Adquisición de señales de ECG simulada con LTSpice: 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

La capacidad del corazón para bombear depende de las señales eléctricas. Los médicos pueden leer estas señales en un ECG para diagnosticar varios problemas cardíacos. Sin embargo, antes de que un médico pueda preparar adecuadamente la señal, debe filtrarse y amplificarse adecuadamente. En esta guía, lo guiaré a través de cómo diseñar un circuito para aislar señales de ECG rompiendo este circuito se dividió en tres componentes simples: un amplificador de instrumentación, un filtro de paso de banda y un filtro de muesca, con el corte deseado frecuencias y ganancias determinadas por la literatura publicada y los modelos actuales.

Suministros:

Esta es una guía destinada a las simulaciones de LTSpice, por lo que el único material que necesitará para modelar los circuitos es una aplicación LTSpice. Si desea probar su circuito con un archivo wav de ECG, encontré el mío aquí.

Paso 1: diseño de un filtro de paso de banda

Las señales de ECG típicas tienen rangos de frecuencia de 0,5 a 250 Hz. Si tiene curiosidad acerca de la teoría detrás de esto, no dude en leer más sobre esto aquí o aquí. Para los propósitos de esta guía, lo que esto significa es que queremos filtrar todo lo que no esté en esas regiones. Podemos hacer esto con un filtro de paso de banda. Según las variables publicadas en el esquema publicado, los filtros de paso de banda filtran entre rangos de 1 / (2 * pi * R1 * C1) y 1 / (2 * pi * R2 * C2). También amplifican la señal mediante (R2 / R1).

Los valores se eligieron de modo que los valores de corte de frecuencia coincidieran con los límites deseados de la señal de ECG y la ganancia fuera igual a 100. En las figuras adjuntas se puede ver un esquema con estos valores sustituidos en.

Paso 2: diseño del filtro de muesca

Ahora que hemos filtrado todo lo que no está en el rango de frecuencia de la señal del ECG, es hora de filtrar las distorsiones de ruido dentro de su rango. El ruido de la línea eléctrica es una de las distorsiones de ECG más comunes y tiene una frecuencia de ~ 50 Hz. Dado que está dentro del rango de paso de banda, se puede eliminar con un filtro de muesca. Un filtro de muesca funciona eliminando una frecuencia central con un valor de 1 / (4 * pi * R * C) según el esquema adjunto.

Se eligió un valor de resistencia y condensador para filtrar el ruido de 50 Hz, y sus valores se conectaron a un esquema adjunto. Tenga en cuenta que esta no es la única combinación de componentes RC que funcionará; fue justo lo que elegí. ¡Siéntete libre de calcular y elegir diferentes!

Paso 3: diseño del amplificador de instrumentación

También será necesario amplificar una señal de ECG sin procesar. Aunque cuando construimos el circuito, pondremos el amplificador primero, es más fácil pensar conceptualmente después de los filtros. Esto se debe a que la ganancia general del circuito está determinada parcialmente por la amplificación de paso de banda (consulte el Paso 1 para un repaso).

La mayoría de los ECG tienen una ganancia de al menos 100 dB. La ganancia en dB de un circuito es igual a 20 * log | Vout / Vin |. Un Vout / Vin se puede resolver en términos de componentes resistivos mediante análisis nodal. Para nuestro circuito, esto conduce a una nueva expresión de ganancia:

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

R1 y R2 son del filtro de paso de banda (Paso 1), y R y RG son componentes de este amplificador (vea el esquema adjunto). Resolviendo para una ganancia de dB de 100 se obtiene R / RG = 500. Se seleccionaron valores de R = 50k ohmios y RG = 100 ohmios.

Paso 4: probar los componentes

Todos los componentes se probaron por separado con la herramienta de análisis de octavas AC Sweep de LTSpice. Se seleccionaron parámetros de 100 puntos por octava, frecuencia inicial de 0.01 Hz y frecuencia final de 100k Hz. Usé una amplitud de voltaje de entrada de 1V, pero puedes una amplitud diferente. Las conclusiones importantes del barrido de CA es la forma de las salidas correspondientes a los cambios en las frecuencias.

Estas pruebas deberían producir gráficos similares a los que se adjuntan en los Pasos 1-3. Si no lo hacen, intente recalcular los valores de su resistencia o condensador. También es posible que su circuito se mueva porque no está proporcionando suficiente voltaje para alimentar los amplificadores operacionales. Si sus cálculos de R y C son correctos, intente aumentar la cantidad de voltaje que le está dando a sus amplificadores operacionales.

Paso 5: Poniéndolo todo junto

Ahora, está listo para juntar todos los componentes. Por lo general, la amplificación se realiza antes de la filtración, por lo que el amplificador de instrumentación se puso en primer lugar. El filtro de paso de banda amplifica aún más la señal, por lo que se colocó en segundo lugar, antes del filtro de muesca, que filtra puramente. El circuito total también se ejecutó a través de una simulación de barrido de CA, que produjo los resultados esperados con una amplificación entre 0,5 y 250 Hz, excepto para el rango de muesca de 50 Hz.

Paso 6: Introducción y prueba de señales de ECG

Puede cambiar su fuente de voltaje para suministrar al circuito una señal de ECG en lugar de un barrido de CA. Para hacer esto, deberá descargar la señal de ECG deseada. Encontré un archivo.wav con ruido mejorado aquí y una señal ECG clean.txt aquí. pero es posible que pueda encontrar mejores. La entrada y salida sin procesar para el archivo.wav se puede ver adjunta. Es difícil decir si una señal de ECG mejorada sin ruido produciría una salida de mejor apariencia. Dependiendo de la señal, es posible que deba ajustar ligeramente los límites de su filtro. También se puede ver la salida de la señal de paso limpio.

Para cambiar la entrada, seleccione su fuente de voltaje, elija la configuración para Archivo PWL y seleccione el archivo deseado. El archivo que utilicé era un archivo.wav, por lo que también necesitaba cambiar el texto de la directiva LTSpice de "PWL File =" a "wavefile =". Para la entrada del archivo.txt, debe mantener el texto PWL como está.

La comparación de la salida con una señal de ECG ideal muestra que todavía hay margen de mejora con el ajuste de componentes. Sin embargo, dada la forma y la naturaleza mejorada del ruido del archivo de origen, el hecho de que pudimos extraer una onda P, QRS y onda T es un gran primer paso. El archivo de texto de ECG limpio debería poder pasar perfectamente por el filtro.

Tenga cuidado al interpretar estos resultados de la señal de entrada de ECG. Si solo usa el archivo.txt limpio, eso no significa que su sistema funcione para filtrar correctamente una señal, solo significa que los componentes importantes del ECG no se filtran. Por otro lado, sin saber más sobre el archivo.wav, es difícil saber si las inversiones de onda y las formas extrañas se deben al archivo de origen o si hay un problema para filtrar las señales no deseadas.