डिजिटल ईसीजी और हार्ट रेट मॉनिटर: 8 कदम

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

सूचना: 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 बैटरी पावर और अन्य उचित अलगाव तकनीकों का उपयोग कर रहे हैं।

एक इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम (ईसीजी) हृदय चक्र के दौरान विद्युत संकेतों को रिकॉर्ड करता है। हर बार जब दिल धड़कता है, तो मायोकार्डियल कोशिकाओं के विध्रुवण और अति ध्रुवीकरण का एक चक्र होता है। विध्रुवण और अति ध्रुवीकरण को इलेक्ट्रोड द्वारा रिकॉर्ड किया जा सकता है, और डॉक्टरों ने उस जानकारी को यह जानने के लिए पढ़ा कि हृदय कैसे काम कर रहा है। एक ईसीजी एक मायोकार्डियल इंफार्क्शन, एट्रियल या वेंट्रिकुलर फाइब्रिलेशन, टैचिर्डिया, और ब्रैडकार्डिया निर्धारित कर सकता है [1]। ईसीजी से समस्या क्या है यह निर्धारित करने के बाद, डॉक्टर रोगी का सफलतापूर्वक निदान और उपचार कर सकते हैं। अपना खुद का इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम रिकॉर्डिंग डिवाइस बनाने का तरीका जानने के लिए नीचे दिए गए चरणों का पालन करें!

चरण 1: सामग्री

सर्किट घटक:

• पांच UA741 परिचालन एम्पलीफायर
• प्रतिरोधों
• संधारित्र
• जम्पर तार
• DAQ बोर्ड
• लैब व्यू सॉफ्टवेयर

परीक्षण उपकरण:

• फलन जनक
• डीसी बिजली की आपूर्ति
• आस्टसीलस्कप
• बीएनसी केबल्स और टी-स्प्लिटर
• जंपर केबल
• ऐलिगेटर क्लिपें
• केले के प्लग

चरण 2: इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर

सर्किट का पहला चरण एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर है। यह जैविक संकेत को बढ़ाता है ताकि ईसीजी के विभिन्न घटकों को अलग किया जा सके।

इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के लिए सर्किट आरेख ऊपर दिखाया गया है। इस सर्किट के पहले चरण के लाभ को K1 = 1 + 2*R2 / R1 के रूप में परिभाषित किया गया है। सर्किट के दूसरे चरण के लाभ को K2 = R4 / R3 के रूप में परिभाषित किया गया है। इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर का समग्र लाभ K1 * K2 है। इस परियोजना के लिए वांछित लाभ लगभग 1000 था, इसलिए K1 को 31 चुना गया और K2 को 33 चुना गया। इन लाभों के लिए प्रतिरोधी मान सर्किट आरेख में ऊपर दिखाए गए हैं। आप ऊपर दिखाए गए प्रतिरोधक मानों का उपयोग कर सकते हैं, या आप अपने वांछित लाभ को पूरा करने के लिए मानों को संशोधित कर सकते हैं।**

एक बार जब आप अपने घटक मूल्यों को चुन लेते हैं, तो सर्किट का निर्माण ब्रेडबोर्ड पर किया जा सकता है। ब्रेडबोर्ड पर सर्किट कनेक्शन को सरल बनाने के लिए, शीर्ष पर नकारात्मक क्षैतिज रेल को जमीन के रूप में सेट किया गया था, जबकि नीचे की तरफ दो क्षैतिज रेल को क्रमशः +/- 15V पर सेट किया गया था।

शेष सभी घटकों के लिए जगह छोड़ने के लिए पहले सेशन amp को ब्रेडबोर्ड के बाईं ओर रखा गया था। पिन के कालानुक्रमिक क्रम में संलग्नक जोड़े गए थे। इससे यह ट्रैक करना आसान हो जाता है कि कौन से टुकड़े जोड़े गए हैं या नहीं। एक बार सभी पिन op amp 1 के लिए पूर्ण हो जाने के बाद, अगला op amp रखा जा सकता है। फिर से, सुनिश्चित करें कि स्थान छोड़ने के लिए यह अपेक्षाकृत करीब है। इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर पूरा होने तक सभी ऑप एम्प्स के लिए एक ही कालानुक्रमिक पिन प्रक्रिया पूरी की गई थी।

