ईसीजी सर्किट (PSpice, LabVIEW, ब्रेडबोर्ड): 3 चरण

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:23

नोट: यह एक चिकित्सा उपकरण नहीं है। यह केवल नकली संकेतों का उपयोग करके शैक्षिक उद्देश्यों के लिए है। यदि वास्तविक ईसीजी माप के लिए इस सर्किट का उपयोग कर रहे हैं, तो कृपया सुनिश्चित करें कि सर्किट और सर्किट-टू-इंस्ट्रूमेंट कनेक्शन उचित अलगाव तकनीकों का उपयोग कर रहे हैं।

यह निर्देशयोग्य एक सर्किट का अनुकरण, निर्माण और परीक्षण करने का एक निर्देशित तरीका है जो ईसीजी संकेतों को लेता है, फ़िल्टर करता है और बढ़ाता है। इस निर्देश की संपूर्णता को लागू करने के लिए आपको सर्किट और कुछ उपकरणों के बुनियादी ज्ञान की आवश्यकता होगी।

इलेक्ट्रोकार्डियोग्राफी (ईसीजी या ईकेजी) एक दर्द रहित, गैर-आक्रामक परीक्षण है जो हृदय की विद्युत गतिविधि को रिकॉर्ड करता है और रोगी के हृदय की स्थिति पर अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जाता है। ईसीजी रीडिंग को सफलतापूर्वक अनुकरण करने के लिए, इनपुट कार्डियक सिग्नलों को प्रवर्धित (इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर) और फ़िल्टर्ड (नॉच और लो पास फिल्टर) करने की आवश्यकता होती है। ये घटक भौतिक रूप से और एक सर्किट सिम्युलेटर पर बनाए गए थे। यह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रत्येक घटक सिग्नल को सही ढंग से प्रवर्धित या फ़िल्टर कर रहा है, PSpice का उपयोग करके और प्रयोगात्मक रूप से एक एसी स्वीप किया जा सकता है। प्रत्येक घटक का व्यक्तिगत रूप से सफलतापूर्वक परीक्षण करने के बाद, एक पूर्ण सर्किट के माध्यम से एक कार्डियक सिग्नल को इनपुट किया जा सकता है जिसमें इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर, नॉच फिल्टर और लो पास फिल्टर शामिल हैं। इसके बाद, ईसीजी और लैबव्यू के माध्यम से एक मानव ईसीजी सिग्नल इनपुट किया जा सकता है। इनपुट सिग्नल के बीट्स प्रति मिनट (बीपीएम) की गणना करने के लिए सिम्युलेटेड वेवफॉर्म और ह्यूमन कार्डियक सिग्नल दोनों को लैबव्यू के माध्यम से चलाया जा सकता है। कुल मिलाकर, एक इनपुट कार्डिएक सिग्नल और मानव सिग्नल को सफलतापूर्वक बढ़ाया और फ़िल्टर किया जाना चाहिए, एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर, नॉच फिल्टर और लो पास फिल्टर सर्किट को डिजाइन, संशोधित और परीक्षण करने के लिए सर्किट कौशल का उपयोग करके ईसीजी का अनुकरण करना।

चरण 1: कंप्यूटर पर सर्किट का अनुकरण करें

हमारे द्वारा बनाए जा रहे सर्किट का अनुकरण करने के लिए आपके पास जो भी सॉफ़्टवेयर उपलब्ध है, आप उसका उपयोग कर सकते हैं। मैंने PSpice का उपयोग किया है, इसलिए मैं इसके लिए विवरण समझा रहा हूँ, लेकिन घटक मान (प्रतिरोधक, कैपेसिटर, आदि) और मुख्य टेक अवे सभी समान हैं इसलिए कुछ और उपयोग करने के लिए स्वतंत्र महसूस करें (जैसे कि circuitlab.com).

घटक मूल्यों की गणना करें:

