एलटीस्पाइस का उपयोग करके नकली ईसीजी सिग्नल अधिग्रहण: 7 कदम

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

हृदय की पंप करने की क्षमता विद्युत संकेतों का एक कार्य है। हृदय की विभिन्न समस्याओं का निदान करने के लिए चिकित्सक इन संकेतों को ईसीजी पर पढ़ सकते हैं। एक चिकित्सक द्वारा संकेत ठीक से तैयार होने से पहले, हालांकि, इसे ठीक से फ़िल्टर और प्रवर्धित किया जाना चाहिए। इस गाइड में, मैं आपको बताऊंगा कि ईसीजी संकेतों को अलग करने के लिए एक सर्किट को कैसे डिजाइन किया जाए, इस सर्किट को तोड़कर तीन सरल घटकों में विभाजित किया गया था: एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर, एक बैंड-पास फिल्टर, और एक नॉच फिल्टर, वांछित कट-ऑफ के साथ प्रकाशित साहित्य और वर्तमान मॉडल द्वारा निर्धारित आवृत्तियों और लाभ।

आपूर्ति:

यह LTSpice सिमुलेशन के लिए गाइड है, इसलिए सर्किट को मॉडल करने के लिए आपको केवल एक ही सामग्री की आवश्यकता होगी, वह है LTSpice एप्लिकेशन। यदि आप ईसीजी wav फ़ाइल के साथ अपने सर्किट का परीक्षण करना चाहते हैं, तो मुझे मेरा यहाँ मिला।

चरण 1: बैंड-पास फ़िल्टर डिज़ाइन करना

विशिष्ट ईसीजी संकेतों में 0.5-250 हर्ट्ज की आवृत्ति रेंज होती है। यदि आप इसके पीछे के सिद्धांत के बारे में उत्सुक हैं, तो इस पर यहाँ या यहाँ और अधिक पढ़ने के लिए महसूस करें। इस गाइड के प्रयोजनों के लिए, इसका मतलब यह है कि हम उन सभी चीजों को फ़िल्टर करना चाहते हैं जो उन क्षेत्रों में नहीं हैं। हम इसे बैंड-पास फिल्टर के साथ कर सकते हैं। 1/(2*pi*R1*C1) और 1/(2*pi*R2*C2) की श्रेणियों के बीच पोस्ट किए गए योजनाबद्ध, बैंड-पास फ़िल्टर फ़िल्टर में पोस्ट किए गए चर के आधार पर। वे सिग्नल को (R2/R1) से भी बढ़ाते हैं।

मूल्यों को चुना गया था ताकि आवृत्ति कट ऑफ मान वांछित ईसीजी सिग्नल सीमा से मेल खा सकें और लाभ 100 के बराबर होगा। इन मूल्यों के साथ एक योजनाबद्ध संलग्न आंकड़ों में देखा जा सकता है।

चरण 2: नॉच फ़िल्टर डिज़ाइन करना

अब जब हमने ईसीजी की सिग्नल फ़्रीक्वेंसी रेंज में नहीं सब कुछ फ़िल्टर कर दिया है, तो इसकी सीमा के भीतर शोर विकृतियों को फ़िल्टर करने का समय है। पावर-लाइन शोर सबसे आम ईसीजी विकृतियों में से एक है और इसकी आवृत्ति ~ 50 हर्ट्ज है। चूंकि यह बैंड-पास रेंज के भीतर है, इसलिए इसे नॉच फिल्टर के साथ बाहर निकाला जा सकता है। एक नॉच फिल्टर संलग्न योजनाबद्ध के आधार पर 1/(4*pi*R*C) के मान के साथ एक केंद्र आवृत्ति को हटाकर काम करता है।

50 हर्ट्ज शोर को फ़िल्टर करने के लिए एक प्रतिरोधी और संधारित्र मान चुना गया था, और उनके मूल्यों को एक संलग्न योजनाबद्ध में प्लग किया गया था। ध्यान दें कि यह RC घटकों का एकमात्र संयोजन नहीं है जो काम करेगा; यह वही था जो मैंने चुना था। गणना करने और अलग-अलग चुनने के लिए स्वतंत्र महसूस करें!

चरण 3: इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर डिजाइन करना

कच्चे ईसीजी सिग्नल को भी बढ़ाना होगा। यद्यपि जब हम सर्किट का निर्माण करते हैं, तो हम पहले एम्पलीफायर रखेंगे, फ़िल्टर के बाद अवधारणा के बारे में सोचना आसान है। ऐसा इसलिए है क्योंकि सर्किट का समग्र लाभ आंशिक रूप से बैंड-पास प्रवर्धन द्वारा निर्धारित किया जाता है (पुनश्चर्या के लिए चरण 1 देखें)।

अधिकांश ईसीजी में कम से कम 100 डीबी का लाभ होता है। एक सर्किट का dB गेन 20*log|Vout / Vin| के बराबर होता है। नोडल विश्लेषण द्वारा प्रतिरोधक घटकों के संदर्भ में एक वाउट/विन को हल किया जा सकता है। हमारे सर्किट के लिए, यह एक नई लाभ अभिव्यक्ति की ओर जाता है:

dB गेन = 20*लॉग|(R2/R1)*(1+2*R/RG)|

R1 और R2 बैंड-पास फिल्टर (चरण 1) से हैं, और R और RG इस एम्पलीफायर के घटक हैं (संलग्न योजनाबद्ध देखें)। १०० पैदावार के dB लाभ के लिए हल करना R/RG = ५००। R = ५०k ओम और RG = १०० ओम के मान चुने गए।

