Lập mô hình tín hiệu điện tâm đồ trong LTspice: 7 bước

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

Điện tâm đồ là một phương pháp rất phổ biến để đo các tín hiệu điện xảy ra trong tim. Ý tưởng chung của quy trình này là tìm ra các vấn đề về tim, chẳng hạn như loạn nhịp tim, bệnh mạch vành hoặc các cơn đau tim. Có thể cần thiết nếu bệnh nhân gặp các triệu chứng như đau ngực, khó thở hoặc nhịp tim không đều được gọi là đánh trống ngực, nhưng cũng có thể được sử dụng để đảm bảo rằng máy tạo nhịp tim và các thiết bị cấy ghép khác hoạt động bình thường. Số liệu của Tổ chức Y tế Thế giới cho thấy, các bệnh liên quan đến tim mạch là nguyên nhân gây tử vong lớn nhất trên toàn cầu; những căn bệnh này giết chết khoảng 18 triệu người mỗi năm. Do đó, các thiết bị có thể theo dõi hoặc phát hiện ra những căn bệnh này là vô cùng quan trọng, đó là lý do tại sao ECG được phát triển. Điện tâm đồ là một xét nghiệm y tế hoàn toàn không xâm lấn, không gây rủi ro cho bệnh nhân, ngoại trừ một số khó chịu nhỏ khi các điện cực được lấy ra.

Thiết bị đầy đủ được nêu trong tài liệu hướng dẫn này sẽ bao gồm một số thành phần để điều khiển tín hiệu ECG nhiễu để có thể thu được kết quả tối ưu. Các bản ghi điện tâm đồ xảy ra ở điện áp thường thấp, vì vậy các tín hiệu này nên được khuếch đại trước khi có thể phân tích, trong trường hợp này là với bộ khuếch đại thiết bị đo. Ngoài ra, nhiễu rất nổi bật trong các bản ghi điện tâm đồ, do đó, phải thực hiện lọc để làm sạch các tín hiệu này. Sự can thiệp này có thể đến từ nhiều nơi khác nhau, vì vậy cần phải có những cách tiếp cận khác nhau để loại bỏ những tiếng ồn cụ thể. Tín hiệu sinh lý chỉ xảy ra ở một phạm vi điển hình, vì vậy một bộ lọc thông dải được sử dụng để loại bỏ bất kỳ tần số nào nằm ngoài phạm vi này. Nhiễu phổ biến trong tín hiệu ECG được gọi là nhiễu đường dây nguồn, xảy ra ở khoảng 60 Hz và được loại bỏ bằng bộ lọc khía. Ba thành phần này hoạt động đồng thời để làm sạch tín hiệu ECG và cho phép giải thích và chẩn đoán dễ dàng hơn và sẽ được mô hình hóa trong LTspice để kiểm tra hiệu quả của chúng.

Bước 1: Xây dựng Bộ khuếch đại Dụng cụ (INA)

Thành phần đầu tiên của thiết bị đầy đủ là bộ khuếch đại thiết bị đo (INA), có thể đo các tín hiệu nhỏ được tìm thấy trong môi trường ồn ào. Trong trường hợp này, INA được tạo ra với độ lợi cao (khoảng 1, 000) để cho phép đạt được kết quả tối ưu. Sơ đồ của INA với các giá trị điện trở tương ứng được hiển thị. Độ lợi của INA này có thể được tính toán theo lý thuyết để xác nhận rằng thiết lập là hợp lệ và các giá trị điện trở là phù hợp. Phương trình (1) cho thấy phương trình được sử dụng để tính toán rằng độ lợi lý thuyết là 1, 000, trong đó R1 = R3, R4 = R5 và R6 = R7.

Phương trình (1): Tăng = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Bước 2: Xây dựng Bộ lọc thông dải

Nguồn chính của tiếng ồn bao gồm các tín hiệu điện truyền qua cơ thể, vì vậy tiêu chuẩn công nghiệp là bao gồm bộ lọc thông dải với tần số cắt 0,5 Hz và 150 Hz để loại bỏ các biến dạng khỏi ECG. Bộ lọc này sử dụng một bộ lọc thông cao và một bộ lọc thông thấp mắc nối tiếp để loại bỏ các tín hiệu nằm ngoài dải tần số này. Sơ đồ của bộ lọc này với các giá trị điện trở và tụ điện tương ứng của nó được hiển thị. Các giá trị chính xác của điện trở và tụ điện được tìm thấy bằng công thức hiển thị trong Công thức (2). Công thức này đã được sử dụng hai lần, một cho tần số cắt thông cao là 0,5 Hz và một cho tần số cắt thông thấp là 150 Hz. Trong mỗi trường hợp, giá trị tụ điện được đặt thành 1 μF và giá trị điện trở được tính toán.

