Acquisizione del segnale ECG simulato utilizzando LTSpice: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

La capacità del cuore di pompare è una funzione dei segnali elettrici. I medici possono leggere questi segnali su un ECG per diagnosticare vari problemi cardiaci. Tuttavia, prima che il segnale possa essere adeguatamente preparato da un medico, deve essere adeguatamente filtrato e amplificato. In questa guida, ti illustrerò come progettare un circuito per isolare i segnali ECG interrompendo questo circuito è stato suddiviso in tre semplici componenti: un amplificatore per strumentazione, un filtro passa banda e un filtro notch, con il taglio desiderato frequenze e guadagni determinati dalla letteratura pubblicata e dai modelli attuali.

Forniture:

Questa è una guida pensata per le simulazioni LTSpice, quindi l'unico materiale necessario per modellare i circuiti è un'applicazione LTSpice. Se desideri testare il tuo circuito con un file wav ECG, ho trovato il mio qui.

Passaggio 1: progettazione di un filtro passa-banda

I segnali ECG tipici hanno intervalli di frequenza di 0,5-250 Hz. Se sei curioso della teoria alla base di questo, leggi di leggere di più su questo qui o qui. Ai fini di questa guida, ciò significa che vogliamo filtrare tutto ciò che non si trova in quelle regioni. Possiamo farlo con un filtro passa banda. In base alle variabili pubblicate nello schema pubblicato, i filtri passa banda filtrano tra gli intervalli di 1/(2*pi*R1*C1) e 1/(2*pi*R2*C2). Amplificano anche il segnale di (R2/R1).

I valori sono stati scelti in modo che i valori di interruzione della frequenza corrispondessero ai limiti del segnale ECG desiderati e il guadagno sarebbe uguale a 100. Uno schema con questi valori sostituiti può essere visto nelle figure allegate.

Passaggio 2: progettazione del filtro notch

Ora che abbiamo filtrato tutto ciò che non rientra nella gamma di frequenza del segnale dell'ECG, è tempo di filtrare le distorsioni del rumore all'interno della sua gamma. Il rumore della linea elettrica è una delle distorsioni ECG più comuni e ha una frequenza di ~50 Hz. Poiché questo è all'interno dell'intervallo passa-banda, può essere eliminato con un filtro notch. Un filtro notch funziona rimuovendo una frequenza centrale con un valore di 1/(4*pi*R*C) in base allo schema allegato.

Sono stati scelti un valore di resistore e condensatore per filtrare il rumore a 50 Hz e i loro valori sono stati inseriti in uno schema allegato. Nota che questa non è l'unica combinazione di componenti RC che funzionerà; era proprio quello che ho scelto. Sentiti libero di calcolare e sceglierne di diversi!

Passaggio 3: progettazione dell'amplificatore per strumentazione

Anche un segnale ECG grezzo dovrà essere amplificato. Anche se quando costruiamo il circuito, metteremo prima l'amplificatore, è più facile pensare concettualmente dopo i filtri. Ciò è dovuto al fatto che il guadagno complessivo del circuito è parzialmente determinato dall'amplificazione passa banda (vedere il passaggio 1 per un aggiornamento).

La maggior parte degli ECG ha un guadagno di almeno 100 dB. Il guadagno in dB di un circuito è pari a 20*log|Vout / Vin|. Un Vout/Vin può essere risolto in termini di componenti resistivi mediante analisi nodale. Per il nostro circuito, questo porta a una nuova espressione di guadagno:

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

R1 e R2 provengono dal filtro passa banda (Fase 1) e R e RG sono componenti di questo amplificatore (vedi schema allegato). Risolvendo per un guadagno in dB di 100 si ottiene R/RG = 500. Sono stati selezionati i valori di R = 50 k ohm e RG = 100 ohm.

Passaggio 4: test dei componenti

Tutti i componenti sono stati testati separatamente con lo strumento di analisi dell'ottava AC Sweep di LTSpice. Sono stati selezionati parametri di 100 punti per ottava, frequenza iniziale di 0,01 Hz e frequenza finale di 100k Hz. Ho usato un'ampiezza di tensione di ingresso di 1V, ma puoi avere un'ampiezza diversa. L'importante risultato dello sweep AC è la forma delle uscite corrispondenti alle variazioni di frequenza.

Questi test dovrebbero produrre grafici simili a quelli allegati nei passaggi 1-3. Se non lo fanno, prova a ricalcolare i valori del resistore o del condensatore. È anche possibile che il tuo circuito vada in tilt perché non stai fornendo abbastanza tensione per alimentare gli amplificatori operazionali. Se la tua matematica R e C è corretta, prova ad aumentare la quantità di tensione che stai dando ai tuoi amplificatori operazionali.

Passaggio 5: mettere tutto insieme

Ora sei pronto per mettere insieme tutti i componenti. In genere, l'amplificazione viene eseguita prima della filtrazione, quindi l'amplificatore della strumentazione è stato messo per primo. Il filtro passa banda amplifica ulteriormente il segnale, quindi è stato messo in secondo piano, prima del filtro notch, che filtra puramente. Anche il circuito totale è stato sottoposto a una simulazione AC Sweep, che ha prodotto i risultati attesi con un'amplificazione compresa tra 0,5 e 250 Hz, ad eccezione dell'intervallo di tacca di 50 Hz.

Passaggio 6: immissione e test dei segnali ECG

È possibile modificare la sorgente di tensione per fornire al circuito un segnale ECG invece di un AC Sweep. Per fare ciò, sarà necessario scaricare il segnale ECG desiderato. Ho trovato un file.wav con rumore migliorato qui e un segnale ECG clean.txt qui. ma potresti trovarne di migliori. L'input e l'output non elaborati per il file.wav possono essere visualizzati in allegato. È difficile dire se un segnale ECG potenziato senza rumore produrrebbe o meno un'uscita dall'aspetto migliore. A seconda del segnale, potrebbe essere necessario regolare leggermente i limiti del filtro. Si può anche vedere l'uscita del segnale clean-pass.

Per modificare l'ingresso, seleziona la sorgente di tensione, scegli l'impostazione per PWL File e seleziona il file desiderato. Il file che ho usato era un file.wav, quindi avevo anche bisogno di cambiare il testo della direttiva LTSpice da "PWL File = " a "wavefile = ". Per l'input del file.txt, dovresti mantenere il testo PWL così com'è.

Il confronto dell'uscita con un segnale ECG ideale mostra che c'è ancora un margine di miglioramento con il ritocco dei componenti. Tuttavia, data la forma e la natura migliorata del rumore del file sorgente, il fatto che siamo stati in grado di estrarre un'onda P, QRS e un'onda T è un ottimo primo passo. Il file di testo ECG pulito dovrebbe essere in grado di passare perfettamente attraverso il filtro.

Nota fare attenzione a come interpretare questi risultati del segnale di ingresso ECG. Se usi solo il file.txt pulito, ciò non significa che il tuo sistema funzioni per filtrare correttamente un segnale, significa solo che i componenti ECG importanti non vengono filtrati. D'altra parte, senza sapere di più sul file.wav, è difficile stabilire se le inversioni d'onda e le forme strane siano dovute al file sorgente o se c'è un problema nel filtrare i segnali indesiderati.