Mạch điện tâm đồ mô phỏng: 7 bước

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

Điện tâm đồ là một xét nghiệm phổ biến được sử dụng trong cả khám tiêu chuẩn và chẩn đoán các bệnh nghiêm trọng. Thiết bị này, được gọi là ECG, đo các tín hiệu điện trong cơ thể chịu trách nhiệm điều chỉnh nhịp tim. Thử nghiệm được thực hiện bằng cách áp các điện cực lên da của đối tượng và quan sát kết quả đầu ra, có dạng dạng sóng điện tâm đồ đã biết được hiển thị. Dạng sóng này chứa sóng P, phức bộ QRS và sóng T mà mỗi sóng đại diện cho một phản ứng sinh lý. Hướng dẫn này sẽ đi qua các bước mô phỏng điện tâm đồ trong phần mềm mô phỏng mạch.

Quân nhu:

LTSpice hoặc trình mô phỏng mạch tương tự

Bước 1: Xây dựng Bộ khuếch đại dụng cụ

Mục đích của bộ khuếch đại thiết bị đo là khuếch đại một tín hiệu rất nhỏ thường bị bao quanh bởi mức độ nhiễu cao. Điện áp của tín hiệu đầu vào vào EMG thường nằm trong khoảng từ 1 mV đến 5 mV và mục đích của giai đoạn này là khuếch đại tín hiệu đó với độ lợi xấp xỉ 1000. Được hiển thị trong sơ đồ, độ lợi có thể được điều khiển bằng phương trình sau đây R1 = R2, R4 = R5 và R6 = R7:

Đạt được = K1 * K2, trong đó K1 = K2

K1 = 1 + (2R1 / R3)

K2 = -R6 / R4

Do đó, độ lợi được đặt bằng 1000, do đó K1 và K2 xấp xỉ 31,6. Một số điện trở có thể được chọn tùy ý và những điện trở khác được tính toán, miễn là phương trình khuếch đại được thỏa mãn bằng 1000. Trong mạch vật lý, các điện cực sẽ đi vào bộ khuếch đại hoạt động, nhưng cho mục đích mô phỏng, một điện trở được nối đất và điện cực kia được sử dụng để biểu thị sự khác biệt tiềm năng. Nút Vin sẽ được sử dụng để mô phỏng sóng đầu vào sau này. Nút Vout dẫn đến giai đoạn tiếp theo của điện tâm đồ. Bộ khuếch đại hoạt động LTC1151 được chọn vì nó nằm trong thư viện LTSpice, có CMRR cao và đã được sử dụng trong thiết bị y tế. Bất kỳ bộ khuếch đại hoạt động cơ bản nào có điện áp cung cấp + 15V và -15V sẽ hoạt động trong hệ thống này.

Bước 2: Xây dựng bộ lọc Notch

Giai đoạn tiếp theo trong ECG là một bộ lọc khía để lọc ra nhiễu đường dây điện xảy ra ở tần số 60 Hz. Bộ lọc notch hoạt động bằng cách loại bỏ một loạt tín hiệu nhỏ xuất hiện ở tần số rất gần với tần số riêng. Do đó, bằng cách sử dụng tần số cắt 60 Hz và phương trình tần số cắt, có thể chọn điện trở và tụ điện thích hợp. Sử dụng sơ đồ trên và lưu ý rằng C = C1 = C2, C3 = 2 * C1, R = R10 và R8 = R9 = 2 * R10, các giá trị tụ điện có thể được chọn tùy ý (Ví dụ cho thấy một tụ điện 1uF được chọn). Sử dụng công thức sau, các giá trị điện trở thích hợp có thể được tính toán và sử dụng trong giai đoạn này:

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

Nút Vin là đầu ra từ bộ khuếch đại thiết bị đo và nút Vout dẫn đến giai đoạn tiếp theo.

Bước 3: Xây dựng Bộ lọc thông dải

Giai đoạn cuối của hệ thống bao gồm một bộ lọc thông dải hoạt động để loại bỏ nhiễu trên và dưới một dải tần số nhất định. Đi lang thang cơ bản, gây ra bởi đường cơ sở của tín hiệu thay đổi theo thời gian, xảy ra dưới 0,6 Hz và nhiễu EMG, gây ra bởi sự hiện diện của tiếng ồn cơ, xảy ra ở tần số trên 100 Hz. Do đó, những con số này được đặt làm tần số cắt. Bộ lọc thông dải bao gồm một bộ lọc thông thấp, tiếp theo là một bộ lọc thông cao. Tuy nhiên, cả hai bộ lọc đều có cùng tần số cắt:

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

Sử dụng 1uF làm giá trị tụ điện tùy ý, và 0,6 và 100 làm tần số cắt, các giá trị điện trở được tính toán cho các phần thích hợp của bộ lọc. Nút Vin đến từ đầu ra của bộ lọc khía và nút Vout là nơi đo đầu ra mô phỏng của hệ thống đầy đủ. Trong một hệ thống vật lý, đầu ra này sẽ kết nối với máy hiện sóng hoặc thiết bị hiển thị tương tự để xem các sóng ECG trong thời gian thực.

