مدلسازی سیگنال ECG در LTspice: 7 مرحله

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

نوار قلب یک روش بسیار متداول برای اندازه گیری سیگنال های الکتریکی است که در قلب ایجاد می شود. ایده کلی این روش یافتن مشکلات قلبی مانند آریتمی ، بیماری عروق کرونر یا سکته قلبی است. اگر بیمار علائمی مانند درد قفسه سینه ، مشکل در تنفس یا ضربان نامنظم قلب به نام تپش قلب را تجربه کند ، ممکن است ضروری باشد ، اما می توان از آن برای اطمینان از عملکرد صحیح ضربان سازها و سایر دستگاههای کاشتنی نیز استفاده کرد. داده های سازمان بهداشت جهانی نشان می دهد که بیماریهای قلبی عروقی بزرگترین علل مرگ و میر در جهان هستند. این بیماریها سالانه حدود 18 میلیون نفر را می کشند. بنابراین ، دستگاههایی که می توانند این بیماریها را رصد یا کشف کنند از اهمیت فوق العاده ای برخوردار هستند ، به همین دلیل ECG ایجاد شده است. نوار قلب یک آزمایش پزشکی کاملاً غیر تهاجمی است که هیچ خطری برای بیمار ندارد ، مگر برخی ناراحتی های جزئی هنگام برداشتن الکترودها.

دستگاه کامل ارائه شده در این دستورالعمل شامل چندین جزء برای دستکاری سیگنال پر سر و صدا ECG است تا بتوان نتایج مطلوب را بدست آورد. ضبط ECG معمولاً در ولتاژهای پایین رخ می دهد ، بنابراین قبل از انجام تجزیه و تحلیل ، در این مورد با تقویت کننده ابزار ، این سیگنال ها باید تقویت شوند. همچنین ، نویز در ضبط نوار قلب بسیار برجسته است ، بنابراین برای تمیز کردن این سیگنال ها باید فیلترینگ رخ دهد. این تداخل می تواند از مکان های مختلف ایجاد شود ، بنابراین برای حذف صداهای خاص باید رویکردهای متفاوتی را اتخاذ کرد. سیگنالهای فیزیولوژیکی فقط در یک محدوده معمولی رخ می دهند ، بنابراین یک فیلتر گذر باند برای حذف هر فرکانس خارج از این محدوده استفاده می شود. نویز رایج در سیگنال ECG تداخل خط برق نامیده می شود که تقریباً در 60 هرتز ایجاد می شود و با فیلتر ناچ حذف می شود. این سه جزء به طور همزمان برای تمیز کردن سیگنال ECG کار می کنند و امکان تفسیر و تشخیص راحت تر را فراهم می کنند و برای آزمایش اثربخشی آنها در LTspice مدل سازی می شود.

مرحله 1: ساخت تقویت کننده ابزار (INA)

اولین جزء دستگاه کامل یک تقویت کننده ابزار (INA) بود که می تواند سیگنال های کوچک موجود در محیط های پر سر و صدا را اندازه گیری کند. در این مورد ، یک INA با سود بالا (حدود 1،000) ساخته شد تا نتایج مطلوب را امکان پذیر کند. شماتیک INA با مقادیر مقاومت مربوطه نشان داده شده است. سود این INA را می توان از لحاظ نظری محاسبه کرد تا تأیید شود که تنظیمات معتبر است و مقادیر مقاومت مناسب است. معادله (1) معادله ای را برای محاسبه نشان می دهد که سود نظری 1 ، 000 بود ، جایی که R1 = R3 ، R4 = R5 و R6 = R7 بود.

معادله (1): افزایش = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

مرحله 2: ساختن فیلتر Bandpass

منبع اصلی نویز شامل سیگنال های الکتریکی است که در بدن منتشر می شود ، بنابراین استاندارد صنعت شامل فیلتر گذر باند با فرکانس های قطع 0.5 هرتز و 150 هرتز برای حذف اعوجاج از نوار قلب است. این فیلتر برای حذف سیگنالهای خارج از این محدوده فرکانسی ، از یک فیلتر بالا گذر و پایین گذر به صورت سری استفاده کرد. شماتیک این فیلتر با مقادیر مقاومت و خازن مربوطه نشان داده شده است. مقادیر دقیق مقاومتها و خازنها با استفاده از فرمول نشان داده شده در رابطه (2) یافت شد. این فرمول دوبار مورد استفاده قرار گرفت ، یکی برای فرکانس برش گذر بالا 0.5 هرتز و دیگری برای فرکانس قطع کم گذر 150 هرتز. در هر مورد ، مقدار خازن 1 μF تنظیم شد و مقدار مقاومت محاسبه شد.

