instructables Dizajnirajte funkcionalni EKG sa automatskim crtanjem biosignala
Dizajnirajte funkcionalni EKG sa automatskim crtanjem biosignala
Ovaj projekat kombinuje sve naučeno u ovom semestru i primenjuje na jedan zadatak. Naš zadatak je da kreiramo kolo koje se može koristiti kao elektrokardiogram (EKG) pomoću instrumenata. ampLifier, lowpass filter i notch filter. EKG koristi elektrode postavljene na osobu za mjerenje i prikaz srčane aktivnosti. Proračuni su napravljeni na osnovu prosječnog srca odrasle osobe, a originalne šeme kola su kreirane na LTSpice-u kako bi se provjerile pojačane i granične frekvencije. Ciljevi ovog dizajnerskog projekta su sljedeći:
- Primijenite vještine instrumentacije naučene u laboratoriji ovog semestra
- Dizajnirajte, izradite i provjerite funkcionalnost uređaja za akviziciju signala
- Potvrdite uređaj na ljudskom subjektu
Zalihe:
- LTSpice simulator (ili sličan softver) Breadboard
- Razni otpornici
- Razni kondenzatori
- Opamps
- Žice elektroda
- Ulazni voltage izvor
- Uređaj za mjerenje izlazne zapreminetage (tj. osciloskop)
Korak 1: Napravite proračune za svaku komponentu kola
Slike iznad prikazuju proračune za svaki krug. U nastavku se objašnjava više o komponentama i urađenim proračunima.
Instrumentacija Amplifier
Instrumentacija amplifier, ili IA, pomaže u obezbjeđivanju velike količine pojačanja za signale niskog nivoa. Pomaže povećati veličinu signala tako da bude vidljiviji i da se talasni oblik može analizirati.
Za proračune smo odabrali dvije nasumične vrijednosti otpornika za R1 i R2, koje su 5 kΩ i 10 kΩ, respektivno. Takođe želimo da pojačanje bude 1000, tako da će signal biti lakši za analizu. Omjer za R3 i R4 se tada rješava sljedećom jednadžbom:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Zatim smo koristili taj omjer da odlučimo koja će biti vrijednost svakog otpornika. Vrijednosti su sljedeće:
R3 = 1 kΩ
Notch Filter
Zarezni filter prigušuje signale unutar uskog opsega frekvencija ili uklanja jednu frekvenciju. Frekvencija koju želimo ukloniti u ovom slučaju je 60 Hz jer je većina buke koju proizvode elektronski uređaji na toj frekvenciji. AQ faktor je omjer centralne frekvencije i propusnog opsega, a također pomaže u opisu oblika grafikona magnitude. Veći Q faktor rezultira užim zaustavnim pojasom. Za proračune ćemo koristiti Q vrijednost 8.
Odlučili smo odabrati vrijednosti kondenzatora koje smo imali. Dakle, C1 = C2 = 0.1 uF, i C2 = 0.2 uF.
Jednačine koje ćemo koristiti za izračunavanje R1, R2 i R3 su sljedeće:
R1 = 1 / (4*pi*Q*f*C1) = 1 / (4*pi*8*60*0.1E-6) = 1.6 kΩ
R2 = (2*Q) / (2*pi*f*C1) = (2*8) / (2*pi*60*0.1E-6) = 424 kΩ
R3 = (R1*R2) / (R1 + R2) = (1.6*424) / (1.6 + 424) = 1.6 kΩ
Lowpass filter
Niskopropusni filtar prigušuje visoke frekvencije dok dozvoljava nižim frekvencijama da prođu. Granična frekvencija će imati vrijednost od 150 Hz jer je to ispravna EKG vrijednost za odrasle. Takođe, dobitak (K vrijednost) će biti 1, a konstante a i b su 1.414214 i 1, respektivno.
Izabrali smo C1 da bude jednak 68 nF jer smo imali taj kondenzator. Da bismo pronašli C2 koristili smo sljedeću jednačinu:
C2 >= (C2*4*b) / [a^2 + 4*b(K-1)] = (68E-9*4*1) / [1.414214^2 + 4*1(1-1)] –> C2 >= 1.36E-7
Stoga smo izabrali C2 da bude jednak 0.15 uF
Da bismo izračunali dvije vrijednosti otpornika, morali smo koristiti sljedeće jednačine:
R1 = 2 / (2*pi*f*[a*C2 + sqrt([a^2 + 4*b(K-1)]*C2^2 – 4*b*C1*C2)] = 7.7 kΩ
R2 = 1 / (b*C1*C2*R1*(2*pi*f)^2) = 14.4 kΩ
Korak 2: Kreirajte šeme na LTSpice
Sve tri komponente su kreirane i pokrenute pojedinačno na LTSpice uz analizu AC sweep. Korištene vrijednosti su one koje smo izračunali u koraku 1.
Korak 3: Izgradite instrumentaciju Amplakše
Napravili smo instrumentaciju ampLifier na matičnoj ploči prateći šemu na LTSpice. Nakon što je izgrađen, ulaz (žuti) i izlaz (zeleni) voltages su prikazani. Zelena linija ima samo dobit od 743.5X u poređenju sa žutom linijom.
Korak 4: Napravite Notch filter
Zatim smo napravili notch filter na matičnoj ploči na osnovu šeme napravljene na LTSpice. Izgrađena je uz IA kolo. Zatim smo snimili ulaznu i izlaznu voltage vrijednosti na različitim frekvencijama kako bi se odredila veličina. Zatim smo na dijagramu nacrtali magnitudu u odnosu na frekvenciju da bismo je uporedili sa LTSpice simulacijom. Jedino što smo promijenili su vrijednosti C3 i R2 koje su 0.22 uF i 430 kΩ, respektivno. Opet, frekvencija koju uklanja je 60 Hz.
Korak 5: Napravite filter niske frekvencije
Zatim smo sagradili niskopropusni filter na matičnoj ploči na osnovu šeme na LTSpice-u pored notch filtera. Zatim smo snimili ulaznu i izlaznu voltages na različitim frekvencijama kako bi se odredila veličina. Zatim smo nacrtali magnitudu i frekvenciju da bismo ih uporedili sa LTSpice simulacijom. Jedina vrijednost koju smo promijenili za ovaj filter bila je C2 koja je 0.15 uF. Granična frekvencija koju smo verifikovali je 150 Hz.
Korak 6: Test na ljudskom subjektu
Prvo povežite tri pojedinačne komponente kola zajedno. Zatim ga testirajte simuliranim otkucajima srca kako biste bili sigurni da sve radi. Zatim postavite elektrode na osobu tako da pozitiv bude na desnom zglobu, negativ na lijevom zglobu, a tlo na desnom zglobu. Kada je pojedinac spreman, priključite bateriju od 9 V za napajanje operativnog sistemaamps i prikažite izlazni signal. Imajte na umu da bi osoba trebala ostati vrlo mirna oko 10 sekundi da bi dobila tačno očitavanje.
Čestitamo, uspješno ste kreirali automatizirani EKG!
Dokumenti / Resursi
 |
instructables Dizajnirajte funkcionalni EKG sa automatskim crtanjem biosignala [pdfUpute Dizajnirajte funkcionalni EKG sa automatskim iscrtavanjem biosignala, dizajnirajte funkcionalni EKG, funkcionalni EKG, iscrtajte biosignal |
