स्वचालित ईसीजी सर्किट सिम्युलेटर: 4 कदम

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

एक इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम (ईसीजी) एक शक्तिशाली तकनीक है जिसका उपयोग रोगी के हृदय की विद्युत गतिविधि को मापने के लिए किया जाता है। रिकॉर्डिंग इलेक्ट्रोड के स्थान के आधार पर इन विद्युत क्षमता का अद्वितीय आकार भिन्न होता है और इसका उपयोग कई स्थितियों का पता लगाने के लिए किया जाता है। विभिन्न प्रकार की हृदय स्थितियों का शीघ्र पता लगाने के साथ, डॉक्टर अपने रोगियों को उनकी स्थिति को संबोधित करने के लिए कई तरह की सिफारिशें प्रदान कर सकते हैं। यह मशीन तीन मुख्य घटकों से बनी है: एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के बाद एक नॉच फिल्टर और एक बैंड पास फिल्टर। इन भागों का लक्ष्य आने वाले संकेतों को बढ़ाना, अवांछित संकेतों को हटाना और सभी प्रासंगिक जैविक संकेतों को पारित करना है। परिणामी प्रणाली के विश्लेषण ने साबित कर दिया कि इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम, जैसा कि अपेक्षित था, एक उपयोगी ईसीजी सिग्नल का उत्पादन करने के लिए वांछित कार्य करता है, हृदय की स्थिति का पता लगाने के लिए इसकी उपयोगिता का प्रदर्शन करता है।

आपूर्ति:

• एलटीस्पाइस सॉफ्टवेयर
• ईसीजी सिग्नल फ़ाइलें

चरण 1: इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर

इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर, कभी-कभी संक्षिप्त आईएनए, का उपयोग रोगी से देखे जा रहे निम्न-स्तर, जैविक संकेतों को बढ़ाने के लिए किया जाता है। एक विशिष्ट INA में तीन परिचालन एम्पलीफायर (Op Amps) होते हैं। दो Op Amps नॉन-इनवर्टिंग कॉन्फ़िगरेशन में और अंतिम Op Amp डिफरेंशियल कॉन्फ़िगरेशन में होना चाहिए। Op Amps के साथ-साथ सात प्रतिरोधों का उपयोग किया जाता है ताकि हमें प्रतिरोधक मान आकार बदलकर लाभ को अलग-अलग किया जा सके। प्रतिरोधों में से, तीन जोड़े और एक व्यक्तिगत आकार होता है।

इस परियोजना के लिए, मैं संकेतों को बढ़ाने के लिए 1000 के लाभ का उपयोग करूंगा। फिर मैं मनमाना R2, R3, और R4 मान चुनूंगा (यह सबसे आसान है यदि R3 और R4 आकार में बराबर हैं क्योंकि वे 1 को रद्द कर देंगे, आसान गणना के लिए मार्ग प्रशस्त करेंगे)। यहां से, मैं सभी आवश्यक घटक आकारों के लिए R1 के लिए हल कर सकता हूं।

लाभ = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

उपरोक्त लाभ समीकरण और R2 = 50kΩ और R3 = R4 = 10kΩ के मानों का उपयोग करके, हम R1 = 100Ω प्राप्त करते हैं।

यह जांचने के लिए कि वास्तव में लाभ 1000 है, हम सर्किट को.ac स्वीप फ़ंक्शन के साथ चला सकते हैं और देख सकते हैं कि पठार कहाँ होता है। इस मामले में, यह 60 डीबी है। नीचे दिए गए समीकरण का उपयोग करके, हम dB को आयामहीन Vout/Vin में बदल सकते हैं, जो उम्मीद के मुताबिक 1000 हो जाता है।

लाभ, डीबी = 20 * लॉग (वाउट / विन)

चरण 2: पायदान फ़िल्टर

डिजाइन किया जाने वाला अगला घटक नॉच फिल्टर है। इस फ़िल्टर के लिए घटकों का मूल्य काफी हद तक इस बात पर निर्भर करता है कि आप किस आवृत्ति को नोट करना चाहते हैं। इस डिजाइन के लिए, हम मेडिकल इंस्ट्रूमेंटेशन द्वारा जारी 60 हर्ट्ज फ़्रीक्वेंसी (fc) को काटना चाहते हैं।

