مدار شبیه سازی نوار قلب: 7 مرحله

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

نوار قلب یک آزمایش رایج است که هم در معاینات استاندارد و هم در تشخیص بیماریهای جدی مورد استفاده قرار می گیرد. این دستگاه که به ECG معروف است ، سیگنال های الکتریکی درون بدن را که مسئول تنظیم ضربان قلب است اندازه گیری می کند. این آزمایش با استفاده از الکترودها روی پوست فرد و مشاهده خروجی ، که به شکل موج ECG شناخته شده نشان داده می شود ، انجام می شود. این شکل موج شامل یک موج P ، کمپلکس QRS و موج T است که هر یک نشان دهنده یک پاسخ فیزیولوژیکی هستند. این راهنما مراحل شبیه سازی نوار قلب را در یک نرم افزار شبیه سازی مدار طی می کند.

تدارکات:

LTSpice یا شبیه ساز مدار مشابه

مرحله 1: یک تقویت کننده ابزار دقیق بسازید

هدف تقویت کننده ابزار دقیق ، تقویت یک سیگنال بسیار کوچک است که غالباً با سطوح بالای نویز احاطه شده است. ولتاژ سیگنال ورودی به EMG معمولاً بین 1 میلی ولت تا 5 میلی ولت است و هدف از این مرحله تقویت آن سیگنال با افزایش تقریباً 1000 است. در شکل نشان داده شده ، می توان با رابطه زیر کنترل کرد R1 = R2 ، R4 = R5 و R6 = R7:

سود = K1*K2 ، جایی که K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

بنابراین سود برابر با 1000 تعیین شد ، بنابراین K1 و K2 تقریباً 31.6 است. برخی از مقاومتها ممکن است خودسرانه و برخی دیگر محاسبه شوند ، مادامی که معادله افزایش برابر با 1000 باشد. در یک مدار فیزیکی ، الکترودها وارد تقویت کنندههای عملیاتی می شوند ، اما برای اهداف شبیه سازی ، یکی زمین گیر شده و دیگری برای نشان دادن استفاده می شود. تفاوت احتمالی گره Vin برای شبیه سازی امواج ورودی بعداً مورد استفاده قرار می گیرد. گره Vout منجر به مرحله بعدی نوار قلب می شود. یک تقویت کننده عملیاتی LTC1151 انتخاب شد زیرا در کتابخانه LTSpice قرار دارد ، دارای CMRR بالا است و در ابزار پزشکی استفاده می شود. هر تقویت کننده اصلی عملیاتی با ولتاژ منبع تغذیه +15V و -15V در این سیستم کار می کند.

مرحله 2: یک فیلتر Notch بسازید

مرحله بعدی در نوار قلب یک فیلتر ناچ برای فیلتر کردن تداخل خط برق است که در فرکانس 60 هرتز رخ می دهد. فیلتر ناچ با حذف طیف وسیعی از سیگنال هایی که در فرکانس بسیار نزدیک رخ می دهند کار می کند. بنابراین ، با استفاده از فرکانس قطع 60 هرتز و معادله فرکانس قطع ، می توان مقاومت ها و خازن های مناسب را انتخاب کرد. با استفاده از شماتیک بالا و توجه داشته باشید که C = C1 = C2 ، C3 = 2*C1 ، R = R10 ، و R8 = R9 = 2*R10 ، می توان مقادیر خازن را به طور دلخواه انتخاب کرد (مثال یک خازن 1uF انتخاب شده را نشان می دهد). با استفاده از معادله زیر ، مقادیر مقاومت مناسب را می توان محاسبه و در این مرحله استفاده کرد:

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

گره Vin خروجی از تقویت کننده ابزار دقیق است و گره Vout به مرحله بعدی منتهی می شود.

مرحله 3: یک فیلتر Bandpass بسازید

آخرین مرحله سیستم شامل یک فیلتر باند باند فعال برای حذف نویز در محدوده فرکانس خاصی است. سرگردان اولیه ، ناشی از تغییر خط سیگنال با زمان ، زیر 0.6 هرتز ایجاد می شود و نویز EMG ، ناشی از وجود سر و صدای عضلانی ، در فرکانسهای بالاتر از 100 هرتز رخ می دهد. بنابراین ، این اعداد به عنوان فرکانس قطع تعیین می شوند. فیلتر باند گذر شامل یک فیلتر کم گذر و سپس یک فیلتر بالا گذر است. با این حال ، هر دو فیلتر فرکانس قطع یکسانی دارند:

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

با استفاده از 1uF به عنوان مقدار خازن دلخواه و 0.6 و 100 به عنوان فرکانس قطع ، مقادیر مقاومت برای قسمتهای مناسب فیلتر محاسبه شد. گره Vin از خروجی فیلتر ناچ و گره Vout جایی است که خروجی شبیه سازی شده سیستم کامل اندازه گیری می شود. در یک سیستم فیزیکی ، این خروجی به یک اسیلوسکوپ یا دستگاه نمایش مشابه متصل می شود تا امواج نوار قلب را در زمان واقعی مشاهده کند.

