دائرة مخطط كهربية القلب المحاكاة: 7 خطوات

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

مخطط كهربية القلب هو اختبار شائع يستخدم في كل من الفحوصات القياسية وتشخيص الأمراض الخطيرة. يقيس هذا الجهاز ، المعروف باسم ECG ، الإشارات الكهربائية داخل الجسم المسؤولة عن تنظيم ضربات القلب. يتم إجراء الاختبار عن طريق تطبيق أقطاب كهربائية على جلد الشخص المعني ومراقبة الإخراج ، والذي يأخذ شكل الموجي المعروف لتخطيط القلب الموضح. يحتوي هذا الشكل الموجي على موجة P ومركب QRS وموجة T يمثل كل منها استجابة فسيولوجية. سيتناول هذا الدليل خطوات محاكاة مخطط كهربية القلب في برنامج محاكاة الدائرة.

اللوازم:

LTSpice أو محاكاة دائرة مماثلة

الخطوة 1: بناء مضخم الأجهزة

الغرض من مضخم الأجهزة هو تضخيم إشارة صغيرة جدًا غالبًا ما تكون محاطة بمستويات عالية من الضوضاء. عادةً ما يكون جهد إشارة الإدخال في EMG بين 1 مللي فولت إلى 5 مللي فولت والغرض من هذه المرحلة هو تضخيم تلك الإشارة مع كسب حوالي 1000. كما هو موضح في التخطيطي ، يمكن التحكم في الكسب من خلال المعادلة التالية حيث R1 = R2 و R4 = R5 و R6 = R7:

كسب = K1 * K2 ، حيث K1 = K2

K1 = 1 + (2R1 / R3)

K2 = -R6 / R4

لذلك تم ضبط الكسب على أنه يساوي 1000 ، لذا فإن K1 و K2 تساوي تقريبًا 31.6. قد يتم اختيار بعض المقاومات بشكل تعسفي ويحسب البعض الآخر ، طالما أن معادلة الكسب تساوي 1000. في الدائرة الفيزيائية ، ستذهب الأقطاب الكهربائية إلى مكبرات الصوت التشغيلية ، ولكن لأغراض المحاكاة ، يتم تأريض أحدهما والآخر للدلالة الفرق المحتمل. سيتم استخدام عقدة Vin لمحاكاة موجات الإدخال لاحقًا. تؤدي عقدة Vout إلى المرحلة التالية من تخطيط القلب. تم اختيار مكبر للصوت التشغيلي LTC1151 لأنه موجود في مكتبة LTSpice ، ولديه معدل CMRR مرتفع ، وقد تم استخدامه في الأجهزة الطبية. أي مضخم تشغيلي أساسي بجهد إمداد + 15 فولت و -15 فولت سيعمل في هذا النظام.

الخطوة 2: بناء مرشح الشق

المرحلة التالية في مخطط كهربية القلب هي مرشح الشق لتصفية تداخل خط الطاقة الذي يحدث عند تردد 60 هرتز. يعمل مرشح القطع عن طريق إزالة نطاق صغير من الإشارات التي تحدث على مسافة قريبة جدًا من تردد فردي. لذلك ، باستخدام تردد القطع 60 هرتز ومعادلة تردد القطع ، يمكن اختيار المقاومات والمكثفات المناسبة. باستخدام المخطط أعلاه مع ملاحظة أن C = C1 = C2 و C3 = 2 * C1 و R = R10 و R8 = R9 = 2 * R10 ، يمكن اختيار قيم المكثف بشكل تعسفي (يوضح المثال اختيار مكثف 1uF). باستخدام المعادلة التالية ، يمكن حساب قيم المقاوم المناسبة واستخدامها في هذه المرحلة:

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

عقدة Vin هي الإخراج من مضخم الأجهزة وتؤدي عقدة Vout إلى المرحلة التالية.

الخطوة 3: بناء مرشح ممر الموجة

تتكون المرحلة الأخيرة من النظام من مرشح ممر نطاق نشط لإزالة الضوضاء فوق وتحت نطاق معين من الترددات. تجول خط الأساس ، الناجم عن تغير خط الأساس للإشارة مع مرور الوقت ، يحدث أقل من 0.6 هرتز وضوضاء فريق الإدارة البيئية ، الناتجة عن وجود ضوضاء عضلية ، تحدث عند ترددات أعلى من 100 هرتز. لذلك ، يتم تعيين هذه الأرقام على أنها ترددات قطع. يتكون مرشح تمرير النطاق من مرشح تمرير منخفض يتبعه مرشح تمرير عالي. ومع ذلك ، فإن كلا المرشحَين لهما نفس تردد القطع:

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

باستخدام 1 فائق التوهج كقيمة مكثف تعسفي ، و 0.6 و 100 كترددات قطع ، تم حساب قيم المقاوم للأجزاء المناسبة من المرشح. تأتي عقدة Vin من ناتج مرشح القطع وتكون عقدة Vout هي المكان الذي سيتم فيه قياس إخراج المحاكاة للنظام الكامل. في نظام مادي ، يمكن توصيل هذا الخرج بجهاز راسم الذبذبات أو جهاز عرض مشابه لعرض موجات مخطط كهربية القلب في الوقت الفعلي.

