Thu nhận tín hiệu ECG được mô phỏng bằng LTSpice: 7 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Khả năng bơm của tim là một chức năng của các tín hiệu điện. Các bác sĩ lâm sàng có thể đọc những tín hiệu này trên điện tâm đồ để chẩn đoán các vấn đề về tim khác nhau. Tuy nhiên, trước khi tín hiệu có thể sẵn sàng đúng cách bởi bác sĩ lâm sàng, nó phải được lọc và khuếch đại đúng cách. Trong hướng dẫn này, tôi sẽ hướng dẫn bạn cách thiết kế một mạch để cô lập tín hiệu ECG bằng cách ngắt mạch này được chia thành ba thành phần đơn giản: bộ khuếch đại thiết bị đo, bộ lọc thông dải và bộ lọc notch, với mức cắt mong muốn tần số và lợi nhuận được xác định bởi các tài liệu đã xuất bản và các mô hình hiện tại.

Quân nhu:

Đây là hướng dẫn dành cho mô phỏng LTSpice, vì vậy tài liệu duy nhất bạn cần để tạo mô hình mạch là một ứng dụng LTSpice. Nếu bạn muốn kiểm tra mạch của mình bằng tệp wav ECG, tôi đã tìm thấy mạch của mình ở đây.

Bước 1: Thiết kế Bộ lọc băng thông

Tín hiệu ECG điển hình có dải tần từ 0,5-250 Hz. Nếu bạn tò mò về lý thuyết đằng sau điều này, hãy đọc để đọc thêm về điều này tại đây hoặc tại đây. Theo mục đích của hướng dẫn này, điều này có nghĩa là chúng tôi muốn lọc ra mọi thứ không có trong các khu vực đó. Chúng ta có thể làm điều này với bộ lọc băng thông. Dựa trên các biến đã đăng trong lược đồ đã đăng, bộ lọc thông dải giữa các phạm vi 1 / (2 * pi * R1 * C1) và 1 / (2 * pi * R2 * C2). Chúng cũng khuếch đại tín hiệu bằng (R2 / R1).

Các giá trị được chọn sao cho các giá trị cắt tần số sẽ phù hợp với giới hạn tín hiệu ECG mong muốn và độ lợi sẽ bằng 100. Sơ đồ với các giá trị này được thay thế có thể được nhìn thấy trong các hình đính kèm.

Bước 2: Thiết kế Bộ lọc Notch

Bây giờ chúng ta đã lọc ra mọi thứ không nằm trong dải tần số tín hiệu của ECG, đã đến lúc lọc ra các biến dạng nhiễu trong phạm vi của nó. Nhiễu đường dây điện là một trong những biến dạng điện tâm đồ phổ biến nhất và có tần số ~ 50 Hz. Vì điều này nằm trong phạm vi băng thông, nó có thể được lấy ra bằng một bộ lọc khía. Bộ lọc notch hoạt động bằng cách loại bỏ tần số trung tâm có giá trị 1 / (4 * pi * R * C) dựa trên sơ đồ đính kèm.

Giá trị điện trở và tụ điện được chọn để lọc nhiễu 50 Hz và giá trị của chúng được cắm vào sơ đồ đính kèm. Lưu ý rằng đây không phải là sự kết hợp duy nhất của các thành phần RC sẽ hoạt động; nó chỉ là những gì tôi đã chọn. Hãy tính toán và chọn những cái khác nhau!

Bước 3: Thiết kế Bộ khuếch đại dụng cụ

Một tín hiệu ECG thô cũng sẽ cần được khuếch đại. Mặc dù khi chúng tôi xây dựng mạch, chúng tôi sẽ đặt bộ khuếch đại đầu tiên, nó dễ dàng hơn để nghĩ về khái niệm sau các bộ lọc. Điều này là do độ lợi tổng thể của mạch được xác định một phần bởi khuếch đại băng thông (Xem Bước 1 để biết thêm chi tiết).

Hầu hết các điện tâm đồ có mức tăng ít nhất 100 dB. Độ tăng dB của mạch bằng 20 * log | Vout / Vin |. Một Vout / Vin có thể được giải quyết về các thành phần điện trở bằng cách phân tích nút. Đối với mạch của chúng tôi, điều này dẫn đến một biểu thức khuếch đại mới:

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

R1 và R2 là từ bộ lọc thông dải (Bước 1), và R và RG là các thành phần từ bộ khuếch đại này (xem sơ đồ đính kèm). Giải cho mức tăng dB là 100 thì R / RG = 500. Các giá trị R = 50k ohms và RG = 100 ohms đã được chọn.

