เครื่องจำลองวงจร ECG อัตโนมัติ: 4 ขั้นตอน

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

คลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) เป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพที่ใช้ในการวัดกิจกรรมทางไฟฟ้าของหัวใจของผู้ป่วย รูปร่างที่เป็นเอกลักษณ์ของศักย์ไฟฟ้าเหล่านี้จะแตกต่างกันไปตามตำแหน่งของอิเล็กโทรดการบันทึก และถูกใช้เพื่อตรวจจับสภาวะต่างๆ ด้วยการตรวจหาภาวะหัวใจที่หลากหลายตั้งแต่เนิ่นๆ แพทย์สามารถให้คำแนะนำมากมายแก่ผู้ป่วยเกี่ยวกับสถานการณ์ของพวกเขา เครื่องนี้ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสามส่วน: แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดตามด้วยฟิลเตอร์บากและฟิลเตอร์แบนด์พาส เป้าหมายของส่วนเหล่านี้คือการขยายสัญญาณขาเข้า ขจัดสัญญาณที่ไม่ต้องการ และส่งสัญญาณทางชีววิทยาที่เกี่ยวข้องทั้งหมด การวิเคราะห์ระบบผลลัพธ์พิสูจน์ว่าคลื่นไฟฟ้าหัวใจตามที่คาดไว้ ทำงานที่ต้องการเพื่อสร้างสัญญาณ ECG ที่ใช้งานได้ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ในการตรวจจับภาวะหัวใจ

เสบียง:

• ซอฟต์แวร์ LTSpice
• ไฟล์สัญญาณ ECG

ขั้นตอนที่ 1: เครื่องมือขยายสัญญาณ

แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด ซึ่งบางครั้งย่อมาจาก INA ใช้เพื่อขยายสัญญาณชีวภาพระดับต่ำที่สังเกตได้จากผู้ป่วย INA ทั่วไปประกอบด้วยแอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงานสามตัว (Op Amps) Op Amps สองตัวควรอยู่ในการกำหนดค่าที่ไม่กลับด้านและ Op Amp สุดท้ายในการกำหนดค่าส่วนต่าง ตัวต้านทานเจ็ดตัวถูกใช้ควบคู่ไปกับ Op Amps เพื่อให้เราสามารถเปลี่ยนแปลงเกนโดยการเปลี่ยนขนาดค่าตัวต้านทาน ตัวต้านทานมีสามคู่และหนึ่งขนาด

สำหรับโครงการนี้ ฉันจะใช้อัตราขยาย 1,000 เพื่อขยายสัญญาณ จากนั้นฉันจะเลือกค่า R2, R3 และ R4 ตามอำเภอใจ (จะง่ายที่สุดถ้า R3 และ R4 มีขนาดเท่ากันเพราะจะยกเลิกเป็น 1 ซึ่งจะทำให้การคำนวณง่ายขึ้น) จากที่นี่ ฉันสามารถแก้ให้ R1 มีขนาดส่วนประกอบที่จำเป็นทั้งหมด

กำไร = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

โดยใช้สมการเกนด้านบนและค่า R2 = 50kΩ และ R3 = R4 = 10kΩ เราจะได้ R1 = 100Ω

เพื่อตรวจสอบว่าเกนเป็น 1,000 จริงหรือไม่ เราสามารถเรียกใช้วงจรด้วยฟังก์ชันกวาด.ac และสังเกตว่าที่ราบสูงเกิดขึ้นที่ใด ในกรณีนี้คือ 60 เดซิเบล ด้วยการใช้สมการด้านล่าง เราสามารถแปลง dB เป็น Vout/Vin ที่ไม่มีมิติ ซึ่งจบลงที่ 1,000 ตามที่คาดไว้

เกน, dB = 20*log(Vout/Vin)

ขั้นตอนที่ 2: Notch Filter

องค์ประกอบต่อไปที่จะออกแบบคือตัวกรองรอยบาก ค่าของส่วนประกอบสำหรับตัวกรองนี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับความถี่ที่คุณต้องการตัดออก สำหรับการออกแบบนี้ เราต้องการตัดความถี่ 60 Hz (fc) ที่ปล่อยออกมาจากเครื่องมือแพทย์

ตัวกรองรอยบากคู่ที่ใช้ในการออกแบบนี้เพื่อให้แน่ใจว่าจะมีการตัดเฉพาะที่ต้องการเท่านั้น และเราจะไม่ลดทอนความถี่ทางชีวภาพที่ต้องการโดยไม่ได้ตั้งใจใกล้กับเครื่องหมาย 60 Hz พบค่าส่วนประกอบโดยการเลือกค่าตัวต้านทานตามอำเภอใจ ซึ่งฉันเลือกใช้2kΩสำหรับตัวกรองความถี่ต่ำ (บนสุด) และ1kΩสำหรับตัวกรองความถี่สูง (T ล่าง) จากสมการด้านล่าง ฉันหาค่าตัวเก็บประจุที่จำเป็น