Bước 4: Kiểm tra Bộ khuếch đại dụng cụ

Tiếp theo, bộ khuếch đại thiết bị đo sẽ được kiểm tra để đảm bảo rằng nó cung cấp độ lợi 1000. Để làm điều này, đầu vào một sóng hình sin ở tần số và biên độ tùy ý. Ví dụ này sử dụng biên độ đỉnh đến đỉnh 2mV để biểu diễn sóng EMG và tần số 1000 Hz. Mô phỏng bộ khuếch đại thiết bị đo trong phần mềm mô phỏng mạch và vẽ biểu đồ dạng sóng đầu vào và đầu ra. Sử dụng một hàm con trỏ, ghi lại các cường độ đầu vào và đầu ra, và tính toán độ lợi bằng Gain = Vout / Vin. Nếu mức tăng này xấp xỉ 1000, giai đoạn này đang hoạt động bình thường. Phân tích thống kê bổ sung có thể được thực hiện trong giai đoạn này bằng cách xem xét dung sai điện trở và sửa đổi các giá trị điện trở + 5% và -5% để xem nó ảnh hưởng như thế nào đến sóng đầu ra và độ lợi tiếp theo.

Bước 5: Kiểm tra Bộ lọc Notch

Kiểm tra bộ lọc khía bằng cách thực hiện quét AC từ dải tần có tần số 60 Hz. Trong ví dụ này, quá trình quét được chạy từ 1 Hz đến 200 Hz. Biểu đồ kết quả, khi được đo tại nút Vout, sẽ xuất ra biểu đồ khuếch đại tính bằng dB so với tần số tính bằng Hz. Biểu đồ phải bắt đầu và kết thúc ở mức khuếch đại 0 dB ở các tần số xa 60 Hz theo cả hai hướng và mức khuếch đại giảm lớn phải xuất hiện ở hoặc rất gần 60 Hz. Điều này cho thấy rằng các tín hiệu xảy ra ở tần số này đang được loại bỏ đúng cách khỏi tín hiệu mong muốn. Phân tích thống kê bổ sung có thể được thực hiện trong giai đoạn này bằng cách xem xét dung sai điện trở và sửa đổi các giá trị điện trở và tụ điện theo + 5% và -5% để xem nó ảnh hưởng như thế nào đến tần số cắt thử nghiệm (tần số trải qua sự suy giảm nhiều nhất bằng đồ thị).

Bước 6: Kiểm tra Bộ lọc thông dải

Cuối cùng, kiểm tra bộ lọc thông dải bằng cách thực hiện một phân tích quét AC khác. Lần này, quá trình quét phải từ tần số nhỏ hơn 0,6 và lớn hơn 100 để đảm bảo dải thông có thể được nhìn thấy bằng đồ thị. Một lần nữa, hãy chạy phân tích bằng cách đo tại nút Vout được hiển thị trong giản đồ. Đầu ra sẽ giống như hình trên, nơi khuếch đại âm càng xa phạm vi 0,6-100Hz. Các điểm mà tại đó độ khuếch đại là -3dB phải là 0,6 và 100 Hz, hoặc các giá trị rất gần với các giá trị tương ứng cho điểm thứ nhất và thứ hai. Các điểm -3dB biểu thị khi tín hiệu bị suy giảm đến mức đầu ra ở các tần số này sẽ bằng một nửa công suất ban đầu. Do đó, các điểm -3dB được sử dụng để phân tích sự suy giảm của tín hiệu cho các bộ lọc. Nếu các điểm -3dB trên biểu đồ đầu ra khớp với dải thông dải thì vùng hiển thị đang hoạt động bình thường.

Phân tích thống kê bổ sung có thể được thực hiện trong giai đoạn này bằng cách xem xét dung sai điện trở và sửa đổi các giá trị điện trở và tụ điện theo + 5% và -5% để xem nó ảnh hưởng như thế nào đến cả hai tần số cắt thử nghiệm.

Bước 7: Kết hợp toàn bộ hệ thống điện tâm đồ lại với nhau

Cuối cùng, khi cả ba giai đoạn được xác nhận là hoạt động bình thường, hãy đặt cả ba giai đoạn của điện tâm đồ lại với nhau và kết quả cuối cùng là xong. Một sóng điện tâm đồ mô phỏng có thể được đưa vào tầng khuếch đại thiết bị đo và sóng đầu ra phải là sóng điện tâm đồ được khuếch đại.