วงจร ECG อัตโนมัติ รุ่น: 4 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

เป้าหมายของโครงการนี้คือการสร้างแบบจำลองวงจรที่มีส่วนประกอบหลายอย่างที่สามารถขยายและกรองสัญญาณ ECG ที่เข้ามาได้อย่างเพียงพอ ส่วนประกอบสามส่วนจะได้รับการสร้างแบบจำลองแยกกัน: แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด, ฟิลเตอร์แอคทีฟบาก และฟิลเตอร์แบนด์พาสซีฟ พวกเขาจะรวมกันเพื่อสร้างรูปแบบวงจร ECG ขั้นสุดท้าย การสร้างแบบจำลองและการทดสอบวงจรทั้งหมดดำเนินการใน LTspice แต่โปรแกรมจำลองวงจรอื่นๆ ก็ใช้ได้เช่นกัน

ขั้นตอนที่ 1: เครื่องมือขยายสัญญาณ

นี่จะเป็นองค์ประกอบแรกของแบบจำลอง ECG แบบเต็ม จุดประสงค์คือเพื่อขยายสัญญาณ ECG ที่เข้ามา ซึ่งในตอนแรกจะมีแรงดันไฟฟ้าต่ำมาก ฉันเลือกใช้ออปแอมป์และส่วนประกอบต้านทานรวมกันในลักษณะที่จะได้กำไร 1,000 ภาพแรกแสดงการออกแบบแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดที่สร้างแบบจำลองใน LTspice ภาพที่สองแสดงสมการที่เกี่ยวข้องและดำเนินการคำนวณ เมื่อสร้างแบบจำลองอย่างสมบูรณ์แล้ว การวิเคราะห์ชั่วคราวของสัญญาณอินพุตไซน์ที่ 1 mV ที่ 75 Hz ถูกดำเนินการใน LTspice เพื่อยืนยันการเพิ่มที่ 1,000 ภาพที่สามแสดงผลของการวิเคราะห์นี้

ขั้นตอนที่ 2: Active Notch Filter

นี่จะเป็นองค์ประกอบที่สองของแบบจำลอง ECG แบบเต็ม จุดประสงค์คือเพื่อลดทอนสัญญาณด้วยความถี่ 60 Hz ซึ่งเป็นความถี่ของการรบกวนของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ สิ่งนี้บิดเบือนสัญญาณ ECG และมักมีอยู่ในการตั้งค่าทางคลินิกทั้งหมด ฉันเลือกใช้การรวม op-amp กับส่วนประกอบตัวต้านทานและตัวเก็บประจุในการกำหนดค่าตัวกรองรอยบากคู่ ภาพแรกแสดงการออกแบบตัวกรองรอยบากที่จำลองใน LTspice ภาพที่สองแสดงสมการที่เกี่ยวข้องและดำเนินการคำนวณ เมื่อสร้างแบบจำลองอย่างสมบูรณ์แล้ว การสแกน AC ของสัญญาณอินพุตไซน์ที่ 1 V ถูกดำเนินการจาก 1 Hz - 100 kHz ใน LTspice เพื่อยืนยันรอยบากที่ 60 Hz ภาพที่สามแสดงผลการวิเคราะห์นี้ ความแปรผันเล็กน้อยในผลการจำลองเมื่อเทียบกับผลลัพธ์ที่คาดการณ์ไว้น่าจะเกิดจากการปัดเศษเมื่อคำนวณส่วนประกอบความต้านทานและตัวเก็บประจุของวงจรนี้

ขั้นตอนที่ 3: ตัวกรองแบนด์วิดท์แบบพาสซีฟ

นี่จะเป็นองค์ประกอบที่สามของแบบจำลอง ECG แบบเต็ม จุดประสงค์คือเพื่อกรองสัญญาณที่ไม่อยู่ในช่วง 0.05 Hz - 250 Hz เนื่องจากเป็นช่วงของ ECG สำหรับผู้ใหญ่ทั่วไป ฉันเลือกใช้ส่วนประกอบตัวต้านทานและคาปาซิทีฟรวม ดังนั้นคัทออฟผ่านสูงจะเป็น 0.05 เฮิรตซ์ และคัทออฟความถี่ต่ำจะเป็น 250 เฮิรตซ์ ภาพแรกแสดงการออกแบบตัวกรองแบนด์พาสซีฟแบบพาสซีฟที่สร้างแบบจำลองใน LTspice ภาพที่สองแสดงสมการที่เกี่ยวข้องและดำเนินการคำนวณ เมื่อสร้างแบบจำลองอย่างสมบูรณ์แล้ว การสแกน AC ของสัญญาณอินพุตไซน์ที่ 1 V ดำเนินการจาก 0.01 Hz - 100 kHz ใน LTspice เพื่อยืนยันความถี่คัทออฟผ่านสูงและต่ำ ภาพที่สามแสดงผลการวิเคราะห์นี้ ความแปรผันเล็กน้อยในผลการจำลองเมื่อเทียบกับผลลัพธ์ที่คาดการณ์ไว้น่าจะเกิดจากการปัดเศษเมื่อคำนวณส่วนประกอบความต้านทานและตัวเก็บประจุของวงจรนี้

ขั้นตอนที่ 4: การรวมส่วนประกอบวงจร

ตอนนี้ส่วนประกอบทั้งหมดได้รับการออกแบบและทดสอบเป็นรายบุคคลแล้ว พวกเขาสามารถรวมเป็นชุดตามลำดับที่สร้างขึ้นได้ ส่งผลให้วงจร ECG เต็มรูปแบบซึ่งมีเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัดก่อนเพื่อขยายสัญญาณ 1000x จากนั้นจึงใช้ตัวกรองรอยบากเพื่อขจัดสัญญาณรบกวนจากแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ 60 Hz สุดท้ายนี้ ตัวกรองแบนด์พาสไม่อนุญาตให้สัญญาณผ่านที่อยู่นอกช่วงของคลื่นไฟฟ้าหัวใจในผู้ใหญ่ทั่วไป (0.05 Hz - 250 Hz) เมื่อรวมกันแล้ว ดังที่แสดงในภาพแรก การวิเคราะห์ชั่วคราวและการกวาดไฟฟ้ากระแสสลับแบบเต็มสามารถดำเนินการใน LTspice ที่มีแรงดันไฟฟ้าอินพุต 1 mV (ไซน์) เพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบทำงานร่วมกันตามที่คาดไว้ ภาพที่สองแสดงผลการวิเคราะห์ชั่วคราว ซึ่งแสดงการขยายสัญญาณจาก 1 mV ถึง ~ 0.85 V ซึ่งหมายความว่าทั้งส่วนประกอบตัวกรองรอยบากหรือแบนด์พาสจะลดทอนสัญญาณเล็กน้อยหลังจากที่ขยายสัญญาณครั้งแรก 1000x โดยเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ ภาพที่สามแสดงผลการกวาด AC พล็อตลางบอกเหตุนี้แสดงการตัดผ่านสูงและต่ำที่ตรงกับพล็อตลางบอกเหตุของตัวกรองแบนด์พาสเมื่อทำการทดสอบทีละรายการ นอกจากนี้ยังมีการลดลงเล็กน้อยประมาณ 60 Hz ซึ่งเป็นที่ที่ตัวกรองรอยบากทำงานเพื่อขจัดเสียงรบกวนที่ไม่ต้องการ