Phương trình 2: R = 1 / (2 * pi * Tần số ngắt * C)

Bước 3: Xây dựng Bộ lọc Notch

Một nguồn nhiễu phổ biến khác liên quan đến điện tâm đồ là do đường dây điện và thiết bị điện tử khác gây ra nhưng đã được loại bỏ bằng bộ lọc khía. Kỹ thuật lọc này sử dụng song song một bộ lọc thông cao và một bộ lọc thông thấp để loại bỏ nhiễu đặc biệt ở tần số 60 Hz. Sơ đồ của bộ lọc khía với các giá trị điện trở và tụ điện tương ứng của nó được hiển thị. Các giá trị chính xác của điện trở và tụ điện được xác định sao cho R1 = R2 = 2R3 và C1 = 2C2 = 2C3. Sau đó, để đảm bảo tần số cắt là 60 Hz, R1 được đặt thành 1 kΩ và Công thức (3) được sử dụng để tìm giá trị của C1.

Phương trình 3: C = 1 / (4 * pi * Tần số ngắt * R)

Bước 4: Xây dựng hệ thống đầy đủ

Cuối cùng, cả ba thành phần đã được kết hợp kiểm tra để đảm bảo rằng toàn bộ thiết bị đầy đủ hoạt động bình thường. Các giá trị thành phần cụ thể không thay đổi khi hệ thống đầy đủ được triển khai và các thông số mô phỏng được bao gồm trong Hình 4. Mỗi phần được kết nối nối tiếp với nhau theo thứ tự sau: INA, bộ lọc thông dải và bộ lọc khía. Trong khi các bộ lọc có thể được thay thế cho nhau, INA phải vẫn là thành phần đầu tiên, để quá trình khuếch đại có thể xảy ra trước khi bất kỳ quá trình lọc nào diễn ra.

Bước 5: Kiểm tra từng thành phần

Để kiểm tra tính hợp lệ của hệ thống này, đầu tiên mỗi thành phần được thử nghiệm riêng biệt, và sau đó toàn bộ hệ thống được thử nghiệm. Đối với mỗi thử nghiệm, tín hiệu đầu vào được đặt nằm trong phạm vi tín hiệu sinh lý điển hình (5 mV và 1 kHz), để hệ thống có thể chính xác nhất có thể. Một phân tích quét AC và thoáng qua đã được hoàn thành cho INA, do đó có thể xác định độ lợi bằng hai phương pháp (Phương trình (4) và (5)). Cả hai bộ lọc đều được thử nghiệm bằng cách sử dụng quét AC để đảm bảo rằng các tần số cắt xảy ra ở các giá trị mong muốn.

Phương trình 4: Độ lợi = 10 ^ (dB / 20) Công thức 5: Độ lợi = Điện áp đầu ra / Điện áp đầu vào

Hình ảnh đầu tiên được hiển thị là quét AC của INA, hình thứ hai và thứ ba là phân tích thoáng qua của INA cho điện áp đầu vào và đầu ra. Thứ tư là quét AC của bộ lọc dải thông và thứ năm là quét AC của bộ lọc khía.

Bước 6: Kiểm tra toàn bộ hệ thống

Cuối cùng, toàn bộ hệ thống đã được thử nghiệm với một phân tích quét AC và thoáng qua; tuy nhiên, đầu vào cho hệ thống này là một tín hiệu điện tâm đồ thực tế. Hình ảnh đầu tiên ở trên hiển thị kết quả quét AC, trong khi hình ảnh thứ hai hiển thị kết quả phân tích thoáng qua. Mỗi dòng tương ứng với một phép đo lấy sau mỗi thành phần: xanh lá cây - INA, xanh lam - bộ lọc dải thông và bộ lọc khía đỏ. Hình ảnh cuối cùng được phóng to trên một sóng ECG cụ thể để phân tích dễ dàng hơn.

Bước 7: Kết luận

Nhìn chung, hệ thống này được thiết kế để thu nhận tín hiệu ECG, khuếch đại tín hiệu đó và loại bỏ bất kỳ tiếng ồn không mong muốn nào để có thể dễ dàng hiểu được tín hiệu. Đối với hệ thống đầy đủ, bộ khuếch đại thiết bị đo, bộ lọc thông dải và bộ lọc rãnh được thiết kế với các thông số kỹ thuật thiết kế cụ thể để đạt được mục tiêu. Sau khi thiết kế các thành phần này trong LTspice, sự kết hợp giữa quét AC và phân tích thoáng qua đã được tiến hành để kiểm tra tính hợp lệ của từng thành phần và của toàn bộ hệ thống. Các thử nghiệm này cho thấy rằng thiết kế tổng thể của hệ thống là hợp lệ và mỗi thành phần đều hoạt động như mong đợi.

Trong tương lai, hệ thống này có thể được chuyển đổi thành mạch vật lý để kiểm tra trong khi dữ liệu điện tâm đồ trực tiếp. Các thử nghiệm này sẽ là bước cuối cùng để xác định xem thiết kế có hợp lệ hay không. Sau khi hoàn thành, hệ thống có thể được điều chỉnh để sử dụng trong các cơ sở chăm sóc sức khỏe khác nhau và được sử dụng để giúp các bác sĩ lâm sàng chẩn đoán và điều trị các bệnh tim.