رابطه 2: R = 1 / (2 * pi * فرکانس قطع * C)

مرحله 3: ساختن فیلتر ناچ

یکی دیگر از نویزهای رایج مربوط به نوار قلب ، خطوط برق و سایر تجهیزات الکترونیکی است ، اما با فیلتر ناچ حذف شد. این روش فیلترینگ به طور موازی از فیلتر بالا گذر و پایین گذر برای حذف نویز به طور خاص در 60 هرتز استفاده کرد. شماتیک فیلتر شکاف با مقادیر مقاومت و خازن مربوطه نشان داده شده است. مقادیر دقیق مقاومت و خازن به گونه ای تعیین شد که R1 = R2 = 2R3 و C1 = 2C2 = 2C3. سپس ، برای اطمینان از فرکانس قطع 60 هرتز ، R1 روی 1 کیلو وات تنظیم شد و از معادله (3) برای یافتن مقدار C1 استفاده شد.

معادله 3: C = 1 / (4 * pi * فرکانس قطع * R)

مرحله 4: ایجاد سیستم کامل

سرانجام ، هر سه جزء با هم آزمایش شدند تا اطمینان حاصل شود که کل دستگاه کامل به درستی کار می کند. مقادیر اجزای خاص هنگام پیاده سازی سیستم کامل تغییر نکرده و پارامترهای شبیه سازی در شکل 4 آمده است. هر قسمت به ترتیب به ترتیب زیر به یکدیگر متصل شده اند: INA ، فیلتر باند ، و فیلتر ناچ. در حالی که می توان فیلترها را عوض کرد ، INA باید به عنوان اولین جزء باقی بماند ، به طوری که قبل از هرگونه فیلترینگ تقویت می شود.

مرحله 5: آزمایش هر جزء

برای آزمایش اعتبار این سیستم ، ابتدا هر جزء به طور جداگانه و سپس کل سیستم مورد آزمایش قرار گرفت. برای هر آزمایش ، سیگنال ورودی در محدوده معمولی سیگنالهای فیزیولوژیکی (5 میلی ولت و 1 کیلوهرتز) تنظیم شد ، به طوری که سیستم می تواند تا آنجا که ممکن است دقیق باشد. رفت و برگشت AC و تجزیه و تحلیل گذرا برای INA تکمیل شد ، به طوری که سود را می توان با دو روش تعیین کرد (معادلات (4) و (5)). فیلترها هر دو با استفاده از رفت و برگشت AC مورد آزمایش قرار گرفتند تا اطمینان حاصل شود که فرکانس های قطع در مقادیر مورد نظر رخ می دهد.

معادله 4: سود = 10 ^ (دسی بل / 20) معادله 5: افزایش = ولتاژ خروجی / ولتاژ ورودی

اولین تصویر نشان داده شده ، رفت و برگشت AC INA است ، تصویر دوم و سوم تجزیه و تحلیل گذرا از INA برای ولتاژهای ورودی و خروجی است. چهارم رفت و برگشت AC فیلتر باندپس و پنجم رفت و برگشت AC فیلتر ناچ است.

مرحله 6: آزمایش سیستم کامل

در نهایت ، سیستم کامل با یک جاروب AC و تجزیه و تحلیل گذرا مورد آزمایش قرار گرفت. با این حال ، ورودی به این سیستم یک سیگنال ECG واقعی بود. تصویر اول نتایج جاروب AC را نشان می دهد ، در حالی که تصویر دوم نتایج آنالیز گذرا را نشان می دهد. هر خط مربوط به اندازه گیری بعد از هر جزء است: سبز - INA ، آبی - فیلتر باند ، و فیلتر درجه یک قرمز. تصویر نهایی روی یک موج ECG خاص برای تجزیه و تحلیل آسانتر زوم می کند.

مرحله 7: اندیشه های نهایی

به طور کلی ، این سیستم برای دریافت سیگنال ECG ، تقویت آن و حذف هرگونه نویز ناخواسته به گونه ای طراحی شده است که بتوان آن را به راحتی تفسیر کرد. برای سیستم کامل ، یک تقویت کننده ابزار دقیق ، یک فیلتر گذر باند و یک فیلتر ناچ با توجه به مشخصات طراحی خاص برای دستیابی به هدف طراحی شده است. پس از طراحی این اجزا در LTspice ، ترکیبی از رفت و برگشت AC و تجزیه و تحلیل گذرا برای آزمایش اعتبار هر جزء و کل سیستم انجام شد. این آزمایشات نشان داد که طراحی کلی سیستم معتبر است و هر یک از اجزای آن همانطور که انتظار می رود کار می کند.

در آینده ، این سیستم می تواند برای آزمایش در شرایطی که داده های ECG زنده است ، به یک مدار فیزیکی تبدیل شود. این آزمایشات آخرین مرحله در تعیین اعتبار طرح خواهد بود. پس از تکمیل ، این سیستم می تواند برای استفاده در محیط های مختلف مراقبت های بهداشتی مناسب باشد و برای کمک به پزشکان در تشخیص و درمان بیماری های قلبی مورد استفاده قرار گیرد.