اقتناء محاكاة لإشارة تخطيط القلب باستخدام LTSpice: 7 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:36

إن قدرة القلب على الضخ هي إحدى وظائف الإشارات الكهربائية. يمكن للأطباء قراءة هذه الإشارات على مخطط كهربية القلب لتشخيص مشاكل القلب المختلفة. قبل أن يتمكن الطبيب من تجهيز الإشارة بشكل صحيح ، يجب تصفيتها وتضخيمها بشكل صحيح. في هذا الدليل ، سوف أطلعك على كيفية تصميم دائرة لعزل إشارات مخطط كهربية القلب عن طريق كسر هذه الدائرة التي تم تقسيمها إلى ثلاثة مكونات بسيطة: مكبر للصوت ، ومرشح تمرير النطاق ، ومرشح الشق ، مع القطع المطلوب الترددات والمكاسب التي تحددها الأدبيات المنشورة والنماذج الحالية.

اللوازم:

هذا دليل مخصص لمحاكاة LTSpice ، لذا فإن المادة الوحيدة التي ستحتاجها لنمذجة الدوائر هي تطبيق LTSpice. إذا كنت ترغب في اختبار دائرتك باستخدام ملف ECG wav ، فقد وجدت لي هنا.

الخطوة 1: تصميم مرشح النطاق الترددي

إشارات تخطيط القلب النموذجية لها نطاقات تردد من 0.5 إلى 250 هرتز. إذا كنت مهتمًا بالنظرية الكامنة وراء هذا ، فلا تتردد في قراءة المزيد حول هذا هنا أو هنا. لأغراض هذا الدليل ، ما يعنيه هذا هو أننا نريد تصفية كل شيء ليس في تلك المناطق. يمكننا القيام بذلك باستخدام مرشح النطاق الترددي. استنادًا إلى المتغيرات المنشورة في عامل التصفية التخطيطي المرسل ، مرشح تمرير النطاق بين نطاقات 1 / (2 * pi * R1 * C1) و 1 / (2 * pi * R2 * C2). كما يقومون بتضخيم الإشارة بواسطة (R2 / R1).

تم اختيار القيم بحيث تتوافق قيم قطع التردد مع حدود إشارة ECG المرغوبة ويكون الكسب مساويًا لـ 100. ويمكن رؤية مخطط مع هذه القيم المستبدلة في الأشكال المرفقة.

الخطوة 2: تصميم مرشح الشق

الآن بعد أن قمنا بتصفية كل شيء ليس في نطاق تردد إشارة ECG ، فقد حان الوقت لتصفية تشوهات الضوضاء في نطاقها. تعد ضوضاء خط الطاقة أحد أكثر تشوهات مخطط كهربية القلب شيوعًا ولها تردد ~ 50 هرتز. نظرًا لأن هذا يقع ضمن نطاق تمرير النطاق ، يمكن إزالته باستخدام مرشح درجة. يعمل مرشح القطع عن طريق إزالة التردد المركزي بقيمة 1 / (4 * pi * R * C) بناءً على التخطيطي المرفق.

تم اختيار قيمة المقاوم والمكثف لتصفية ضوضاء 50 هرتز ، وتم توصيل قيمهما في مخطط متصل. لاحظ أن هذه ليست المجموعة الوحيدة من مكونات RC التي ستعمل ؛ كان هذا فقط ما اخترته. لا تتردد في حساب واختيار مختلف!

الخطوة 3: تصميم مضخم الأجهزة

ستحتاج أيضًا إشارة ECG الخام إلى تضخيم. على الرغم من أننا عندما نبني الدائرة ، سنضع مكبر الصوت أولاً ، فمن الأسهل من الناحية المفاهيمية التفكير بعد المرشحات. وذلك لأن الكسب الكلي للدائرة يتم تحديده جزئيًا بواسطة تضخيم تمرير النطاق (انظر الخطوة 1 لتجديد المعلومات).

تتمتع معظم أجهزة تخطيط كهربية القلب (ECG) بكسب لا يقل عن 100 ديسيبل. كسب ديسيبل للدائرة يساوي 20 * سجل | Vout / Vin |. يمكن حل Vout / Vin من حيث المكونات المقاومة عن طريق التحليل العقدي. بالنسبة إلى دائرتنا ، يؤدي هذا إلى تعبير ربح جديد:

كسب ديسيبل = 20 * تسجيل | (R2 / R1) * (1 + 2 * R / RG) |

R1 و R2 من مرشح تمرير النطاق (الخطوة 1) ، و R و RG هما مكونان من هذا مكبر الصوت (انظر التخطيطي المرفق). الحل من أجل كسب ديسيبل قدره 100 ينتج R / RG = 500. تم اختيار قيم R = 50k أوم و RG = 100 أوم.

