การรับสัญญาณ ECG จำลองโดยใช้ LTSpice: 7 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

ความสามารถของหัวใจในการสูบฉีดเป็นหน้าที่ของสัญญาณไฟฟ้า แพทย์สามารถอ่านสัญญาณเหล่านี้บน ECG เพื่อวินิจฉัยปัญหาหัวใจต่างๆ ก่อนที่สัญญาณจะพร้อมโดยแพทย์ แม้ว่าสัญญาณนั้นจะต้องถูกกรองและขยายอย่างเหมาะสม ในคู่มือนี้ ฉันจะอธิบายวิธีออกแบบวงจรเพื่อแยกสัญญาณ ECG โดยแบ่งวงจรนี้ออกเป็นสามองค์ประกอบง่ายๆ: แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด ฟิลเตอร์แบนด์พาส และฟิลเตอร์บากที่มีจุดตัดที่ต้องการ ความถี่และอัตราขยายที่กำหนดโดยวรรณกรรมที่ตีพิมพ์และแบบจำลองปัจจุบัน

เสบียง:

นี่คือคู่มือสำหรับการจำลอง LTSpice ดังนั้นวัสดุเดียวที่คุณต้องใช้ในการสร้างแบบจำลองวงจรคือแอปพลิเคชัน LTSpice หากคุณต้องการทดสอบวงจรของคุณด้วยไฟล์ ECG wav ฉันพบของฉันที่นี่

ขั้นตอนที่ 1: การออกแบบตัวกรองแบนด์พาส

สัญญาณ ECG ทั่วไปมีช่วงความถี่ 0.5-250 Hz หากคุณอยากรู้เกี่ยวกับทฤษฎีเบื้องหลัง โปรดอ่านรายละเอียดเพิ่มเติมที่นี่หรือที่นี่ ตามวัตถุประสงค์ของคู่มือนี้ หมายความว่าเราต้องการกรองทุกสิ่งที่ไม่ได้อยู่ในภูมิภาคเหล่านั้นออก เราสามารถทำได้ด้วยตัวกรองแบนด์พาส ตามตัวแปรที่โพสต์ในแผนผังที่โพสต์ ตัวกรองแบนด์พาสกรองระหว่างช่วง 1/(2*pi*R1*C1) และ 1/(2*pi*R2*C2) พวกเขายังขยายสัญญาณโดย (R2/R1)

ค่าถูกเลือกเพื่อให้ค่าที่ตัดความถี่จะตรงกับขอบเขตสัญญาณ ECG ที่ต้องการและเกนจะเท่ากับ 100 แผนผังที่มีค่าเหล่านี้แทนค่าสามารถเห็นได้ในรูปที่แนบมา

ขั้นตอนที่ 2: การออกแบบ Notch Filter

ตอนนี้เราได้กรองทุกอย่างที่ไม่อยู่ในช่วงความถี่สัญญาณของ ECG แล้ว ถึงเวลากรองการบิดเบือนของสัญญาณรบกวนภายในช่วงสัญญาณออก สัญญาณรบกวนจากสายไฟเป็นหนึ่งในการบิดเบือนคลื่นไฟฟ้าหัวใจที่พบบ่อยที่สุดและมีความถี่ ~50 Hz เนื่องจากอยู่ในช่วงแบนด์พาส จึงสามารถถอดฟิลเตอร์บากออกได้ ตัวกรองรอยบากทำงานโดยการลบความถี่กลางที่มีค่า 1/(4*pi*R*C) ตามแผนผังที่แนบมา

ค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุถูกเลือกเพื่อกรองสัญญาณรบกวน 50 Hz และค่าของพวกมันถูกเสียบเข้ากับแผนผังที่แนบมา โปรดทราบว่านี่ไม่ใช่การรวมกันของส่วนประกอบ RC เท่านั้นที่จะใช้งานได้ มันเป็นเพียงสิ่งที่ฉันเลือก อย่าลังเลที่จะคำนวณและเลือกอันอื่น!

ขั้นตอนที่ 3: การออกแบบเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ

จะต้องมีการขยายสัญญาณ ECG แบบดิบด้วย แม้ว่าเมื่อเราสร้างวงจร เราจะใส่แอมพลิฟายเออร์ก่อน แต่แนวคิดหลังตัวกรองจะง่ายกว่า ทั้งนี้เนื่องจากอัตราขยายโดยรวมของวงจรบางส่วนถูกกำหนดโดยการขยายสัญญาณผ่านย่านความถี่ (ดูขั้นตอนที่ 1 สำหรับการทบทวนใหม่)

คลื่นไฟฟ้าหัวใจส่วนใหญ่มีอัตราขยายอย่างน้อย 100 เดซิเบล การเพิ่ม dB ของวงจรเท่ากับ 20*log|Vout / Vin| Vout/Vin สามารถแก้ไขได้ในแง่ของส่วนประกอบต้านทานโดยการวิเคราะห์ปม สำหรับวงจรของเรา สิ่งนี้นำไปสู่การแสดงออกใหม่:

dB เกน = 20*log|(R2/R1)*(1+2*R/RG)|

R1 และ R2 มาจากตัวกรองแบนด์พาส (ขั้นตอนที่ 1) และ R และ RG เป็นส่วนประกอบจากแอมพลิฟายเออร์นี้ (ดูแผนผังที่แนบมา) การแก้ปัญหาเพื่อให้ได้ dB เพิ่มขึ้น 100 ได้ R/RG = 500 เลือกค่า R = 50k ohms และ RG = 100 ohms

