یک عبارت جدید افزایش می شود:

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

R1 و R2 از فیلتر باند گذر هستند (مرحله 1) ، و R و RG اجزای این تقویت کننده هستند (به شماتیک ضمیمه شده مراجعه کنید). حل برای افزایش dB 100 بازده R/RG = 500. مقادیر R = 50k اهم و RG = 100 اهم انتخاب شد.

مرحله 4: آزمایش اجزاء

همه اجزا به طور جداگانه با ابزار تجزیه و تحلیل اکتاو AC Sweep LTSpice آزمایش شدند. پارامترهای 100 نقطه در هر اکتاو ، 0.01 هرتز فرکانس شروع ، و فرکانس پایان 100k هرتز انتخاب شدند. من از دامنه ولتاژ ورودی 1 ولت استفاده کردم ، اما شما می توانید از دامنه متفاوتی استفاده کنید. راه دور مهم رفت و برگشت AC شکل خروجی های مربوط به تغییرات فرکانس است.

این آزمایشها باید نمودارهایی مشابه نمونه های پیوست شده در مراحل 1-3 ارائه دهند. اگر جواب منفی دادند ، مقادیر مقاومت یا خازن خود را دوباره محاسبه کنید. این احتمال نیز وجود دارد که مدار شما به دلیل اینکه ولتاژ کافی برای تغذیه آمپرهای آمپر را تامین نمی کنید ، به ریل برسد. اگر ریاضی R و C شما درست است ، سعی کنید مقدار ولتاژی را که به آمپر (های) خود می دهید افزایش دهید.

مرحله 5: همه چیز را با هم ترکیب کنید

اکنون ، شما آماده هستید که همه اجزا را با هم ترکیب کنید. به طور معمول ، تقویت قبل از فیلتراسیون انجام می شود ، بنابراین ابتدا تقویت کننده ابزار دقیق قرار داده می شود. فیلتر باند عبور سیگنال را بیشتر تقویت می کند ، بنابراین قبل از فیلتر ناچ ، که کاملاً فیلتر می کند ، دوم قرار می گیرد. مدار کلی از طریق شبیه سازی AC Sweep نیز اجرا شد ، که نتایج مورد انتظار را با تقویت بین 0.5 تا 250 هرتز ، به جز محدوده بریدگی 50 هرتز تولید کرد.

مرحله 6: وارد کردن و آزمایش سیگنال های ECG

می توانید منبع ولتاژ خود را عوض کنید تا به جای AC Sweep ، سیگنال ECG به مدار ارائه شود. برای انجام این کار ، باید سیگنال ECG مورد نظر خود را بارگیری کنید. من یک فایل.wav تقویت شده با نویز در اینجا و یک سیگنال ECG clean.txt در اینجا پیدا کردم. اما شاید بتوانید موارد بهتر را پیدا کنید. پیوند ورودی و خروجی خام فایل.wav در پیوست قابل مشاهده است. نمی توان گفت آیا سیگنال ECG بدون نویز خروجی بهتری تولید می کند یا خیر. بسته به سیگنال ، ممکن است لازم باشد محدوده فیلتر خود را کمی تنظیم کنید. خروجی سیگنال پاک گذر نیز دیده می شود.

برای تغییر ورودی ، منبع ولتاژ خود را انتخاب کنید ، تنظیمات مربوط به PWL File را انتخاب کرده و فایل مورد نظر خود را انتخاب کنید. فایلی که استفاده کردم یک فایل.wav بود ، بنابراین من همچنین نیاز به تغییر متن دستورالعمل LTSpice از "PWL File =" به "wavefile =" داشتم. برای ورودی فایل.txt ، باید متن PWL را همانطور که هست نگه دارید.

مقایسه خروجی با یک سیگنال ECG ایده آل نشان می دهد که هنوز با بهبود تنظیمات قطعات هنوز جایی برای بهبود وجود دارد. با این حال ، با توجه به شکل و افزایش نویز فایل منبع ، این واقعیت که ما قادر به استخراج موج P ، QRS و موج T هستیم ، اولین گام عالی است. فایل متنی ECG تمیز باید بتواند به طور کامل از فیلتر عبور کند.

توجه داشته باشید که چگونه این نتایج سیگنال ورودی ECG را تفسیر می کنید. اگر فقط از فایل.txt تمیز استفاده می کنید ، این بدان معنا نیست که سیستم شما به طور صحیح سیگنال را فیلتر می کند - این بدان معناست که اجزای مهم ECG فیلتر نشده اند. از سوی دیگر ، بدون اطلاع بیشتر در مورد فایل.wav ، به سختی می توان وارونگی موج و شکل های عجیب را ناشی از فایل منبع دانست یا اینکه در فیلتر کردن سیگنال های ناخواسته مشکلی وجود دارد.