इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम (ईसीजी) सर्किट: 7 कदम

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।

हम बायोमेडिकल इंजीनियरिंग में दो छात्र हैं और अपनी पहली सर्किट कक्षा लेने के बाद, हम काफी उत्साहित थे और हमने कुछ उपयोगी करने के लिए सीखी गई बुनियादी बातों का उपयोग करने का फैसला किया: एक ईसीजी प्रदर्शित करें और हृदय गति पढ़ें। यह अब तक का सबसे जटिल सर्किट होगा!

ईसीजी पर कुछ पृष्ठभूमि:

मानव शरीर में जैविक गतिविधि को मापने और रिकॉर्ड करने के लिए कई विद्युत उपकरणों का उपयोग किया जाता है। ऐसा ही एक उपकरण है इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम, जो हृदय द्वारा उत्पन्न विद्युत संकेतों को मापता है। ये संकेत हृदय की संरचना और कार्य के बारे में वस्तुनिष्ठ जानकारी देते हैं। ईसीजी को पहली बार 1887 में विकसित किया गया था और इसने चिकित्सकों को हृदय संबंधी जटिलताओं का निदान करने का एक नया तरीका दिया। ईसीजी हृदय गति, हृदय गति, दिल के दौरे, अपर्याप्त रक्त और हृदय को ऑक्सीजन की आपूर्ति और संरचनात्मक असामान्यताओं का पता लगा सकता है। सरल सर्किट डिजाइन का उपयोग करके, एक ईसीजी बनाया जा सकता है जो इन सभी चीजों की निगरानी कर सकता है।

चरण 1: सामग्री

सर्किट का निर्माण

सर्किट बनाने के लिए आवश्यक बुनियादी सामग्रियों को चित्रों में दिखाया गया है। उनमे शामिल है:

• ब्रेड बोर्ड

• परिचालन एम्पलीफायरों

  • इस सर्किट में उपयोग किए जाने वाले सभी ऑप एम्प्स LM741 हैं।
  • अधिक जानकारी के लिए, डेटाशीट देखें:
• प्रतिरोधों
• संधारित्र
• तारों

• स्टिक-ऑन इलेक्ट्रोड

  इनकी आवश्यकता केवल तभी होती है जब आप किसी वास्तविक व्यक्ति पर सर्किट को आज़माने का निर्णय लेते हैं।

उपयोग किए गए सॉफ़्टवेयर में शामिल हैं:

• लैबव्यू २०१६
• सर्किटलैब या पीस्पाइस सिमुलेशन के लिए मूल्यों की जांच करने के लिए

• एक्सेल

  यदि आपको अपने सर्किट की किसी भी विशेषता को बदलने की आवश्यकता है तो इसकी अत्यधिक अनुशंसा की जाती है। आपको संख्याओं के साथ खेलने की भी आवश्यकता हो सकती है जब तक कि आपको प्रतिरोधी और संधारित्र मान आसानी से उपलब्ध न हों। पेन-एंड-पेपर गणना इसके लिए हतोत्साहित करती है! हमने एक विचार देने के लिए अपनी स्प्रैडशीट गणना संलग्न की है।

सर्किट का परीक्षण

आपको कुछ बड़े इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की भी आवश्यकता होगी:

• डीसी बिजली की आपूर्ति
• DAQ बोर्ड सर्किट को LabVIEW में इंटरफेस करेगा
• सर्किट का परीक्षण करने के लिए फंक्शन जनरेटर
• सर्किट का परीक्षण करने के लिए ऑसिलोस्कोप

चरण 2: इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर

हमें इसकी आवश्यकता क्यों है:

हम शरीर से मापे गए छोटे आयाम को बढ़ाने के लिए एक उपकरण एम्पलीफायर का निर्माण करेंगे। हमारे पहले चरण में दो एम्पलीफायरों का उपयोग करने से हम शरीर द्वारा बनाए गए शोर को रद्द कर सकते हैं (जो दोनों इलेक्ट्रोड पर समान होगा)। हम लगभग समान लाभ के दो चरणों का उपयोग करेंगे - यह उपयोगकर्ता की सुरक्षा करता है यदि सिस्टम एक ही स्थान पर होने वाले सभी लाभों को रोककर किसी व्यक्ति से जुड़ा है। चूंकि ईसीजी सिग्नल का सामान्य आयाम 0.1 और 5 एमवी के बीच है, हम चाहते हैं कि इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर का लाभ लगभग 100 हो। लाभ पर स्वीकार्य सहिष्णुता 10% है।