इस डिज़ाइन में उपयोग किया जाने वाला एक ट्विन-टी नॉच फ़िल्टर केवल वांछित को काट दिया जाएगा और यह कि हम गलती से 60 हर्ट्ज के निशान के पास वांछित जैविक आवृत्तियों को क्षीण नहीं करेंगे। घटक मान मनमाना प्रतिरोधी मानों का चयन करके पाए गए, जिनमें से मैंने कम पास फ़िल्टर (शीर्ष टी) के लिए 2kΩ और उच्च पास फ़िल्टर (नीचे टी) के लिए 1kΩ का उपयोग करना चुना। नीचे दिए गए समीकरण का उपयोग करके, मैंने आवश्यक संधारित्र मानों के लिए हल किया।

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

LTSpice द्वारा प्रदान किए जाने वाले.ac स्वीप फ़ंक्शन का उपयोग करते हुए Bode प्लॉट एक बार फिर पाया गया।

चरण 3: बैंड पास फ़िल्टर

जैविक आवृत्तियों को पारित करने के लिए स्वचालित ईसीजी प्रणाली के अंतिम घटक की आवश्यकता होती है क्योंकि हम इसमें रुचि रखते हैं। विशिष्ट ईसीजी संकेत 0.5 हर्ट्ज और 150 हर्ट्ज (एफसी) के बीच होता है, इसलिए दो फिल्टर का उपयोग किया जा सकता है; या तो एक बैंड पास फिल्टर या एक कम पास फिल्टर। इस डिजाइन में, एक बैंड पास फिल्टर का उपयोग किया गया था क्योंकि यह कम पास की तुलना में थोड़ा अधिक सटीक है, हालांकि यह अभी भी काम करेगा क्योंकि जैविक आवृत्तियों में आमतौर पर वैसे भी उच्च आवृत्तियां नहीं होती हैं।

एक बैंड पास फिल्टर में दो भाग होते हैं: एक उच्च पास फिल्टर और एक कम पास फिल्टर। हाई पास फिल्टर Op Amp से पहले आता है और लो पास बाद में। याद रखें कि विभिन्न प्रकार के बैंड पास फ़िल्टर डिज़ाइन हैं जिनका उपयोग किया जा सकता है।

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

एक बार फिर, अन्य भागों के आवश्यक मूल्यों को खोजने के लिए मनमाने मूल्यों को चुना जाता है। अंतिम फ़िल्टर में, मैंने मनमाना प्रतिरोधक मान चुना और संधारित्र मानों के लिए हल किया। यह प्रदर्शित करने के लिए कि इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि आप किसके साथ शुरू करते हैं, अब मैं प्रतिरोधी मानों को हल करने के लिए मनमानी संधारित्र मान चुनूंगा। इस मामले में, मैंने 1uF का संधारित्र मान चुना। उपरोक्त समीकरण का उपयोग करते हुए, मैं संबंधित अवरोधक को हल करने के लिए एक समय में एक कटऑफ आवृत्ति का उपयोग करता हूं। सादगी के लिए, मैं बैंड पास फिल्टर के लिए उच्च पास और निम्न पास भागों दोनों के लिए समान संधारित्र मान का उपयोग करूंगा। 0.5 हर्ट्ज का उपयोग हाई पास रेसिस्टर को हल करने के लिए किया जाएगा और 150 हर्ट्ज कटऑफ फ्रीक्वेंसी का उपयोग लो पास रेसिस्टर को खोजने के लिए किया जाएगा।

एक बोड प्लॉट को एक बार फिर से यह देखने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि सर्किट डिजाइन उचित रूप से काम करता है या नहीं।

चरण 4: पूर्ण प्रणाली

प्रत्येक घटक को अपने आप काम करने के लिए सत्यापित करने के बाद, भागों को एक प्रणाली में जोड़ा जा सकता है। वोल्टेज स्रोत जनरेटर में आयातित ईसीजी डेटा और पीडब्लूएल फ़ंक्शन का उपयोग करके, आप यह सुनिश्चित करने के लिए सिमुलेशन चला सकते हैं कि सिस्टम ठीक से बढ़ता है और वांछित जैविक आवृत्तियों को पारित करता है।

टॉप प्लॉट स्क्रीन शॉट इस बात का उदाहरण है कि.tran फ़ंक्शन का उपयोग करके आउटपुट डेटा कैसा दिखता है और निचला प्लॉट स्क्रीनशॉट.ac फ़ंक्शन का उपयोग करके संबंधित बोड प्लॉट है।

विभिन्न इनपुट ईसीजी डेटा डाउनलोड किया जा सकता है (इस पृष्ठ पर दो अलग ईसीजी इनपुट फाइलें जोड़ी गई हैं) और विभिन्न मॉडल वाले रोगियों पर सिस्टम का परीक्षण करने के लिए फ़ंक्शन में लाया गया।