סימולטור מעגל א.ק.ג אוטומטי: 4 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

אלקטרוקרדיוגרמה (א.ק.ג.) היא טכניקה עוצמתית המשמשת למדידת הפעילות החשמלית של לב המטופל. הצורה הייחודית של פוטנציאלים חשמליים אלה משתנה בהתאם למיקום של אלקטרודות ההקלטה ושימשה לאיתור מצבים רבים. עם גילוי מוקדם של מגוון רחב של מצבי לב, הרופאים יכולים לספק למטופלים שלהם המלצות רבות המתייחסות למצבם. מכונה זו מורכבת משלושה רכיבים עיקריים: מגבר מכשור ואחריו מסנן חריץ ומסנן פס פס. מטרת חלקים אלה היא להגביר את האותות הנכנסים, להסיר אותות לא רצויים ולהעביר את כל האותות הביולוגיים הרלוונטיים. ניתוח המערכת שנוצרה הוכיח כי האלקטרוקרדיוגרמה, כצפוי, מבצעת את משימותיה הרצויות כדי לייצר אות א.ק.ג שימושי, מה שמדגים את התועלת שלה לאיתור מצבי לב.

אספקה:

• תוכנת LTSpice
• קבצי איתות א.ק.ג

שלב 1: מגבר מכשור

מגבר המכשור, לעתים מקוצר INA, משמש להגברת האותות הביולוגיים ברמה נמוכה הנצפים מהחולה. INA טיפוסי מורכב משלושה מגברים תפעוליים (Op Amps). שני מגברי אופ צריכים להיות בתצורה שאינה מהפכת ובמגבר אופ האחרון בתצורה הדיפרנציאלית. שבעה נגדים משמשים לצד מגברי אופ כדי לאפשר לנו לשנות רווח על ידי שינוי גודל ערכי הנגד. מבין הנגדים, ישנם שלושה זוגות וגודל בודד אחד.

עבור פרויקט זה אשתמש ברווח של 1000 כדי להגביר את האותות. לאחר מכן אבחר בערכים שרירותיים של R2, R3 ו- R4 (הכי קל אם R3 ו- R4 שווים בגודלם מכיוון שהם היו מבטלים ל- 1, מה שמסלול דרך לחישובים קלים יותר). מכאן, אני יכול לפתור עבור R1 כדי לקבל את כל גדלי הרכיבים הדרושים.

רווח = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

באמצעות משוואת הרווח למעלה והערכים R2 = 50kΩ ו- R3 = R4 = 10kΩ, נקבל R1 = 100Ω.

כדי לבדוק שהרווח הוא למעשה 1000, נוכל להפעיל את המעגל בעזרת פונקציית לטאטא.ac ולבחון היכן מתרחשת הרמה. במקרה זה הוא 60 dB. על ידי שימוש במשוואה להלן, אנו יכולים להמיר את ה- dB ל- Vout/Vin חסר ממדים, שבסופו של דבר יהיה כ -1000, כצפוי.

רווח, dB = 20*יומן (Vout/Vin)

שלב 2: מסנן חריץ

הרכיב הבא שיתוכנן הוא מסנן החריץ. ערך הרכיבים למסנן זה תלוי במידה רבה באיזו תדירות אתה רוצה לחרוג. עבור עיצוב זה, אנו רוצים לחתוך את תדר 60 הרץ (fc) שמשתחרר על ידי מכשור רפואי.

מסנן חריץ כפול משמש לשימוש בעיצוב זה על מנת להבטיח שרק הרצוי ייחתך ושלא נחליש בטעות תדרים ביולוגיים מבוקשים ליד סימן 60 הרץ. ערכי המרכיבים נמצאו על ידי בחירת ערכי הנגד השרירותיים, מתוכם בחרתי להשתמש ב -2 kΩ עבור מסנן המעבר הנמוך (T למעלה) ו- 1 kΩ עבור מסנן המעבר הגבוה (T תחתון). בעזרת המשוואה להלן, פתרתי את ערכי הקבלים הדרושים.

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

חלקת הבודה נמצאה שוב באמצעות פונקציית ה- sweep.ac שמציעה LTSpice.

שלב 3: מסנן פס פס

הרכיב הסופי למערכת הא.ק.ג האוטומטית נחוץ כדי לעבור תדרים ביולוגיים מכיוון שזה מה שמעניין אותנו. אות האק ג הטיפוסי מתרחש בין 0.5 הרץ ל -150 הרץ (fc), ולכן ניתן להשתמש בשני מסננים; או מסנן פס פס או מסנן נמוך. בעיצוב זה, נעשה שימוש במסנן פס פס מכיוון שהוא קצת יותר מדויק מהמעבר הנמוך, אם כי עדיין היה פועל מכיוון שתדרים ביולוגיים בדרך כלל אינם בעלי תדרים גבוהים בכל מקרה.

מסנן פס פס מכיל שני חלקים: מסנן מעבר גבוה ומסנן מעבר נמוך. מסנן ההגבהה מגיע לפני מגבר אופ והמעבר הנמוך הוא לאחר. זכור כי ישנם מגוון עיצובים של מסנני פס פס שיכולים לשמש.

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

שוב, הרבה ערכים שרירותיים נבחרים כדי למצוא את הערכים הנדרשים של חלקים אחרים. במסנן האחרון בחרתי בערכי הנגד השרירותיים ופתרתי לערכי הקבלים. כדי להדגים שזה לא משנה עם מי מתחילים, כעת אבחר בערכי קבלים שרירותיים לפתור לערכי הנגד. במקרה זה, בחרתי בערך קבלים של 1uF. באמצעות המשוואה לעיל, אני משתמש בתדר נתק אחד בכל פעם כדי לפתור את הנגד המתאים. לשם הפשטות, אשתמש באותו ערך קבלים הן לחלקי מעבר גבוה והן נמוך לעבור למסנן מעבר הלהקה. 0.5 הרץ ישמשו לפתרון הנגד המעבר הגבוה ותדירות החיתוך של 150 הרץ משמשת לאיתור הנגד המעבר הנמוך.

ניתן להשתמש שוב במגרש Bode כדי לבדוק אם עיצוב המעגל עבד כראוי.

שלב 4: מערכת מלאה

לאחר אימות של כל רכיב לעבודה בפני עצמו, ניתן לחבר את החלקים למערכת אחת. באמצעות נתוני א.ק.ג מיובאים ופונקציית PWL בגנרטור מקור המתח, ניתן להריץ סימולציות כדי להבטיח שהמערכת תגדיר ותעביר את התדרים הביולוגיים הרצויים כראוי.

צילום מסך העלילה העליון הוא דוגמה לאופן בו נתוני הפלט נראים באמצעות פונקציית.tran וצילום המסך העלילתי התחתון הוא חלקת הבוד בהתאמה באמצעות הפונקציה.ac.

ניתן להוריד נתוני א.ק.ג קלט שונים (נוספו לדף זה שני קובצי קלט א.ק.ג שונים) ולהכניס אותם לפונקציה כדי לבדוק את המערכת על מטופלים שונים.