स्वचालित ईसीजी- बीएमई ३०५ अंतिम परियोजना अतिरिक्त क्रेडिट: ७ कदम

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:18

एक इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम (ईसीजी या ईकेजी) का उपयोग धड़कते हुए दिल द्वारा उत्पादित विद्युत संकेतों को मापने के लिए किया जाता है और यह हृदय रोग के निदान और रोग का निदान करने में एक बड़ी भूमिका निभाता है। ईसीजी से प्राप्त कुछ सूचनाओं में रोगी के दिल की धड़कन की लय के साथ-साथ धड़कन की ताकत भी शामिल है। प्रत्येक ईसीजी तरंग हृदय चक्र के पुनरावृत्ति द्वारा उत्पन्न होती है। रोगी की त्वचा पर लगाए गए इलेक्ट्रोड के माध्यम से डेटा एकत्र किया जाता है। तब संकेत को प्रवर्धित किया जाता है और मौजूद डेटा का ठीक से विश्लेषण करने के लिए शोर को फ़िल्टर किया जाता है। एकत्र किए गए डेटा का उपयोग करके शोधकर्ता न केवल हृदय रोगों का निदान करने में सक्षम हैं, बल्कि ईसीजी ने अधिक अस्पष्ट बीमारियों की समझ और पहचान को बढ़ाने में भी बड़ी भूमिका निभाई है। ईसीजी के कार्यान्वयन से अतालता और इस्किमिया जैसी स्थितियों के उपचार में काफी सुधार हुआ है [1]।

आपूर्ति:

यह निर्देश एक वर्चुअल ईसीजी डिवाइस के अनुकरण के लिए है और इसलिए इस प्रयोग को करने के लिए जो कुछ भी आवश्यक है वह एक काम करने वाला कंप्यूटर है। निम्नलिखित सिमुलेशन के लिए इस्तेमाल किया जाने वाला सॉफ्टवेयर एलटीस्पाइस XVII है और इसे इंटरनेट से डाउनलोड किया जा सकता है।

चरण 1: चरण 1: इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर

सर्किट का पहला घटक एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर है। जैसा कि नाम से पता चलता है, इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर का उपयोग सिग्नल के परिमाण को बढ़ाने के लिए किया जाता है। एक ईसीजी सिग्नल जो प्रवर्धित या फ़िल्टर नहीं किया जाता है, वह आयाम में लगभग 5 mV है। सिग्नल को फ़िल्टर करने के लिए, इसे बढ़ाना होगा। बायोइलेक्ट्रिकल सिग्नल को उचित रूप से फ़िल्टर करने के लिए इस सर्किट के लिए एक उचित लाभ बड़ा होना चाहिए। इसलिए, इस सर्किट का लाभ लगभग १००० होगा। एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर का सामान्य रूप इस चरण के लिए छवियों में शामिल है [2]। सर्किट के लाभ के समीकरणों के अलावा, प्रत्येक घटक के लिए गणना किए गए मान दूसरी छवि [3] में दिखाए जाते हैं।

लाभ नकारात्मक है क्योंकि वोल्टेज की आपूर्ति परिचालन एम्पलीफायर के इनवर्टिंग पिन को की जाती है। दूसरी छवि में दिखाए गए मान R1, R2, R3 के मानों को सेट करके और वांछित मान के रूप में लाभ प्राप्त करके और फिर अंतिम मान R4 के लिए हल करके पाए गए। इस चरण के लिए तीसरी छवि एलटीस्पाइस में सिम्युलेटेड सर्किट है, जो सटीक मूल्यों के साथ पूर्ण है।

