مدل مدار ECG خودکار: 4 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:51

هدف این پروژه ایجاد یک مدل مدار با اجزای متعدد است که می تواند سیگنال ECG ورودی را به اندازه کافی تقویت و فیلتر کند. سه جزء به صورت جداگانه مدل سازی می شوند: تقویت کننده ابزار دقیق ، فیلتر ناچ فعال و فیلتر باند گذر غیرفعال. آنها برای ایجاد مدل نهایی مدار نوار قلب ترکیب می شوند. همه مدل سازی و آزمایش مدار در LTspice انجام می شد ، اما سایر برنامه های شبیه سازی مدار نیز کار می کردند.

مرحله 1: تقویت کننده ابزار دقیق

این اولین جزء از مدل ECG کامل خواهد بود. هدف آن تقویت سیگنال ECG ورودی است که در ابتدا ولتاژ بسیار پایینی خواهد داشت. من استفاده از ترکیبی از op-amps و اجزای مقاومتی را به گونه ای انتخاب کردم که باعث افزایش 1000 می شود. اولین تصویر طراحی تقویت کننده ابزار دقیق مدل شده در LTspice را نشان می دهد. تصویر دوم معادلات مربوطه و محاسبات انجام شده را نشان می دهد. هنگامی که به طور کامل مدل شد ، تجزیه و تحلیل گذرا از یک سیگنال ورودی سینوسی 1 میلی ولت در 75 هرتز در LTspice برای تأیید افزایش 1000 انجام شد. تصویر سوم نتایج این تجزیه و تحلیل را نشان می دهد.

مرحله 2: Active Notch Filter

این دومین جزء از مدل ECG کامل خواهد بود. هدف آن تضعیف سیگنالها با فرکانس 60 هرتز است که فرکانس تداخل ولتاژ خط AC است. این امر سیگنال های ECG را مخدوش می کند و معمولاً در همه شرایط بالینی وجود دارد. من تصمیم گرفتم از ترکیب یک op-amp با اجزای مقاومتی و خازنی در پیکربندی فیلتر شکاف دوقلو استفاده کنم. تصویر اول طراحی فیلتر ناچ مدل شده در LTspice را نشان می دهد. تصویر دوم معادلات مربوطه و محاسبات انجام شده را نشان می دهد. هنگامی که به طور کامل مدل شد ، یک رفت و برگشت AC از یک سیگنال ورودی سینوسی 1 ولت از 1 هرتز - 100 کیلوهرتز در LTspice انجام شد تا یک درجه در 60 هرتز را تأیید کند. تصویر سوم نتایج این تجزیه و تحلیل را نشان می دهد. تغییرات جزئی در نتایج شبیه سازی در مقایسه با نتایج پیش بینی شده احتمالاً به دلیل گرد کردن هنگام محاسبه اجزای مقاومتی و خازنی این مدار است.

مرحله 3: فیلتر باند باند منفعل

این سومین جزء از مدل ECG کامل خواهد بود. هدف آن فیلتر کردن سیگنالهایی است که در محدوده 0.05 هرتز - 250 هرتز نیستند ، زیرا این محدوده یک نوار قلب معمولی بزرگسال است. من استفاده از ترکیبات مقاومتی و خازنی را انتخاب کردم تا برش عبور بالا 0.05 هرتز و برش عبور پایین 250 هرتز باشد. تصویر اول طراحی فیلتر گذر باند منفعل را نشان می دهد که در LTspice مدل شده است. تصویر دوم معادلات مربوطه و محاسبات انجام شده را نشان می دهد. هنگامی که به طور کامل مدل شد ، یک رفت و برگشت AC از یک سیگنال ورودی سینوسی 1 ولت از 0.01 هرتز - 100 کیلوهرتز در LTspice برای تأیید فرکانس های قطع بالا و پایین انجام شد. تصویر سوم نتایج این تجزیه و تحلیل را نشان می دهد. تغییرات جزئی در نتایج شبیه سازی در مقایسه با نتایج پیش بینی شده به احتمال زیاد به دلیل گرد کردن هنگام محاسبه اجزای مقاومتی و خازنی این مدار است.

مرحله 4: ترکیب اجزای مدار

اکنون که همه اجزا به صورت جداگانه طراحی و آزمایش شده اند ، می توان آنها را به ترتیب ایجاد شده به صورت سری ترکیب کرد. این منجر به یک مدل مدار ECG کامل می شود که ابتدا شامل یک تقویت کننده ابزار برای تقویت سیگنال 1000x است. سپس ، از فیلتر ناچ برای حذف نویز ولتاژ خط AC 60 هرتز استفاده می شود. در نهایت ، فیلتر باند گذر اجازه نمی دهد سیگنالی خارج از محدوده ECG معمولی بزرگسال (0.05 هرتز - 250 هرتز) عبور کند. پس از ترکیب ، همانطور که در تصویر اول نشان داده شده است ، می توان یک تجزیه و تحلیل گذرا و رفت و برگشت کامل AC را در LTspice با ولتاژ ورودی 1 میلی ولت (سینوسی) انجام داد تا مطمئن شوید اجزا همانطور که پیش بینی شده با هم کار می کنند. تصویر دوم نتایج تجزیه و تحلیل گذرا را نشان می دهد ، که نشان دهنده تقویت سیگنال از 1 میلی ولت تا 85 0.85 ولت است. این بدان معناست که یا اجزای فیلتر ناچ یا باند باند پس از آنکه در ابتدا 1000 برابر توسط تقویت کننده ابزار تقویت شد ، سیگنال را کمی تضعیف می کنند. تصویر سوم نتایج رفت و برگشت AC را نشان می دهد. این نمودار Bode قطعهای عبور بالا و پایین را نشان می دهد که با آزمایش Bode فیلتر bandpass مطابقت دارد. همچنین شیب کمی در حدود 60 هرتز وجود دارد ، جایی که فیلتر ناچ برای حذف نویز ناخواسته کار می کند.