การสร้างแบบจำลองสัญญาณ ECG ใน LTspice: 7 ขั้นตอน

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

ECG เป็นวิธีการทั่วไปในการวัดสัญญาณไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในหัวใจ แนวคิดทั่วไปของขั้นตอนนี้คือการหาปัญหาเกี่ยวกับหัวใจ เช่น ภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ โรคหลอดเลือดหัวใจตีบ หรือหัวใจวาย อาจมีความจำเป็นหากผู้ป่วยมีอาการ เช่น เจ็บหน้าอก หายใจลำบาก หรือหัวใจเต้นไม่สม่ำเสมอที่เรียกว่าใจสั่น แต่ยังสามารถใช้เพื่อให้แน่ใจว่าเครื่องกระตุ้นหัวใจและอุปกรณ์ฝังตัวอื่นๆ ทำงานได้อย่างถูกต้อง ข้อมูลจากองค์การอนามัยโลกแสดงให้เห็นว่าโรคหลอดเลือดหัวใจเป็นสาเหตุการเสียชีวิตที่ใหญ่ที่สุดทั่วโลก โรคเหล่านี้คร่าชีวิตผู้คนไปประมาณ 18 ล้านคนในแต่ละปี ดังนั้นอุปกรณ์ที่สามารถตรวจสอบหรือค้นพบโรคเหล่านี้จึงมีความสำคัญอย่างไม่น่าเชื่อ ซึ่งเป็นสาเหตุที่ ECG ได้รับการพัฒนา ECG เป็นการทดสอบทางการแพทย์ที่ไม่รุกรานโดยสมบูรณ์ ซึ่งไม่ก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อผู้ป่วย ยกเว้นความรู้สึกไม่สบายเล็กน้อยเมื่อถอดขั้วไฟฟ้าออก

อุปกรณ์เต็มรูปแบบที่ระบุไว้ในคำแนะนำนี้จะประกอบด้วยส่วนประกอบหลายอย่างเพื่อจัดการกับสัญญาณ ECG ที่มีเสียงดัง เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด การบันทึกคลื่นไฟฟ้าหัวใจเกิดขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าต่ำโดยทั่วไป ดังนั้นสัญญาณเหล่านี้ควรได้รับการขยายก่อนที่จะทำการวิเคราะห์ ในกรณีนี้ด้วยเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด นอกจากนี้ สัญญาณรบกวนยังเด่นชัดมากในการบันทึกคลื่นไฟฟ้าหัวใจ ดังนั้นจึงต้องมีการกรองเพื่อล้างสัญญาณเหล่านี้ การรบกวนนี้อาจมาจากสถานที่ต่างๆ ดังนั้นจึงต้องใช้วิธีการต่างๆ เพื่อขจัดสัญญาณรบกวนที่เฉพาะเจาะจง สัญญาณทางสรีรวิทยาเกิดขึ้นที่ช่วงปกติเท่านั้น ดังนั้นจึงใช้ตัวกรองแบนด์พาสเพื่อขจัดความถี่ใดๆ นอกช่วงนี้ สัญญาณรบกวนทั่วไปในสัญญาณ ECG เรียกว่าการรบกวนของสายไฟ ซึ่งเกิดขึ้นที่ประมาณ 60 Hz และจะถูกลบออกด้วยตัวกรองรอยบาก ส่วนประกอบทั้งสามนี้ทำงานพร้อมกันเพื่อทำความสะอาดสัญญาณ ECG และช่วยให้ตีความและวินิจฉัยได้ง่ายขึ้น และจะมีการสร้างแบบจำลองใน LTspice เพื่อทดสอบประสิทธิภาพ

ขั้นตอนที่ 1: การสร้างเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด (INA)

