रिकॉर्डिंग बायोइलेक्ट्रिक सिग्नल: ईसीजी और हार्ट रेट मॉनिटर: 7 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 उचित अलगाव तकनीकों का उपयोग कर रहे हैं।

एक इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम (ईसीजी) एक परीक्षण है जिसमें विषय के दिल की विद्युत गतिविधि का पता लगाने और मापने के लिए एक विशिष्ट तरीके से सतह इलेक्ट्रोड को एक विषय पर रखा जाता है [1]। एक ईसीजी के कई उपयोग हैं और सर्जरी के दौरान हृदय की स्थिति, तनाव परीक्षण और अवलोकन के निदान में सहायता के लिए कार्य कर सकते हैं। एक ईसीजी दिल की धड़कन, अतालता, दिल का दौरा, और कई अन्य अनुभवों और बीमारियों [1] में भी बदलाव का पता लगा सकता है। ईसीजी द्वारा मापा जाने वाला कार्डियक सिग्नल तीन अलग-अलग तरंगों का उत्पादन करता है जो कार्यशील हृदय की लाइव फीड को दर्शाते हैं। ये ऊपर की छवि में दिखाए गए हैं।

इस परियोजना का उद्देश्य एक ऐसा उपकरण बनाना है जो आउटपुट जनरेटर या मानव से ईसीजी सिग्नल प्राप्त कर सके और शोर को खत्म करते हुए सिग्नल को पुन: उत्पन्न कर सके। सिस्टम का आउटपुट बीपीएम की गणना भी करेगा।

आएँ शुरू करें!

चरण 1: सभी सामग्री इकट्ठा करें

इस ईसीजी को बनाने के लिए, हम एक ऐसी प्रणाली तैयार करेंगे जिसमें दो प्रमुख भाग होंगे, सर्किट और लैबव्यू सिस्टम। सर्किट का उद्देश्य यह सुनिश्चित करना है कि हमें वह संकेत मिल रहा है जो हम चाहते हैं। बहुत अधिक परिवेशीय शोर है जो हमारे ईसीजी सिग्नल को बाहर निकाल सकता है, इसलिए हमें अपने सिग्नल को बढ़ाने के साथ-साथ किसी भी शोर को फ़िल्टर करने की आवश्यकता है। सर्किट के माध्यम से सिग्नल को फ़िल्टर और प्रवर्धित करने के बाद, हम एक लैबव्यू प्रोग्राम को परिष्कृत सिग्नल भेज सकते हैं जो तरंग को प्रदर्शित करेगा और साथ ही बीपीएम की गणना करेगा। इस परियोजना के लिए निम्नलिखित सामग्री आवश्यक है:

-रेसिस्टर, कैपेसिटर, और ऑपरेशनल एम्पलीफायर (op-amps - UA741 का इस्तेमाल किया गया) विद्युत घटक

-बिल्डिंग और टेस्टिंग के लिए सोल्डरलेस ब्रेडबोर्ड

-ऑप-एम्प्स को बिजली प्रदान करने के लिए डीसी बिजली की आपूर्ति

बायोइलेक्ट्रिक सिग्नल की आपूर्ति के लिए फंक्शन जनरेटर

-ऑसिलोस्कोप इनपुट सिग्नल देखने के लिए

-DAQ बोर्ड सिग्नल को एनालॉग से डिजिटल में बदलने के लिए

आउटपुट सिग्नल के अवलोकन के लिए लैबव्यू सॉफ्टवेयर

-बीएनसी और वेरिएबल एंड लीड केबल्स

चरण 2: सर्किट डिजाइन करना

जैसा कि हमने अभी चर्चा की, हमारे सिग्नल को फ़िल्टर और बढ़ाना दोनों आवश्यक है। ऐसा करने के लिए, हम अपने सर्किट के 3 अलग-अलग चरणों को स्थापित कर सकते हैं। सबसे पहले, हमें अपने सिग्नल को बढ़ाना होगा। यह एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर का उपयोग करके किया जा सकता है। इस तरह, हमारे इनपुट सिग्नल को अंतिम उत्पाद में काफी बेहतर देखा जा सकता है। फिर हमें इस इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के साथ श्रृंखला में एक पायदान फिल्टर की आवश्यकता है। नॉच फिल्टर का इस्तेमाल हमारे पावर सोर्स से आने वाले शोर को खत्म करने के लिए किया जाएगा। उसके बाद, हमारे पास कम पास फ़िल्टर हो सकता है। चूंकि ईसीजी रीडिंग आमतौर पर कम आवृत्ति के होते हैं, हम उन सभी आवृत्तियों को काटना चाहते हैं जो एक आवृत्ति पर होती हैं जो हमारी ईसीजी रीडिंग सीमा से बाहर होती हैं, इसलिए हम एक कम पास फिल्टर का उपयोग करते हैं। इन चरणों को निम्नलिखित चरणों में अधिक विस्तार से समझाया गया है।

यदि आप अपने सर्किट से परेशान हैं, तो अपने सर्किट को ऑनलाइन प्रोग्राम में अनुकरण करना सबसे अच्छा है। इस तरह, आप यह देखने के लिए जांच कर सकते हैं कि प्रतिरोधक और संधारित्र मानों के लिए आपकी गणना सही है या नहीं।