1. सबसे पहले इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के लिए मान निर्धारित करना है (चित्र देखें)। चित्र में मान १००० के वांछित लाभ के द्वारा निर्धारित किए गए थे। जिसका अर्थ है कि जो भी इनपुट वोल्टेज आप सर्किट के इस हिस्से की आपूर्ति करते हैं वह लाभ मूल्य से इसे 'प्रवर्धित' करेगा। उदाहरण के लिए यदि आप 1V प्रदान करते हैं जैसा कि मैंने किया था तो आउटपुट 1000V होना चाहिए। इस इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के दो भाग हैं, इसलिए लाभ को K1 और K2 के रूप में नोट किया गया है। शामिल चित्र देखें, हम चाहते हैं कि लाभ करीब हो (इसीलिए चित्र में समीकरण २), चित्र में समीकरण २ और ३ नोडल विश्लेषण के साथ पाए जाते हैं, और फिर रोकनेवाला मूल्यों की गणना की जा सकती है (चित्र देखें)।
2. पायदान फ़िल्टर के लिए प्रतिरोधी मान गुणवत्ता कारक, क्यू, को 8 पर सेट करके निर्धारित किए गए थे और इस तथ्य के कारण कि हमें पता था कि हमारे पास बहुत से 0.022uF कैपेसिटर उपलब्ध हैं, फिर हम इन दो स्थितियों का उपयोग करके गणना में आगे बढ़े। मूल्यों की गणना के लिए समीकरण 5 - 10 के साथ चित्र देखें। या R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750.643Ω का उपयोग करें, जो हमने किया!
3. कम पास फिल्टर एक निश्चित आवृत्ति से ऊपर के शोर को दूर करने के लिए है जो हमने ऑनलाइन पाया कि ईसीजी के लिए 250 हर्ट्ज की कटऑफ आवृत्ति का उपयोग करना अच्छा है। इस आवृत्ति और समीकरणों से ११-१५ (चित्र की जाँच करें) अपने कम पास फिल्टर के लिए प्रतिरोधी मूल्यों की गणना करें। K = 1 का लाभ प्राप्त करने के लिए R3 को एक ओपन सर्किट और R4 को शॉर्ट सर्किट के रूप में मानें। हमने R1 = 15, 300 ओम, R2 = 25, 600 ओम, C1 = 0.022 uF, C2 = 0.047 uF की गणना की।

PSpice पर खोलें और बनाएं:

इन सभी मूल्यों के साथ, पीस्पाइस शुरू करें - 'ओआरसीएडी कैप्चर सीआईएस' खोलें, अगर कैडेंस प्रोजेक्ट चॉइस के लिए एक पॉप अप खुलता है तो 'एलेग्रो पीसीबी डिजाइन सीआईएस एल' चुनें, फाइल खोलें -> नया प्रोजेक्ट, इसके लिए एक चतुर नाम टाइप करें, प्रोजेक्ट बनाएं चुनें एनालॉग या मिश्रित ए/डी का उपयोग करके, 'एक रिक्त प्रोजेक्ट बनाएं' चुनें, अपनी परियोजना के फ़ाइल संगठन के लिए चित्र देखें, प्रत्येक पृष्ठ के भीतर वह जगह है जहां आप अपने हिस्से का निर्माण करने के लिए घटकों (प्रतिरोधों, कैपेसिटर्स, आदि) को संकलित करेंगे। सर्किट जो आप चाहते हैं। प्रत्येक पृष्ठ पर आप शीर्ष पर टूल बार में भाग पर क्लिक करेंगे और भागों की सूची खोलने के लिए भाग पर क्लिक करेंगे, जहां आप प्रतिरोधों, कैपेसिटर, परिचालन एम्पलीफायरों और बिजली स्रोतों की खोज करते हैं। साथ ही प्लेस ड्रॉप डाउन में आपको जमीन और तार मिलेंगे जिनका आपको उपयोग करना होगा। अब अपने प्रत्येक पृष्ठ को आपके द्वारा गणना किए गए मानों का उपयोग करके शामिल चित्रों में देखे गए अनुसार डिज़ाइन करें।

फ़िल्टरिंग और एम्पलीफ़ाइंग वास्तव में आपकी अपेक्षा के अनुरूप हो रहा है, यह सुनिश्चित करने के लिए एसी स्वीप चलाएं

मैंने इनके अनुकरण के लिए दो आंकड़े जोड़े। ६० हर्ट्ज़ पर नॉचिंग और उच्च आवृत्तियों को फ़िल्टर करने पर ध्यान दें। लाइन के रंगों और लेबल वाले ट्रेस एक्सप्रेशंस पर ध्यान दें, मैंने पूरे सर्किट को एक साथ चलाया ताकि आपको अंदाजा हो जाए कि आपको क्या उम्मीद करनी चाहिए!

स्वीप के लिए PSpice चुनें, PSpice, न्यू सिमुलेशन प्रोफाइल पर क्लिक करें, AC स्वीप में बदलें और स्टार्ट, स्टॉप और इंक्रीमेंट वैल्यू के लिए वांछित फ़्रीक्वेंसी सेट करें। PSpice मेनू के तहत मैंने मार्करों का भी चयन किया, उन्नत, और वोल्टेज dB को चुना और मार्कर को उस स्थान पर रखा, जहां मैं आउटपुट को मापना चाहता था, इससे बाद में मदद मिलती है, इसलिए आपको मैन्युअल रूप से एक ट्रेस परिवर्तन जोड़ने की आवश्यकता नहीं है। फिर पैक को फिर से PSpice मेनू बटन पर जाएं और रन चुनें या F11 दबाएं। जब सिम्युलेटर खुलता है, यदि आवश्यक हो: ट्रेस पर क्लिक करें, ट्रेस जोड़ें, और फिर उपयुक्त ट्रेस एक्सप्रेशन जैसे V (U6: OUT) का चयन करें यदि आप opamp U6 के पिन OUT पर वोल्टेज आउटपुट को मापना चाहते हैं।

इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर: तीनों एम्पलीफायरों के लिए uA741 का उपयोग करें और ध्यान दें कि चित्रों में एम्पलीफायरों को उनके संबंधित लेबल (U4, U5, U6) के अनुसार संदर्भित किया गया है। एक वोल्टेज इनपुट के साथ सर्किट की आवृत्ति प्रतिक्रिया की गणना करने के लिए PSpice पर अपना एसी स्वीप चलाएं ताकि इस मामले में वोल्टेज आउटपुट लाभ (1000) के बराबर हो।

नॉच फ़िल्टर: चित्र में देखे गए एक वोल्टेज एसी पावर स्रोत और परिचालन एम्पलीफायर uA741 का उपयोग करें और सुनिश्चित करें कि आपके द्वारा उपयोग किए जाने वाले प्रत्येक ऑप amp (15V डीसी के साथ संचालित) को पावर दें। एसी स्वीप चलाएं, मैं ६० हर्ट्ज पर पायदान सुनिश्चित करने के लिए ३० से १०० हर्ट्ज की १० हर्ट्ज की वृद्धि की सलाह देता हूं जो विद्युत संकेतों को फ़िल्टर करेगा।

कम पास फ़िल्टर: uA741 ऑपरेशनल एम्पलीफायर का उपयोग करें (यह आंकड़ा देखें जैसा कि हमारा लेबल U1 था), और सर्किट को एक वोल्ट एसी पावर की आपूर्ति करें। डीसी 15 वोल्ट के साथ ऑप एम्प्स को पावर दें और यू1 के पिन 6 पर एसी स्वीप के लिए आउटपुट को मापें जो चित्र में देखे गए तार से जुड़ता है। एसी स्वीप का उपयोग सर्किट की आवृत्ति प्रतिक्रिया की गणना करने के लिए किया जाता है और आपके द्वारा सेट किए गए एक वोल्टेज इनपुट के साथ, वोल्टेज आउटपुट लाभ के बराबर होना चाहिए- 1.

चरण 2: एक ब्रेडबोर्ड पर भौतिक सर्किट बनाएँ

यह चुनौतीपूर्ण हो सकता है लेकिन मुझे आप पर पूरा भरोसा है! ब्रेडबोर्ड पर इसे बनाने के लिए आपके द्वारा बनाए गए और परीक्षण किए गए मूल्यों और योजनाओं का उपयोग करें (आप उम्मीद करते हैं कि वे सर्किट सिम्युलेटर के लिए धन्यवाद काम करते हैं)। सुनिश्चित करें कि केवल शक्ति (फ़ंक्शन जनरेटर द्वारा 1 वीपी-पी) को शुरू में लागू करें, न कि प्रत्येक चरण में यदि पूरे सर्किट का परीक्षण करने के लिए, पूरे सर्किट के परीक्षण के लिए प्रत्येक भाग को कनेक्ट करें (इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर को नॉच फिल्टर से लो पास तक), सुनिश्चित करें प्रत्येक ऑप amp को V+ और V- (15V) की आपूर्ति करें, और आप आस्टसीलस्कप के साथ अलग-अलग आवृत्तियों पर माप आउटपुट द्वारा अलग-अलग चरणों का परीक्षण कर सकते हैं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि फ़िल्टरिंग जैसी चीजें काम कर रही हैं। जब आप पूरे सर्किट का एक साथ परीक्षण करते हैं तो आप फंक्शन जनरेटर पर बिल्ट-इन कार्डिएक वेवफॉर्म का उपयोग कर सकते हैं और फिर आप उम्मीद के मुताबिक क्यूआरएस वेवफॉर्म देखेंगे। थोड़ी सी निराशा और दृढ़ता के साथ आप इसे शारीरिक रूप से बनाने में सक्षम होंगे!

