instructables Navrhněte funkční EKG s automatickým vykreslováním biosignálu
Navrhněte funkční EKG s automatickým vykreslováním biosignálu
Tento projekt spojuje vše, co jsme se v tomto semestru naučili, a aplikuje to na jeden jediný úkol. Naším úkolem je vytvořit obvod, který lze použít jako elektrokardiogram (EKG) pomocí přístrojů ampfiltr, dolní propust a vrubový filtr. EKG využívá elektrody umístěné na jednotlivci k měření a zobrazení srdeční aktivity. Výpočty byly provedeny na základě průměrného dospělého srdce a původní schémata obvodu byla vytvořena na LTSpice pro ověření zisku a mezní frekvence. Cíle tohoto designového projektu jsou následující:
- Aplikujte instrumentační dovednosti získané v laboratoři v tomto semestru
- Navrhněte, postavte a ověřte funkčnost zařízení pro sběr signálu
- Ověřte zařízení na lidském subjektu
Potřeby:
- Simulátor LTSpice (nebo podobný software) Breadboard
- Různé odpory
- Různé kondenzátory
- Opamps
- Dráty elektrod
- Vstupní objemtage zdroj
- Zařízení pro měření výstupního objtage (tj. osciloskop)
Krok 1: Proveďte výpočty pro každou součást obvodu
Výše uvedené obrázky ukazují výpočty pro každý okruh. Níže vysvětluje více o komponentách a provedených výpočtech.
Instrumentace Ampdoživotní
Přístrojové vybavení amplifier, nebo IA, pomáhá zajistit velké množství zisku pro nízkoúrovňové signály. Pomáhá zvětšit velikost signálu, takže je viditelnější a lze analyzovat tvar vlny.
Pro výpočty jsme zvolili dvě náhodné hodnoty rezistoru pro R1 a R2, které jsou 5 kΩ a 10 kΩ. Také chceme, aby zisk byl 1000, takže signál bude snazší analyzovat. Poměr pro R3 a R4 pak řeší následující rovnice:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Tento poměr jsme pak použili k rozhodnutí, jaká bude hodnota každého odporu. Hodnoty jsou následující:
R3 = 1 kΩ
Filtr vrubů
Notch filtr zeslabuje signály v úzkém pásmu frekvencí nebo odstraňuje jednu frekvenci. Frekvence, kterou chceme v tomto případě odstranit, je 60 Hz, protože většina šumu produkovaného elektronickými zařízeními je na této frekvenci. Faktor AQ je poměr střední frekvence k šířce pásma a také pomáhá popsat tvar grafu velikosti. Větší faktor Q má za následek užší stop pásmo. Pro výpočty budeme používat hodnotu Q 8.
Rozhodli jsme se vybrat hodnoty kondenzátorů, které jsme měli. Takže C1 = C2 = 0.1 uF a C2 = 0.2 uF.
Rovnice, které budeme používat k výpočtu R1, R2 a R3, jsou následující:
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
Dolní propust
Dolní propust tlumí vysoké frekvence, zatímco umožňuje průchod nižším frekvencím. Mezní frekvence bude mít hodnotu 150 Hz, protože to je správná hodnota EKG pro dospělé. Také zisk (hodnota K) bude 1 a konstanty a a b jsou 1.414214 a 1, v tomto pořadí.
Vybrali jsme C1, aby se rovnal 68 nF, protože jsme měli tento kondenzátor. K nd C2 jsme použili následující rovnici:
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
Proto jsme zvolili C2, aby se rovnal 0.15 uF
Pro výpočet dvou hodnot rezistoru jsme museli použít následující rovnice:
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
Krok 2: Vytvořte schémata na LTSpice
Všechny tři komponenty byly vytvořeny a spuštěny jednotlivě na LTSpice s analýzou AC rozmítání. Použité hodnoty jsou ty, které jsme vypočítali v kroku 1.
Krok 3: Sestavte přístrojové vybavení Amplifer
Postavili jsme přístrojové vybavení amplifier na prkénku podle schématu na LTSpice. Jakmile byla postavena, vstup (žlutá) a výstupní (zelená) objtages byly zobrazeny. Zelená čára má pouze zisk 743.5X ve srovnání se žlutou čárou.
Krok 4: Sestavte Notch Filter
Dále jsme postavili zářezový filtr na prkénku podle schématu vytvořeného na LTSpice. Byl postaven vedle okruhu IA. Poté jsme zaznamenali vstupní a výstupní objtage hodnoty při různých frekvencích k určení velikosti. Poté jsme vynesli graf velikosti vs. frekvence do grafu, abychom to porovnali se simulací LTSpice. Jediné, co jsme změnili, byly hodnoty C3 a R2, které jsou 0.22 uF a 430 kΩ. Opět je frekvence, kterou odstraňuje, 60 Hz.
Krok 5: Sestavte nízkoprůchodový filtr
Poté jsme postavili dolní propust na prkénko na prkénko na základě schématu na LTSpice vedle zářezového filtru. Poté jsme zaznamenali vstupní a výstupní objtages na různých frekvencích k určení velikosti. Poté jsme vynesli velikost a frekvenci, abychom ji porovnali se simulací LTSpice. Jediná hodnota, kterou jsme u tohoto filtru změnili, byla C2, což je 0.15 uF. Mezní frekvence, kterou jsme ověřovali, je 150 Hz.
Krok 6: Test na lidském subjektu
Nejprve spojte tři jednotlivé součásti obvodu dohromady. Poté jej otestujte simulovaným srdečním tepem, abyste se ujistili, že vše funguje. Poté umístěte elektrody na jednotlivce tak, aby kladný pól byl na pravém zápěstí, záporný na levý kotník a zem na pravý kotník. Jakmile je jedinec připraven, připojte 9V baterii k napájení operaceampsa zobrazí výstupní signál. Všimněte si, že jedinec by měl zůstat v klidu po dobu asi 10 sekund, aby získal přesný údaj.
Gratulujeme, úspěšně jste vytvořili automatické EKG!
Dokumenty / zdroje
 |
instructables Navrhněte funkční EKG s automatickým vykreslováním biosignálu [pdfPokyny Navrhněte funkční EKG s automatickým vykreslováním biosignálu, navrhněte funkční EKG, funkční EKG, vykreslujte biosignál |
