דוגמנות אותות אק"ג ב- LTspice: 7 שלבים

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

א.ק.ג היא שיטה נפוצה מאוד למדידת אותות חשמליים המתרחשים בלב. הרעיון הכללי של הליך זה הוא למצוא בעיות לב, כגון הפרעות קצב, מחלות עורקים כליליים או התקפי לב. זה עשוי להיות נחוץ אם המטופל סובל מתסמינים כמו כאבים בחזה, קשיי נשימה או דפיקות לב לא אחידות הנקראות דפיקות לב, אך ניתן להשתמש בו גם כדי להבטיח שקוצבי הלב והתקנים מושתלים אחרים פועלים כראוי. מנתוני ארגון הבריאות העולמי עולה כי מחלות הקשורות לב וכלי דם הן הגורמים הגדולים ביותר למוות בעולם; מחלות אלו הורגות כ -18 מיליון בני אדם מדי שנה. לכן, מכשירים שיכולים לפקח או לגלות מחלות אלו חשובים להפליא, ולכן פותח הא.ק.ג. א.ק.ג היא בדיקה רפואית בלתי פולשנית לחלוטין שאינה מהווה סיכון למטופל, למעט אי נוחות קלה בעת הסרת האלקטרודות.

המכשיר המלא המתואר בהוראה זו יכלול מספר מרכיבים כדי לתפעל את אות הא.ק.ג הרועש, כך שניתן להשיג תוצאות מיטביות. הקלטות א.ק.ג מתרחשות במתח נמוך בדרך כלל, ולכן יש להגביר את האותות האלה לפני הניתוח, במקרה זה עם מגבר מכשור. כמו כן, רעש בולט מאוד בהקלטות א.ק.ג., לכן יש לבצע סינון כדי לנקות את האותות הללו. הפרעה זו יכולה להגיע ממגוון מקומות, ולכן יש לנקוט בגישות שונות כדי להסיר רעשים ספציפיים. אותות פיזיולוגיים מתרחשים רק בטווח אופייני, ולכן מסנן פס פס משמש להסרת תדרים מחוץ לטווח זה. רעש נפוץ באות א.ק.ג נקרא הפרעה בקו החשמל, המתרחשת בסביבות 60 הרץ ומוסרת בעזרת מסנן חריץ. שלושת המרכיבים הללו פועלים במקביל לניקוי אות א.ק.ג. ומאפשרים פרשנות ואבחונים קלים יותר ויעברו מודל ב- LTspice לבדיקת יעילותם.

שלב 1: בניית מגבר המכשור (INA)

המרכיב הראשון במכשיר המלא היה מגבר מכשור (INA), שיכול למדוד אותות קטנים הנמצאים בסביבות רועשות. במקרה זה, INA בוצע עם רווח גבוה (בסביבות 1, 000) כדי לאפשר תוצאות מיטביות. מוצג סכמטי של INA עם ערכי הנגד המתאימים שלו. ניתן לחשב את הרווח של INA זה תיאורטית כדי לאשר שההגדרה הייתה תקפה וערכי הנגד מתאימים. משוואה (1) מציגה את המשוואה המשמשת לחישוב שהרווח התיאורטי היה 1, 000, כאשר R1 = R3, R4 = R5 ו- R6 = R7.

משוואה (1): רווח = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

שלב 2: בניית מסנן Bandpass

מקור רעש עיקרי כולל אותות חשמליים המתפשטים בגוף, כך שהתקן בתעשייה הוא לכלול מסנן פס פס עם תדרי ניתוק של 0.5 הרץ ו -150 הרץ כדי להסיר את העיוותים מה- ECG. מסנן זה השתמש במסנן גבוה ומסנן מעבר בסדרה כדי לסלק אותות מחוץ לטווח תדרים זה. הסכימה של מסנן זה עם ערכי הנגד והקבלים המתאימים שלו מוצגת. הערכים המדויקים של הנגדים והקבלים נמצאו באמצעות הנוסחה המוצגת במשוואה (2). נוסחה זו שימשה פעמיים, אחת לתדירות הפסקת מעבר גבוהה של 0.5 הרץ ואחת לתדירות הפסקת מעבר נמוכה של 150 הרץ. בכל מקרה, ערך הקבל נקבע ל- 1 μF, וערך הנגד חושב.