इसका निर्माण कैसे करें:

इन विशिष्टताओं और तालिका (संलग्न चित्रों) में देखे गए समीकरणों का उपयोग करते हुए, हमने पाया कि हमारे प्रतिरोधक मान R1 = 1.8 किलोओम, R2 = 8.2 किलोओम, R3 = 1.5 किलोओम, और R4 = 15 किलोओम हैं। K1 पहले चरण (OA1 और OA2) का लाभ है, और K2 दूसरे चरण (OA3) का लाभ है। शोर को दूर करने के लिए परिचालन एम्पलीफायरों की बिजली आपूर्ति पर समान समाई बाईपास कैपेसिटर का उपयोग किया जाता है।

इसका परीक्षण कैसे करें:

इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर में फीड किए गए किसी भी सिग्नल को 100 से बढ़ाया जाना चाहिए। डीबी = 20 लॉग (वाउट/विन) का उपयोग करने का मतलब 40 डीबी का अनुपात है। आप इसे PSpice या circuitLab में अनुकरण कर सकते हैं, या भौतिक उपकरण, या दोनों का परीक्षण कर सकते हैं!

संलग्न आस्टसीलस्कप छवि 1000 का लाभ दिखाती है। वास्तविक ईसीजी के लिए, यह बहुत अधिक है!

चरण 3: पायदान फ़िल्टर

हमें इसकी आवश्यकता क्यों है:

हम संयुक्त राज्य अमेरिका में सभी बिजली आपूर्ति में मौजूद 60 हर्ट्ज शोर को दूर करने के लिए एक पायदान फिल्टर का उपयोग करेंगे।

इसका निर्माण कैसे करें:

हम गुणवत्ता कारक Q को 8 पर सेट करेंगे, जो घटक मानों को एक व्यवहार्य सीमा में रखते हुए एक स्वीकार्य फ़िल्टरिंग आउटपुट प्रदान करेगा। हमने कैपेसिटर का मान 0.1 μF भी सेट किया है ताकि गणना केवल प्रतिरोधों को प्रभावित करे। गणना और उपयोग किए गए प्रतिरोधी मानों को तालिका (चित्रों में) या नीचे देखा जा सकता है

• क्यू = डब्ल्यू / बी

  Q से 8 सेट करें (या अपनी आवश्यकता के आधार पर अपना स्वयं का चुनें)

• डब्ल्यू = 2 * पीआई * एफ

  f = ६० हर्ट्ज. का प्रयोग करें

• सी

  0.1 uF पर सेट करें (या उपलब्ध कैपेसिटर से अपना स्वयं का मान चुनें)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  गणना करें। हमारा मान 1.66 kohm. है

• R2 = 2*Q/(w*C)

  गणना करें। हमारा मूल्य 424.4 kohm. है

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  गणना करें। हमारा मान 1.65 kohm. है

इसका परीक्षण कैसे करें:

नॉच फिल्टर को लगभग 60 हर्ट्ज को छोड़कर सभी आवृत्तियों को अपरिवर्तित पारित करना चाहिए। इसे एसी स्वीप से चेक किया जा सकता है। 60 हर्ट्ज पर -20 डीबी के लाभ वाले फिल्टर को अच्छा माना जाता है। आप इसे PSpice या circuitLab में अनुकरण कर सकते हैं, या भौतिक उपकरण, या दोनों का परीक्षण कर सकते हैं!

