Bộ mô phỏng mạch điện tâm đồ tự động: 4 bước

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

Điện tâm đồ (ECG) là một kỹ thuật mạnh mẽ được sử dụng để đo hoạt động điện của tim bệnh nhân. Hình dạng độc đáo của các điện thế này khác nhau tùy thuộc vào vị trí của các điện cực ghi và đã được sử dụng để phát hiện nhiều điều kiện. Với việc phát hiện sớm một loạt các tình trạng bệnh tim, các bác sĩ có thể cung cấp cho bệnh nhân của họ vô số khuyến nghị giải quyết tình trạng của họ. Máy này được tạo thành từ ba thành phần chính: một bộ khuếch đại thiết bị đo, tiếp theo là một bộ lọc khía và một bộ lọc thông dải. Mục tiêu của các bộ phận này là khuếch đại các tín hiệu đến, loại bỏ các tín hiệu không mong muốn và chuyển tất cả các tín hiệu sinh học có liên quan. Phân tích hệ thống kết quả đã chứng minh rằng điện tâm đồ, như mong đợi, thực hiện các nhiệm vụ mong muốn của nó để tạo ra tín hiệu ECG có thể sử dụng được, chứng tỏ tính hữu ích của nó để phát hiện các tình trạng tim.

Quân nhu:

• Phần mềm LTSpice
• Tệp tín hiệu điện tâm đồ

Bước 1: Bộ khuếch đại thiết bị đo

Bộ khuếch đại thiết bị đo, đôi khi được viết tắt là INA, được sử dụng để khuếch đại các tín hiệu sinh học ở mức thấp, được quan sát từ bệnh nhân. Một INA điển hình bao gồm ba bộ khuếch đại hoạt động (Op Amps). Hai Op Amps phải ở cấu hình không đảo ngược và Op Amp cuối cùng trong cấu hình vi phân. Bảy điện trở được sử dụng cùng với Op Amps để cho phép chúng tôi thay đổi độ lợi bằng cách thay đổi kích thước giá trị điện trở. Trong số các điện trở, có ba cặp và một kích thước riêng lẻ.

Đối với dự án này, tôi sẽ sử dụng mức khuếch đại 1000 để khuếch đại tín hiệu. Sau đó, tôi sẽ chọn các giá trị R2, R3 và R4 tùy ý (dễ nhất là nếu R3 và R4 có kích thước tương đương vì chúng sẽ hủy thành 1, mở đường cho việc tính toán dễ dàng hơn). Từ đây, tôi có thể giải quyết cho R1 để có tất cả các kích thước thành phần cần thiết.

Tăng = (1 + 2R2 / R1) * (R4 / R3)

Sử dụng phương trình khuếch đại ở trên và các giá trị R2 = 50kΩ và R3 = R4 = 10kΩ, chúng ta nhận được R1 = 100Ω.

Để kiểm tra xem mức tăng trên thực tế có phải là 1000 hay không, chúng ta có thể chạy mạch với chức năng quét.ac và quan sát vị trí xảy ra bình nguyên. Trong trường hợp này, nó là 60 dB. Bằng cách sử dụng phương trình dưới đây, chúng ta có thể chuyển đổi dB thành Vout / Vin không thứ nguyên, kết quả là 1000, như mong đợi.

Tăng, dB = 20 * log (Vout / Vin)

Bước 2: Bộ lọc Notch

Thành phần tiếp theo được thiết kế là bộ lọc notch. Giá trị của các thành phần cho bộ lọc này phần lớn phụ thuộc vào tần số bạn muốn loại bỏ. Đối với thiết kế này, chúng tôi muốn loại bỏ tần số 60 Hz (fc) được phát hành bởi thiết bị đo lường y tế.

Một bộ lọc hai rãnh được sử dụng trong thiết kế này để đảm bảo chỉ loại bỏ những gì mong muốn và chúng ta sẽ không vô tình làm suy giảm các tần số sinh học mong muốn gần mốc 60 Hz. Các giá trị thành phần được tìm thấy bằng cách chọn các giá trị điện trở tùy ý, trong đó tôi chọn sử dụng 2kΩ cho bộ lọc thông thấp (T trên) và 1kΩ cho bộ lọc thông cao (T dưới). Sử dụng phương trình dưới đây, tôi đã giải quyết được các giá trị tụ điện cần thiết.

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

Biểu đồ Bode được tìm thấy một lần nữa bằng cách sử dụng chức năng quét.ac mà LTSpice cung cấp.

Bước 3: Bộ lọc băng thông

Thành phần cuối cùng của hệ thống ECG tự động là cần thiết để vượt qua các tần số sinh học vì đó là điều chúng tôi quan tâm. Tín hiệu ECG điển hình xảy ra trong khoảng từ 0,5 Hz đến 150 Hz (fc), do đó có thể sử dụng hai bộ lọc; hoặc bộ lọc thông dải hoặc bộ lọc thông thấp. Trong thiết kế này, một bộ lọc thông dải đã được sử dụng vì nó chính xác hơn một chút so với bộ lọc thấp, mặc dù bộ lọc đó vẫn hoạt động vì các tần số sinh học thường không có tần số cao.

Bộ lọc thông dải có hai phần: bộ lọc thông cao và bộ lọc thông thấp. Bộ lọc thông cao nằm trước Op Amp và bộ lọc thông thấp nằm sau. Hãy nhớ rằng có nhiều kiểu thiết kế bộ lọc băng thông có thể được sử dụng.

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

Một lần nữa, các giá trị tùy ý được chọn nhiều để tìm các giá trị yêu cầu của các phần khác. Trong bộ lọc cuối cùng, tôi đã chọn các giá trị điện trở tùy ý và giải quyết các giá trị của tụ điện. Để chứng minh rằng bạn bắt đầu với cái nào không quan trọng, bây giờ tôi sẽ chọn các giá trị tụ điện tùy ý để giải quyết các giá trị điện trở. Trong trường hợp này, tôi chọn giá trị tụ điện là 1uF. Sử dụng phương trình trên, tôi sử dụng một tần số cắt tại một thời điểm để giải cho điện trở tương ứng. Để đơn giản, tôi sẽ sử dụng cùng một giá trị tụ điện cho cả hai phần thông cao và thông thấp cho bộ lọc thông dải. Tần số 0,5 Hz sẽ được sử dụng để tìm điện trở thông cao và tần số cắt 150 Hz được sử dụng để tìm điện trở thông thấp.

Biểu đồ Bode một lần nữa có thể được sử dụng để xem thiết kế mạch có hoạt động thích hợp hay không.

Bước 4: Hệ thống đầy đủ

Sau khi mỗi thành phần đã được xác minh để hoạt động riêng, các bộ phận có thể được kết hợp thành một hệ thống. Sử dụng dữ liệu ECG đã nhập và chức năng PWL trong bộ tạo nguồn điện áp, bạn có thể chạy mô phỏng để đảm bảo rằng hệ thống khuếch đại đúng cách và vượt qua các tần số sinh học mong muốn.

Ảnh chụp màn hình biểu đồ trên cùng là một ví dụ về dữ liệu đầu ra trông như thế nào khi sử dụng hàm.tran và ảnh chụp màn hình biểu đồ dưới cùng là biểu đồ mã tương ứng bằng cách sử dụng hàm.ac.

Dữ liệu ECG đầu vào khác nhau có thể được tải xuống (hai tệp đầu vào ECG khác nhau đã được thêm vào trang này) và đưa vào chức năng để kiểm tra hệ thống trên các bệnh nhân được mô hình hóa khác nhau.