Bước 4: Kiểm tra các thành phần

Tất cả các thành phần đã được kiểm tra riêng biệt với công cụ phân tích quãng tám AC Sweep của LTSpice. Các thông số về 100 điểm mỗi quãng tám, tần số bắt đầu 0,01 Hz và tần số kết thúc 100k Hz đã được chọn. Tôi đã sử dụng biên độ điện áp đầu vào là 1V, nhưng bạn có thể đặt một biên độ khác. Điểm quan trọng tránh khỏi việc quét AC là hình dạng của các đầu ra tương ứng với những thay đổi trong tần số.

Các bài kiểm tra này sẽ mang lại các biểu đồ tương tự như các biểu đồ đính kèm trong các Bước 1-3. Nếu không, hãy thử tính toán lại các giá trị điện trở hoặc tụ điện của bạn. Cũng có thể mạch của bạn bị đứt do bạn không cung cấp đủ điện áp để cấp nguồn cho op amps. Nếu phép toán R và C của bạn là đúng, hãy thử tăng lượng điện áp bạn đang cung cấp cho (các) bộ khuếch đại op của mình.

Bước 5: Kết hợp tất cả lại với nhau

Bây giờ, bạn đã sẵn sàng để kết hợp tất cả các thành phần lại với nhau. Thông thường, quá trình khuếch đại được thực hiện trước khi lọc, vì vậy bộ khuếch đại thiết bị đo đạc được đặt đầu tiên. Bộ lọc thông dải khuếch đại tín hiệu hơn nữa, vì vậy nó được xếp thứ hai, trước bộ lọc khía, bộ lọc thuần túy. Mạch tổng cũng được chạy thông qua mô phỏng AC Sweep, tạo ra kết quả mong đợi với độ khuếch đại trong khoảng 0,5 - 250 Hz, ngoại trừ dải khía 50 Hz.

Bước 6: Nhập và kiểm tra tín hiệu điện tâm đồ

Bạn có thể thay đổi nguồn điện áp của mình để cung cấp cho mạch tín hiệu ECG thay vì quét AC. Để làm điều này, bạn sẽ cần tải xuống tín hiệu điện tâm đồ mong muốn của mình. Tôi đã tìm thấy tệp.wav được tăng cường tiếng ồn ở đây và tín hiệu điện tâm đồ clean.txt ở đây. nhưng bạn có thể tìm thấy những cái tốt hơn. Đầu vào và đầu ra thô cho tệp.wav có thể được đính kèm. Thật khó để nói liệu tín hiệu ECG tăng cường không nhiễu có tạo ra đầu ra đẹp hơn hay không. Tùy thuộc vào tín hiệu, bạn có thể cần điều chỉnh một chút ranh giới bộ lọc của mình. Đầu ra tín hiệu vượt qua sạch cũng có thể được nhìn thấy.

Để thay đổi đầu vào, hãy chọn nguồn điện áp của bạn, chọn cài đặt cho Tệp PWL và chọn tệp mong muốn của bạn. Tệp tôi đã sử dụng là tệp.wav, vì vậy tôi cũng cần thay đổi văn bản chỉ thị LTSpice từ "PWL File =" thành "wavefile =". Đối với đầu vào tệp.txt, bạn nên giữ nguyên văn bản PWL.

So sánh đầu ra với tín hiệu điện tâm đồ lý tưởng cho thấy rằng vẫn còn một số chỗ để cải thiện với việc tinh chỉnh thành phần. Tuy nhiên, với hình dạng và tính chất tăng cường tiếng ồn của tệp nguồn, việc chúng tôi có thể trích xuất sóng P, QRS và sóng T là một bước đầu tiên tuyệt vời. Tệp văn bản ECG sạch sẽ có thể đi qua bộ lọc một cách hoàn hảo.

Lưu ý hãy cẩn thận cách bạn diễn giải các kết quả tín hiệu đầu vào ECG này. Nếu bạn chỉ sử dụng tệp.txt sạch, điều đó không có nghĩa là hệ thống của bạn hoạt động để lọc tín hiệu đúng cách - điều đó chỉ có nghĩa là các thành phần điện tâm đồ quan trọng không được lọc ra. Mặt khác, nếu không biết thêm về tệp.wav, thật khó để biết liệu sự đảo ngược sóng và các hình dạng kỳ lạ có phải do tệp nguồn hay không hoặc có vấn đề trong việc lọc ra các tín hiệu không mong muốn hay không.