نمذجة إشارة ECG في LTspice: 7 خطوات

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

تخطيط القلب هو طريقة شائعة جدًا لقياس الإشارات الكهربائية التي تحدث في القلب. الفكرة العامة لهذا الإجراء هي اكتشاف مشاكل القلب ، مثل عدم انتظام ضربات القلب ، ومرض الشريان التاجي ، أو النوبات القلبية. قد يكون ذلك ضروريًا إذا كان المريض يعاني من أعراض مثل ألم الصدر أو صعوبة التنفس أو عدم انتظام ضربات القلب يسمى الخفقان ، ولكن يمكن أيضًا استخدامه لضمان عمل أجهزة تنظيم ضربات القلب والأجهزة الأخرى القابلة للزرع بشكل صحيح. تُظهر بيانات منظمة الصحة العالمية أن الأمراض المرتبطة بأمراض القلب والأوعية الدموية هي أكبر أسباب الوفاة على مستوى العالم. تقتل هذه الأمراض ما يقرب من 18 مليون شخص كل عام. لذلك ، فإن الأجهزة التي يمكنها مراقبة أو اكتشاف هذه الأمراض مهمة للغاية ، ولهذا السبب تم تطوير مخطط كهربية القلب. مخطط كهربية القلب (ECG) هو اختبار طبي غير جراحي تمامًا ولا يشكل أي خطر على المريض ، باستثناء بعض الانزعاج الطفيف عند إزالة الأقطاب الكهربائية.

سيتألف الجهاز الكامل الموضح في هذا الدليل من عدة مكونات لمعالجة إشارة مخطط كهربية القلب الصاخبة بحيث يمكن الحصول على أفضل النتائج. تحدث تسجيلات مخطط كهربية القلب عند الفولتية المنخفضة عادةً ، لذا يجب تضخيم هذه الإشارات قبل إجراء التحليل ، في هذه الحالة باستخدام مكبر للأجهزة. أيضًا ، تكون الضوضاء بارزة جدًا في تسجيلات مخطط كهربية القلب ، لذلك يجب إجراء تصفية لتنظيف هذه الإشارات. يمكن أن يأتي هذا التداخل من عدة أماكن ، لذلك يجب اتباع طرق مختلفة لإزالة ضوضاء معينة. تحدث الإشارات الفسيولوجية فقط في نطاق نموذجي ، لذلك يتم استخدام مرشح النطاق الترددي لإزالة أي ترددات خارج هذا النطاق. يُطلق على الضوضاء الشائعة في إشارة ECG تداخل خط الطاقة ، والذي يحدث عند 60 هرتز تقريبًا ويتم إزالته باستخدام مرشح شق. تعمل هذه المكونات الثلاثة بشكل متزامن لتنظيف إشارة ECG والسماح بتفسير وتشخيص أسهل وسيتم تصميمها في LTspice لاختبار فعاليتها.

الخطوة 1: بناء مضخم الأجهزة (INA)

كان المكون الأول للجهاز الكامل هو مضخم الأجهزة (INA) ، والذي يمكنه قياس الإشارات الصغيرة الموجودة في البيئات الصاخبة. في هذه الحالة ، تم إجراء INA بمكاسب عالية (حوالي 1000) للسماح بالنتائج المثلى. يتم عرض تخطيطي لـ INA بقيم المقاوم الخاصة به. يمكن حساب كسب INA هذا نظريًا للتأكد من أن الإعداد كان صالحًا وأن قيم المقاوم كانت مناسبة. توضح المعادلة (1) المعادلة المستخدمة لحساب أن الكسب النظري كان 1 ، 000 ، حيث R1 = R3 ، R4 = R5 ، و R6 = R7.

المعادلة (1): ربح = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

الخطوة 2: بناء مرشح Bandpass

يشتمل المصدر الرئيسي للضوضاء على إشارات كهربائية تنتشر عبر الجسم ، لذا فإن معيار الصناعة هو تضمين مرشح ممر النطاق بترددات قطع تبلغ 0.5 هرتز و 150 هرتز لإزالة التشوهات من مخطط كهربية القلب. يستخدم هذا المرشح تمريرًا عاليًا ومرشح تمرير منخفض في سلسلة للتخلص من الإشارات خارج نطاق التردد هذا. يتم عرض التخطيطي لهذا المرشح بقيمته الخاصة بالمقاوم والمكثف. تم إيجاد القيم الدقيقة للمقاومات والمكثفات باستخدام الصيغة الموضحة في المعادلة (2). تم استخدام هذه الصيغة مرتين ، واحدة لتردد قطع التمرير العالي البالغ 0.5 هرتز والأخرى لتردد قطع التمرير المنخفض البالغ 150 هرتز. في كل حالة ، تم ضبط قيمة المكثف على 1 μF ، وتم حساب قيمة المقاوم.