सर्किट का परीक्षण करने के लिए, संपूर्ण और व्यक्तिगत घटकों के रूप में, एक प्रत्यावर्ती धारा (एसी) विश्लेषण चलाया जाना चाहिए। विश्लेषण का यह रूप सिग्नल के परिमाण को देखता है क्योंकि आवृत्तियों में परिवर्तन होता है। इसलिए, एसी विश्लेषण स्वीप का विश्लेषण प्रकार एक दशक होना चाहिए क्योंकि यह एक्स-अक्ष स्केलिंग सेट करता है और परिणामों को सटीक रूप से पढ़ने के लिए अधिक अनुकूल होता है। प्रति दशक, 100 डेटा बिंदु होने चाहिए। यह दक्षता सुनिश्चित करने, कार्यक्रम को अधिक काम किए बिना डेटा में रुझानों को सटीक रूप से व्यक्त करेगा। स्टार्ट और स्टॉप फ़्रीक्वेंसी मानों में कट ऑफ फ़्रीक्वेंसी दोनों शामिल होनी चाहिए। इसलिए, एक उचित प्रारंभिक आवृत्ति 0.01 हर्ट्ज है और एक उचित रोक आवृत्ति 1kHz है। इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के लिए, इनपुट फ़ंक्शन 5 mV के परिमाण के साथ एक साइन वेव है। 5 एमवी एक ईसीजी सिग्नल के मानक आयाम से मेल खाता है [4]। एक साइन लहर ईसीजी सिग्नल के बदलते पहलुओं की नकल करती है। इन सभी विश्लेषण सेटिंग्स, इनपुट वोल्टेज को छोड़कर, प्रत्येक घटक के लिए समान हैं।

अंतिम छवि इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर के लिए आवृत्ति प्रतिक्रिया प्लॉट है। इससे पता चलता है कि इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर इनपुट सिग्नल के परिमाण को लगभग 1000 तक बढ़ाने में सक्षम है। इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के लिए वांछित लाभ 1000 था। नकली इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर का लाभ 999.6 है, जो दूसरी तस्वीर में दिखाए गए समीकरण का उपयोग करके पाया गया है। वांछित लाभ और प्रायोगिक लाभ के बीच प्रतिशत त्रुटि 0.04% है। यह प्रतिशत त्रुटि की स्वीकार्य राशि है।

चरण 2: चरण 2: पायदान फ़िल्टर

ईसीजी सर्किट में उपयोग किया जाने वाला अगला घटक एक सक्रिय फिल्टर है। एक सक्रिय फिल्टर सिर्फ एक फिल्टर है जिसे कार्य करने के लिए शक्ति की आवश्यकता होती है। इस असाइनमेंट के लिए, इस्तेमाल किया जाने वाला सबसे अच्छा सक्रिय फ़िल्टर एक नॉच फ़िल्टर है। एक नॉच फिल्टर का उपयोग सिंगल फ्रीक्वेंसी या फ्रिक्वेंसी की एक बहुत ही संकीर्ण रेंज पर सिग्नल को हटाने के लिए किया जाता है। इस सर्किट के मामले में, एक पायदान फिल्टर के साथ निकालने की आवृत्ति 60 हर्ट्ज है। 60 हर्ट्ज वह आवृत्ति है जिस पर पावरलाइन काम करती है और इसलिए उपकरणों के साथ शोर का एक बड़ा स्रोत है। पावरलाइन शोर बायोमेडिकल संकेतों को विकृत करता है और डेटा की गुणवत्ता को कम करता है [५]। इस सर्किट के लिए उपयोग किए जाने वाले नॉच फिल्टर का सामान्य रूप इस चरण के लिए पहली तस्वीर में दिखाया गया है। नॉच फिल्टर का सक्रिय घटक संलग्न बफर है। नॉच फिल्टर के बाद सिग्नल को अलग करने के लिए बफर का उपयोग किया जाता है। चूंकि बफर फिल्टर का हिस्सा है और इसे संचालित करने के लिए शक्ति की आवश्यकता होती है, नॉच फिल्टर इस सर्किट का सक्रिय फिल्टर घटक है।

नॉच फिल्टर के प्रतिरोधक और संधारित्र घटकों के लिए समीकरण दूसरी तस्वीर [६] में दिखाया गया है। समीकरण में, fN निकालने की आवृत्ति है, जो कि 60 Hz है। जैसा कि इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर होगा, या तो रेसिस्टर या कैपेसिटर वैल्यू को किसी भी वैल्यू पर सेट किया जा सकता है और दूसरे वैल्यू को दूसरी फोटो में दिखाए गए समीकरण द्वारा परिकलित किया जा सकता है। इस फ़िल्टर के लिए, C को 1 µF का मान दिया गया था और शेष मान उस मान के आधार पर पाए गए थे। संधारित्र का मूल्य सुविधा के आधार पर तय किया गया था। दूसरी तस्वीर में तालिका 2R, R, 2C, और C के मान प्रदर्शित करती है जिनका उपयोग किया गया था।