चरण 3: इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर डिजाइन करना

बायोइलेक्ट्रिक सिग्नल को अधिक कुशलता से देखने के लिए, सिग्नल को बढ़ाना होगा। इस परियोजना के लिए, कुल मिलाकर हासिल करने के लिए 1000 वी/वी है। इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर से निर्दिष्ट लाभ तक पहुंचने के लिए, सर्किट के लिए प्रतिरोध मूल्यों की गणना निम्नलिखित समीकरणों द्वारा की गई थी:

(चरण १) K1 = १ + ((२ * R2) / R1)

(चरण 2) K2 = -R4 / R3

जहां समग्र लाभ की गणना के लिए प्रत्येक चरण को गुणा किया जाता है। १००० V/V का लाभ बनाने के लिए चुने गए प्रतिरोधक मान R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms और R4 = 330 kOhms हैं। भौतिक सर्किट के ऑप-एम्प्स को शक्ति देने के लिए +/- 15 वी (वर्तमान सीमा को कम रखते हुए) की वोल्टेज रेंज देने के लिए डीसी बिजली की आपूर्ति का उपयोग करें। यदि आप प्रतिरोधों के वास्तविक मूल्यों की जांच करना चाहते हैं, या निर्माण से पहले इस लाभ को प्राप्त करना चाहते हैं, तो आप ऑनलाइन पीएसपीइस या सर्किटलैब जैसे प्रोग्राम का उपयोग करके सर्किट का अनुकरण कर सकते हैं, या किसी दिए गए इनपुट सिग्नल वोल्टेज के साथ एक ऑसिलोस्कोप का उपयोग कर सकते हैं और सही की जांच कर सकते हैं। भौतिक एम्पलीफायर बनाने के बाद लाभ। सर्किट को चलाने के लिए फंक्शन जनरेटर और ऑसिलोस्कोप को एम्पलीफायर से कनेक्ट करें।

ऊपर दी गई तस्वीर दर्शाती है कि सिमुलेशन सॉफ्टवेयर PSpice में सर्किट कैसा दिखता है। यह जांचने के लिए कि आपका सर्किट ठीक से काम कर रहा है, फ़ंक्शन जनरेटर से सर्किट के माध्यम से और ऑसिलोस्कोप तक 1 kHz 10 mV पीक-टू-पीक साइन वेव की आपूर्ति करें। आस्टसीलस्कप पर एक 10 वी पीक-टू-पीक साइन वेव देखी जानी चाहिए।

चरण 4: नॉच फ़िल्टर डिज़ाइन करना

इस सर्किट से निपटने के दौरान एक विशिष्ट समस्या यह है कि संयुक्त राज्य अमेरिका में बिजली आपूर्ति लाइनों द्वारा 60 हर्ट्ज शोर संकेत का उत्पादन किया जाता है। इस शोर को दूर करने के लिए, सर्किट में इनपुट सिग्नल को 60 हर्ट्ज पर फ़िल्टर करना पड़ता है, और ऐसा करने का इससे बेहतर तरीका क्या हो सकता है कि नॉच फिल्टर हो!

एक पायदान फ़िल्टर (ऊपर दर्शाया गया सर्किट) एक निश्चित प्रकार का विद्युत फ़िल्टर है जिसका उपयोग सिग्नल से एक विशिष्ट आवृत्ति को हटाने के लिए किया जा सकता है। 60 हर्ट्ज सिग्नल को हटाने के लिए, हमने निम्नलिखित समीकरणों की गणना की:

आर1 = 1 / (2 * क्यू * डब्ल्यू * सी)

आर2 = (2 * क्यू) / (डब्ल्यू * सी)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

क्यू = डब्ल्यू / बी

बी = डब्ल्यू2 - डब्ल्यू1

एक सटीक सटीक फिल्टर डिजाइन करने के लिए 8 के गुणवत्ता कारक (क्यू) का उपयोग करना, आसान असेंबली के लिए 0.033 यूफैराड का एक समाई (सी) और 2 * पीआई * 60 हर्ट्ज की केंद्र आवृत्ति (डब्ल्यू) का उपयोग करना। इसने प्रतिरोधों R1 = 5.024 kOhms, R2 = 1.2861 MOhms, और R3 = 5.004 kOhms के लिए सफलतापूर्वक मूल्यों की गणना की, और इनपुट बायोइलेक्ट्रिक सिग्नल से 60 हर्ट्ज आवृत्ति को हटाने के लिए सफलतापूर्वक एक फ़िल्टर बनाया। यदि आप फ़िल्टर की जांच करना चाहते हैं, तो आप ऑनलाइन PSpice या circuitLab जैसे प्रोग्राम का उपयोग करके सर्किट का अनुकरण कर सकते हैं, या किसी दिए गए इनपुट सिग्नल वोल्टेज के साथ एक ऑसिलोस्कोप का उपयोग कर सकते हैं और भौतिक एम्पलीफायर बनाने के बाद हटाए गए सिग्नल की जांच कर सकते हैं। सर्किट को चलाने के लिए फंक्शन जनरेटर और ऑसिलोस्कोप को एम्पलीफायर से कनेक्ट करें।