तारों में एसी कपलिंग से छुटकारा पाने के लिए सर्किट डायग्राम के अलावा बाईपास कैपेसिटर भी जोड़े गए। इन कैपेसिटर को डीसी वोल्टेज आपूर्ति के समानांतर रखा गया था और ऊपरी क्षैतिज नकारात्मक रेल पर आधारित था। ये कैपेसिटर 0.1 से 1 माइक्रोफ़ारड की रेंज में होने चाहिए। प्रत्येक op amp में दो बाईपास कैपेसिटर होते हैं, एक पिन 4 के लिए और एक पिन 7 के लिए। प्रत्येक op amp पर दो कैपेसिटर का मान समान होना चाहिए, लेकिन op amp से op amp में भिन्न हो सकता है।

प्रवर्धन का परीक्षण करने के लिए, एक फ़ंक्शन जनरेटर और ऑसिलोस्कोप को क्रमशः एम्पलीफायर के इनपुट और आउटपुट से जोड़ा गया था। इनपुट सिग्नल भी आस्टसीलस्कप से जुड़ा था। प्रवर्धन निर्धारित करने के लिए एक साधारण साइन वेव का उपयोग किया गया था। इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर के दो इनपुट टर्मिनलों में फ़ंक्शन जनरेटर आउटपुट इनपुट करें। आउटपुट सिग्नल और इनपुट सिग्नल के अनुपात को मापने के लिए आस्टसीलस्कप सेट करें। डेसिबल में एक सर्किट का लाभ लाभ = 20 * लॉग 10 (वाउट / विन) है। 1000 के लाभ के लिए, डेसिबल में लाभ 60dB है। आस्टसीलस्कप का उपयोग करके, आप यह निर्धारित कर सकते हैं कि आपके निर्मित सर्किट का लाभ आपके विनिर्देशों को पूरा करता है, या यदि आपको अपने सर्किट को बेहतर बनाने के लिए कुछ प्रतिरोधक मानों को बदलने की आवश्यकता है।

एक बार जब इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर सही ढंग से इकट्ठा हो जाता है और काम करता है, तो आप नॉच फिल्टर पर आगे बढ़ सकते हैं।

**उपरोक्त सर्किट आरेख में, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 =R42

चरण 3: पायदान फ़िल्टर

नॉच फिल्टर का उद्देश्य 60 हर्ट्ज वॉल पावर सप्लाई से शोर को दूर करना है। एक पायदान फ़िल्टर कटऑफ आवृत्ति पर सिग्नल को क्षीण करता है, और इसके ऊपर और नीचे आवृत्तियों को पास करता है। इस सर्किट के लिए, वांछित कटऑफ आवृत्ति 60 हर्ट्ज है।

ऊपर दिखाए गए सर्किट आरेख के लिए शासी समीकरण हैं R1 = 1 /(2 * Q * w *C), R2 = 2 * Q / (w * C), और R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), जहां क्यू गुणवत्ता कारक है और डब्ल्यू 2 * पीआई * (कटऑफ आवृत्ति) है। 8 का एक गुणवत्ता कारक उचित सीमा में प्रतिरोधी और संधारित्र मान देता है। संधारित्र मान सभी को समान माना जा सकता है। इस प्रकार, आप अपने किट में उपलब्ध संधारित्र मान चुन सकते हैं। उपरोक्त सर्किट में दिखाए गए प्रतिरोधी मान 60 हर्ट्ज की कटऑफ आवृत्ति, 8 के गुणवत्ता कारक और 0.22 यूएफ के कैपेसिटर मान के लिए हैं।

