محاكي دائرة تخطيط القلب الآلي: 4 خطوات

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

مخطط كهربية القلب (ECG) هو تقنية قوية تستخدم لقياس النشاط الكهربائي لقلب المريض. يختلف الشكل الفريد لهذه الجهود الكهربائية باختلاف موقع أقطاب التسجيل وقد تم استخدامها للكشف عن العديد من الحالات. من خلال الكشف المبكر عن مجموعة متنوعة من أمراض القلب ، يمكن للأطباء تزويد مرضاهم بالعديد من التوصيات التي تعالج حالتهم. تتكون هذه الآلة من ثلاثة مكونات رئيسية: مضخم أجهزة متبوعًا بفلتر نوتش ومرشح تمرير النطاق. الهدف من هذه الأجزاء هو تضخيم الإشارات الواردة وإزالة الإشارات غير المرغوب فيها وتمرير جميع الإشارات البيولوجية ذات الصلة. أثبت تحليل النظام الناتج أن مخطط كهربية القلب ، كما هو متوقع ، يؤدي المهام المطلوبة لإنتاج إشارة ECG قابلة للاستخدام ، مما يدل على فائدته في الكشف عن أمراض القلب.

اللوازم:

• برنامج LTSpice
• ملفات إشارة ECG

الخطوة 1: مضخم الأجهزة

يتم استخدام مضخم الأجهزة ، الذي يُختصر أحيانًا بـ INA ، لتضخيم الإشارات البيولوجية منخفضة المستوى التي يتم ملاحظتها من المريض. يتكون INA النموذجي من ثلاثة مضخمات تشغيلية (Op Amps). يجب أن يكون مضخمان Op في التكوين غير العكسي وآخر أمبير في التكوين التفاضلي. تُستخدم سبعة مقاومات جنبًا إلى جنب مع أمبيرات التشغيل للسماح لنا بتغيير الكسب من خلال تغيير أحجام قيمة المقاوم. من بين المقاومات ، هناك ثلاثة أزواج وحجم فردي واحد.

بالنسبة لهذا المشروع ، سأستخدم مكسبًا قدره 1000 لتضخيم الإشارات. سأختار بعد ذلك قيم R2 و R3 و R4 التعسفية (من الأسهل إذا كانت R3 و R4 متساويتين في الحجم لأنها ستلغي إلى 1 ، مما يمهد الطريق لإجراء حسابات أسهل). من هنا ، يمكنني حل R1 للحصول على جميع أحجام المكونات الضرورية.

الكسب = (1 + 2R2 / R1) * (R4 / R3)

باستخدام معادلة الكسب أعلاه والقيم R2 = 50kΩ و R3 = R4 = 10kΩ ، نحصل على R1 = 100Ω.

للتحقق من أن الكسب هو في الواقع 1000 ، يمكننا تشغيل الدائرة باستخدام وظيفة المسح.ac ومراقبة مكان حدوث الهضبة. في هذه الحالة ، تبلغ 60 ديسيبل. باستخدام المعادلة أدناه ، يمكننا تحويل dB إلى Vout / Vin عديم الأبعاد ، والذي ينتهي بـ 1000 ، كما هو متوقع.

كسب ، ديسيبل = 20 * سجل (Vout / Vin)

الخطوة 2: تصفية الشق

المكون التالي الذي سيتم تصميمه هو مرشح القطع. تعتمد قيمة مكونات هذا المرشح إلى حد كبير على التردد الذي ترغب في تحقيقه. بالنسبة لهذا التصميم ، نريد قطع التردد 60 هرتز (fc) الذي يتم إصداره بواسطة الأجهزة الطبية.

يتم استخدام مرشح شق مزدوج مع في هذا التصميم لضمان قطع المرغوبة فقط وأننا لن نخفف عن طريق الخطأ الترددات البيولوجية المطلوبة بالقرب من علامة 60 هرتز. تم العثور على قيم المكونات عن طريق اختيار قيم مقاومة عشوائية ، والتي اخترت منها استخدام 2kΩ لمرشح التمرير المنخفض (أعلى T) و 1kΩ لمرشح التمرير العالي (أسفل T). باستخدام المعادلة أدناه ، قمت بحل قيم المكثف اللازمة.

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

تم العثور على مؤامرة Bode مرة أخرى باستخدام وظيفة المسح.ac التي تقدمها LTSpice.

الخطوة 3: مرشح تمرير النطاق

المكون الأخير لنظام ECG الآلي ضروري لتمرير الترددات البيولوجية لأن هذا هو ما يهمنا. تحدث إشارة ECG النموذجية بين 0.5 هرتز و 150 هرتز (fc) ، لذلك يمكن استخدام مرشحين ؛ إما مرشح تمرير النطاق أو مرشح تمرير منخفض. في هذا التصميم ، تم استخدام مرشح تمرير النطاق لأنه أكثر دقة بقليل من التمرير المنخفض ، على الرغم من أن هذا المرشح لا يزال يعمل لأن الترددات البيولوجية عمومًا لا تحتوي على ترددات عالية على أي حال.

يحتوي مرشح تمرير النطاق على جزأين: مرشح تمرير عالي ومرشح تمرير منخفض. يأتي مرشح التمرير العالي قبل Op Amp والممر المنخفض بعده. تذكر أن هناك مجموعة متنوعة من تصميمات مرشحات تمرير النطاق التي يمكن استخدامها.

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

مرة أخرى ، يتم اختيار القيم التعسفية كثيرًا للعثور على القيم المطلوبة للأجزاء الأخرى. في الفلتر الأخير ، اخترت قيم مقاومة عشوائية وحللت قيم المكثف. لإثبات أنه لا يهم أي واحد تبدأ به ، سأختار الآن قيم مكثف عشوائية لحل قيم المقاوم. في هذه الحالة ، اخترت مكثف بقيمة 1 فائق التوهج. باستخدام المعادلة أعلاه ، أستخدم تردد قطع واحدًا في كل مرة لحل المقاوم المعني. من أجل البساطة ، سأستخدم نفس قيمة المكثف لكل من أجزاء التمرير العالي والمنخفض لمرشح تمرير النطاق. سيتم استخدام 0.5 هرتز لحل مقاومة التمرير العالي ويستخدم تردد القطع 150 هرتز للعثور على المقاوم المنخفض التمرير.

يمكن استخدام مخطط Bode مرة أخرى لمعرفة ما إذا كان تصميم الدائرة يعمل بشكل مناسب.

الخطوة 4: النظام الكامل

بعد التحقق من عمل كل مكون بمفرده ، يمكن دمج الأجزاء في نظام واحد. باستخدام بيانات ECG المستوردة ووظيفة PWL في مولد مصدر الجهد ، يمكنك تشغيل عمليات المحاكاة لضمان تضخيم النظام بشكل صحيح وتمرير الترددات البيولوجية المطلوبة.

لقطة شاشة الرسم العلوي هي مثال لما تبدو عليه بيانات الإخراج باستخدام دالة.tran ولقطة الشاشة السفلية هي مخطط bode ذي الصلة باستخدام وظيفة.ac.

يمكن تنزيل بيانات إدخال مختلفة لتخطيط القلب (تمت إضافة ملفين مختلفين لإدخال مخطط كهربية القلب إلى هذه الصفحة) وإدخالها في الوظيفة لاختبار النظام على مرضى مختلفين.