instructables Progetta un ECG funzionale con il tracciato automatizzato del segnale biologico
Progettare un ECG funzionale con il tracciato automatizzato del segnale biologico
Questo progetto combina tutto ciò che è stato appreso in questo semestre e lo applica a un singolo compito. Il nostro compito è creare un circuito che sia in grado di essere utilizzato come elettrocardiogramma (ECG) utilizzando una strumentazione amplificatore, filtro passa-basso e filtro notch. Un ECG utilizza elettrodi posizionati su un individuo per misurare e visualizzare l'attività cardiaca. I calcoli sono stati effettuati sulla base del cuore adulto medio e gli schemi circuitali originali sono stati creati su LTSpice per verificare il guadagno e le frequenze di taglio. Gli obiettivi di questo progetto di design sono i seguenti:
- Applicare le abilità di strumentazione apprese in laboratorio questo semestre
- Progetta, costruisci e verifica la funzionalità di un dispositivo di acquisizione del segnale
- Convalidare il dispositivo su un soggetto umano
Forniture:
- Simulatore LTSpice (o software simile) Breadboard
- Vari resistori
- Vari condensatori
- Opamps
- Fili degli elettrodi
- Ingresso voltage fonte
- Dispositivo per misurare l'output voltage (ovvero oscilloscopio)
Fase 1: Fai i calcoli per ogni componente del circuito
Le immagini sopra mostrano i calcoli per ciascun circuito. Di seguito, spiega di più sui componenti e sui calcoli eseguiti.
Strumentazione Amppiù vivace
Una strumentazione amplifier, o IA, aiuta a fornire una grande quantità di guadagno per i segnali di basso livello. Aiuta ad aumentare la dimensione del segnale in modo che sia più visibile e la forma d'onda possa essere analizzata.
Per i calcoli, abbiamo scelto due valori di resistenza casuali per R1 e R2, che sono rispettivamente 5 kΩ e 10 kΩ. Vogliamo anche che il guadagno sia 1000 così il segnale sarà più facile da analizzare. Il rapporto per R3 e R4 viene quindi risolto dalla seguente equazione:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Abbiamo quindi utilizzato quel rapporto per decidere quale sarà il valore di ciascun resistore. I valori sono i seguenti:
R3 = 1 kΩ
Filtro Notch
Un filtro notch attenua i segnali all'interno di una stretta banda di frequenze o rimuove una singola frequenza. La frequenza che vogliamo rimuovere in questo caso è 60 Hz perché la maggior parte del rumore prodotto dai dispositivi elettronici è a quella frequenza. Il fattore AQ è il rapporto tra la frequenza centrale e la larghezza di banda e aiuta anche a descrivere la forma del grafico della magnitudine. Un fattore Q maggiore si traduce in una banda di arresto più stretta. Per i calcoli, useremo un valore Q di 8.
Abbiamo deciso di scegliere i valori dei condensatori che avevamo. Quindi, C1 = C2 = 0.1 uF e C2 = 0.2 uF.
Le equazioni che useremo per calcolare R1, R2 e R3 sono le seguenti:
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
Filtro passa basso
Un filtro passa-basso attenua le alte frequenze consentendo il passaggio delle frequenze più basse. La frequenza di taglio avrà un valore di 150 Hz perché questo è il valore ECG corretto per gli adulti. Inoltre, il guadagno (valore K) sarà 1 e le costanti a e b sono rispettivamente 1.414214 e 1.
Abbiamo scelto C1 uguale a 68 nF perché avevamo quel condensatore. Per trovare C2 abbiamo usato la seguente equazione:
DO2 >= (DO2*4*b) / [a^2 + 4*b(RE-1)] = (68E-9*4*1) / [1.414214^2 + 4*1(1-1)] –> DO2 >= 1.36E-7
Pertanto, abbiamo scelto C2 uguale a 0.15 uF
Per calcolare i valori dei due resistori, abbiamo dovuto utilizzare le seguenti equazioni:
R1 = 2 / (2*pi*f*[a*Do2 + sqrt([a^2 + 4*b(K-1)]*Do2^2 – 4*b*Do1*Do2)] = 7.7 kΩ
R2 = 1 / (b*DO1*DO2*R1*(2*pi*f)^2) = 14.4 kΩ
Fase 2: Crea schemi su LTSpice
Tutti e tre i componenti sono stati creati ed eseguiti individualmente su LTSpice con un'analisi AC sweep. I valori utilizzati sono quelli che abbiamo calcolato nel passaggio 1.
Fase 3: Costruisci la strumentazione Ampalleggerimento
Abbiamo costruito la strumentazione amplifier sulla breadboard seguendo lo schema su LTSpice. Una volta costruito, l'input (giallo) e l'output (verde) voltages sono stati visualizzati. La linea verde ha solo un guadagno di 743.5 volte rispetto alla linea gialla.
Fase 4: Costruisci il filtro Notch
Successivamente, abbiamo costruito il filtro notch sulla breadboard basandoci sullo schema realizzato su LTSpice. È stato costruito accanto al circuito IA. Abbiamo quindi registrato input e output voltage valori a varie frequenze per determinare la grandezza. Quindi, abbiamo rappresentato graficamente magnitudine e frequenza sul grafico per confrontarlo con la simulazione LTSpice. L'unica cosa che abbiamo cambiato sono stati i valori di C3 e R2 che sono rispettivamente 0.22 uF e 430 kΩ. Ancora una volta, la frequenza che sta rimuovendo è di 60 Hz.
Fase 5: Costruisci il filtro passa-basso
Abbiamo quindi costruito il filtro passa-basso sulla breadboard basandoci sullo schema su LTSpice accanto al filtro notch. Abbiamo quindi registrato l'input e l'output voltages a varie frequenze per determinare la grandezza. Quindi, abbiamo tracciato la grandezza e la frequenza per confrontarla con la simulazione LTSpice. L'unico valore che abbiamo modificato per questo filtro era C2 che è 0.15 uF. La frequenza di taglio che stavamo verificando è di 150 Hz.
Fase 6: Test su un soggetto umano
Innanzitutto, collega insieme i tre singoli componenti del circuito. Quindi, provalo con un battito cardiaco simulato per assicurarti che tutto funzioni. Quindi, posiziona gli elettrodi sull'individuo in modo che il positivo sia sul polso destro, il negativo sulla caviglia sinistra e il terreno sulla caviglia destra. Una volta che l'individuo è pronto, collegare una batteria da 9 V per alimentare l'operazioneamps e visualizzare il segnale di uscita. Si noti che l'individuo dovrebbe rimanere molto fermo per circa 10 secondi per ottenere una lettura accurata.
Congratulazioni, hai creato con successo un ECG automatizzato!
Documenti / Risorse
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