Aquisição de sinal de ECG simulado usando LTSpice: 7 etapas

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-23 15:03

A capacidade do coração de bombear é uma função de sinais elétricos. Os médicos podem ler esses sinais em um ECG para diagnosticar vários problemas cardíacos. Antes que o sinal possa ser devidamente preparado por um médico, porém, ele deve ser filtrado e amplificado adequadamente. Neste guia, mostrarei como projetar um circuito para isolar os sinais de ECG interrompendo esse circuito dividido em três componentes simples: um amplificador de instrumentação, um filtro passa-banda e um filtro de entalhe, com o corte desejado frequências e ganhos determinados pela literatura publicada e modelos atuais.

Suprimentos:

Este guia destina-se a simulações LTSpice, portanto, o único material de que você precisará para modelar os circuitos é um aplicativo LTSpice. Se você deseja testar seu circuito com um arquivo wav de ECG, encontrei o meu aqui.

Etapa 1: projetando um filtro passa-faixa

Os sinais de ECG típicos têm faixas de frequência de 0,5-250 Hz. Se você está curioso sobre a teoria por trás disso, leia para ler mais sobre isso aqui ou aqui. Para os fins deste guia, isso significa que queremos filtrar tudo que não estiver nessas regiões. Podemos fazer isso com um filtro passa-banda. Com base nas variáveis postadas no esquemático postado, os filtros passa-banda filtram entre as faixas de 1 / (2 * pi * R1 * C1) e 1 / (2 * pi * R2 * C2). Eles também amplificam o sinal por (R2 / R1).

Os valores foram escolhidos de forma que os valores de corte de frequência correspondessem aos limites desejados do sinal de ECG e o ganho fosse igual a 100. Um esquema com esses valores substituídos em pode ser visto nas figuras anexas.

Etapa 2: Projetando o Filtro Notch

Agora que filtramos tudo que não está na faixa de frequência do sinal de ECG, é hora de filtrar as distorções de ruído dentro dessa faixa. O ruído da linha de energia é uma das distorções de ECG mais comuns e tem uma frequência de ~ 50 Hz. Uma vez que está dentro da faixa de passagem de banda, pode ser retirado com um filtro notch. Um filtro notch funciona removendo uma frequência central com um valor de 1 / (4 * pi * R * C) com base no esquema em anexo.

Um valor de resistor e capacitor foi escolhido para filtrar o ruído de 50 Hz, e seus valores foram inseridos em um esquema anexo. Observe que esta não é a única combinação de componentes RC que funcionará; foi exatamente o que eu escolhi. Sinta-se à vontade para calcular e escolher diferentes!

Etapa 3: projetar o amplificador de instrumentação

Um sinal de ECG bruto também precisará ser amplificado. Embora quando construirmos o circuito, colocaremos o amplificador em primeiro lugar, é mais fácil conceitualmente pensar depois dos filtros. Isso ocorre porque o ganho geral do circuito é parcialmente determinado pela amplificação passa-banda (consulte a Etapa 1 para uma atualização).

A maioria dos ECGs tem um ganho de pelo menos 100 dB. O ganho de dB de um circuito é igual a 20 * log | Vout / Vin |. Um Vout / Vin pode ser resolvido em termos de componentes resistivos por análise nodal. Para o nosso circuito, isso leva a uma nova expressão de ganho:

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

R1 e R2 são do filtro passa-banda (Etapa 1), e R e RG são componentes deste amplificador (veja o esquema em anexo). Resolver um ganho de dB de 100 resulta em R / RG = 500. Valores de R = 50k ohms e RG = 100 ohms foram selecionados.

Etapa 4: Testar os componentes

Todos os componentes foram testados separadamente com a ferramenta de análise de oitava AC Sweep do LTSpice. Parâmetros de 100 pontos por oitava, frequência inicial de 0,01 Hz e frequência final de 100k Hz foram selecionados. Usei uma amplitude de tensão de entrada de 1V, mas você pode usar uma amplitude diferente. A conclusão importante da varredura AC é a forma das saídas correspondentes às mudanças nas frequências.

Esses testes devem produzir gráficos semelhantes aos anexados nas etapas 1-3. Se não, tente recalcular os valores do resistor ou do capacitor. Também é possível que o seu circuito fique bloqueado porque você não está fornecendo voltagem suficiente para alimentar os amplificadores operacionais. Se seus cálculos R e C estiverem corretos, tente aumentar a quantidade de voltagem que você está dando ao (s) amplificador (es) operacional (is).

Etapa 5: juntando tudo

Agora, você está pronto para colocar todos os componentes juntos. Normalmente, a amplificação é realizada antes da filtração, portanto, o amplificador de instrumentação foi colocado em primeiro lugar. O filtro passa-banda amplifica ainda mais o sinal, por isso foi colocado em segundo lugar, antes do filtro de entalhe, que filtra puramente. O circuito total também foi executado por meio de uma simulação de varredura AC, que produziu os resultados esperados com amplificação entre 0,5 - 250 Hz, exceto para a faixa de entalhe de 50 Hz.

Etapa 6: entrada e teste de sinais de ECG

Você pode alterar a fonte de tensão para fornecer ao circuito um sinal de ECG em vez de uma varredura CA. Para fazer isso, você precisará baixar o sinal de ECG desejado. Encontrei um arquivo.wav com ruído aprimorado aqui e um sinal de ECG clean.txt aqui. mas você pode encontrar outros melhores. A entrada e saída brutas para o arquivo.wav podem ser vistas em anexo. É difícil dizer se o sinal de ECG sem aumento de ruído produziria ou não uma saída de melhor aparência. Dependendo do sinal, pode ser necessário ajustar ligeiramente os limites do filtro. A saída do sinal de passagem limpa também pode ser vista.

Para alterar a entrada, selecione sua fonte de tensão, escolha a configuração para Arquivo PWL e selecione o arquivo desejado. O arquivo que usei era um arquivo.wav, então também precisei alterar o texto da diretiva LTSpice de "PWL File =" para "wavefile =". Para a entrada de arquivo.txt, você deve manter o texto PWL como está.

Comparar a saída com um sinal de ECG ideal mostra que ainda há espaço para melhorias com ajustes de componentes. No entanto, devido à forma e à natureza aprimorada de ruído do arquivo de origem, o fato de termos sido capazes de extrair uma onda P, QRS e onda T é um ótimo primeiro passo. O arquivo de texto de ECG limpo deve ser capaz de passar pelo filtro perfeitamente.

Tenha cuidado ao interpretar os resultados dos sinais de entrada de ECG. Se você usar apenas o arquivo.txt limpo, isso não significa que seu sistema funcione para filtrar um sinal adequadamente - significa apenas que os componentes importantes do ECG não são filtrados. Por outro lado, sem saber mais sobre o arquivo.wav, é difícil saber se as inversões de onda e formas estranhas são devidas ao arquivo de origem ou se há um problema em filtrar sinais indesejados.