ขั้นตอนที่ 4: การทดสอบส่วนประกอบ

ส่วนประกอบทั้งหมดได้รับการทดสอบแยกต่างหากด้วยเครื่องมือวิเคราะห์ AC Sweep อ็อกเทฟอ็อกเทฟของ LTSpice เลือกพารามิเตอร์ 100 จุดต่ออ็อกเทฟ ความถี่เริ่มต้น 0.01 Hz และความถี่สิ้นสุด 100k Hz ฉันใช้แอมพลิจูดแรงดันอินพุต 1V แต่คุณสามารถใช้แอมพลิจูดอื่นได้ สิ่งสำคัญที่หลีกเลี่ยงจากการกวาดกระแสสลับคือรูปร่างของเอาต์พุตที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงความถี่

การทดสอบเหล่านี้ควรให้กราฟคล้ายกับที่แนบมาในขั้นตอนที่ 1-3 หากไม่เป็นเช่นนั้น ให้ลองคำนวณค่าตัวต้านทานหรือตัวเก็บประจุใหม่ อาจเป็นไปได้ว่ารางวงจรของคุณเนื่องจากคุณไม่ได้ให้แรงดันไฟฟ้าเพียงพอที่จะจ่ายไฟให้กับออปแอมป์ หากคณิตศาสตร์ R และ C ของคุณถูกต้อง ให้ลองเพิ่มปริมาณแรงดันไฟฟ้าที่คุณให้กับออปแอมป์ของคุณ

ขั้นตอนที่ 5: นำทุกอย่างมารวมกัน

ตอนนี้ คุณพร้อมที่จะรวมส่วนประกอบทั้งหมดเข้าด้วยกันแล้ว โดยปกติ การขยายเสียงจะดำเนินการก่อนการกรอง ดังนั้นให้ใส่เครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัดก่อน ตัวกรองแบนด์พาสขยายสัญญาณเพิ่มเติม ดังนั้นมันจึงถูกวางไว้ที่สอง ก่อนตัวกรองรอยบาก ซึ่งกรองอย่างหมดจด วงจรทั้งหมดดำเนินการผ่านการจำลอง AC Sweep เช่นกัน ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่คาดหวังด้วยการขยายเสียงระหว่าง 0.5 - 250 Hz ยกเว้นช่วงรอยบาก 50 Hz

ขั้นตอนที่ 6: การป้อนและทดสอบสัญญาณ ECG

คุณสามารถเปลี่ยนแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าเพื่อจ่ายให้กับวงจรด้วยสัญญาณ ECG แทนการใช้ AC Sweep ในการดำเนินการนี้ คุณจะต้องดาวน์โหลดสัญญาณ ECG ที่คุณต้องการ ฉันพบไฟล์.wav ที่เพิ่มเสียงรบกวนที่นี่ และสัญญาณ ECG แบบ clean.txt ที่นี่ แต่คุณอาจจะสามารถหาสิ่งที่ดีกว่านี้ได้ สามารถแนบอินพุตและเอาต์พุตดิบสำหรับไฟล์.wav ได้ เป็นการยากที่จะบอกว่าสัญญาณ ECG ที่ปรับปรุงโดยไม่มีสัญญาณรบกวนจะให้เอาต์พุตที่ดูดีขึ้นหรือไม่ คุณอาจต้องปรับขอบเขตตัวกรองเล็กน้อย ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสัญญาณ นอกจากนี้ยังสามารถเห็นเอาต์พุตสัญญาณคลีนพาสได้อีกด้วย

ในการเปลี่ยนอินพุต ให้เลือกแหล่งแรงดันไฟฟ้า เลือกการตั้งค่าสำหรับไฟล์ PWL และเลือกไฟล์ที่คุณต้องการ ไฟล์ที่ฉันใช้คือไฟล์.wav ดังนั้นฉันจึงจำเป็นต้องเปลี่ยนข้อความคำสั่ง LTSpice จาก "PWL File = " เป็น "wavefile = " สำหรับอินพุตไฟล์.txt คุณควรเก็บข้อความ PWL ไว้เหมือนเดิม

การเปรียบเทียบเอาท์พุตกับสัญญาณ ECG ในอุดมคติแสดงให้เห็นว่ายังมีช่องว่างสำหรับการปรับปรุงด้วยการปรับแต่งส่วนประกอบ อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาถึงรูปร่างและลักษณะที่เพิ่มเสียงรบกวนของไฟล์ต้นฉบับ การที่เราสามารถแยก P-wave, QRS และ T-wave ได้จึงเป็นก้าวแรกที่ยอดเยี่ยม ไฟล์ข้อความ ECG ที่สะอาดควรจะสามารถผ่านตัวกรองได้อย่างสมบูรณ์

โปรดใช้ความระมัดระวังว่าคุณตีความผลลัพธ์สัญญาณอินพุต ECG เหล่านี้อย่างไร หากคุณใช้เฉพาะไฟล์.txt ที่สะอาด ไม่ได้หมายความว่าระบบของคุณทำงานเพื่อกรองสัญญาณได้อย่างถูกต้อง แต่หมายความว่าส่วนประกอบ ECG ที่สำคัญจะไม่ถูกกรองออก ในทางกลับกัน หากไม่ทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับไฟล์.wav เป็นเรื่องยากที่จะทราบว่าการกลับตัวของคลื่นและรูปร่างแปลก ๆ นั้นเกิดจากไฟล์ต้นฉบับหรือไม่ หรือมีปัญหาในการกรองสัญญาณที่ไม่ต้องการออกไป