एक बुनियादी इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम का अधिग्रहण, प्रवर्धन, और फ़िल्टरिंग सर्किट डिजाइन: 6 चरण

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

इस निर्देश को पूरा करने के लिए, केवल एक कंप्यूटर, इंटरनेट एक्सेस और कुछ सिमुलेशन सॉफ़्टवेयर की आवश्यकता है। इस डिजाइन के प्रयोजनों के लिए, सभी सर्किट और सिमुलेशन एलटीस्पाइस XVII पर चलाए जाएंगे। इस सिमुलेशन सॉफ्टवेयर में 1, 000 से अधिक घटकों के पुस्तकालय हैं जो सर्किट बनाना बहुत आसान बनाता है। क्योंकि इन सर्किटों को सामान्यीकृत किया जाएगा, "UniversalOpAmp2" का उपयोग हर उदाहरण के लिए किया जाएगा जहां एक op-amp की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, प्रत्येक op-amp को +15V और -15V बिजली की आपूर्ति द्वारा संचालित किया गया था। ये बिजली आपूर्ति न केवल op-amp को शक्ति प्रदान करती है, बल्कि आउटपुट वोल्टेज को भी क्लिप करती है यदि यह उन दो एक्स्ट्रेमा तक पहुंचती है।

चरण 1: इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर डिजाइन

सिग्नल प्राप्त करने के बाद, गणना करने और उस पर फ़िल्टर करने के लिए इसे प्रवर्धित करने की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम के लिए, प्रवर्धन का सबसे सामान्य तरीका इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, जब प्रवर्धन सर्किट की बात आती है तो इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के कई फायदे हैं, सबसे बड़ा इनपुट वोल्टेज के बीच उच्च प्रतिबाधा है। इस सर्किट के निर्माण के लिए, सात प्रतिरोधों के संयोजन में 3 op-amps का उपयोग किया गया था, जिसमें से छह प्रतिरोधक परिमाण के बराबर थे। अधिकांश इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम का लाभ लगभग 1000x इनपुट सिग्नल [1] है। एक उपकरण एम्पलीफायर के लाभ के लिए समीकरण इस प्रकार है: लाभ = 1 + (2*R1/R2) * (R7/R6)। सादगी के लिए, R2 को छोड़कर, प्रत्येक अवरोधक को 1000 ओम माना जाता था, जिसे 2 ओम निर्धारित किया गया था। ये मान इनपुट वोल्टेज से 1001 गुना बड़ा लाभ देते हैं। यह लाभ आगे के विश्लेषण के लिए प्राप्त संकेतों को बढ़ाने के लिए पर्याप्त है। हालांकि, समीकरण का उपयोग करते हुए, लाभ वह हो सकता है जो कोई अपने सर्किट डिजाइन के लिए चाहता है।

चरण 2: बैंड पास फ़िल्टर डिज़ाइन

एक बैंडपास फिल्टर एक उच्च पास फिल्टर है और एक कम पास फिल्टर समन्वय में काम कर रहा है जो आमतौर पर एक ऑप-एम्प के साथ प्रदान करता है जिसे पासबैंड के रूप में जाना जाता है। एक पासबैंड आवृत्तियों की एक श्रृंखला है जो पास हो सकती है जबकि अन्य सभी, ऊपर और नीचे, खारिज हो जाते हैं। उद्योग मानक बताते हैं कि एक मानक इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम में 0.5 हर्ट्ज से 150 हर्ट्ज [2] तक का पासबैंड होना चाहिए। यह बड़ा पासबैंड सुनिश्चित करता है कि हृदय से सभी विद्युत संकेत रिकॉर्ड किए गए हैं और इनमें से कोई भी फ़िल्टर नहीं किया गया है। इसी तरह, यह पासबैंड किसी भी डीसी ऑफसेट को अस्वीकार कर देता है जो सिग्नल में हस्तक्षेप कर सकता है। इसे डिजाइन करने के लिए, विशिष्ट प्रतिरोधों और कैपेसिटर को चुना जाना चाहिए ताकि उच्च पास कटऑफ आवृत्ति 0.5 हर्ट्ज पर हो और कम पास कटऑफ आवृत्ति 150 हर्ट्ज पर हो। हाई पास और लो पास फिल्टर दोनों के लिए कटऑफ फ़्रीक्वेंसी समीकरण इस प्रकार है: Fc = 1/(2*pi*RC)। मेरी गणना के लिए, एक मनमाना रोकनेवाला चुना गया था, फिर समीकरण 4 का उपयोग करके, एक संधारित्र मान की गणना की गई थी। इसलिए, उच्च पास फिल्टर का प्रतिरोध मान १००,००० ओम और संधारित्र मान ३.१८३१ माइक्रोफ़ारड होगा। इसी तरह, लो पास फिल्टर का प्रतिरोध मान 100, 000 ओम और संधारित्र मान 10.61 नैनो-फ़ारड होगा। समायोजित मानों के साथ बैंडपास फ़िल्टर का आरेख दिखाया गया है।