الخطوة 4: اختبر مضخم الأجهزة

بعد ذلك ، سيتم اختبار مضخم الأجهزة للتأكد من أنه يوفر ربحًا قدره 1000. للقيام بذلك ، أدخل موجة جيبية بتردد وسعة عشوائية. استخدم هذا المثال ذروة 2mV إلى ذروة السعة لتمثيل موجة EMG وتردد 1000 هرتز. محاكاة مضخم الأجهزة في برنامج محاكاة الدائرة ورسم أشكال موجات الإدخال والإخراج. باستخدام وظيفة المؤشر ، قم بتسجيل المدخلات والمخرجات ، واحسب الكسب من خلال Gain = Vout / Vin. إذا كان هذا الكسب حوالي 1000 ، فإن هذه المرحلة تعمل بشكل صحيح. يمكن إجراء تحليل إحصائي إضافي في هذه المرحلة من خلال الأخذ في الاعتبار تفاوتات المقاومة وتعديل قيم المقاوم بنسبة + 5٪ و -5٪ لمعرفة كيفية تأثيرها على موجة الإخراج والكسب اللاحق.

الخطوة 5: اختبر مرشح الشق

اختبر مرشح القطع عن طريق إجراء مسح التيار المتردد من نطاق يحتوي على 60 هرتز. في هذا المثال ، تم تشغيل عملية المسح من 1 هرتز إلى 200 هرتز. الرسم الناتج ، عند قياسه عند عقدة Vout ، سيخرج رسمًا بيانيًا للتضخيم في dB مقابل التردد في Hz. يجب أن يبدأ الرسم البياني وينتهي عند تضخيم 0 dB عند ترددات بعيدة عن 60 هرتز في كلا الاتجاهين ويجب أن يظهر انخفاض كبير في التضخيم عند 60 هرتز أو قريبًا جدًا منه. هذا يدل على أن الإشارات التي تحدث على هذا التردد يتم إزالتها بشكل صحيح من الإشارة المطلوبة. يمكن إجراء تحليل إحصائي إضافي في هذه المرحلة من خلال الأخذ في الاعتبار تفاوتات المقاومة وتعديل قيم المقاوم والمكثف بنسبة + 5٪ و -5٪ لمعرفة كيف يؤثر ذلك على تردد القطع التجريبي (التردد الذي يتعرض لأكبر قدر من التوهين بيانياً).

الخطوة 6: اختبر مرشح Bandpass

أخيرًا ، اختبر مرشح تمرير النطاق عن طريق إجراء تحليل مسح آخر للتيار المتردد. هذه المرة ، يجب أن يكون المسح من تردد أقل من 0.6 وأكبر من 100 لضمان إمكانية رؤية ممر النطاق بيانياً. مرة أخرى ، قم بإجراء التحليل عن طريق القياس عند عقدة Vout الموضحة في التخطيطي. يجب أن يبدو الإخراج مثل الشكل أعلاه حيث يكون التضخيم سالبًا بعيدًا عن النطاق 0.6-100 هرتز. يجب أن تكون النقاط التي يكون فيها التضخيم -3 ديسيبل 0.6 و 100 هرتز ، أو قيم قريبة جدًا من تلك الخاصة بالنقطتين الأولى والثانية ، على التوالي. تدل النقاط -3dB عندما تكون الإشارة ضعيفة إلى النقطة التي يكون فيها الإخراج عند هذه الترددات نصف الطاقة الأصلية. لذلك ، تُستخدم النقاط -3dB لتحليل توهين إشارات المرشحات. إذا تطابق -3 ديسيبل نقاط على الرسم البياني الناتج مع نطاق ممر النطاق ، فإن المرحلة تعمل بشكل صحيح.

يمكن إجراء تحليل إحصائي إضافي في هذه المرحلة من خلال مراعاة تفاوتات المقاومة وتعديل قيم المقاوم والمكثف بنسبة + 5٪ و -5٪ لمعرفة كيف يؤثر ذلك على ترددات القطع التجريبية.

الخطوة 7: ضع نظام تخطيط القلب الكامل معًا

أخيرًا ، عندما يتم التأكد من أن جميع المراحل الثلاث تعمل بشكل صحيح ، ضع جميع المراحل الثلاث لتخطيط القلب معًا ويتم الحصول على النتيجة النهائية. يمكن إدخال موجة ECG المحاكاة في مرحلة مضخم الأجهزة ويجب أن تكون الموجة الناتجة عبارة عن موجة ECG مضخمة.