चरण 4: घटकों का परीक्षण

एलटीस्पाइस के एसी स्वीप ऑक्टेव विश्लेषण उपकरण के साथ सभी घटकों का अलग से परीक्षण किया गया। १०० अंक प्रति सप्तक के पैरामीटर, ०.०१ हर्ट्ज प्रारंभिक आवृत्ति, और १००k हर्ट्ज समाप्ति आवृत्ति का चयन किया गया था। मैंने 1V के इनपुट वोल्टेज आयाम का उपयोग किया, लेकिन आप एक अलग आयाम कर सकते हैं। एसी स्वीप से महत्वपूर्ण टेक अवे आवृत्तियों में परिवर्तन के अनुरूप आउटपुट का आकार है।

इन परीक्षणों को चरण 1-3 में संलग्न लोगों के समान रेखांकन प्राप्त करना चाहिए। यदि वे नहीं करते हैं, तो अपने प्रतिरोधक या संधारित्र मानों को पुनर्गणना करने का प्रयास करें। यह भी संभव है कि आपका सर्किट रेल हो क्योंकि आप op amps को बिजली देने के लिए पर्याप्त वोल्टेज प्रदान नहीं कर रहे हैं। यदि आपका R और C गणित सही है, तो आप अपने op amp(s) को दे रहे वोल्टेज की मात्रा को बढ़ाने का प्रयास करें।

चरण 5: यह सब एक साथ रखना

अब, आप सभी घटकों को एक साथ रखने के लिए तैयार हैं। आमतौर पर, निस्पंदन से पहले प्रवर्धन किया जाता है, इसलिए इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर को पहले रखा गया था। बैंड-पास फिल्टर सिग्नल को और बढ़ाता है, इसलिए इसे नॉच फिल्टर से पहले दूसरे स्थान पर रखा गया, जो विशुद्ध रूप से फिल्टर करता है। कुल सर्किट को एसी स्वीप सिमुलेशन के माध्यम से भी चलाया गया था, जिसने ५० हर्ट्ज नॉच रेंज को छोड़कर, ०.५-२५० हर्ट्ज के बीच प्रवर्धन के साथ अपेक्षित परिणाम दिए।

चरण 6: ईसीजी संकेतों का इनपुट और परीक्षण

आप एसी स्वीप के बजाय ईसीजी सिग्नल के साथ सर्किट की आपूर्ति करने के लिए अपने वोल्टेज स्रोत को बदल सकते हैं। ऐसा करने के लिए, आपको अपना वांछित ईसीजी सिग्नल डाउनलोड करना होगा। मुझे यहां शोर बढ़ाने वाली.wav फ़ाइल और यहां एक clean.txt ईसीजी सिग्नल मिला। लेकिन आप बेहतर खोजने में सक्षम हो सकते हैं।.wav फ़ाइल के लिए कच्चा इनपुट और आउटपुट संलग्न देखा जा सकता है। यह कहना मुश्किल है कि बिना शोर वाला ईसीजी सिग्नल बेहतर दिखने वाला आउटपुट देगा या नहीं। सिग्नल के आधार पर, आपको अपनी फ़िल्टर सीमाओं को थोड़ा समायोजित करने की आवश्यकता हो सकती है। क्लीन-पास सिग्नल आउटपुट भी देखा जा सकता है।

इनपुट बदलने के लिए, अपने वोल्टेज स्रोत का चयन करें, PWL फ़ाइल के लिए सेटिंग चुनें, और अपनी इच्छित फ़ाइल का चयन करें। मैंने जिस फ़ाइल का उपयोग किया वह एक.wav फ़ाइल थी, इसलिए मुझे LTSpice निर्देश पाठ को "PWL फ़ाइल =" से "wavefile =" में बदलने की भी आवश्यकता थी।.txt फ़ाइल इनपुट के लिए, आपको PWL टेक्स्ट को यथावत रखना चाहिए।

आउटपुट की तुलना एक आदर्श ईसीजी सिग्नल से करने से पता चलता है कि कंपोनेंट-ट्वीकिंग के साथ अभी भी सुधार की गुंजाइश है। हालांकि, स्रोत फ़ाइल के आकार और शोर-वर्धित प्रकृति को देखते हुए, यह तथ्य कि हम पी-वेव, क्यूआरएस, और टी-वेव निकालने में सक्षम थे, एक बेहतरीन पहला कदम है। साफ ईसीजी टेक्स्ट फाइल फिल्टर से पूरी तरह से गुजरने में सक्षम होनी चाहिए।

ध्यान दें कि आप इन ईसीजी इनपुट सिग्नल परिणामों की व्याख्या कैसे करते हैं। यदि आप केवल स्वच्छ.txt फ़ाइल का उपयोग करते हैं, तो इसका मतलब यह नहीं है कि आपका सिस्टम सिग्नल को ठीक से फ़िल्टर करने के लिए काम करता है - इसका मतलब केवल यह है कि महत्वपूर्ण ईसीजी घटकों को फ़िल्टर नहीं किया जाता है। दूसरी ओर,.wav फ़ाइल के बारे में अधिक जानने के बिना, यह पता लगाना कठिन है कि तरंग व्युत्क्रम और विषम आकार स्रोत फ़ाइल के कारण हैं या अवांछित संकेतों को फ़िल्टर करने में कोई समस्या है या नहीं।