चूंकि कैपेसिटर समानांतर में जोड़ते हैं, चुने हुए मूल्य C के दो कैपेसिटर को 2C का मान प्राप्त करने के लिए समानांतर में रखा गया था। साथ ही, op amp में बाईपास कैपेसिटर जोड़े गए।

नॉच फ़िल्टर का परीक्षण करने के लिए, फ़ंक्शन जनरेटर से आउटपुट को नॉच फ़िल्टर के इनपुट से कनेक्ट करें। एक आस्टसीलस्कप पर सर्किट के इनपुट और आउटपुट का निरीक्षण करें। एक प्रभावी नॉच फिल्टर के लिए, आपको कटऑफ फ्रीक्वेंसी पर -20dB से कम या उसके बराबर का लाभ होना चाहिए। चूंकि घटक आदर्श नहीं हैं, इसलिए इसे हासिल करना मुश्किल हो सकता है। परिकलित रोकनेवाला और संधारित्र मान आपको वांछित लाभ नहीं दे सकते हैं। इसके लिए आपको रोकनेवाला और संधारित्र मूल्यों में परिवर्तन करने की आवश्यकता होगी।

ऐसा करने के लिए, एक समय में एक घटक पर ध्यान केंद्रित करें। किसी अन्य घटक को बदले बिना किसी एकल घटक के मूल्य को बढ़ाएँ और घटाएँ। सर्किट के लाभ पर इसके प्रभावों का निरीक्षण करें। वांछित लाभ प्राप्त करने के लिए इसके लिए बहुत धैर्य की आवश्यकता हो सकती है। याद रखें, आप प्रतिरोधक मान बढ़ाने या घटाने के लिए श्रृंखला में प्रतिरोधक जोड़ सकते हैं। जिस परिवर्तन ने हमारे लाभ में सबसे अधिक सुधार किया, वह था कैपेसिटर में से एक को 0.33 uF तक बढ़ाना।

चरण 4: कम पास फ़िल्टर

कम पास फिल्टर उच्च आवृत्ति शोर को हटा देता है जो ईसीजी सिग्नल में हस्तक्षेप कर सकता है। ईसीजी तरंग सूचना को पकड़ने के लिए 40 हर्ट्ज का कम पास कटऑफ पर्याप्त है। हालांकि, ईसीजी के कुछ घटक 40 हर्ट्ज से अधिक हैं। १०० हर्ट्ज़ या १५० हर्ट्ज़ कटऑफ़ का भी इस्तेमाल किया जा सकता है [२]।

निर्मित निम्न पास फ़िल्टर दूसरा ऑर्डर बटरवर्थ फ़िल्टर है। चूंकि हमारे सर्किट का लाभ इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर द्वारा निर्धारित किया जाता है, हम कम पास फिल्टर के लिए बैंड के भीतर 1 का लाभ चाहते हैं। 1 के लाभ के लिए, आरए शॉर्ट सर्किट होता है और आरबी ऊपर सर्किट आरेख में खुला सर्किट होता है [3]। सर्किट में, C1 = 10 / (fc) uF, जहां fc कटऑफ आवृत्ति है। C1 C2 * a^2 / (4 * b) से कम या बराबर होना चाहिए। दूसरे क्रम के बटरवर्थ फ़िल्टर के लिए, a = sqrt(2) और b = 1. a और b के मानों को जोड़ने पर, C2 के लिए समीकरण C1 / 2 से कम या उसके बराबर सरल हो जाता है। फिर R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt(a^2 *C2 ^2 - 4 *b * C1 * C2))] और R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), जहां w = 2 *pi * एफ.सी. 40Hz का कटऑफ प्रदान करने के लिए इस सर्किट की गणना पूरी की गई। इन विनिर्देशों को पूरा करने वाले प्रतिरोधी और संधारित्र मान उपरोक्त सर्किट आरेख में दिखाए जाते हैं।