องค์ประกอบแรกของอุปกรณ์เต็มรูปแบบคือเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัด (INA) ซึ่งสามารถวัดสัญญาณขนาดเล็กที่พบในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดัง ในกรณีนี้ INA ถูกสร้างขึ้นด้วยอัตราขยายสูง (ประมาณ 1, 000) เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด แผนผังของ INA พร้อมค่าตัวต้านทานที่เกี่ยวข้องจะแสดงขึ้น เกนของ INA นี้สามารถคำนวณได้ในทางทฤษฎีเพื่อยืนยันว่าการตั้งค่าถูกต้องและค่าความต้านทานมีความเหมาะสม สมการ (1) แสดงสมการที่ใช้ในการคำนวณว่ากำไรทางทฤษฎีคือ 1, 000 โดยที่ R1 = R3, R4 = R5 และ R6 = R7

สมการ (1): กำไร = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

ขั้นตอนที่ 2: สร้างตัวกรองแบนด์พาส

แหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนหลักรวมถึงสัญญาณไฟฟ้าที่แพร่กระจายไปทั่วร่างกาย ดังนั้นมาตรฐานอุตสาหกรรมคือการรวมตัวกรองแบนด์พาสที่มีความถี่ตัดที่ 0.5 Hz และ 150 Hz เพื่อขจัดความผิดเพี้ยนจาก ECG ตัวกรองนี้ใช้ตัวกรองความถี่สูงและความถี่ต่ำในซีรีส์เพื่อขจัดสัญญาณที่อยู่นอกช่วงความถี่นี้ แผนผังของตัวกรองนี้พร้อมค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุตามลำดับจะแสดงขึ้น พบค่าที่แน่นอนของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุโดยใช้สูตรที่แสดงในสมการ (2) สูตรนี้ถูกใช้สองครั้ง สูตรหนึ่งสำหรับความถี่คัทออฟผ่านสูงที่ 0.5 Hz และอีกสูตรหนึ่งสำหรับความถี่คัทออฟผ่านต่ำที่ 150 Hz ในแต่ละกรณี ค่าตัวเก็บประจุถูกตั้งค่าเป็น 1 μF และคำนวณค่าตัวต้านทาน

สมการที่ 2: R = 1 / (2 * pi * ความถี่ตัด * C)

ขั้นตอนที่ 3: สร้าง Notch Filter

แหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับ ECG นั้นเกิดจากสายไฟและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ แต่ถูกกำจัดออกไปด้วยตัวกรองรอยบาก เทคนิคการกรองนี้ใช้ตัวกรองความถี่สูงและความถี่ต่ำแบบคู่ขนานเพื่อขจัดเสียงรบกวนโดยเฉพาะที่ 60 Hz แผนผังของตัวกรองรอยบากพร้อมตัวต้านทานและค่าตัวเก็บประจุตามลำดับจะปรากฏขึ้น ค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่แน่นอนถูกกำหนดเช่น R1 = R2 = 2R3 และ C1 = 2C2 =2C3 จากนั้น เพื่อให้แน่ใจว่าความถี่คัทออฟที่ 60 Hz R1 ถูกตั้งค่าเป็น 1 kΩ และใช้สมการ (3) เพื่อค้นหาค่าของ C1

สมการที่ 3: C = 1 / (4 * pi * ความถี่ตัด * R)

ขั้นตอนที่ 4: สร้างระบบเต็มรูปแบบ

สุดท้าย ส่วนประกอบทั้งสามได้รับการทดสอบร่วมกันเพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ทั้งหมดทำงานอย่างถูกต้อง ค่าส่วนประกอบเฉพาะจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อใช้งานระบบเต็มรูปแบบ และพารามิเตอร์การจำลองจะรวมอยู่ในรูปที่ 4 แต่ละส่วนเชื่อมต่อกันเป็นชุดตามลำดับต่อไปนี้: INA, ตัวกรองแบนด์พาสและตัวกรองรอย ในขณะที่ตัวกรองสามารถแลกเปลี่ยนกันได้ INA ควรยังคงเป็นองค์ประกอบแรก เพื่อให้เกิดการขยายสัญญาณก่อนการกรองใดๆ จะเกิดขึ้น

