Acquisition simulée de signaux ECG à l'aide de LTSpice : 7 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

La capacité du cœur à pomper est fonction des signaux électriques. Les cliniciens peuvent lire ces signaux sur un ECG pour diagnostiquer divers problèmes cardiaques. Avant que le signal puisse être correctement préparé par un clinicien, cependant, il doit être correctement filtré et amplifié. Dans ce guide, je vais vous expliquer comment concevoir un circuit pour isoler les signaux ECG en interrompant ce circuit a été décomposé en trois composants simples: un amplificateur d'instrumentation, un filtre passe-bande et un filtre coupe-bande, avec la coupure souhaitée. fréquences et gains déterminés par la littérature publiée et les modèles actuels.

Fournitures:

Ceci est un guide destiné aux simulations LTSpice, donc le seul matériel dont vous aurez besoin pour modéliser les circuits est une application LTSpice. Si vous souhaitez tester votre circuit avec un fichier ECG wav, j'ai trouvé le mien ici.

Étape 1: Conception d'un filtre passe-bande

Les signaux ECG typiques ont des plages de fréquence de 0,5 à 250 Hz. Si vous êtes curieux de connaître la théorie derrière cela, n'hésitez pas à lire pour en savoir plus à ce sujet ici ou ici. Pour les besoins de ce guide, cela signifie que nous voulons filtrer tout ce qui ne se trouve pas dans ces régions. Nous pouvons le faire avec un filtre passe-bande. Sur la base des variables publiées dans le schéma publié, les filtres passe-bande filtrent entre les plages de 1/(2*pi*R1*C1) et 1/(2*pi*R2*C2). Ils amplifient également le signal par (R2/R1).

Les valeurs ont été choisies de sorte que les valeurs de coupure de fréquence correspondent aux limites de signal ECG souhaitées et que le gain soit égal à 100. Un schéma avec ces valeurs substituées peut être vu dans les figures ci-jointes.

Étape 2: Conception du filtre coupe-bande

Maintenant que nous avons filtré tout ce qui ne se trouve pas dans la plage de fréquences du signal de l'ECG, il est temps de filtrer les distorsions de bruit dans sa plage. Le bruit de la ligne électrique est l'une des distorsions ECG les plus courantes et a une fréquence d'environ 50 Hz. Comme il se trouve dans la plage passe-bande, il peut être retiré avec un filtre coupe-bande. Un filtre coupe-bande fonctionne en supprimant une fréquence centrale avec une valeur de 1/(4*pi*R*C) sur la base du schéma ci-joint.

Une valeur de résistance et de condensateur ont été choisies pour filtrer le bruit à 50 Hz, et leurs valeurs ont été branchées sur un schéma joint. Notez que ce n'est pas la seule combinaison de composants RC qui fonctionnera; c'est juste ce que j'ai choisi. N'hésitez pas à calculer et à en choisir d'autres !

Étape 3: Conception de l'amplificateur d'instrumentation

Un signal ECG brut devra également être amplifié. Bien que lorsque nous construisons le circuit, nous mettrons l'amplificateur en premier, il est plus facile de penser conceptuellement après les filtres. C'est parce que le gain global du circuit est partiellement déterminé par l'amplification passe-bande (voir l'étape 1 pour un rappel).

La plupart des ECG ont un gain d'au moins 100 dB. Le gain en dB d'un circuit est égal à 20*log|Vout / Vin|. Un Vout/Vin peut être résolu en termes de composants résistifs par analyse nodale. Pour notre circuit, cela conduit à une nouvelle expression de gain:

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

R1 et R2 proviennent du filtre passe-bande (étape 1), et R et RG sont des composants de cet amplificateur (voir schéma ci-joint). La résolution d'un gain en dB de 100 donne R/RG = 500. Les valeurs de R = 50 k ohms et RG = 100 ohms ont été sélectionnées.

Étape 4: Test des composants

Tous les composants ont été testés séparément avec l'outil d'analyse d'octave AC Sweep de LTSpice. Des paramètres de 100 points par octave, une fréquence de départ de 0,01 Hz et une fréquence de fin de 100 kHz ont été sélectionnés. J'ai utilisé une amplitude de tension d'entrée de 1V, mais vous pouvez une amplitude différente. Le point important à retenir du balayage CA est la forme des sorties correspondant aux changements de fréquences.

Ces tests devraient produire des graphiques similaires à ceux joints aux étapes 1 à 3. Si ce n'est pas le cas, essayez de recalculer les valeurs de votre résistance ou de votre condensateur. Il est également possible que votre circuit se déforme parce que vous ne fournissez pas assez de tension pour alimenter les amplis opérationnels. Si vos calculs R et C sont corrects, essayez d'augmenter la quantité de tension que vous fournissez à votre (vos) ampli(s) opérationnel(s).

Étape 5: Tout assembler

Vous êtes maintenant prêt à assembler tous les composants. En règle générale, l'amplification est effectuée avant la filtration, de sorte que l'amplificateur d'instrumentation a été mis en premier. Le filtre passe-bande amplifie encore le signal, il a donc été placé en second, avant le filtre coupe-bande, qui filtre purement. Le circuit total a également été soumis à une simulation de balayage CA, qui a produit les résultats attendus avec une amplification comprise entre 0,5 et 250 Hz, à l'exception de la plage d'encoche de 50 Hz.

Étape 6: Saisie et test des signaux ECG

Vous pouvez changer votre source de tension pour alimenter le circuit avec un signal ECG au lieu d'un balayage CA. Pour ce faire, vous devrez télécharger le signal ECG souhaité. J'ai trouvé un fichier.wav avec un bruit amélioré ici et un signal ECG clean.txt ici. mais vous pourrez peut-être en trouver de meilleurs. L'entrée et la sortie brutes du fichier.wav peuvent être vues en pièce jointe. Il est difficile de dire si un signal ECG sans bruit amélioré produirait ou non une sortie plus belle. Selon le signal, vous devrez peut-être ajuster légèrement les limites de votre filtre. La sortie de signal de passage propre peut également être vue.

Pour modifier l'entrée, sélectionnez votre source de tension, choisissez le paramètre pour le fichier PWL et sélectionnez le fichier souhaité. Le fichier que j'ai utilisé était un fichier.wav, j'ai donc également dû changer le texte de la directive LTSpice de "PWL File = " à "wavefile = ". Pour l'entrée du fichier.txt, vous devez conserver le texte PWL tel quel.

La comparaison de la sortie avec un signal ECG idéal montre qu'il y a encore de la place pour l'amélioration avec le réglage des composants. Cependant, étant donné la forme et la nature accentuée par le bruit du fichier source, le fait que nous ayons pu extraire une onde P, QRS et une onde T est une excellente première étape. Le fichier texte ECG propre doit pouvoir traverser parfaitement le filtre.

Notez qu'il faut faire attention à la façon dont vous interprétez ces résultats de signal d'entrée ECG. Si vous n'utilisez que le fichier.txt propre, cela ne signifie pas que votre système fonctionne pour filtrer correctement un signal - cela signifie seulement que les composants ECG importants ne sont pas filtrés. D'un autre côté, sans en savoir plus sur le fichier.wav, il est difficile de savoir si les inversions d'onde et les formes étranges sont dues ou non au fichier source ou s'il y a un problème de filtrage des signaux indésirables.