Mô hình mạch điện tâm đồ tự động: 4 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Mục tiêu của dự án này là tạo ra một mô hình mạch với nhiều thành phần có thể khuếch đại và lọc tín hiệu ECG đến một cách thích hợp. Ba thành phần sẽ được mô hình hóa riêng lẻ: bộ khuếch đại thiết bị đo, bộ lọc rãnh tích cực và bộ lọc thông dải thụ động. Chúng sẽ được kết hợp để tạo ra mô hình mạch điện tâm đồ cuối cùng. Tất cả các mô hình hóa và thử nghiệm mạch đều được tiến hành trong LTspice, nhưng các chương trình mô phỏng mạch khác cũng sẽ hoạt động.

Bước 1: Bộ khuếch đại thiết bị đo

Đây sẽ là thành phần đầu tiên của mô hình điện tâm đồ đầy đủ. Mục đích của nó là khuếch đại tín hiệu ECG đến, tín hiệu này ban đầu sẽ có điện áp rất thấp. Tôi đã chọn sử dụng kết hợp op-amps và các thành phần điện trở theo cách sẽ tạo ra mức tăng 1000. Hình ảnh đầu tiên cho thấy thiết kế bộ khuếch đại thiết bị đo đạc được mô hình hóa trong LTspice. Hình ảnh thứ hai hiển thị các phương trình liên quan và các phép tính đã thực hiện. Sau khi được mô hình hóa đầy đủ, phân tích thoáng qua của tín hiệu đầu vào hình sin 1 mV ở 75 Hz được thực hiện trong LTspice để xác nhận mức tăng 1000. Hình ảnh thứ ba cho thấy kết quả của phân tích này.

Bước 2: Bộ lọc Notch hoạt động

Đây sẽ là thành phần thứ hai của mô hình điện tâm đồ đầy đủ. Mục đích của nó là làm giảm tín hiệu có tần số 60 Hz, là tần số của nhiễu điện áp đường dây AC. Điều này làm sai lệch các tín hiệu điện tâm đồ, và thường xuất hiện trong tất cả các cơ sở lâm sàng. Tôi đã chọn sử dụng kết hợp một op-amp với các thành phần điện trở và điện dung trong cấu hình bộ lọc hai rãnh. Hình ảnh đầu tiên cho thấy thiết kế bộ lọc notch được mô hình hóa trong LTspice. Hình ảnh thứ hai hiển thị các phương trình liên quan và các phép tính đã thực hiện. Sau khi được mô hình hóa hoàn chỉnh, quá trình quét AC của tín hiệu đầu vào hình sin 1 V đã được thực hiện từ 1 Hz - 100 kHz trong LTspice để xác nhận một khía ở 60 Hz. Hình ảnh thứ ba cho thấy kết quả của phân tích này. Sự thay đổi nhỏ trong kết quả mô phỏng so với kết quả dự đoán có thể là do việc làm tròn được thực hiện khi tính toán các thành phần điện trở và điện dung của mạch này.

Bước 3: Bộ lọc băng thông thụ động

Đây sẽ là thành phần thứ ba của mô hình điện tâm đồ đầy đủ. Mục đích của nó là lọc ra các tín hiệu không nằm trong phạm vi 0,05 Hz - 250 Hz, vì đây là phạm vi của điện tâm đồ người lớn điển hình. Tôi đã chọn sử dụng kết hợp các thành phần điện trở và điện dung để mức cắt thông cao sẽ là 0,05 Hz và ngưỡng cắt thông thấp sẽ là 250 Hz. Hình ảnh đầu tiên cho thấy thiết kế bộ lọc thông dải thụ động được mô hình hóa trong LTspice. Hình ảnh thứ hai hiển thị các phương trình liên quan và các phép tính đã thực hiện. Sau khi được mô hình hóa hoàn chỉnh, quá trình quét AC của tín hiệu đầu vào hình sin 1 V được thực hiện từ 0,01 Hz - 100 kHz trong LTspice để xác nhận tần số cắt cao và thấp. Hình ảnh thứ ba cho thấy kết quả của phân tích này. Sự thay đổi nhỏ trong kết quả mô phỏng so với kết quả dự đoán có thể là do việc làm tròn được thực hiện khi tính toán các thành phần điện trở và điện dung của mạch này.

Bước 4: Kết hợp các thành phần mạch

Giờ đây, tất cả các thành phần đã được thiết kế và thử nghiệm riêng lẻ, chúng có thể được kết hợp hàng loạt theo thứ tự chúng được tạo ra. Điều này dẫn đến mô hình mạch điện tâm đồ đầy đủ đầu tiên chứa bộ khuếch đại thiết bị đo để khuếch đại tín hiệu 1000x. Sau đó, một bộ lọc khía được sử dụng để loại bỏ nhiễu điện áp đường dây AC 60 Hz. Cuối cùng, bộ lọc thông dải không cho phép tín hiệu đi qua nằm ngoài phạm vi của ECG người lớn điển hình (0,05 Hz - 250 Hz). Sau khi kết hợp, như thể hiện trong hình ảnh đầu tiên, phân tích thoáng qua và quét toàn bộ AC có thể được tiến hành trong LTspice với điện áp đầu vào 1 mV (hình sin) để đảm bảo các thành phần hoạt động cùng nhau như dự đoán. Hình ảnh thứ hai hiển thị kết quả phân tích thoáng qua, cho thấy độ khuếch đại tín hiệu từ 1 mV đến ~ 0,85 V. Điều này có nghĩa là các thành phần bộ lọc rãnh hoặc dải thông sẽ làm suy giảm tín hiệu một chút sau khi nó được khuếch đại 1000 lần bởi bộ khuếch đại thiết bị đo ban đầu. Hình ảnh thứ ba hiển thị kết quả quét AC. Biểu đồ Bode này hiển thị các ngưỡng cắt cao và thấp phù hợp với biểu đồ Bode của bộ lọc thông dải khi được kiểm tra riêng lẻ. Ngoài ra còn có một khoảng giảm nhẹ xung quanh 60 Hz, đó là nơi bộ lọc notch đang hoạt động để loại bỏ tiếng ồn không mong muốn.