इस तरह का नॉच फिल्टर नकली एसी स्वीप में एक अच्छा पायदान उत्पन्न कर सकता है, लेकिन एक भौतिक परीक्षण से पता चला है कि हमारे मूल मूल्यों ने अपेक्षा से कम आवृत्ति पर एक पायदान उत्पन्न किया है। इसे ठीक करने के लिए, हमने R2 को लगभग 25 kohm बढ़ा दिया।

आस्टसीलस्कप छवि से पता चलता है कि फिल्टर 60 हर्ट्ज पर इनपुट सिग्नल परिमाण को बहुत कम कर देता है। ग्राफ उच्च गुणवत्ता वाले नॉच फिल्टर के लिए एसी स्वीप दिखाता है।

चरण 4: लो-पास फ़िल्टर

हमें इसकी आवश्यकता क्यों है:

डिवाइस का अंतिम चरण एक सक्रिय लो-पास फ़िल्टर है। ईसीजी सिग्नल कई अलग-अलग तरंगों से बना होता है, जिनमें से प्रत्येक की अपनी आवृत्ति होती है। हम इन सभी को बिना किसी उच्च आवृत्ति वाले शोर के कैप्चर करना चाहते हैं। 150 हर्ट्ज के ईसीजी मॉनिटर के लिए मानक कटऑफ आवृत्ति का चयन किया जाता है। (उच्च कटऑफ कभी-कभी विशिष्ट हृदय समस्याओं की निगरानी के लिए चुने जाते हैं, लेकिन हमारी परियोजना के लिए, हम सामान्य कटऑफ का उपयोग करेंगे।)

यदि आप एक सरल सर्किट बनाना चाहते हैं, तो आप एक निष्क्रिय कम-पास फ़िल्टर का भी उपयोग कर सकते हैं। इसमें एक op amp शामिल नहीं होगा, और इसमें एक संधारित्र के साथ श्रृंखला में सिर्फ एक रोकनेवाला शामिल होगा। आउटपुट वोल्टेज को कैपेसिटर में मापा जाएगा।

इसका निर्माण कैसे करें:

हम इसे दूसरे क्रम के बटरवर्थ फ़िल्टर के रूप में डिज़ाइन करेंगे, जिसमें गुणांक a और b क्रमशः १.४१४२१४ और १ के बराबर हैं। गेन को 1 पर सेट करना ऑपरेशनल एम्पलीफायर को वोल्टेज फॉलोअर में बदल देता है। चुने गए समीकरण और मान तालिका (चित्रों में) और नीचे दिखाए गए हैं।

• डब्ल्यू = 2 * पीआई * एफ

  सेट f = १५० हर्ट्ज

• सी2 = 10/एफ

  गणना करें। हमारा मान 0.067 यूएफ. है

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  गणना करें। हमारा मान 0.033 यूएफ. है

• R1 = 2/(w*(aC2+sqrt(a^2*C2^2-4b*C1*C2)))

  गणना करें। हमारा मान १८.८३६ kohm. है

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  गणना करें। हमारा मूल्य २६.६३४ kohm. है

इसका परीक्षण कैसे करें:

फ़िल्टर को कटऑफ़ से नीचे की आवृत्तियों को अपरिवर्तित पारित करना चाहिए। एसी स्वीप का उपयोग करके इसका परीक्षण किया जा सकता है। आप इसे PSpice या circuitLab में अनुकरण कर सकते हैं, या भौतिक उपकरण, या दोनों का परीक्षण कर सकते हैं!

आस्टसीलस्कप छवि फिल्टर की प्रतिक्रिया को 100 हर्ट्ज, 150 हर्ट्ज और 155 हर्ट्ज पर दिखाती है। हमारे भौतिक सर्किट का कटऑफ 155 हर्ट्ज के करीब था, जिसे -3 डीबी अनुपात द्वारा दिखाया गया था।

चरण 5: हाई-पास फ़िल्टर

हमें इसकी आवश्यकता क्यों है:

उच्च-पास फ़िल्टर का उपयोग किया जाता है ताकि एक निश्चित कट-ऑफ मान से नीचे की आवृत्तियों को रिकॉर्ड नहीं किया जा सके, जिससे एक स्वच्छ संकेत पारित किया जा सके। कट-ऑफ आवृत्ति को 0.5 हर्ट्ज (ईसीजी मॉनिटर के लिए एक मानक मान) चुना जाता है।

इसका निर्माण कैसे करें:

इसे प्राप्त करने के लिए आवश्यक प्रतिरोधक और संधारित्र मान नीचे देखे गए हैं। इस्तेमाल किया गया हमारा वास्तविक प्रतिरोध 318.2 kohm था।

