רכישת אותות אק"ג מדומה באמצעות LTSpice: 7 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

יכולת הלב לשאוב היא פונקציה של אותות חשמליים. רופאים יכולים לקרוא אותות אלה על א.ק.ג כדי לאבחן בעיות לב שונות. אך לפני שהאותן יכול להיות מוכן כראוי על ידי רופא, יש לסנן אותו ולהגביר אותו כראוי. במדריך זה אלווה אותך כיצד לעצב מעגל לבודד אותות א.ק.ג. על ידי שבירת מעגל זה נחלק לשלושה רכיבים פשוטים: מגבר מכשור, מסנן פס-פס ומסנן חריץ, עם ניתוק רצוי. תדרים ורווחים שנקבעו על ידי ספרות שפורסמה ומודלים עדכניים.

אספקה:

זהו מדריך המיועד להדמיות LTSpice, כך שהחומר היחיד שתזדקק לו לדגמן את המעגלים הוא יישום LTSpice. אם ברצונך לבדוק את המעגל שלך עם קובץ wav ECG, מצאתי את שלי כאן.

שלב 1: עיצוב מסנן Band-Pass

לאותות אק ג אופייניים יש טווחי תדרים של 0.5-250 הרץ. אם אתה סקרן לגבי התיאוריה שעומדת מאחורי זה, אתה מוזמן לקרוא כדי לקרוא עוד על זה כאן או כאן. למטרות מדריך זה, המשמעות היא שאנו רוצים לסנן את הכל לא באזורים אלה. אנו יכולים לעשות זאת בעזרת מסנן פס-פס. בהתבסס על המשתנים שפורסמו בסכימה המפורסמת, מסנני פס-פס מסננים בין טווחים של 1/(2*pi*R1*C1) ו- 1/(2*pi*R2*C2). הם גם מעצימים את האות על ידי (R2/R1).

ערכים נבחרו כך שערכי ניתוק התדרים יתאימו לגבולות האות האק ג הרצויים והרווח יהיה שווה ל -100. סכמה עם ערכים אלה המוחלפים ניתן לראות באיורים המצורפים.

שלב 2: עיצוב מסנן החריץ

כעת, לאחר שסיננו את כל מה שאינו נמצא בטווח תדרי האותות של ה- ECG, הגיע הזמן לסנן עיוותי רעש בטווח שלו. רעש קו חשמל הוא אחד מעיוותי הא.ק.ג הנפוצים ביותר ויש לו תדר של ~ 50 הרץ. מכיוון שזה נמצא בטווח פס-פס, ניתן להוציא אותו בעזרת מסנן חריץ. מסנן חריץ פועל על ידי הסרת תדר מרכזי בערך 1/(4*pi*R*C) המבוסס על הסכימה המצורפת.

ערך ונגד קבלים נבחרו לסנן רעש של 50 הרץ, וערכיהם חוברו לסכימה מצורפת. שים לב שזה לא השילוב היחיד של רכיבי RC שיעבוד; זה היה בדיוק מה שבחרתי. אתם מוזמנים לחשב ולבחור שונים!

שלב 3: תכנון מגבר המכשור

צריך גם להעצים אות א.ק.ג. למרות שכאשר נבנה את המעגל, נציב את המגבר קודם כל, קל יותר מבחינה רעיונית לחשוב עליו אחרי המסננים. הסיבה לכך היא שהרווח הכללי של המעגל נקבע באופן חלקי על ידי הגברת פס-פס (ראו שלב 1 לרענון).

לרוב הא.ק.ג יש רווח של לפחות 100 dB. רווח ה- dB של מעגל שווה ל- 20*log | Vout / Vin |. ניתן לפתור Vout/Vin במונחים של רכיבים התנגדותיים על ידי ניתוח ניוד. עבור המעגל שלנו, זה מוביל לביטוי רווח חדש:

רווח dB = 20*יומן | (R2/R1)*(1+2*R/RG) |

R1 ו- R2 הם ממסנן פס-פס (שלב 1), ו- R ו- RG הם מרכיבים ממגבר זה (ראה סכמטי מצורף). פתרון לרווח dB של 100 תשואות R/RG = 500. ערכים של R = 50k אוהם ו- RG = 100 אוהם נבחרו.