चरण 3: पायदान फ़िल्टर डिज़ाइन

एक पायदान फिल्टर अनिवार्य रूप से एक बैंडपास फिल्टर के विपरीत है। एक उच्च पास के बाद एक कम पास होने के बजाय, यह एक कम पास है जिसके बाद एक उच्च पास है, इसलिए कोई भी शोर के एक छोटे से बैंड को अनिवार्य रूप से समाप्त कर सकता है। इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम के नॉच फिल्टर के लिए ट्विन-टी नॉच फिल्टर डिजाइन का इस्तेमाल किया गया था। यह डिज़ाइन केंद्र आवृत्ति को फ़िल्टर करने की अनुमति देता है और एक बड़ा गुणवत्ता कारक प्रदान करता है। इस मामले में, छुटकारा पाने के लिए केंद्र आवृत्ति 60 हर्ट्ज पर थी। समीकरण 4 का उपयोग करते हुए, 0.1 माइक्रोफ़ारड के दिए गए संधारित्र मान का उपयोग करके प्रतिरोधक मानों की गणना की गई। ६० हर्ट्ज स्टॉप बैंड के लिए परिकलित प्रतिरोधक मान २६, ५२५ ओम थे। तब R5 की गणना R3 और R4 के ½ के रूप में की गई थी। C3 की गणना C1 और C2 [3] के लिए चुने गए मान के दोगुने के रूप में भी की गई थी। R1 और R2 के लिए मनमाना प्रतिरोधों को चुना गया था।

चरण 4: संयोजन सर्किट

जालों का उपयोग करके, इन घटकों को एक साथ श्रृंखला में रखा गया था और पूर्ण सर्किट की छवि चित्रित की गई है। स्प्रिंगर साइंस द्वारा प्रकाशित एक पेपर के अनुसार, ईसीजी सर्किट का स्वीकार्य लाभ लगभग 70 डीबी होना चाहिए जब पूरा सर्किट स्थापित हो [4]।

चरण 5: संपूर्ण सर्किट का परीक्षण

जब सभी घटकों को एक श्रृंखला में रखा गया था, तो डिजाइन के सत्यापन की आवश्यकता थी। इस सर्किट का परीक्षण, एक क्षणिक और एसी स्वीप दोनों को यह निर्धारित करने के लिए आयोजित किया गया था कि क्या सभी घटक एक साथ काम कर रहे थे। यदि ऐसा होता, तो क्षणिक आउटपुट वोल्टेज अभी भी लगभग 1000x इनपुट वोल्टेज होता। इसी तरह, जब एसी स्वीप आयोजित किया गया था, तो बैंड-पास फिल्टर बोड प्लॉट की उम्मीद 60 हर्ट्ज पर एक पायदान के साथ की जाएगी। चित्रित छवियों को देखते हुए, यह सर्किट उन दोनों लक्ष्यों को सफलतापूर्वक पूरा करने में सक्षम था। एक अन्य परीक्षण नौच फिल्टर की दक्षता को देखना था। इसका परीक्षण करने के लिए, सर्किट के माध्यम से 60 हर्ट्ज सिग्नल पारित किया गया था। जैसा कि चित्रित किया गया है, इस आउटपुट का परिमाण इनपुट से केवल 5x अधिक था, जबकि आवृत्ति पासबैंड के भीतर होने पर 1000x की तुलना में थी।

चरण 6: संसाधन:

[1] "ईसीजी मापन प्रणाली," कोलम्बिया.edu, 2020। 2020)।

[२] एल. जी. टेरेशचेंको और एम.ई. जोसेफसन, "फ्रीक्वेंसी कंटेंट एंड कैरेक्टरिस्टिक्स ऑफ वेंट्रिकुलर कंडक्शन," जर्नल ऑफ इलेक्ट्रोकार्डियोलॉजी, वॉल्यूम। 48, नहीं। 6, पीपी. 933–937, 2015, डीओआई: 10.1016/जे.जेइलेक्ट्रोकार्ड.2015.08.034.

[३] "बैंड स्टॉप फिल्टर को रिजेक्ट फिल्टर कहा जाता है," बेसिक इलेक्ट्रॉनिक्स ट्यूटोरियल, 22 मई, 2018।

[४] एन. गुलेर और यू. फिदान, "ईसीजी सिग्नल का वायरलेस ट्रांसमिशन," स्प्रिंगर साइंस, वॉल्यूम। ३०, अप्रैल २००५, डीओआई: १०.१००७/एस१०९१६-००५-७९८०-५।