วงจร ECG จำลอง: 7 ขั้นตอน

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

คลื่นไฟฟ้าหัวใจเป็นแบบทดสอบทั่วไปที่ใช้ทั้งในการตรวจมาตรฐานและการวินิจฉัยโรคร้ายแรง อุปกรณ์นี้เรียกว่า ECG วัดสัญญาณไฟฟ้าภายในร่างกายที่ควบคุมการเต้นของหัวใจ การทดสอบดำเนินการโดยการใช้อิเล็กโทรดกับผิวหนังของผู้รับการทดลองและสังเกตเอาต์พุต ซึ่งอยู่ในรูปของรูปคลื่น ECG ที่ทราบที่แสดงไว้ รูปคลื่นนี้ประกอบด้วยคลื่น P, QRS complex และ T wave ซึ่งแต่ละอันแสดงถึงการตอบสนองทางสรีรวิทยา คู่มือนี้จะอธิบายขั้นตอนการจำลอง ECG ในซอฟต์แวร์จำลองวงจร

เสบียง:

LTSpice หรือเครื่องจำลองวงจรที่คล้ายกัน

ขั้นตอนที่ 1: สร้างเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ

จุดประสงค์ของการขยายสัญญาณเครื่องมือวัดคือการขยายสัญญาณขนาดเล็กมากซึ่งมักจะล้อมรอบด้วยเสียงรบกวนในระดับสูง แรงดันไฟฟ้าของสัญญาณอินพุตเข้าสู่ EMG โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 1 mV ถึง 5 mV และจุดประสงค์ของขั้นตอนนี้คือการขยายสัญญาณนั้นด้วยอัตราขยายประมาณ 1,000 ที่แสดงในแผนผัง อัตราขยายสามารถควบคุมได้โดยสมการต่อไปนี้โดยที่ R1 = R2, R4 = R5 และ R6 = R7:

กำไร = K1*K2 โดยที่ K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

ค่าเกนจึงถูกกำหนดไว้ที่ 1,000 ดังนั้น K1 และ K2 จะอยู่ที่ประมาณ 31.6 ตัวต้านทานบางตัวอาจเลือกได้ตามอำเภอใจและแบบอื่นๆ คำนวณได้ ตราบใดที่สมการเกนมีค่าเท่ากับ 1,000 ในวงจรกายภาพ อิเล็กโทรดจะเข้าไปในแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน แต่สำหรับจุดประสงค์ในการจำลอง ตัวหนึ่งมีการต่อสายดินและอีกตัวใช้เพื่อแสดงถึง ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น โหนด Vin จะถูกใช้เพื่อจำลองคลื่นอินพุตในภายหลัง โหนด Vout นำไปสู่ขั้นตอนต่อไปของ ECG แอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงาน LTC1151 ได้รับเลือกเนื่องจากอยู่ในไลบรารี LTSpice มี CMRR สูงและถูกนำมาใช้ในเครื่องมือแพทย์ แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการพื้นฐานใดๆ ที่มีแรงดันไฟฟ้า +15V และ -15V จะทำงานในระบบนี้

ขั้นตอนที่ 2: สร้างตัวกรองรอย

ขั้นตอนต่อไปใน ECG คือตัวกรองรอยบากเพื่อกรองสัญญาณรบกวนของสายไฟที่เกิดขึ้นที่ความถี่ 60 Hz ตัวกรองรอยบากทำงานโดยการลบช่วงสัญญาณเล็กๆ ที่เกิดขึ้นที่ความถี่เอกพจน์ ดังนั้นโดยการใช้ความถี่คัทออฟ 60 Hz และสมการความถี่คัทออฟ สามารถเลือกตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่เหมาะสมได้ โดยใช้แผนผังด้านบนและสังเกตว่า C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 และ R8 = R9 = 2*R10 ค่าตัวเก็บประจุสามารถเลือกได้ตามใจชอบ (ตัวอย่างแสดงตัวเก็บประจุ 1uF ที่เลือก) โดยใช้สมการต่อไปนี้ ค่าความต้านทานที่เหมาะสมสามารถคำนวณและใช้ในขั้นตอนนี้:

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

โหนด Vin คือเอาต์พุตจากแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด และโหนด Vout จะนำไปสู่สเตจถัดไป

ขั้นตอนที่ 3: สร้างตัวกรองแบนด์พาส

ขั้นตอนสุดท้ายของระบบประกอบด้วยตัวกรองแบนด์พาสที่แอ็คทีฟเพื่อขจัดเสียงรบกวนด้านบนและด้านล่างของช่วงความถี่ที่กำหนด การเดินฐานเส้นฐาน ซึ่งเกิดจากเส้นฐานของสัญญาณที่แปรผันตามเวลา เกิดขึ้นที่ต่ำกว่า 0.6 เฮิรตซ์ และสัญญาณรบกวน EMG ที่เกิดจากการมีอยู่ของเสียงของกล้ามเนื้อ เกิดขึ้นที่ความถี่ที่สูงกว่า 100 เฮิรตซ์ ดังนั้น ตัวเลขเหล่านี้จึงถูกกำหนดเป็นความถี่ตัด ตัวกรองแบนด์พาสประกอบด้วยตัวกรองความถี่ต่ำ ตามด้วยตัวกรองความถี่สูง อย่างไรก็ตาม ตัวกรองทั้งสองมีความถี่ตัดเดียวกัน:

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

การใช้ 1uF เป็นค่าตัวเก็บประจุตามอำเภอใจ และ 0.6 และ 100 เป็นความถี่ตัด ค่าตัวต้านทานจะถูกคำนวณสำหรับส่วนที่เหมาะสมของตัวกรอง โหนด Vin มาจากเอาต์พุตของตัวกรองรอยบาก และโหนด Vout เป็นที่ที่เอาต์พุตจำลองของระบบเต็มรูปแบบจะถูกวัด ในระบบทางกายภาพ เอาต์พุตนี้จะเชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคปหรืออุปกรณ์แสดงผลที่คล้ายกันเพื่อดูคลื่น ECG แบบเรียลไทม์

ขั้นตอนที่ 4: ทดสอบเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ

จากนั้น แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดจะได้รับการทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่าได้รับ 1,000 เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้ป้อนคลื่นไซน์ที่ความถี่และแอมพลิจูดตามอำเภอใจ ตัวอย่างนี้ใช้แอมพลิจูดสูงสุดถึงจุดสูงสุด 2mV เพื่อแสดงคลื่น EMG และความถี่ 1,000 Hz จำลองเครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัดในซอฟต์แวร์จำลองวงจรและพล็อตรูปคลื่นอินพุตและเอาต์พุต ใช้ฟังก์ชันเคอร์เซอร์ บันทึกขนาดอินพุตและเอาต์พุต และคำนวณค่าเกนด้วยเกน = Vout/Vin หากอัตราขยายนี้อยู่ที่ประมาณ 1,000 แสดงว่าขั้นตอนนี้ทำงานอย่างถูกต้อง การวิเคราะห์ทางสถิติเพิ่มเติมสามารถทำได้ในขั้นตอนนี้โดยคำนึงถึงความคลาดเคลื่อนของตัวต้านทานและการปรับเปลี่ยนค่าตัวต้านทาน +5% และ -5% เพื่อดูว่าจะส่งผลต่อคลื่นเอาต์พุตและอัตราขยายที่ตามมาอย่างไร

ขั้นตอนที่ 5: ทดสอบ Notch Filter

ทดสอบตัวกรองรอยบากโดยทำการกวาดกระแสสลับจากช่วงที่มี 60 Hz ในตัวอย่างนี้ การกวาดเริ่มจาก 1 Hz ถึง 200 Hz พล็อตผลลัพธ์เมื่อวัดที่โหนด Vout จะแสดงกราฟของการขยายเป็น dB เทียบกับความถี่ในหน่วย Hz กราฟควรเริ่มต้นและสิ้นสุดที่การขยายเสียง 0 dB ที่ความถี่ไกลจาก 60 Hz ในทั้งสองทิศทาง และการขยายสัญญาณที่ลดลงอย่างมากควรปรากฏที่หรือใกล้กับ 60 Hz มาก นี่แสดงว่าสัญญาณที่เกิดขึ้นที่ความถี่นี้จะถูกลบออกจากสัญญาณที่ต้องการอย่างเหมาะสม การวิเคราะห์ทางสถิติเพิ่มเติมสามารถทำได้ในขั้นตอนนี้โดยพิจารณาถึงความคลาดเคลื่อนของตัวต้านทานและการปรับเปลี่ยนค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ +5% และ -5% เพื่อดูว่าจะส่งผลต่อความถี่คัทออฟทดลองอย่างไร (ความถี่ที่พบกับการลดทอนแบบกราฟิกมากที่สุด)

ขั้นตอนที่ 6: ทดสอบตัวกรองแบนด์พาส

สุดท้าย ทดสอบตัวกรองแบนด์พาสโดยทำการวิเคราะห์การกวาดกระแสสลับอื่น คราวนี้ การกวาดควรมาจากความถี่ที่น้อยกว่า 0.6 และมากกว่า 100 เพื่อให้แน่ใจว่าแบนด์พาสสามารถมองเห็นได้แบบกราฟิก อีกครั้ง ให้เรียกใช้การวิเคราะห์โดยการวัดที่โหนด Vout ที่แสดงในแผนผัง เอาต์พุตควรมีลักษณะเหมือนรูปด้านบนซึ่งกำลังขยายเป็นลบเมื่ออยู่ห่างจากช่วง 0.6-100Hz มากขึ้น จุดที่การขยายคือ -3dB ควรเป็น 0.6 และ 100 Hz หรือค่าที่ใกล้เคียงกับจุดแรกและจุดที่สองมากตามลำดับ จุด -3dB มีความหมายเมื่อสัญญาณถูกลดทอนจนถึงจุดที่เอาท์พุตที่ความถี่เหล่านี้จะเท่ากับครึ่งหนึ่งของกำลังดั้งเดิม ดังนั้นจุด -3dB จะถูกใช้ในการวิเคราะห์การลดทอนสัญญาณสำหรับตัวกรอง หากจุด -3dB บนกราฟที่ส่งออกตรงกับช่วงแบนด์พาส แสดงว่าพื้นที่งานทำงานอย่างถูกต้อง

การวิเคราะห์ทางสถิติเพิ่มเติมสามารถทำได้ในขั้นตอนนี้โดยพิจารณาถึงความคลาดเคลื่อนของตัวต้านทานและการปรับเปลี่ยนค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุโดย +5% และ -5% เพื่อดูว่ามีผลต่อความถี่คัทออฟทดลองทั้งสองอย่างไร

ขั้นตอนที่ 7: รวบรวมระบบ ECG แบบเต็ม

สุดท้าย เมื่อทั้งสามขั้นตอนได้รับการยืนยันว่าทำงานอย่างถูกต้อง ให้นำคลื่นไฟฟ้าหัวใจทั้งสามขั้นตอนมารวมกันและผลสุดท้ายก็เสร็จสิ้น สามารถป้อนคลื่น ECG จำลองเข้าไปในสเตจแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด และคลื่นที่ส่งออกควรเป็นคลื่น ECG แบบขยาย