op amp को ब्रेडबोर्ड के दाईं ओर रखा गया था क्योंकि इसके बाद कोई अन्य घटक नहीं जोड़ा जाएगा। सर्किट को पूरा करने के लिए ऑप amp में रेसिस्टर्स और कैपेसिटर जोड़े गए। op amp में बाईपास कैपेसिटर भी जोड़े गए थे। इनपुट टर्मिनल खाली छोड़ दिया गया था क्योंकि इनपुट नॉच फिल्टर आउटपुट सिग्नल से आएगा। हालांकि, परीक्षण उद्देश्यों के लिए, कम पास फिल्टर को अलग करने और व्यक्तिगत रूप से परीक्षण करने में सक्षम होने के लिए इनपुट पिन पर एक तार रखा गया था।

फ़ंक्शन जनरेटर से एक साइन लहर को इनपुट सिग्नल के रूप में इस्तेमाल किया गया था और विभिन्न आवृत्तियों पर देखा गया था। एक आस्टसीलस्कप पर इनपुट और आउटपुट दोनों संकेतों का निरीक्षण करें और विभिन्न आवृत्तियों पर सर्किट का लाभ निर्धारित करें। कम पास फिल्टर के लिए, कट ऑफ आवृत्ति पर लाभ -3db होना चाहिए। इस सर्किट के लिए, कटऑफ 40 हर्ट्ज पर होना चाहिए। ४० हर्ट्ज़ से कम की आवृत्तियों का उनके तरंग रूप में बहुत कम या कोई क्षीणन नहीं होना चाहिए, लेकिन जैसे-जैसे आवृत्ति ४० हर्ट्ज से ऊपर बढ़ती है, लाभ लुढ़कना जारी रखना चाहिए।

चरण 5: सर्किट चरणों को इकट्ठा करना

एक बार जब आप सर्किट के प्रत्येक चरण का निर्माण कर लेते हैं और उनका स्वतंत्र रूप से परीक्षण कर लेते हैं, तो आप उन सभी को जोड़ सकते हैं। इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर का आउटपुट नॉच फिल्टर के इनपुट से जुड़ा होना चाहिए। नॉच फिल्टर का आउटपुट लो पास फिल्टर के इनपुट से जुड़ा होना चाहिए।

सर्किट का परीक्षण करने के लिए, फ़ंक्शन जनरेटर इनपुट को इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर चरण के इनपुट से कनेक्ट करें। एक आस्टसीलस्कप पर सर्किट के इनपुट और आउटपुट का निरीक्षण करें। आप फ़ंक्शन जनरेटर से, या साइन वेव के साथ पूर्व-प्रोग्राम किए गए ईसीजी तरंग के साथ परीक्षण कर सकते हैं और अपने सर्किट के प्रभावों का निरीक्षण कर सकते हैं। उपरोक्त आस्टसीलस्कप छवि में, पीला वक्र इनपुट तरंग है, और हरा वक्र आउटपुट है।

एक बार जब आप अपने सभी सर्किट चरणों को कनेक्ट कर लेते हैं और यह प्रदर्शित करते हैं कि यह ठीक से काम करता है, तो आप अपने सर्किट के आउटपुट को DAQ बोर्ड से जोड़ सकते हैं और LabVIEW में प्रोग्रामिंग शुरू कर सकते हैं।