इस चरण के लिए तीसरी छवि सटीक मानों के साथ अंतिम पायदान फ़िल्टर सर्किट है। उस सर्किट का उपयोग करके, 5V का उपयोग करके एसी स्वीप विश्लेषण चलाया गया था। 5V प्रवर्धन के बाद वोल्टेज से मेल खाता है। बाकी विश्लेषण पैरामीटर वही हैं जो इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर स्टेप में बताए गए थे। फ़्रीक्वेंसी रिस्पॉन्स प्लॉट अंतिम फ़ोटो में दिखाया गया है। दूसरी तस्वीर में मूल्यों और समीकरणों का उपयोग करते हुए, नॉच फिल्टर के लिए वास्तविक आवृत्ति 61.2 हर्ट्ज है। नॉच फिल्टर के लिए वांछित मान ६० हर्ट्ज़ था। प्रतिशत त्रुटि समीकरण का उपयोग करते हुए, नकली फ़िल्टर और सैद्धांतिक फ़िल्टर के बीच 2% त्रुटि होती है। यह त्रुटि की एक स्वीकार्य राशि है।

चरण 3: चरण 3: कम पास फ़िल्टर

इस सर्किट में उपयोग किया जाने वाला अंतिम प्रकार का भाग निष्क्रिय फिल्टर है। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, एक निष्क्रिय फ़िल्टर एक ऐसा फ़िल्टर है जिसे चालू होने के लिए किसी शक्ति स्रोत की आवश्यकता नहीं होती है। ईसीजी के लिए, सिग्नल से शोर को ठीक से हटाने के लिए एक उच्च पास और एक कम पास फिल्टर दोनों की आवश्यकता होती है। सर्किट में जोड़ा जाने वाला पहला प्रकार का निष्क्रिय फिल्टर एक कम पास फिल्टर है। जैसा कि नाम से पता चलता है, यह पहले कटऑफ आवृत्ति के नीचे के सिग्नल को [7] पास करने की अनुमति देता है। कम पास फिल्टर के लिए, कट ऑफ आवृत्ति सिग्नल की सीमा की ऊपरी सीमा होनी चाहिए। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, ईसीजी सिग्नल की ऊपरी सीमा 150 हर्ट्ज [2] है। एक ऊपरी सीमा निर्धारित करके, अन्य संकेतों के शोर का उपयोग सिग्नल अधिग्रहण में नहीं किया जाता है।

कट ऑफ आवृत्ति के लिए समीकरण f = 1 / (2 * pi * R * C) है। पिछले सर्किट घटकों के साथ, आर और सी के मूल्यों को आवृत्ति में प्लग करके और घटक मूल्यों में से एक को सेट करके पाया जा सकता है [7]। कम पास फिल्टर के लिए, संधारित्र 1 μF का सेट किया गया था और वांछित कट ऑफ आवृत्ति 150 हर्ट्ज है। कट ऑफ फ़्रीक्वेंसी समीकरण का उपयोग करते हुए, प्रतिरोधक घटक के मान की गणना 1 kΩ की जाती है। इस चरण के लिए पहली छवि एक पूर्ण निम्न पास फ़िल्टर योजनाबद्ध है।

नौच फ़िल्टर के लिए परिभाषित समान पैरामीटर का उपयोग दूसरी छवि में दिखाए गए निम्न पास फ़िल्टर के एसी स्वीप विश्लेषण के लिए किया जाता है। इस घटक के लिए, वांछित कटऑफ आवृत्ति 150 हर्ट्ज है और समीकरण 3 का उपयोग करते हुए, सिम्युलेटेड कट ऑफ आवृत्ति 159 हर्ट्ज है। इसमें 6% की त्रुटि प्रतिशत है। इस घटक के लिए प्रतिशत त्रुटि पसंदीदा से अधिक है लेकिन भौतिक सर्किट में अनुवाद की आसानी के लिए घटकों को चुना गया था। यह दूसरी छवि में आवृत्ति प्रतिक्रिया प्लॉट के आधार पर स्पष्ट रूप से एक कम पास फ़िल्टर है, क्योंकि कटऑफ आवृत्ति के नीचे केवल सिग्नल 5 वी पर पारित करने में सक्षम है, और जैसे आवृत्ति कट ऑफ आवृत्ति के करीब आती है, वोल्टेज कम हो जाता है।