المعادلة 2: R = 1 / (2 * pi * تردد القطع * C)

الخطوة 3: بناء مرشح الشق

مصدر آخر شائع للضوضاء المرتبط بتخطيط القلب ناتج عن خطوط الطاقة والمعدات الإلكترونية الأخرى ولكن تم التخلص منها باستخدام مرشح الشق. تستخدم تقنية الترشيح هذه تمريرة عالية ومرشح تمرير منخفض بالتوازي لإزالة الضوضاء على وجه التحديد عند 60 هرتز. يتم عرض التخطيطي لمرشح الشق مع قيم المقاومة والمكثف الخاصة به. تم تحديد قيم المقاومة والمكثف بدقة بحيث تكون R1 = R2 = 2R3 و C1 = 2C2 = 2C3. بعد ذلك ، لضمان تردد قطع قدره 60 هرتز ، تم ضبط R1 على 1 كيلو أوم ، وتم استخدام المعادلة (3) للعثور على قيمة C1.

المعادلة 3: C = 1 / (4 * pi * تردد القطع * R)

الخطوة الرابعة: بناء النظام الكامل

أخيرًا ، تم اختبار المكونات الثلاثة معًا لضمان عمل الجهاز بالكامل بشكل صحيح. لم تتغير قيم المكونات المحددة عند تنفيذ النظام بالكامل ، وتم تضمين معلمات المحاكاة في الشكل 4. تم توصيل كل جزء في سلسلة ببعضه البعض بالترتيب التالي: INA ، ومرشح تمرير النطاق ، ومرشح الشق. بينما يمكن تبديل المرشحات ، يجب أن يظل INA هو المكون الأول ، بحيث يمكن أن يحدث التضخيم قبل إجراء أي ترشيح.

الخطوة 5: اختبار كل مكون

لاختبار صلاحية هذا النظام ، تم أولاً اختبار كل مكون على حدة ، ثم تم اختبار النظام بأكمله. لكل اختبار ، تم تعيين إشارة الإدخال لتكون ضمن النطاق النموذجي للإشارات الفسيولوجية (5 مللي فولت و 1 كيلوهرتز) ، بحيث يمكن أن يكون النظام دقيقًا قدر الإمكان. تم الانتهاء من تحليل اكتساح AC وتحليل عابر لـ INA ، بحيث يمكن تحديد الكسب باستخدام طريقتين (المعادلات (4) و (5)). تم اختبار كل من المرشحات باستخدام اكتساح التيار المتردد لضمان حدوث ترددات القطع بالقيم المرغوبة.

المعادلة 4: كسب = 10 ^ (ديسيبل / 20) المعادلة 5: كسب = جهد الإخراج / جهد الإدخال

الصورة الأولى المعروضة هي اكتساح التيار المتردد لـ INA ، والثاني والثالث هما التحليل العابر لـ INA لجهود الإدخال والإخراج. الرابع هو اكتساح التيار المتردد لمرشح تمرير النطاق ، والخامس هو اكتساح التيار المتردد لمرشح الشق.

الخطوة السادسة: اختبار النظام بالكامل

أخيرًا ، تم اختبار النظام الكامل باستخدام تحليل عابر للتيار المتردد ؛ ومع ذلك ، كان الإدخال إلى هذا النظام إشارة فعلية لتخطيط القلب. تُظهر الصورة الأولى أعلاه نتائج مسح التيار المتردد ، بينما تُظهر الصورة الثانية نتائج التحليل العابر. يتوافق كل سطر مع قياس يتم بعد كل مكون: أخضر - INA ، وأزرق - مرشح ممر النطاق ، ومرشح ذو شق أحمر. يتم تكبير الصورة النهائية على موجة ECG معينة لتحليل أسهل.

الخطوة 7: الأفكار النهائية

بشكل عام ، تم تصميم هذا النظام لأخذ إشارة ECG وتضخيمها وإزالة أي ضوضاء غير مرغوب فيها بحيث يمكن تفسيرها بسهولة. بالنسبة للنظام الكامل ، تم تصميم مضخم الأجهزة ومرشح تمرير النطاق ومرشح الشق وفقًا لمواصفات تصميم معينة لتحقيق الهدف. بعد تصميم هذه المكونات في LTspice ، تم إجراء مجموعة من تحليلات اكتساح التيار المتردد والتحليلات العابرة لاختبار صلاحية كل مكون والنظام بأكمله. أظهرت هذه الاختبارات أن التصميم العام للنظام كان صالحًا وأن كل مكون كان يعمل كما هو متوقع.

في المستقبل ، يمكن تحويل هذا النظام إلى دائرة مادية للاختبار أثناء بث بيانات ECG. ستكون هذه الاختبارات هي الخطوة الأخيرة في تحديد ما إذا كان التصميم صالحًا أم لا. بمجرد اكتمال النظام ، يمكن تكييفه لاستخدامه في مختلف أماكن الرعاية الصحية واستخدامه لمساعدة الأطباء في تشخيص أمراض القلب وعلاجها.