इस सर्किट के साथ 1 वी पीक-टू-पीक सिग्नल पर 1 हर्ट्ज से 1 किलोहर्ट्ज़ तक की आवृत्तियों पर एसी स्वीप करने से आउटपुट प्लॉट में 60 हर्ट्ज पर "नॉच" प्रकार की सुविधा मिलनी चाहिए, जिसे इनपुट से हटा दिया जाता है संकेत।

चरण 5: लो पास फिल्टर डिजाइन करना

सर्किट का अंतिम चरण निम्न पास फ़िल्टर है, विशेष रूप से दूसरा ऑर्डर बटरवर्थ लो-पास फ़िल्टर। इसका उपयोग हमारे ईसीजी सिग्नल को अलग करने के लिए किया जाता है। ईसीजी तरंग आमतौर पर 0 से ~ 100 हर्ट्ज की आवृत्ति सीमा के भीतर होती है। इसलिए, हम 100 हर्ट्ज की कटऑफ आवृत्ति और 8 के गुणवत्ता कारक के आधार पर हमारे प्रतिरोधी और संधारित्र मूल्यों की गणना करते हैं, जो हमें अपेक्षाकृत सटीक फ़िल्टर प्रदान करेगा।

R1=2/(w[aC2+sqrt(a2+4b(K-1))

C2^2-4b*C1*C2) R2=1/(b*C1*C2*R1*w^2)

C1 <= C2[a^2+4b(K-1)]/4b

हमने जिन मानों की गणना की, वे R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 माइक्रोफ़ारड, और C2 = 0.045 माइक्रोफ़ारड थे। + और - 15V के DC वोल्टेज के साथ op-amps को पावर दें। यदि आप फ़िल्टर की जांच करना चाहते हैं, तो आप ऑनलाइन PSpice या circuitLab जैसे प्रोग्राम का उपयोग करके सर्किट का अनुकरण कर सकते हैं, या किसी दिए गए इनपुट सिग्नल वोल्टेज के साथ एक ऑसिलोस्कोप का उपयोग कर सकते हैं और भौतिक एम्पलीफायर बनाने के बाद हटाए गए सिग्नल की जांच कर सकते हैं। सर्किट को चलाने के लिए फंक्शन जनरेटर और ऑसिलोस्कोप को एम्पलीफायर से कनेक्ट करें। कटऑफ आवृत्ति पर, आपको -3 डीबी का परिमाण देखना चाहिए। यह इंगित करता है कि आपका सर्किट सही ढंग से काम कर रहा है।

चरण 6: लैब व्यू सेट करना

अब जबकि सर्किट बन गया है, हम अपने सिग्नल की व्याख्या करने में सक्षम होना चाहते हैं। ऐसा करने के लिए, हम LabVIEW का उपयोग कर सकते हैं। सर्किट से सिग्नल प्राप्त करने के लिए एक DAQ सहायक का उपयोग किया जा सकता है। LabVIEW खोलने के बाद, ऊपर दिए गए चित्र में दिखाए अनुसार सर्किट सेट करें। DAQ सहायक इस इनपुट रीडिंग को सर्किट से लेगा और सिग्नल वेवफॉर्म ग्राफ पर जाएगा। यह आपको ईसीजी तरंग देखने की अनुमति देगा!

आगे हम बीपीएम की गणना करना चाहते हैं। ऊपर दिया गया सेट अप आपके लिए यह करेगा। प्रोग्राम पहले आने वाले ईसीजी सिग्नल के अधिकतम मूल्यों को लेकर कार्य करता है। थ्रेशोल्ड मान हमें उन सभी नए मूल्यों का पता लगाने देता है जो हमारे अधिकतम मूल्य के प्रतिशत तक पहुँचते हैं (इस मामले में, 90%)। फिर इन मानों के स्थान अनुक्रमणिका सरणी में भेजे जाते हैं। चूंकि अनुक्रमण 0 से शुरू होता है, हम 0वां और पहला बिंदु लेना चाहते हैं और उनके बीच के समय में परिवर्तन की गणना करना चाहते हैं। यह हमें बीट्स के बीच का समय देता है। फिर हम उस डेटा को बीपीएम खोजने के लिए एक्सट्रपलेशन करते हैं। विशेष रूप से, यह डीटी तत्व से आउटपुट को गुणा करके और इंडेक्सिंग सरणी में दो मानों के बीच घटाव के आउटपुट को गुणा करके और फिर 60 से विभाजित करके किया जाता है (चूंकि हम मिनटों में परिवर्तित हो रहे हैं)।

चरण 7: यह सब कनेक्ट करें और इसका परीक्षण करें

सर्किट को DAQ बोर्ड के इनपुट से कनेक्ट करें। अब जो संकेत आप इनपुट करेंगे वह सर्किट के माध्यम से DAQ बोर्ड तक जाएगा और LabVIEW प्रोग्राम तरंग और परिकलित BPM को आउटपुट करेगा।

बधाई!