चरण 4: चरण 4: हाई पास फ़िल्टर

ईसीजी सर्किट के लिए दूसरा निष्क्रिय घटक हाई पास फिल्टर है। एक उच्च पास फिल्टर एक फिल्टर है जो कटऑफ आवृत्ति से अधिक किसी भी आवृत्ति को पार करने की अनुमति देता है। इस घटक के लिए, कटऑफ आवृत्ति 0.05 हर्ट्ज होगी। एक बार फिर 0.05 हर्ट्ज ईसीजी संकेतों की सीमा का निचला छोर है [2]। भले ही मान इतना छोटा है, सिग्नल में किसी भी वोल्टेज ऑफसेट को फ़िल्टर करने के लिए अभी भी एक उच्च पास फ़िल्टर होना चाहिए। इसलिए, सर्किट डिज़ाइन के भीतर उच्च पास फ़िल्टर अभी भी आवश्यक है, भले ही कटऑफ आवृत्ति इतनी छोटी हो।

कटऑफ आवृत्ति के लिए समीकरण कम पास कट ऑफ फिल्टर, f = 1 / (2 * pi * R * C) के समान है। रोकनेवाला मान ५० kΩ पर सेट किया गया था और वांछित कट ऑफ आवृत्ति ०.०५ हर्ट्ज [८] है। उस जानकारी का उपयोग करते हुए, संधारित्र मान की गणना 63 µF की गई। इस चरण के लिए पहली छवि उपयुक्त मानों के साथ उच्च पास फ़िल्टर है।

एसी स्वीप एनालिसिस दूसरा फिल्टर है। कम पास फिल्टर की तरह, सिग्नल की आवृत्ति कट ऑफ आवृत्ति के करीब पहुंचती है, आउटपुट वोल्टेज कम हो जाता है। उच्च पास फिल्टर के लिए, वांछित कट ऑफ आवृत्ति 0.05 हर्ट्ज है और नकली कटऑफ आवृत्ति 0.0505 हर्ट्ज है। इस मान की गणना कम पास कट ऑफ आवृत्ति समीकरण का उपयोग करके की गई थी। इस घटक के लिए प्रतिशत त्रुटि 1% है। यह एक स्वीकार्य प्रतिशत त्रुटि है।

चरण 5: चरण 5: पूर्ण सर्किट

पूरे सर्किट का निर्माण चार घटकों, इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर, नॉच फिल्टर, लो पास फिल्टर और हाई पास फिल्टर को श्रृंखला में जोड़कर किया गया है। इस चरण के लिए पहली छवि में पूर्ण सर्किट आरेख दिखाया गया है।

दूसरे आंकड़े में दिखाया गया नकली प्रतिक्रिया कार्य करता है क्योंकि यह इस सर्किट के लिए उपयोग किए जाने वाले घटकों के प्रकार के आधार पर अपेक्षित था। डिज़ाइन किया गया सर्किट ईसीजी सिग्नल की निचली और ऊपरी दोनों सीमाओं पर शोर को फ़िल्टर करता है और साथ ही पावरलाइन से शोर को सफलतापूर्वक फ़िल्टर करता है। लो पास फिल्टर कट ऑफ फ्रीक्वेंसी के नीचे के सिग्नल को सफलतापूर्वक हटा देता है। जैसा कि फ़्रीक्वेंसी रिस्पॉन्स प्लॉट में दिखाया गया है, 0.01 हर्ट्ज पर, सिग्नल को 1 वी पर पारित किया जाता है, एक मान जो वांछित आउटपुट से 5 गुना कम है। जैसे-जैसे आवृत्ति बढ़ती है आउटपुट वोल्टेज भी बढ़ता है जब तक कि यह 0.1 हर्ट्ज पर अपने चरम पर नहीं पहुंच जाता। शिखर लगभग ५ वी है, जो इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के लिए १००० के लाभ के साथ संरेखित है। संकेत 5 वी से 10 हर्ट्ज से कम हो जाता है। जब तक आवृत्ति 60 हर्ट्ज होती है, तब तक सर्किट द्वारा कोई संकेत नहीं दिया जा रहा है। यह नॉच फिल्टर का उद्देश्य था और इसका मतलब बिजली लाइनों के हस्तक्षेप का प्रतिकार करना था। आवृत्ति 60 हर्ट्ज से अधिक हो जाने के बाद, वोल्टेज एक बार फिर आवृत्ति के साथ बढ़ने लगता है। अंत में, एक बार जब आवृत्ति 110 हर्ट्ज तक पहुंच जाती है तो संकेत लगभग 2 वी के माध्यमिक शिखर के रूप में पहुंच जाता है। वहां से, कम पास फिल्टर के कारण आउटपुट कम हो जाता है।