• आर = 1/(2*pi*f*C)

  • सेट f = 0.5 हर्ट्ज, और C = 1 uF
  • R परिकलित करें। हमारा मान ३१८.३१० kohm. है

इसका परीक्षण कैसे करें:

फ़िल्टर को कटऑफ़ के ऊपर आवृत्तियों को अपरिवर्तित पारित करना चाहिए। एसी स्वीप का उपयोग करके इसका परीक्षण किया जा सकता है। आप इसे PSpice या circuitLab में अनुकरण कर सकते हैं, या भौतिक उपकरण, या दोनों का परीक्षण कर सकते हैं!

चरण 6: लैब व्यू सेट करना

फ़्लोचार्ट परियोजना के लैबव्यू भाग की डिज़ाइन अवधारणा देता है जो उच्च नमूना दर पर सिग्नल रिकॉर्ड करता है और हृदय गति (बीपीएम) और ईसीजी प्रदर्शित करता है। हमारे लैब व्यू सर्किट में निम्नलिखित घटक होते हैं: डीएक्यू सहायक, इंडेक्स सरणी, अंकगणितीय ऑपरेटर, शिखर पहचान, संख्यात्मक संकेतक, तरंग ग्राफ, समय में परिवर्तन, अधिकतम/न्यूनतम पहचानकर्ता, और संख्या स्थिरांक। डीएक्यू सहायक 1 किलोहर्ट्ज़ की दर से निरंतर नमूने लेने के लिए तैयार है, जिसमें पीक डिटेक्शन और सिग्नल स्पष्टता उद्देश्यों के लिए नमूनों की संख्या ३,००० और ५,००० नमूनों के बीच बदली गई है।

सर्किट आरेख में विभिन्न घटकों पर माउस ले जाकर पढ़ें कि LabVIEW में उन्हें कहां खोजा जाए!

चरण 7: डेटा एकत्र करना

अब जब सर्किट को इकट्ठा कर लिया गया है, तो यह देखने के लिए डेटा एकत्र किया जा सकता है कि क्या यह काम करता है! 1 हर्ट्ज पर सर्किट के माध्यम से एक नकली ईसीजी भेजें। परिणाम एक साफ ईसीजी सिग्नल होना चाहिए जहां क्यूआरएस कॉम्प्लेक्स, पी वेव और टी वेव स्पष्ट रूप से देखे जा सकते हैं। हृदय गति भी 60 बीट प्रति मिनट (बीपीएम) प्रदर्शित होनी चाहिए। सर्किट और लैबव्यू सेटअप का और परीक्षण करने के लिए, आवृत्ति को 1.5 हर्ट्ज और 0.5 हर्ट्ज में बदलें। हृदय गति क्रमशः 90 बीपीएम और 30 बीपीएम होनी चाहिए।

धीमी हृदय गति को सटीक रूप से प्रदर्शित करने के लिए आपको प्रति ग्राफ अधिक तरंगें दिखाने के लिए DAQ सेटिंग्स को समायोजित करने की आवश्यकता हो सकती है। यह नमूनों की संख्या बढ़ाकर किया जा सकता है।

यदि आप किसी मानव पर डिवाइस का परीक्षण करना चुनते हैं, तो सुनिश्चित करें कि आप op amps के लिए जिस बिजली की आपूर्ति का उपयोग कर रहे हैं, वह वर्तमान को 0.015 mA पर सीमित कर देती है! कई स्वीकार्य लीड कॉन्फ़िगरेशन हैं लेकिन हमने बाएं टखने पर सकारात्मक इलेक्ट्रोड, दाहिनी कलाई पर नकारात्मक इलेक्ट्रोड, और दाएं टखने पर ग्राउंड इलेक्ट्रोड को संलग्न चित्र में देखा है।

कुछ बुनियादी सर्किटरी अवधारणाओं और मानव हृदय के बारे में हमारे ज्ञान का उपयोग करके हमने आपको दिखाया है कि एक मजेदार और उपयोगी उपकरण कैसे बनाया जाता है। हमें उम्मीद है कि आपने हमारे ट्यूटोरियल का आनंद लिया है!