instructables 生体信号命令の自動プロットを使用して機能的心電図を設計する

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instructables 生体信号の自動プロットによる機能的心電図の設計

生体信号の自動プロットによる機能的心電図の設計

このプロジェクトでは、今学期に学んだことをすべて組み合わせて、XNUMX つのタスクに適用します。私たちの仕事は、計測器を使用して心電図 (ECG) として使用できる回路を作成することです。 ampリファイア、ローパスフィルター、およびノッチフィルター。心電図は、個人に配置された電極を使用して心臓の活動を測定および表示します。計算は平均的な成人の心臓に基づいて行われ、元の回路図は LTSpice で作成され、ゲインとカットオフ周波数が検証されました。この設計プロジェクトの目的は次のとおりです。

今学期のラボで学んだインストルメンテーションスキルを適用する
信号取得デバイスの機能を設計、構築、検証する
人間の被験者でデバイスを検証する

用品：

LTSpice シミュレーター (または類似のソフトウェア) ブレッドボード
各種抵抗器
各種コンデンサ
Opamps
電極線
入力ボリュームtageソース
出力量を測定する装置tage (つまり、オシロスコープ)

ステップ1: 各回路部品の計算を行う
上の画像は、各回路の計算を示しています。以下では、コンポーネントと実行される計算について詳しく説明します。
計装 Ampリファイアー
計装 amplifier (IA) は、低レベル信号に大きなゲインを提供するのに役立ちます。信号のサイズを大きくして、より見やすく、波形を分析できるようにします。
計算のために、R1 と R2 にそれぞれ 5 kΩ と 10 kΩ の 1000 つのランダムな抵抗値を選択しました。また、ゲインを 3 にして、信号を分析しやすくします。 R4 と RXNUMX の比率は、次の式で求められます。
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
次に、その比率を使用して、各抵抗値を決定しました。値は次のとおりです。
R3 = 1kΩ

ノッチフィルター
ノッチフィルターは、狭い周波数帯域内の信号を減衰させるか、単一の周波数を除去します。この場合、除去したい周波数は 60 Hz です。これは、電子機器によって生成されるほとんどのノイズがその周波数にあるためです。 AQ 係数は帯域幅に対する中心周波数の比率であり、振幅プロットの形状を説明するのにも役立ちます。 Q ファクターが大きいほど、阻止帯域が狭くなります。計算には、Q 値 8 を使用します。
コンデンサの値を選択することにしました。したがって、C1 = C2 = 0.1 uF、C2 = 0.2 uF です。
R1、R2、R3 の計算に使用する式は次のとおりです。
R1 = 1 / (4*pi*Q*f*C1) = 1 / (4*pi*8*60*0.1E-6) = 1.6kΩ
R2 = (2*Q) / (2*pi*f*C1) = (2*8) / (2*pi*60*0.1E-6) = 424kΩ
R3 = (R1*R2) / (R1 + R2) = (1.6*424) / (1.6 + 424) = 1.6kΩ

ローパスフィルタ
ローパスフィルターは、高周波を減衰させ、低周波を通過させます。成人の正しい心電図値であるため、カットオフ周波数は 150 Hz の値になります。また、ゲイン (K 値) は 1 になり、定数 a と b はそれぞれ 1.414214 と 1 になります。
そのコンデンサがあるため、C1 を 68 nF に等しく選択しました。 C2 を求めるために、次の式を使用しました。
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
したがって、C2 は 0.15 uF に等しくなるように選択しました。
XNUMX つの抵抗値を計算するには、次の式を使用する必要がありました。
R1 = 2 / (2*pi*f*[a*C2 + sqrt([a^2 + 4*b(K-1)]*C2^2 – 4*b*C1*C2)] = 7.7kΩ
R2 = 1 / (b*C1*C2*R1*(2*pi*f)^2) = 14.4kΩ

ステップ2: LTSpice で回路図を作成する
1 つのコンポーネントはすべて、AC スイープ解析を使用して LTSpice で個別に作成および実行されました。使用される値は、ステップ XNUMX で計算した値です。

ステップ3: インストルメンテーションを構築する Ampライフ
計装を構築しました ampLTSpice の回路図に従って、ブレッドボード上でリファイアーを作成します。ビルドが完了すると、入力 (黄色) と出力 (緑色) の voltagが表示されました。緑の線は、黄色の線と比較して 743.5 倍のゲインしかありません。

ステップ4: ノッチフィルターを作成する
次にLTSpiceで作った回路図を元にブレッドボード上にノッチフィルターを作りました。 IAサーキットの隣に建てられました。次に、入力ボリュームと出力ボリュームを記録しましたtag大きさを決定するためのさまざまな周波数での e 値。次に、振幅対周波数をプロットにグラフ化し、LTSpice シミュレーションと比較しました。唯一変更したのは、C3 と R2 の値で、それぞれ 0.22 uF と 430 kΩ です。繰り返しますが、除去する周波数は 60 Hz です。

ステップ5: ローパスフィルターを作成する
次に、ノッチフィルターの横にある LTSpice の回路図に基づいて、ブレッドボードにローパスフィルターを作成しました。次に、入力ボリュームと出力ボリュームを記録しましたtag大きさを決定するために、さまざまな周波数で es を使用します。次に、振幅と周波数をプロットして、LTSpice シミュレーションと比較しました。このフィルターで変更した唯一の値は、2 uF の C0.15 でした。検証したカットオフ周波数は 150 Hz です。

ステップ6: ヒト被験者でのテスト
まず、回路の 9 つの個別のコンポーネントを一緒に接続します。次に、シミュレートされた心拍でテストして、すべてが機能していることを確認します。次に、電極を個人に配置して、正が右手首、負が左足首、地面が右足首になるようにします。個人の準備が整ったら、XNUMXV バッテリーを接続して op に電力を供給します。amps を実行し、出力信号を表示します。正確な読み取りを行うには、約 10 秒間静止している必要があることに注意してください。
おめでとうございます。自動心電図が正常に作成されました。