चरण 6: निष्कर्ष

इस असाइनमेंट का उद्देश्य एक स्वचालित ईसीजी का अनुकरण करना था जो हृदय चक्र को सटीक रूप से रिकॉर्ड करने में सक्षम हो। ऐसा करने के लिए, एक रोगी से लिए गए एनालॉग सिग्नल को बढ़ाने की जरूरत होती है और फिर केवल ईसीजी सिग्नल को शामिल करने के लिए फ़िल्टर किया जाता है। यह पहले एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर का उपयोग करके सिग्नल के परिमाण को लगभग 1000 गुना बढ़ाने के लिए पूरा किया गया था। फिर सिग्नल से बिजली लाइनों के शोर के साथ-साथ ईसीजी की निर्दिष्ट आवृत्ति रेंज के ऊपर और नीचे से शोर को हटाने की आवश्यकता होती है। इसका मतलब एक सक्रिय पायदान फिल्टर के साथ-साथ निष्क्रिय उच्च और निम्न पास फिल्टर को शामिल करना था। भले ही इस असाइनमेंट के लिए अंतिम उत्पाद एक नकली सर्किट था, फिर भी कुछ स्वीकार्य त्रुटि थी, सामान्य रूप से उपलब्ध प्रतिरोधी और कैपेसिटिव घटकों के मानक मूल्यों को ध्यान में रखते हुए। उम्मीद के मुताबिक प्रदर्शन किए गए सभी सिस्टम में और आसानी से भौतिक सर्किट में परिवर्तित होने में सक्षम होंगे।

चरण 7: संसाधन

[१] एक्स.-एल. यांग, जी.-जेड. लियू, वाई.-एच. टोंग, एच। यान, जेड। जू, क्यू। चेन, एक्स। लियू, एच।-एच। झांग, एच.-बी. वांग, और एस.-एच. टैन, "इतिहास, हॉटस्पॉट, और इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम के रुझान," जराचिकित्सा कार्डियोलॉजी के जर्नल: जेजीसी, जुलाई-2015। [ऑनलाइन]। उपलब्ध: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [प्रवेश: 01-दिसंबर-2020]।

[२] एल जी टेरेशचेंको और एम। ई। जोसेफसन, "फ्रीक्वेंसी कंटेंट और वेंट्रिकुलर कंडक्शन की विशेषताएं," जर्नल ऑफ इलेक्ट्रोकार्डियोलॉजी, २०१५। [ऑनलाइन]। उपलब्ध: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [प्रवेश: 01-दिसंबर-2020]।

[३] "डिफरेंशियल एम्पलीफायर - वोल्टेज सबट्रैक्टर," बेसिक इलेक्ट्रॉनिक्स ट्यूटोरियल, १७-मार्च-२०२०। [ऑनलाइन]। उपलब्ध: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [प्रवेश: 01-दिसंबर-2020]।

[४] सी.-एच. चेन, एस.-जी. पैन, और पी. किंगेट, "ईसीजी मापन प्रणाली," कोलंबिया विश्वविद्यालय।

[५] एस अकवेई-सेकेरे, "ब्लाइंड सोर्स सेपरेशन एंड वेवलेट एनालिसिस के जरिए बायोमेडिकल सिग्नल्स में पॉवरलाइन नॉइज़ एलिमिनेशन," पीरजे, ०२-जुलाई-२०१५। [ऑनलाइन]। उपलब्ध: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [प्रवेश: 01-दिसंबर-2020]।

[६] "बैंड स्टॉप फिल्टर को रिजेक्ट फिल्टर कहा जाता है," बेसिक इलेक्ट्रॉनिक्स ट्यूटोरियल, २९-जून-२०२०। [ऑनलाइन]। उपलब्ध: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [एक्सेस: 01-दिसंबर-२०२०]।

[७] "लो पास फिल्टर - पैसिव आरसी फिल्टर ट्यूटोरियल," बेसिक इलेक्ट्रॉनिक्स ट्यूटोरियल, 01-मई-2020। [ऑनलाइन]। उपलब्ध: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [एक्सेस: 01-दिसंबर-२०२०]।

[८] "हाई पास फ़िल्टर - पैसिव आरसी फ़िल्टर ट्यूटोरियल," बेसिक इलेक्ट्रॉनिक्स ट्यूटोरियल, 05-मार्च-2019। [ऑनलाइन]। उपलब्ध: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html। [प्रवेश किया: 01-दिसंबर-२०२०]।