हमने PSpice में चित्रित नहीं की गई op amp शक्तियों के समानांतर 0.1uF का एक बैंड कैपेसिटर भी जोड़ा।

व्यक्तिगत घटकों का निर्माण करते समय यहां कुछ सुझाव दिए गए हैं:

इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के लिए, यदि आपको त्रुटि के स्रोत का पता लगाने में कठिनाई हो रही है, तो तीन ऑप-एम्प्स के प्रत्येक व्यक्तिगत आउटपुट की जांच करें। इसके अतिरिक्त, सुनिश्चित करें कि आप पावर स्रोत और इनपुट की आपूर्ति सही ढंग से कर रहे हैं। पावर स्रोत को पिन 4 और 7 से जोड़ा जाना चाहिए, और वोल्टेज इनपुट और आउटपुट को पहले चरण के ऑप-एम्प्स के पिन 3 से जोड़ा जाना चाहिए।

नॉच फिल्टर के लिए, ६० हर्ट्ज की आवृत्ति पर फिल्टर को फिल्टर करने के लिए रोकने के लिए कुछ समायोजन करने पड़ते हैं। यदि फ़िल्टरिंग 60 हर्ट्ज से अधिक होती है, तो प्रतिरोधों में से एक को बढ़ाना (हमने 2 समायोजित किया) फ़िल्टर आवृत्ति को कम करने में मदद करेगा (बढ़ने के विपरीत)।

कम-पास फ़िल्टर के लिए, सरल प्रतिरोधी मान (आपके पास पहले से मौजूद प्रतिरोधी) सुनिश्चित करने से त्रुटि में काफी कमी आएगी!

चरण 3: ईसीजी तरंग को प्लॉट करने और हृदय गति की गणना करने के लिए लैबव्यू (बीट्स प्रति मिनट)

LabVIEW पर आप एक ब्लॉक डायग्राम और एक यूजर इंटरफेस बनाएंगे जो वह हिस्सा है जो ईसीजी वेवफॉर्म को ग्राफ पर समय के एक फंक्शन के रूप में प्रदर्शित करेगा और एक डिजिटल हार्ट रेट नंबर प्रदर्शित करेगा। मैंने लैबव्यू पर क्या बनाना है, इसकी एक तस्वीर संलग्न की है, आप आवश्यक घटकों को खोजने के लिए खोज बार का उपयोग कर सकते हैं। इसके साथ धैर्य रखें और आप प्रत्येक टुकड़े के बारे में पढ़ने के लिए सहायता का उपयोग भी कर सकते हैं।

अपने सर्किट को कंप्यूटर से जोड़ने के लिए भौतिक DAQ का उपयोग करना सुनिश्चित करें। DAQ सहायक पर अपने नमूने को सतत और 4k में बदलें।

यहाँ आरेख बनाने के बारे में कुछ सलाह दी गई है:

• DAQ सहायक कनेक्शन "डेटा" और "स्टॉप" से बाहर आ रहा है।
• न्यूनतम अधिकतम पर "वेवफॉर्म इन" करने के लिए DAQ सहायक।
• चित्र में दिखाई देने वाली संख्या के लिए राइट क्लिक करें, बनाएं और स्थिरांक चुनें।
• राइट क्लिक करें, आइटम चुनें, डीटी, यह t0 को dt में बदलना है
• पीक डिटेक्शन में "सिग्नल इन", "थ्रेसहोल्ड", और "चौड़ाई" पर कनेक्शन हैं
• "सरणी" और स्थिरांक से "अनुक्रमणिका" से कनेक्ट करें
• सुनिश्चित करें कि भौतिक DAQ बोर्ड पिन (यानी एनालॉग 8) वह पिन है जिसे आप DAQ सहायक में चुनते हैं (चित्र देखें)

शामिल वीडियो 'IMG_9875.mov' एक कंप्यूटर का है जो लैबव्यू का VI यूजर इंटरफेस दिखा रहा है जो इनपुट के आधार पर बदलते ईसीजी वेवफॉर्म और बीट्स प्रति मिनट को प्रदर्शित करता है (सुनो जैसा कि यह घोषित किया गया है कि आवृत्ति किसमें बदल जाती है)।

1Hz फ़्रीक्वेंसी इनपुट भेजकर अपने डिज़ाइन का परीक्षण करें और इसमें एक स्वच्छ तरंग है (तुलना करने के लिए चित्र देखें) लेकिन आपको प्रति मिनट 60 बीट्स पढ़ने में सक्षम होना चाहिए!

आपने जो बनाया है उसका उपयोग मानव ईसीजी सिग्नल को केवल मनोरंजन के लिए पढ़ने के लिए भी किया जा सकता है क्योंकि यह एक चिकित्सा उपकरण नहीं है। डिजाइन के लिए आपूर्ति की गई धारा के साथ आपको अभी भी सावधान रहना होगा। संलग्न सतह इलेक्ट्रोड: बाएं टखने के लिए सकारात्मक, दाहिनी कलाई के लिए नकारात्मक, और दाहिने टखने के लिए जमीन संलग्न करें। अपना लैब व्यू चलाएं और आपको ग्राफ पर तरंग दिखाई देनी चाहिए और बीट्स प्रति मिनट भी डिजिटल डिस्प्ले बॉक्स में पॉप अप हो जाती है।