שלב 4: בדיקת הרכיבים

כל הרכיבים נבדקו בנפרד עם כלי ניתוח אוקטבה AC Sweep של LTSpice. נבחרו פרמטרים של 100 נקודות לאוקטבה, תדר התחלה של 0.01 הרץ ותדר סיום של 100k הרץ. השתמשתי במשרעת מתח כניסה של 1V, אבל אתה יכול במשרעת אחרת. ההתרחשות החשובה מסריקת AC היא צורת היציאות המתאימות לשינויים בתדרים.

בדיקות אלה אמורות להעלות גרפים דומים לאלה המצורפים בשלבים 1-3. אם הם לא עושים זאת, נסה לחשב מחדש את ערכי הנגד או הקבלים שלך. יתכן גם כי המעגל שלך מתפרם מכיוון שאינך מספק מספיק מתח כדי להפעיל את מגברי ההפעלה. אם מתמטיקה R ו- C שלך נכונה, נסה להגדיל את כמות המתח שאתה נותן למגבר ה OP שלך.

שלב 5: לשים את הכל ביחד

כעת, אתה מוכן להרכיב את כל הרכיבים יחד. בדרך כלל, ההגברה מתבצעת לפני הסינון, ולכן מגבר המכשור היה במקום הראשון. מסנן פס-פס מעצים עוד יותר את האות, ולכן הוא הוצב במקום השני, לפני מסנן החריץ, המסנן גרידא. המעגל הכולל הופעל גם באמצעות סימולציה של AC Sweep, שהניבה תוצאות צפויות עם הגברה בין 0.5 - 250 הרץ, למעט טווח החריץ של 50 הרץ.

שלב 6: הזנת ובדיקת אותות א.ק.ג

אתה יכול לשנות את מקור המתח שלך כדי לספק למעגל אות א.ק.ג במקום טאטא AC. לשם כך יהיה עליך להוריד את אות הא.ק.ג הרצוי. מצאתי כאן קובץ wav משופר רעש ואות ECG clean.txt כאן. אבל אולי תוכל למצוא כאלה טובים יותר. ניתן לראות את הקלט והפלט הגולמי של קובץ.wav המצורף. קשה לומר אם אות א.ק.ג משופר ללא רעש יניב פלט בעל מראה טוב יותר. בהתאם לאות, ייתכן שיהיה עליך להתאים מעט את גבולות המסנן שלך. ניתן לראות גם את פלט האות המעבר הנקי.

כדי לשנות את הכניסה, בחר את מקור המתח שלך, בחר את ההגדרה עבור קובץ PWL ובחר את הקובץ הרצוי. הקובץ שהשתמשתי בו היה קובץ.wav, ולכן גם הייתי צריך לשנות את הטקסט של הוראת LTSpice מ- "PWL File =" ל- "wavefile =". עבור קלט קובץ.txt, עליך לשמור את הטקסט PWL כפי שהוא.

השוואת הפלט לאות א.ק.ג אידיאלי מראה שיש עדיין מקום לשיפור עם התאמת רכיבים. עם זאת, בהתחשב בצורתו ובאופיו המשופר של הרעש של קובץ המקור, העובדה שהצלחנו לחלץ גל P, QRS וגל T היא צעד ראשון מצוין. קובץ הטקסט האק ג הנקי אמור להיות מסוגל לעבור דרך המסנן בצורה מושלמת.

שימו לב היזהרו כיצד אתם מפרשים את תוצאות אות הקלט של הא.ק.ג. אם אתה משתמש רק בקובץ.txt הנקי, זה לא אומר שהמערכת שלך פועלת לסינון נכון של אות - זה רק אומר שרכיבי הא.ק.ג החשובים אינם מסוננים החוצה. מצד שני, מבלי לדעת יותר על קובץ ה- wav, קשה לדעת אם היפוך הגלים והצורות המוזרות נובעות מקובץ המקור או שיש בעיה בסינון אותות לא רצויים.