משוואה 2: R = 1 / (2 * pi * תדירות החיתוך * C)

שלב 3: בניית מסנן החריץ

מקור רעש נפוץ נוסף הקשור לאק ג נגרם על ידי קווי מתח וציוד אלקטרוני אחר אך בוטל בעזרת מסנן חריץ. טכניקת סינון זו השתמשה במקביל במעבר גבוה ומסנן מעבר נמוך במקביל להסרת הרעש במיוחד ב -60 הרץ. הסכימה של מסנן החריץ עם ערכי הנגד והקבלים המתאימים שלו מוצגת. ערכי הנגד והקבלים המדויקים נקבעו כך ש R1 = R2 = 2R3 ו- C1 = 2C2 = 2C3. לאחר מכן, כדי להבטיח תדירות ניתוק של 60 הרץ, R1 נקבע ל- 1 kΩ, ומשוואה (3) שימשה לאיתור הערך של C1.

משוואה 3: C = 1 / (4 * pi * תדירות החיתוך * R)

שלב 4: בניית המערכת המלאה

לבסוף, כל שלושת הרכיבים נבדקו כדי לוודא שכל המכשיר המלא תפקד כראוי. ערכי הרכיב הספציפיים לא השתנו עם יישום המערכת המלאה, ופרמטרי הסימולציה כוללים בתרשים 4. כל חלק היה מחובר בסדרה זה לזה בסדר הבא: INA, מסנן פס פס ומסנן חריץ. בעוד שניתן יהיה להחליף את המסננים, ה- INA צריך להישאר כמרכיב הראשון, כך שתוכל להתרחש הגברה לפני כל סינון.

שלב 5: בדיקת כל רכיב

כדי לבדוק את תוקפה של מערכת זו, כל רכיב נבדק תחילה בנפרד, ולאחר מכן נבדקה המערכת כולה. עבור כל בדיקה, אות הכניסה נקבע בטווח אופייני של אותות פיזיולוגיים (5 mV ו- 1 kHz), כך שהמערכת תוכל להיות מדויקת ככל האפשר. בדיקת AC וניתוח חולף הושלמו עבור INA, כך שניתן לקבוע את הרווח באמצעות שתי שיטות (משוואות (4) ו- (5)). המסננים נבדקו שניהם באמצעות מטאטא AC כדי להבטיח שתדרי החיתוך יתרחשו בערכים הרצויים.

משוואה 4: רווח = 10 ^ (dB / 20) משוואה 5: רווח = מתח יציאה / מתח כניסה

התמונה הראשונה המוצגת היא טאטאת AC של ה- INA, השנייה והשלישית הם הניתוח החולף של ה- INA עבור מתח הכניסה והיציאה. הרביעי הוא טאטא AC של מסנן פס החבילה, והחמישי הוא טאטא AC של מסנן החריץ.

שלב 6: בדיקת המערכת המלאה

לבסוף, המערכת המלאה נבדקה בעזרת טאטא AC וניתוח חולף; עם זאת, הקלט למערכת זו היה אות א.ק.ג בפועל. התמונה הראשונה למעלה מציגה את תוצאות סחיפת AC, ואילו השנייה מציגה את תוצאות הניתוח החולף. כל שורה מתאימה למדידה של כל רכיב: ירוק - INA, מסנן כחול - פס, ומסנן אדום. התמונה הסופית מתקרבת לגל אק ג מסוים לניתוח קל יותר.

שלב 7: מחשבות אחרונות

בסך הכל, מערכת זו נועדה לקלוט אות א.ק.ג, להגביר אותה ולהסיר כל רעש לא רצוי, כך שניתן לפרש אותה בקלות. עבור המערכת המלאה, מגבר מכשור, מסנן פס פס ומסנן חריץ תוכננו בהתחשב במפרט עיצוב מיוחד כדי להשיג את המטרה. לאחר תכנון רכיבים אלה ב- LTspice, נערך שילוב של טאטא AC וניתוחים חולפים כדי לבדוק את תוקפו של כל רכיב ושל המערכת כולה. בדיקות אלו הראו כי העיצוב הכולל של המערכת תקף וכי כל רכיב מתפקד כצפוי.

בעתיד, ניתן להמיר מערכת זו למעגל פיזי לבדיקת נתוני א.ק.ג. בדיקות אלה יהיו השלב האחרון בקביעה אם העיצוב תקף. לאחר השלמתה, ניתן להתאים את המערכת לשימוש במסגרות בריאות שונות ולסייע לרופאים לאבחן ולטפל במחלות לב.