instructables Suunnittele toiminnallinen EKG biosignaalin automaattisella piirtämisellä
Suunnittele toimiva EKG biosignaalin automaattisella piirtämisellä
Tämä projekti yhdistää kaiken tällä lukukaudella opitun ja soveltaa sitä yhteen tehtävään. Tehtävämme on luoda piiri, jota voidaan käyttää elektrokardiogrammina (EKG) instrumenttien avulla. ampnostin, alipäästösuodatin ja lovisuodatin. EKG käyttää yksilölle asetettuja elektrodeja sydämen toiminnan mittaamiseen ja näyttämiseen. Laskelmat tehtiin keskimääräisen aikuisen sydämen perusteella, ja alkuperäiset piirikaaviot luotiin LTSpicelle vahvistuksen ja rajataajuuksien tarkistamiseksi. Tämän suunnitteluprojektin tavoitteet ovat seuraavat:
- Käytä laboratoriossa opittuja instrumentointitaitoja tällä lukukaudella
- Suunnittele, rakenna ja tarkista signaalinkeräyslaitteen toimivuus
- Vahvista laite ihmiselle
Tarvikkeet:
- LTSpice-simulaattori (tai vastaava ohjelmisto) Breadboard
- Erilaisia vastuksia
- Erilaisia kondensaattoreita
- Opamps
- Elektrodi johdot
- Tulo voltage lähde
- Laite mittaamaan lähtötilavuuttatage (eli oskilloskooppi)
Vaihe 1: Tee laskelmat kullekin piirikomponentille
Yllä olevat kuvat näyttävät kunkin piirin laskelmat. Alla kerrotaan lisää komponenteista ja tehdyistä laskelmista.
Instrumentointi Ampelävämpi
Instrumentointi amplifier tai IA auttaa tarjoamaan suuren määrän vahvistusta matalan tason signaaleille. Se auttaa lisäämään signaalin kokoa, jotta se on näkyvämpi ja aaltomuoto voidaan analysoida.
Valitsimme laskelmia varten kaksi satunnaista vastuksen arvoa R1:lle ja R2:lle, jotka ovat vastaavasti 5 kΩ ja 10 kΩ. Haluamme myös vahvistuksen olevan 1000, jotta signaalia on helpompi analysoida. R3:n ja R4:n suhde ratkaistaan sitten seuraavalla yhtälöllä:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Käytimme sitten tätä suhdetta päättääksemme, mikä kunkin vastuksen arvo on. Arvot ovat seuraavat:
R3 = 1 kΩ
Lovisuodatin
Lovisuodatin vaimentaa signaaleja kapealla taajuuskaistalla tai poistaa yhden taajuuden. Taajuus, jonka haluamme poistaa tässä tapauksessa, on 60 Hz, koska suurin osa elektronisten laitteiden tuottamasta melusta on tällä taajuudella. AQ-tekijä on keskitaajuuden suhde kaistanleveyteen, ja se auttaa myös kuvaamaan suuruuskäyrän muotoa. Suurempi Q-kerroin johtaa kapeampaan pysäytyskaistaan. Laskennassa käytämme Q-arvoa 8.
Päätimme valita kondensaattoriarvot, jotka meillä oli. Joten C1 = C2 = 0.1 uF ja C2 = 0.2 uF.
Yhtälöt, joita käytämme laskemaan R1, R2 ja R3, ovat seuraavat:
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
Alipäästösuodatin
Alipäästösuodatin vaimentaa korkeita taajuuksia ja päästää matalampien taajuuksien läpi. Rajataajuuden arvo on 150 Hz, koska se on oikea EKG-arvo aikuisille. Myös vahvistus (K-arvo) on 1, ja vakiot a ja b ovat 1.414214 ja 1, vastaavasti.
Valitsimme C1:n arvoksi 68 nF, koska meillä oli tuo kondensaattori. Kohdassa C2 käytimme seuraavaa yhtälöä:
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
Siksi valitsimme C2:n arvoksi 0.15 uF
Kahden vastuksen arvon laskemiseksi meidän piti käyttää seuraavia yhtälöitä:
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
Vaihe 2: Luo kaavioita LTSpicessä
Kaikki kolme komponenttia luotiin ja ajettiin erikseen LTSpicessä AC-pyyhkäisyanalyysillä. Käytetyt arvot ovat niitä, jotka laskemme vaiheessa 1.
Vaihe 3: Rakenna instrumentointi Ampnestemäisempi
Rakensimme instrumentoinnin ampnostin leipälevylle noudattamalla LTSpicen kaaviota. Kun se on rakennettu, tulo (keltainen) ja lähtö (vihreä) voltages näytettiin. Vihreällä viivalla on vain 743.5X voitto keltaiseen viivaan verrattuna.
Vaihe 4: Rakenna Notch-suodatin
Seuraavaksi rakensimme koepalevylle lovetun suodattimen LTSpicellä tehdyn kaavion perusteella. Se rakennettiin IA-piirin viereen. Sitten nauhoitimme sisääntulon ja ulostulon voltage arvot eri taajuuksilla suuruuden määrittämiseksi. Sitten piirtimme käyrälle suuruuden vs. taajuuden vertaillaksemme sitä LTSpice-simulaatioon. Ainoa asia, jonka muutimme, oli C3:n ja R2:n arvot, jotka ovat vastaavasti 0.22 uF ja 430 kΩ. Jälleen sen poistama taajuus on 60 Hz.
Vaihe 5: Rakenna alipäästösuodatin
Rakensimme sitten alipäästösuodattimen leipälevylle LTSpicen kaavion perusteella lovisuodattimen viereen. Sitten nauhoitimme tulon ja lähdön voltages eri taajuuksilla suuruuden määrittämiseksi. Sitten piirtimme suuruuden ja taajuuden vertaillaksemme sitä LTSpice-simulaatioon. Ainoa arvo, jonka muutimme tälle suodattimelle, oli C2, joka on 0.15 uF. Tarkastamamme rajataajuus on 150 Hz.
Vaihe 6: Testi ihmiskohteessa
Yhdistä ensin piirin kolme yksittäistä komponenttia yhteen. Testaa sitten sitä simuloidulla sydämenlyönnillä varmistaaksesi, että kaikki toimii. Aseta sitten elektrodit henkilön päälle siten, että positiivinen on oikeassa ranteessa, negatiivinen on vasemmassa nilkassa ja maa on oikeassa nilkassa. Kun henkilö on valmis, kytke 9 V:n akku virransyöttöönamps ja näyttää lähtösignaalin. Huomaa, että henkilön tulee pysyä hyvin paikallaan noin 10 sekuntia saadakseen tarkan lukeman.
Onnittelut, olet onnistuneesti luonut automaattisen EKG:n!
Asiakirjat / Resurssit
 |
instructables Suunnittele toiminnallinen EKG biosignaalin automaattisella piirtämisellä [pdfOhjeet Suunnittele toiminnallinen EKG automaattisella biosignaalin piirtämisellä, suunnittele toiminnallinen EKG, toiminnallinen EKG, biosignaalin piirtäminen |