ขั้นตอนที่ 5: การทดสอบแต่ละส่วนประกอบ

ในการทดสอบความถูกต้องของระบบนี้ ส่วนประกอบแต่ละส่วนได้รับการทดสอบแยกกันก่อน จากนั้นจึงทดสอบทั้งระบบ สำหรับการทดสอบแต่ละครั้ง สัญญาณอินพุตถูกกำหนดให้อยู่ภายในช่วงปกติของสัญญาณทางสรีรวิทยา (5 mV และ 1 kHz) เพื่อให้ระบบมีความแม่นยำมากที่สุด การวิเคราะห์กระแสสลับและการวิเคราะห์ชั่วคราวเสร็จสมบูรณ์สำหรับ INA เพื่อให้สามารถกำหนดอัตราขยายได้โดยใช้สองวิธี (สมการ (4) และ (5)) ตัวกรองทั้งสองได้รับการทดสอบโดยใช้การกวาดกระแสสลับเพื่อให้แน่ใจว่าความถี่ตัดเกิดขึ้นที่ค่าที่ต้องการ

สมการที่ 4: กำไร = 10 ^ (dB / 20) สมการที่ 5: กำไร = แรงดันขาออก / แรงดันไฟฟ้าขาเข้า

ภาพแรกที่แสดงคือการกวาด AC ของ INA ภาพที่สองและสามคือการวิเคราะห์ชั่วคราวของ INA สำหรับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออก ที่สี่คือการกวาด AC ของตัวกรอง bandpass และที่ห้าคือการกวาด AC ของตัวกรองรอยบาก

ขั้นตอนที่ 6: ทดสอบระบบทั้งหมด

สุดท้าย ระบบทั้งหมดได้รับการทดสอบด้วยการกวาดกระแสสลับและการวิเคราะห์แบบชั่วคราว อย่างไรก็ตาม อินพุตของระบบนี้เป็นสัญญาณ ECG จริง ภาพแรกด้านบนแสดงผลการกวาดแบบ AC ในขณะที่ภาพที่สองแสดงผลลัพธ์ของการวิเคราะห์แบบชั่วคราว แต่ละบรรทัดสอดคล้องกับการวัดหลังจากแต่ละส่วนประกอบ: สีเขียว - INA สีน้ำเงิน - ตัวกรองแถบความถี่ และตัวกรองสีแดง - รอย ภาพสุดท้ายจะซูมเข้าที่คลื่น ECG หนึ่งคลื่นเพื่อการวิเคราะห์ที่ง่ายขึ้น

ขั้นตอนที่ 7: ความคิดสุดท้าย

โดยรวมแล้ว ระบบนี้ได้รับการออกแบบมาให้รับสัญญาณ ECG ขยายสัญญาณ และขจัดสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการเพื่อให้สามารถตีความได้ง่าย สำหรับทั้งระบบ แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด ฟิลเตอร์แบนด์พาส และฟิลเตอร์บากได้รับการออกแบบตามข้อกำหนดเฉพาะของการออกแบบเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย หลังจากออกแบบส่วนประกอบเหล่านี้ใน LTspice ได้มีการดำเนินการร่วมกันของ AC กวาดและการวิเคราะห์ชั่วคราวเพื่อทดสอบความถูกต้องของแต่ละส่วนประกอบและของทั้งระบบ การทดสอบเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการออกแบบโดยรวมของระบบนั้นถูกต้องและส่วนประกอบแต่ละส่วนทำงานได้ตามที่คาดไว้

ในอนาคตระบบนี้สามารถแปลงเป็นวงจรกายภาพเพื่อทดสอบในขณะที่ข้อมูล ECG อยู่ การทดสอบเหล่านี้จะเป็นขั้นตอนสุดท้ายในการพิจารณาว่าการออกแบบนั้นถูกต้องหรือไม่ เมื่อเสร็จสิ้นแล้ว ระบบสามารถปรับเปลี่ยนระบบเพื่อใช้ในสถานพยาบาลต่างๆ และใช้เพื่อช่วยแพทย์วินิจฉัยและรักษาโรคหัวใจได้