الخطوة 4: اختبار المكونات

تم اختبار جميع المكونات بشكل منفصل باستخدام أداة تحليل أوكتاف AC Sweep من LTSpice. تم تحديد معلمات 100 نقطة لكل جواب ، تردد بدء 0.01 هرتز ، وتردد إنهاء 100 كيلو هرتز. لقد استخدمت سعة جهد دخل 1 فولت ، لكن يمكنك استخدام سعة مختلفة. المهم الابتعاد عن اكتساح التيار المتردد هو شكل المخرجات المقابلة للتغيرات في الترددات.

يجب أن تسفر هذه الاختبارات عن رسوم بيانية مشابهة لتلك المرفقة في الخطوات 1-3. إذا لم يفعلوا ذلك ، فحاول إعادة حساب قيم المقاوم أو المكثف. من الممكن أيضًا أن تكون قضبان دائرتك لأنك لا توفر جهدًا كافيًا لتشغيل أمبير المرجع. إذا كانت رياضيات R و C صحيحة ، فحاول زيادة مقدار الجهد الذي تعطيه لمضخم (مضخمات) المرجع الخاص بك.

الخطوة 5: وضع كل ذلك معًا

الآن ، أنت جاهز لتجميع كل المكونات معًا. عادة ، يتم إجراء التضخيم قبل الترشيح ، لذلك تم وضع مضخم الأجهزة أولاً. يعمل مرشح تمرير النطاق على تضخيم الإشارة بشكل أكبر ، لذلك تم وضعها في المرتبة الثانية ، قبل مرشح القطع ، الذي يقوم بالترشيح البحت. تم تشغيل الدائرة الكلية من خلال محاكاة AC Sweep أيضًا ، والتي أنتجت نتائج متوقعة مع تضخيم بين 0.5 - 250 هرتز ، باستثناء نطاق الشق 50 هرتز.

الخطوة 6: إدخال واختبار إشارات تخطيط القلب

يمكنك تغيير مصدر الجهد لتزويد الدائرة بإشارة ECG بدلاً من AC Sweep. للقيام بذلك ، سوف تحتاج إلى تنزيل إشارة مخطط كهربية القلب التي تريدها. لقد عثرت على ملف.wav محسن الضوضاء هنا وإشارة تخطيط القلب clean.txt هنا. ولكن قد تتمكن من العثور على أفضلها. يمكن رؤية المدخلات والمخرجات الأولية لملف.wav مرفقة. من الصعب تحديد ما إذا كانت إشارة ECG المحسنة بدون ضوضاء ستنتج مخرجات ذات مظهر أفضل. اعتمادًا على الإشارة ، قد تحتاج إلى ضبط حدود المرشح قليلاً. يمكن أيضًا رؤية خرج إشارة المرور النظيف.

لتغيير الإدخال ، حدد مصدر الجهد الخاص بك ، واختر الإعداد لملف PWL ، وحدد الملف الذي تريده. كان الملف الذي استخدمته عبارة عن ملف.wav ، لذلك كنت بحاجة أيضًا إلى تغيير نص توجيه LTSpice من "PWL File =" إلى "wavefile =". بالنسبة لإدخال ملف.txt ، يجب أن تحتفظ بنص PWL كما هو.

تُظهر مقارنة الإخراج بإشارة ECG المثالية أنه لا يزال هناك مجال للتحسين مع تعديل المكونات. ومع ذلك ، نظرًا للشكل والطبيعة المعززة للضوضاء للملف المصدر ، فإن حقيقة أننا تمكنا من استخراج الموجة P و QRS و T-wave هي خطوة أولى رائعة. يجب أن يكون ملف نص ECG النظيف قادرًا على المرور عبر الفلتر بشكل مثالي.

لاحظ توخي الحذر عند تفسير نتائج إشارة إدخال مخطط كهربية القلب. إذا كنت تستخدم ملف txt النظيف فقط ، فهذا لا يعني أن نظامك يعمل على تصفية إشارة بشكل صحيح - فهذا يعني فقط أنه لم يتم تصفية مكونات ECG المهمة. من ناحية أخرى ، من دون معرفة المزيد عن ملف.wav ، من الصعب تحديد ما إذا كانت انعكاسات الموجة والأشكال الفردية ناتجة عن الملف المصدر أم لا أو إذا كانت هناك مشكلة في تصفية الإشارات غير المرغوب فيها.