مرحله 4: تقویت کننده ابزار را آزمایش کنید

در مرحله بعد ، تقویت کننده ابزار مورد آزمایش قرار می گیرد تا اطمینان حاصل شود که افزایش 1000 را ارائه می دهد. برای انجام این کار ، یک موج سینوسی در فرکانس و دامنه دلخواه وارد کنید. در این مثال از یک پیک 2mV به حداکثر دامنه برای نشان دادن یک موج EMG و فرکانس 1000 هرتز استفاده شده است. شبیه ساز تقویت کننده را در نرم افزار شبیه سازی مدار شبیه سازی کرده و شکل موج های ورودی و خروجی را ترسیم کنید. با استفاده از یک تابع مکان نما ، اندازه ورودی و خروجی را ثبت کرده و سود را با Gain = Vout/Vin محاسبه کنید. اگر این افزایش تقریباً 1000 باشد ، این مرحله به درستی کار می کند. تجزیه و تحلیل آماری اضافی را می توان در این مرحله با در نظر گرفتن تحمل مقاومت و تغییر مقادیر مقاومت +5٪ و -5٪ انجام داد تا ببینیم چگونه بر موج خروجی و افزایش بعدی تأثیر می گذارد.

مرحله 5: فیلتر Notch را آزمایش کنید

فیلتر ناچ را با انجام جاروب AC از محدوده حاوی 60 هرتز آزمایش کنید. در این مثال ، رفت و برگشت از 1 هرتز تا 200 هرتز اجرا شد. نمودار حاصل ، هنگامی که در گره Vout اندازه گیری می شود ، نمودار تقویت در dB در مقابل فرکانس در هرتز را نشان می دهد. نمودار باید با تقویت 0 دسی بل در فرکانسهای دور از 60 هرتز در هر دو جهت شروع و پایان یابد و افت زیادی در تقویت در 60 هرتز یا نزدیک به آن ظاهر شود. این نشان می دهد که سیگنال هایی که در این فرکانس رخ می دهند به درستی از سیگنال مورد نظر حذف می شوند. تجزیه و تحلیل آماری اضافی را می توان با در نظر گرفتن تحمل مقاومت و تغییر مقادیر مقاومت و خازن +5 and و -5 to انجام داد تا ببینیم چگونه بر فرکانس قطع تجربی (فرکانسی که بیشترین ضعف را از نظر گرافیکی تجربه می کند) تأثیر می گذارد.

مرحله 6: فیلتر Bandpass را آزمایش کنید

در نهایت ، فیلتر گذرگاه را با انجام یک تحلیل رفت و برگشت AC دیگر آزمایش کنید. این بار ، رفت و برگشت باید از یک فرکانس کمتر از 0.6 و بیشتر از 100 باشد تا اطمینان حاصل شود که باند عبور به صورت گرافیکی قابل مشاهده است. بار دیگر ، تجزیه و تحلیل را با اندازه گیری در گره Vout نشان داده شده در شماتیک انجام دهید. خروجی باید شبیه شکل بالا باشد که در آن تقویت کننده هرچه بیشتر از محدوده 0.6-100Hz منفی باشد. نقاطی که تقویت در آنها -3dB است باید 0.6 و 100 هرتز باشد ، یا مقادیری که به ترتیب برای نقاط اول و دوم بسیار نزدیک است. نقاط -3dB زمانی نشان می دهند که یک سیگنال به نقطه ای ضعیف می شود که خروجی در این فرکانس ها نیمی از توان اولیه باشد. بنابراین ، نقاط -3dB برای تحلیل ضعیف شدن سیگنال ها برای فیلترها استفاده می شود. اگر نقاط -3dB در نمودار خروجی با محدوده گذر باند مطابقت داشته باشند ، مرحله به درستی کار می کند.

تجزیه و تحلیل آماری اضافی را می توان در این مرحله با در نظر گرفتن تحمل مقاومت و تغییر مقادیر مقاومت و خازن +5 and و -5 performed انجام داد تا ببینیم چگونه بر هر دو فرکانس قطع آزمایشی تأثیر می گذارد.

مرحله 7: سیستم ECG کامل را کنار هم قرار دهید

در نهایت ، هنگامی که هر سه مرحله به درستی کار خود را تأیید کردند ، هر سه مرحله نوار قلب را با هم قرار دهید و نتیجه نهایی انجام شود. یک موج ECG شبیه سازی شده را می توان وارد مرحله تقویت کننده ابزار دقیق کرد و موج خروجی باید یک موج ECG تقویت شده باشد.