चरण 6: लैबव्यू कार्यक्रम

लैबव्यू कोड विभिन्न आवृत्तियों पर नकली ईसीजी तरंग से प्रति मीटर बीट्स का पता लगाने के लिए है। LabVIEW में प्रोग्राम करने के लिए आपको पहले सभी घटकों की पहचान करनी होगी। डिजिटल कनवर्टर का एक एनालॉग, जिसे डेटा अधिग्रहण (डीएक्यू) बोर्ड के रूप में भी जाना जाता है, को लगातार चलाने के लिए सेटअप और सेट किया जाना चाहिए। सर्किट से आउटपुट सिग्नल DAQ बोर्ड के इनपुट से जुड़ा होता है। LabVIEW प्रोग्राम में तरंग ग्राफ सीधे DAQ सहायक के आउटपुट से जुड़ा होता है। DAQ डेटा से आउटपुट अधिकतम/न्यूनतम पहचानकर्ता को भी जाता है। संकेत तब एक गुणन अंकगणितीय ऑपरेटर के माध्यम से जाता है। थ्रेशोल्ड मान की गणना के लिए 0.8 के संख्यात्मक संकेतक का उपयोग किया जाता है। जब संकेत 0.8*अधिकतम से अधिक हो जाता है, तो एक चोटी का पता लगाया जाता है। जब भी यह मान पाया गया तो इसे अनुक्रमणिका सरणी में संग्रहीत किया गया था। दो डेटा बिंदु इंडेक्स सरणी में संग्रहीत होते हैं और घटाव अंकगणितीय ऑपरेटर में इनपुट होते हैं। इन दोनों मूल्यों के बीच समय में परिवर्तन पाया गया। फिर, हृदय गति की गणना करने के लिए, 60 को समय के अंतर से विभाजित किया जाता है। एक संख्यात्मक संकेतक, जो आउटपुट ग्राफ के बगल में दिखाया गया है, इनपुट सिग्नल के बीट्स प्रति मिनट (बीपीएम) में हृदय गति को आउटपुट करता है। एक बार प्रोग्राम सेटअप हो जाने के बाद, इसे सभी को निरंतर लूप के अंदर रखा जाना चाहिए। विभिन्न आवृत्ति इनपुट अलग-अलग बीपीएम मान देते हैं।

चरण 7: ईसीजी डेटा एकत्र करें

अब आप अपने सर्किट में एक नकली ईसीजी सिग्नल इनपुट कर सकते हैं, और अपने लैबव्यू प्रोग्राम में डेटा रिकॉर्ड कर सकते हैं! यह देखने के लिए कि आपके रिकॉर्ड किए गए डेटा को कैसे प्रभावित करता है, नकली ईसीजी की आवृत्ति और आयाम बदलें। जैसे ही आप आवृत्ति बदलते हैं, आपको गणना की गई हृदय गति में बदलाव देखना चाहिए। आपने सफलतापूर्वक एक ईसीजी और हृदय गति मॉनिटर तैयार किया है!

चरण 8: और सुधार

निर्मित डिवाइस नकली ईसीजी सिग्नल प्राप्त करने के लिए अच्छी तरह से काम करेगा। हालाँकि, यदि आप जैविक संकेतों को रिकॉर्ड करना चाहते हैं (उचित सुरक्षा सावधानियों का पालन करना सुनिश्चित करें), तो सिग्नल रीडिंग में सुधार के लिए सर्किट में और संशोधन किए जाने चाहिए। डीसी ऑफसेट और कम आवृत्ति गति कलाकृतियों को हटाने के लिए एक उच्च पास फिल्टर जोड़ा जाना चाहिए। LabVIEW और op amps के लिए प्रयोग करने योग्य सीमा के भीतर रहने के लिए इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के लाभ को भी दस गुना कम किया जाना चाहिए।

सूत्रों का कहना है

[१] एस. मीक और एफ. मॉरिस, "परिचय। II - मूल शब्दावली।, "बीएमजे, वॉल्यूम। 324, नहीं। ७३३५, पीपी. ४७०–३, फरवरी २००२।

[२] चिया-हंग लिन, ईसीजी के लिए आवृत्ति-डोमेन विशेषताएं ग्रे रिलेशनल विश्लेषण-आधारित क्लासिफायर का उपयोग करके भेदभाव को हराती हैं, कंप्यूटर और गणित में अनुप्रयोगों के साथ, वॉल्यूम ५५, अंक ४, २००८, पृष्ठ ६८०-६९०, आईएसएसएन ०८९८-१२२१, [३] "दूसरा क्रम फ़िल्टर | दूसरा ऑर्डर लो पास फिल्टर डिजाइन।" बेसिक इलेक्ट्रॉनिक्स ट्यूटोरियल, 9 सितंबर 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…