instructables Design et funktionelt EKG med automatiseret plotning af biosignalet
Design et funktionelt EKG med automatiseret plotning af biosignalet
Dette projekt kombinerer alt det lærte dette semester og anvender det på én enkelt opgave. Vores opgave er at skabe et kredsløb, der kan bruges som et elektrokardiogram (EKG) ved hjælp af en instrumentering amplifier, lavpasfilter og notch-fi lter. Et EKG bruger elektroder placeret på en person til at måle og vise hjerteaktiviteten. Beregninger blev lavet baseret på det gennemsnitlige voksenhjerte, og de originale kredsløbsskemaer blev lavet på LTSpice for at verificere forstærknings- og afskæringsfrekvenser. Målene for dette designprojekt er som følger:
- Anvend instrumenteringsfærdigheder lært i laboratoriet dette semester
- Design, byg og verificer funktionaliteten af en signalopsamlingsenhed
- Valider enheden på et menneskeligt emne
Forsyninger:
- LTSpice simulator (eller lignende software) Breadboard
- Forskellige modstande
- Forskellige kondensatorer
- Opamps
- Elektrode ledninger
- Input voltage kilde
- Enhed til at måle output voltage (dvs. oscilloskop)
Trin 1: Foretag beregningerne for hver kredsløbskomponent
Billederne ovenfor viser beregningerne for hvert kredsløb. Nedenfor forklares mere om komponenterne og de udførte beregninger.
Instrumentering Amplivligere
En instrumentering amplifier, eller IA, hjælper med at give en stor mængde forstærkning til signaler på lavt niveau. Det hjælper med at øge størrelsen af signalet, så det er mere synligt, og bølgeformen kan analyseres.
Til beregninger valgte vi to tilfældige modstandsværdier for R1 og R2, som er henholdsvis 5 kΩ og 10 kΩ. Vi ønsker også, at forstærkningen skal være 1000, så signalet bliver lettere at analysere. Forholdet for R3 og R4 løses derefter ved følgende ligning:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Vi brugte derefter dette forhold til at bestemme, hvad hver modstandsværdi vil være. Værdierne er som følger:
R3 = 1 kΩ
Hakfilter
Et notch-filter dæmper signaler inden for et smalt frekvensbånd eller fjerner en enkelt frekvens. Frekvensen, vi ønsker at fjerne i dette tilfælde, er 60 Hz, fordi det meste støj produceret af elektroniske enheder er på den frekvens. AQ-faktor er forholdet mellem centerfrekvensen og båndbredden, og den hjælper også med at beskrive formen på størrelsesplottet. En større Q-faktor resulterer i et smallere stopbånd. Til beregninger vil vi bruge en Q-værdi på 8.
Vi besluttede at vælge kondensatorværdier, vi havde. Så C1 = C2 = 0.1 uF, og C2 = 0.2 uF.
De ligninger, vi vil bruge til at beregne R1, R2 og R3, er som følger:
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
Lavpas filter
Et lavpasfilter dæmper høje frekvenser og tillader samtidig lavere frekvenser at passere igennem. Afskæringsfrekvensen vil have en værdi på 150 Hz, fordi det er den korrekte EKG-værdi for voksne. Forstærkningen (K-værdien) vil også være 1, og konstanterne a og b er henholdsvis 1.414214 og 1.
Vi valgte C1 til at være lig med 68 nF, fordi vi havde den kondensator. Til nd C2 brugte vi følgende ligning:
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
Derfor valgte vi C2 til at være lig med 0.15 uF
For at beregne de to modstandsværdier var vi nødt til at bruge følgende ligninger:
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
Trin 2: Opret skemaer på LTSpice
Alle tre komponenter blev oprettet og kørte individuelt på LTSpice med en AC-sweep-analyse. De anvendte værdier er dem, vi beregnede i trin 1.
Trin 3: Byg instrumenteringen Ampliger
Vi byggede instrumenteringen amplifier på brødbrættet ved at følge skemaet på LTSpice. Når først det var bygget, blev input (gul) og output (grøn) voltages blev vist. Den grønne linje har kun en gevinst på 743.5X sammenlignet med den gule linje.
Trin 4: Byg notch-filteret
Dernæst byggede vi hakfilteret på brødbrættet baseret på skemaet lavet på LTSpice. Det blev bygget ved siden af IA-kredsløbet. Vi optog derefter input og output voltage-værdier ved forskellige frekvenser for at bestemme størrelsen. Derefter tegnede vi størrelse vs. frekvens på plottet for at sammenligne det med LTSpice-simuleringen. Det eneste vi ændrede var værdierne af C3 og R2, som er henholdsvis 0.22 uF og 430 kΩ. Igen er frekvensen den fjerner 60 Hz.
Trin 5: Byg lavpasfilteret
Vi byggede derefter lavpasfilteret på breadboardet ud fra skemaet på LTSpice ved siden af notch-filteret. Vi optog derefter input og output voltages ved forskellige frekvenser for at bestemme størrelsen. Derefter plottede vi størrelsen og frekvensen for at sammenligne det med LTSpice-simuleringen. Den eneste værdi, vi ændrede for dette filter, var C2, som er 0.15 uF. Afskæringsfrekvensen, vi verificerede, er 150 Hz.
Trin 6: Test på et menneskeligt emne
Forbind først de tre individuelle komponenter i kredsløbet sammen. Test det derefter med et simuleret hjerteslag for at sikre, at alt fungerer. Placer derefter elektroderne på individet, så det positive er på højre håndled, negative er på venstre ankel, og jorden er på højre ankel. Når personen er klar, skal du tilslutte et 9V batteri for at drive opamps og vise udgangssignalet. Bemærk, at personen skal forblive meget stille i ca. 10 sekunder for at få en nøjagtig aflæsning.
Tillykke, du har oprettet et automatiseret EKG!
Dokumenter/ressourcer
 |
instructables Design et funktionelt EKG med automatiseret plotning af biosignalet [pdf] Instruktioner Design et funktionelt EKG med automatiseret plotning af biosignalet, design et funktionelt EKG, funktionelt EKG, plotning af biosignalet |
