شبیه ساز مدار ECG خودکار: 4 مرحله

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

نوار قلب (ECG) یک تکنیک قدرتمند است که برای اندازه گیری فعالیت الکتریکی قلب بیمار استفاده می شود. شکل منحصر به فرد این پتانسیل های الکتریکی بسته به محل قرارگیری الکترودهای ضبط متفاوت است و برای تشخیص بسیاری از شرایط استفاده شده است. با تشخیص زودهنگام انواع بیماری های قلبی ، پزشکان می توانند توصیه های زیادی را در مورد وضعیت خود به بیماران ارائه دهند. این دستگاه از سه جزء اصلی تشکیل شده است: یک تقویت کننده ابزار و به دنبال آن یک فیلتر ناچ و یک فیلتر باند عبور. هدف این قطعات تقویت سیگنال های ورودی ، حذف سیگنال های ناخواسته و ارسال تمام سیگنال های بیولوژیکی مربوطه است. تجزیه و تحلیل سیستم حاصله ثابت کرد که الکتروکاردیوگرام ، همانطور که انتظار می رفت ، وظایف مورد نظر خود را برای تولید سیگنال ECG قابل استفاده انجام می دهد و مفید بودن آن را برای تشخیص بیماری های قلبی نشان می دهد.

تدارکات:

• نرم افزار LTSpice
• فایل های سیگنال ECG

مرحله 1: تقویت کننده ابزار دقیق

تقویت کننده ابزار دقیق ، گاهی اوقات مخفف INA ، برای تقویت سیگنال های بیولوژیکی سطح پایین که از بیمار مشاهده می شود ، استفاده می شود. یک INA معمولی شامل سه تقویت کننده عملیاتی (Op Amps) است. دو آمپر باید در پیکربندی غیر وارونه و آخرین Op Amp در پیکربندی دیفرانسیل باشد. هفت مقاومت در کنار Op Amps استفاده می شود تا به ما اجازه دهد با تغییر اندازه مقاومت مقاومت را افزایش دهیم. از مقاومت ها ، سه جفت و یک اندازه جداگانه وجود دارد.

برای این پروژه ، من از افزایش 1000 برای تقویت سیگنال ها استفاده می کنم. سپس من مقادیر دلخواه R2 ، R3 و R4 را انتخاب می کنم (اگر اندازه R3 و R4 معادل یکدیگر باشند ساده ترین است زیرا به 1 لغو می شوند و راه را برای محاسبات آسان تر باز می کنند). از اینجا ، من می توانم برای R1 حل کنم که همه اندازه قطعات لازم را داشته باشد.

سود = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

با استفاده از معادله افزایش در بالا و مقادیر R2 = 50kΩ و R3 = R4 = 10kΩ ، R1 = 100Ω را بدست می آوریم.

برای بررسی اینکه سود در حقیقت 1000 است ، می توانیم مدار را با تابع رفت و برگشت.ac اجرا کرده و محل وقوع فلات را مشاهده کنیم. در این حالت ، 60 دسی بل است. با استفاده از معادله زیر ، dB را به Vout/Vin بدون بعد تبدیل می کنیم ، که طبق انتظار 1000 می شود.

افزایش ، dB = 20*log (Vout/Vin)

مرحله 2: فیلتر ناچ

جزء بعدی که باید طراحی شود فیلتر ناچ است. مقدار اجزای این فیلتر تا حد زیادی بستگی به فرکانسی دارد که می خواهید حذف کنید. برای این طراحی ، ما می خواهیم فرکانس 60 هرتز (fc) را که توسط ابزار پزشکی منتشر می شود قطع کنیم.

در این طرح از یک فیلتر دو درجه ای استفاده می شود تا اطمینان حاصل شود که تنها مورد دلخواه قطع می شود و ما به طور تصادفی فرکانس های بیولوژیکی مورد نظر را در نزدیکی علامت 60 هرتز کاهش نمی دهیم. مقادیر اجزا با انتخاب مقادیر مقاومت دلخواه پیدا شد ، که من از آنها برای استفاده از 2kΩ برای فیلتر کم گذر (بالا T) و 1kΩ برای فیلتر بالا گذر (پایین T) استفاده کردم. با استفاده از معادله زیر ، مقادیر خازن لازم را حل کردم.

fc = 1 / (4*pi*R*C)

طرح Bode بار دیگر با استفاده از تابع رفت و برگشت.ac که LTSpice ارائه می دهد ، پیدا شد.

مرحله 3: Band Pass Filter

جزء نهایی سیستم ECG خودکار برای عبور فرکانس های بیولوژیکی مورد نیاز است ، زیرا این همان چیزی است که ما به آن علاقه داریم. سیگنال ECG معمولی بین 0.5 تا 150 هرتز (fc) رخ می دهد ، بنابراین می توان از دو فیلتر استفاده کرد. یا فیلتر باند عبور یا فیلتر کم گذر. در این طرح ، از فیلتر گذر باند استفاده شده است زیرا کمی دقیق تر از گذر کم است ، اگرچه این فیلتر هنوز کار می کند زیرا فرکانس های بیولوژیکی به طور کلی فرکانس های بالا را ندارند.

یک فیلتر باند پاس شامل دو قسمت است: یک فیلتر بالا گذر و یک فیلتر پایین گذر. فیلتر گذر بالا قبل از Op Amp و پایین گذر بعد از آن می آید. به یاد داشته باشید که انواع مختلفی از فیلترهای باند عبور وجود دارد که می توان از آنها استفاده کرد.

fc = 1 / (2*pi*R*C)

بار دیگر ، مقادیر دلخواه برای یافتن مقادیر مورد نیاز سایر قسمتها انتخاب می شود. در آخرین فیلتر ، مقادیر مقاومت دلخواه را انتخاب کردم و برای مقادیر خازن حل کردم. برای نشان دادن این که مهم نیست با کدام یک شروع می کنید ، اکنون مقادیر خازن دلخواه را برای حل مقادیر مقاومت انتخاب می کنم. در این مورد ، من مقدار خازن 1uF را انتخاب کردم. با استفاده از معادله بالا ، من از یک فرکانس قطع در یک زمان برای حل مقاومت مربوطه استفاده می کنم. برای سادگی ، من از یک مقدار خازن برای هر دو قسمت با گذر بالا و پایین گذر به فیلتر باند عبور استفاده می کنم. 0.5 هرتز برای حل مقاومت گذر بالا و فرکانس قطع 150 هرتز برای یافتن مقاومت کم گذر استفاده می شود.

یک نمودار Bode می تواند بار دیگر مورد استفاده قرار گیرد تا ببیند آیا طراحی مدار به درستی کار کرده است یا خیر.

مرحله 4: سیستم کامل

پس از تأیید عملکرد هر جزء به تنهایی ، می توان قطعات را در یک سیستم ترکیب کرد. با استفاده از داده های ECG وارد شده و عملکرد PWL در مولد منبع ولتاژ ، می توانید شبیه سازی هایی را انجام دهید تا مطمئن شوید که سیستم به درستی فرکانس های بیولوژیکی مورد نظر را تقویت کرده و عبور می دهد.

تصویر صفحه نمایشی بالا نمونه ای از ظاهر داده های خروجی با استفاده از تابع.tran است و تصویر صفحه پایین نمودار bode مربوطه با استفاده از تابع.ac است.

داده های مختلف ECG ورودی را می توان بارگیری کرد (دو فایل ورودی ECG مختلف به این صفحه اضافه شده است) و برای آزمایش سیستم در بیماران مدل شده مختلف وارد عملکرد می شوند.