instructables Dizajnirajte funkcionalni EKG s automatiziranim crtanjem biosignala
Dizajnirajte funkcionalni EKG s automatiziranim crtanjem biosignala
Ovaj projekt kombinira sve naučeno u ovom semestru i primjenjuje na jedan zadatak. Naš zadatak je stvoriti krug koji se može koristiti kao elektrokardiogram (EKG) pomoću instrumenata amppojačavač, niskopropusni filtar i filtar s usjecima. EKG koristi elektrode postavljene na osobu za mjerenje i prikaz aktivnosti srca. Izračuni su napravljeni na temelju prosječnog srca odrasle osobe, a originalne sheme strujnog kruga stvorene su na LTSpice-u kako bi se provjerilo pojačanje i granične frekvencije. Ciljevi ovog dizajnerskog projekta su sljedeći:
- Primijenite instrumentacijske vještine stečene u laboratoriju ovog semestra
- Dizajnirajte, izradite i provjerite funkcionalnost uređaja za prikupljanje signala
- Validirajte uređaj na ljudskom subjektu
Pribor:
- LTSpice simulator (ili sličan softver) Breadboard
- Razni otpornici
- Razni kondenzatori
- Opamps
- Žice za elektrode
- Ulazni voltage izvor
- Uređaj za mjerenje voltage (tj. osciloskop)
Korak 1: Napravite izračune za svaku komponentu kruga
Gornje slike prikazuju izračune za svaki krug. U nastavku je objašnjeno više o komponentama i izvršenim izračunima.
Instrumentacija Amplifter
Instrumentacija amplifier, ili IA, pomaže osigurati veliku količinu pojačanja za signale niske razine. Pomaže povećati veličinu signala kako bi bio vidljiviji i kako bi se valni oblik mogao analizirati.
Za izračune smo odabrali dvije slučajne vrijednosti otpornika za R1 i R2, koje su 5 kΩ odnosno 10 kΩ. Također želimo da pojačanje bude 1000 kako bi signal bilo lakše analizirati. Omjer za R3 i R4 se zatim rješava sljedećom jednadžbom:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Zatim smo upotrijebili taj omjer da odlučimo koja će biti vrijednost svakog otpornika. Vrijednosti su sljedeće:
R3 = 1 kΩ
Zarezni filtar
Notch filter prigušuje signale unutar uskog pojasa frekvencija ili uklanja jednu frekvenciju. Frekvencija koju želimo ukloniti u ovom slučaju je 60 Hz jer je većina buke koju proizvode elektronički uređaji na toj frekvenciji. AQ faktor je omjer središnje frekvencije i propusnosti, a također pomaže u opisivanju oblika dijagrama magnitude. Veći Q faktor rezultira užim pojasom zaustavljanja. Za izračune ćemo koristiti Q vrijednost od 8.
Odlučili smo odabrati vrijednosti kondenzatora koje imamo. Dakle, C1 = C2 = 0.1 uF, a C2 = 0.2 uF.
Jednadžbe 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
Niskopropusni filtar
Niskopropusni filtar prigušuje visoke frekvencije dok dopušta prolaz nižim frekvencijama. Granična frekvencija će imati vrijednost od 150 Hz jer je to ispravna EKG vrijednost za odrasle. Također, dobitak (K vrijednost) će biti 1, a konstante a i b su 1.414214 odnosno 1.
Odabrali smo C1 da bude jednak 68 nF jer smo imali taj kondenzator. Da bismo pronašli C2 koristili smo sljedeću jednadžbu:
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 odabrali C2 jednak 0.15 uF
Da bismo izračunali dvije vrijednosti otpornika, morali smo koristiti sljedeće jednadžbe:
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: Napravite sheme na LTSpice-u
Sve tri komponente su stvorene i pokrenute pojedinačno na LTSpice-u s AC analizom. Korištene vrijednosti su one koje smo izračunali u 1. koraku.
Korak 3: Izgradite instrumentaciju Amplifer
Napravili smo instrumente amplifier na matičnoj ploči slijedeći shemu na LTSpice. Nakon što je izgrađen, ulaz (žuto) i izlaz (zeleno) voltagprikazani su. Zelena linija ima samo dobitak od 743.5X u usporedbi sa žutom linijom.
Korak 4: Izgradite Notch Filter
Zatim smo napravili filtar s urezima na matičnoj ploči na temelju sheme napravljene na LTSpice-u. Sagrađena je uz IA krug. Zatim smo snimili input i output voltage vrijednosti na različitim frekvencijama za određivanje veličine. Zatim smo prikazali graf magnitude u odnosu na frekvenciju na dijagramu kako bismo ga usporedili sa LTSpice simulacijom. Jedino što smo promijenili su vrijednosti C3 i R2 koje iznose 0.22 uF odnosno 430 kΩ. Opet, frekvencija koju uklanja je 60 Hz.
Korak 5: Izgradite niskopropusni filtar
Zatim smo izgradili niskopropusni filtar na matičnoj ploči na temelju sheme na LTSpice-u pored filtra s urezima. Zatim smo snimili ulazni i izlazni voltagna različitim frekvencijama za određivanje veličine. Zatim smo iscrtali magnitudu i frekvenciju kako bismo je usporedili sa LTSpice simulacijom. Jedina vrijednost koju smo promijenili za ovaj filter bila je C2 koja iznosi 0.15 uF. Granična frekvencija koju smo provjeravali je 150 Hz.
Korak 6: Test na ljudskom subjektu
Prvo spojite tri pojedinačne komponente kruga. Zatim ga testirajte simuliranim otkucajima srca kako biste bili sigurni da sve radi. Zatim postavite elektrode na osobu tako da pozitivna bude na desnom zglobu, negativna na lijevom gležnju, a uzemljenje na desnom gležnju. Kada je osoba spremna, spojite bateriju od 9 V za napajanje operativnog sustavaamps i prikazati izlazni signal. Imajte na umu da bi osoba trebala ostati vrlo mirna oko 10 sekundi kako bi dobila točna očitanja.
Čestitamo, uspješno ste izradili automatizirani EKG!
Dokumenti / Resursi
 |
instructables Dizajnirajte funkcionalni EKG s automatiziranim crtanjem biosignala [pdfUpute Dizajnirajte funkcionalni EKG s automatiziranim crtanjem biosignala, dizajnirajte funkcionalni EKG, funkcionalni EKG, crtajte biosignal |