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

พบพล็อตลางบอกเหตุอีกครั้งโดยใช้ฟังก์ชันการกวาด.ac ที่ LTSpice นำเสนอ

ขั้นตอนที่ 3: Band Pass Filter

ส่วนประกอบสุดท้ายของระบบ ECG แบบอัตโนมัติจำเป็นต้องส่งผ่านความถี่ทางชีวภาพ เนื่องจากเป็นสิ่งที่เราสนใจ สัญญาณ ECG ทั่วไปเกิดขึ้นระหว่าง 0.5 Hz ถึง 150 Hz (fc) ดังนั้นสามารถใช้ตัวกรองสองตัวได้ ตัวกรองแบนด์พาสหรือฟิลเตอร์ความถี่ต่ำ ในการออกแบบนี้ ใช้ตัวกรองแบนด์ผ่านเนื่องจากมีความแม่นยำมากกว่าความถี่ต่ำเล็กน้อย แม้ว่าจะยังใช้งานได้เนื่องจากความถี่ทางชีวภาพโดยทั่วไปไม่มีความถี่สูงอยู่แล้ว

ตัวกรองสัญญาณแบบแบนด์ประกอบด้วยสองส่วน: ตัวกรองความถี่สูงและตัวกรองความถี่ต่ำ High pass filter มาก่อน Op Amp และ low pass จะอยู่หลัง จำไว้ว่ามีการออกแบบตัวกรอง band pass ที่หลากหลายที่สามารถใช้ได้

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

อีกครั้งหนึ่ง ค่าที่กำหนดเองจะถูกเลือกมากเพื่อค้นหาค่าที่ต้องการของส่วนอื่นๆ ในตัวกรองสุดท้าย ฉันเลือกค่าตัวต้านทานตามอำเภอใจและหาค่าตัวเก็บประจุ เพื่อแสดงให้เห็นว่าไม่สำคัญว่าคุณจะเริ่มต้นด้วยอันไหน ตอนนี้ฉันจะเลือกค่าตัวเก็บประจุตามอำเภอใจเพื่อแก้ปัญหาหาค่าตัวต้านทาน ในกรณีนี้ ฉันเลือกค่าตัวเก็บประจุที่ 1uF จากสมการข้างต้น ฉันใช้ความถี่ตัดครั้งละหนึ่งความถี่เพื่อแก้หาตัวต้านทานที่เกี่ยวข้อง เพื่อความง่าย ฉันจะใช้ค่าตัวเก็บประจุเดียวกันสำหรับทั้ง high pass และ low pass part กับ band pass filter 0.5 Hz จะใช้เพื่อแก้ปัญหาสำหรับตัวต้านทานความถี่สูงผ่าน และใช้ความถี่คัทออฟ 150 Hz เพื่อค้นหาตัวต้านทานความถี่ต่ำ

สามารถใช้พล็อตลางสังหรณ์อีกครั้งเพื่อดูว่าการออกแบบวงจรทำงานอย่างเหมาะสมหรือไม่

ขั้นตอนที่ 4: ระบบเต็ม

หลังจากที่แต่ละส่วนประกอบได้รับการตรวจสอบให้ทำงานด้วยตัวเองแล้ว ชิ้นส่วนต่างๆ สามารถรวมกันเป็นระบบเดียวได้ ด้วยการใช้ข้อมูล ECG ที่นำเข้าและฟังก์ชัน PWL ในเครื่องกำเนิดแรงดันไฟฟ้า คุณสามารถเรียกใช้การจำลองเพื่อให้แน่ใจว่าระบบขยายอย่างเหมาะสมและผ่านความถี่ทางชีวภาพที่ต้องการ

ภาพหน้าจอพล็อตบนสุดเป็นตัวอย่างของข้อมูลที่ส่งออกโดยใช้ฟังก์ชัน.tran และภาพหน้าจอพล็อตด้านล่างคือพล็อตลางตามลำดับโดยใช้ฟังก์ชัน.ac

สามารถดาวน์โหลดข้อมูล ECG อินพุตที่แตกต่างกันได้ (เพิ่มไฟล์อินพุต ECG สองไฟล์ในหน้านี้) และนำเข้าสู่ฟังก์ชันเพื่อทดสอบระบบกับผู้ป่วยแบบจำลองต่างๆ