instructables Ontwerp een functioneel ECG met geautomatiseerde plotten van het biosignaal
Ontwerp een functioneel ECG met geautomatiseerde plotten van het biosignaal
Dit project combineert alles wat dit semester is geleerd en past het toe op één enkele taak. Onze taak is om een circuit te creëren dat kan worden gebruikt als een elektrocardiogram (ECG) met behulp van instrumenten amplifier, laagdoorlaatfilter en notch-filter. Een ECG gebruikt elektroden die op een persoon zijn geplaatst om de hartactiviteit te meten en weer te geven. Er werden berekeningen gemaakt op basis van het gemiddelde volwassen hart en de originele circuitschema's werden gemaakt op LTSpice om versterkings- en afsnijfrequenties te verifiëren. De doelstellingen van dit ontwerpproject zijn als volgt:
- Pas instrumentatievaardigheden toe die dit semester in het lab zijn geleerd
- Ontwerp, bouw en verifieer de functionaliteit van een signaalverwervingsapparaat
- Valideer het apparaat op een menselijk onderwerp
Benodigdheden:
- LTSpice-simulator (of vergelijkbare software) Breadboard
- Diverse weerstanden
- Diverse condensatoren
- Opamps
- Elektrode draden
- Ingangsvolumetagde bron
- Apparaat om uitgangsvolume te metentage (dwz oscilloscoop)
Stap 1: Maak de berekeningen voor elke circuitcomponent
De afbeeldingen hierboven tonen de berekeningen voor elk circuit. Hieronder wordt meer uitgelegd over de componenten en de uitgevoerde berekeningen.
Instrumentatie Ampverliezer
Een instrumentatie amplifier, of IA, zorgt voor een grote hoeveelheid versterking voor signalen van laag niveau. Het helpt de grootte van het signaal te vergroten, zodat het beter zichtbaar is en de golfvorm kan worden geanalyseerd.
Voor berekeningen hebben we twee willekeurige weerstandswaarden gekozen voor R1 en R2, respectievelijk 5 kΩ en 10 kΩ. We willen ook dat de versterking 1000 is, zodat het signaal gemakkelijker te analyseren is. De verhouding voor R3 en R4 wordt dan opgelost door de volgende vergelijking:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Vervolgens hebben we die verhouding gebruikt om te beslissen wat elke weerstandswaarde zal zijn. De waarden zijn als volgt:
R3 = 1 kΩ
Inkepingsfilter
Een notch-filter verzwakt signalen binnen een smalle band van frequenties of verwijdert een enkele frequentie. De frequentie die we in dit geval willen verwijderen is 60 Hz omdat de meeste ruis die door elektronische apparaten wordt geproduceerd, op die frequentie zit. AQ-factor is de verhouding tussen de middenfrequentie en de bandbreedte en helpt ook bij het beschrijven van de vorm van de magnitudeplot. Een grotere Q-factor resulteert in een smallere stopband. Voor berekeningen gebruiken we een Q-waarde van 8.
We besloten om de condensatorwaarden te kiezen die we hadden. Dus C1 = C2 = 0.1 uF en C2 = 0.2 uF.
De vergelijkingen die we zullen gebruiken om R1, R2 en R3 te berekenen zijn als volgt:
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
Laagdoorlaatfilter
Een laagdoorlaatfilter verzwakt hoge frequenties terwijl lagere frequenties worden doorgelaten. De afsnijfrequentie heeft een waarde van 150 Hz omdat dat de juiste ECG-waarde is voor volwassenen. Ook zal de versterking (K-waarde) 1 zijn, en de constanten a en b zijn respectievelijk 1.414214 en 1.
We kozen ervoor dat C1 gelijk was aan 68 nF omdat we die condensator hadden. Om C2 te vinden hebben we de volgende vergelijking gebruikt:
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
Daarom hebben we ervoor gekozen dat C2 gelijk is aan 0.15 uF
Om de twee weerstandswaarden te berekenen, moesten we de volgende vergelijkingen gebruiken:
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
Stap 2: Maak schema's op LTSpice
Alle drie de componenten zijn gemaakt en afzonderlijk uitgevoerd op LTSpice met een AC-sweepanalyse. De gebruikte waarden zijn degene die we in stap 1 hebben berekend.
Stap 3: Bouw de instrumentatie Amplichter
We hebben de instrumentatie gebouwd amplifier op het breadboard door het schema op LTSpice te volgen. Toen het eenmaal was gebouwd, werden de input (geel) en output (groen) voltages werden getoond. De groene lijn heeft slechts een versterking van 743.5x in vergelijking met de gele lijn.
Stap 4: Bouw het Notch-filter
Vervolgens hebben we het notch-filter op het breadboard gebouwd op basis van het schema gemaakt op LTSpice. Het werd naast het IA-circuit gebouwd. Vervolgens hebben we input- en outputvolume opgenomentage waarden bij verschillende frequenties om de grootte te bepalen. Vervolgens hebben we de magnitude versus frequentie in de grafiek uitgezet om deze te vergelijken met de LTSpice-simulatie. Het enige dat we hebben veranderd, zijn de waarden van C3 en R2, respectievelijk 0.22 uF en 430 kΩ. Nogmaals, de frequentie die wordt verwijderd is 60 Hz.
Stap 5: Bouw het laagdoorlaatfilter
Vervolgens hebben we het laagdoorlaatfilter op het breadboard gebouwd op basis van het schema op LTSpice naast het notch-filter. Vervolgens hebben we het invoer- en uitvoervolume geregistreerdtages op verschillende frequenties om de grootte te bepalen. Vervolgens hebben we de magnitude en frequentie uitgezet om deze te vergelijken met de LTSpice-simulatie. De enige waarde die we voor dit filter hebben gewijzigd, was C2, wat 0.15 uF is. De afsnijfrequentie die we aan het verifiëren waren, is 150 Hz.
Stap 6: Test op een menselijk onderwerp
Verbind eerst de drie afzonderlijke componenten van het circuit met elkaar. Test het vervolgens met een gesimuleerde hartslag om er zeker van te zijn dat alles werkt. Plaats vervolgens de elektroden op de persoon zodat de positieve op de rechterpols zit, de negatieve op de linkerenkel en de grond op de rechterenkel. Zodra het individu klaar is, sluit u een 9V-batterij aan om de operatie van stroom te voorzienamps en geef het uitgangssignaal weer. Merk op dat het individu ongeveer 10 seconden heel stil moet blijven om een nauwkeurige meting te krijgen.
Gefeliciteerd, u heeft met succes een geautomatiseerd ECG gemaakt!
Documenten / Bronnen
 |
instructables Ontwerp een functioneel ECG met geautomatiseerde plotten van het biosignaal [pdf] Instructies Ontwerp een functioneel ECG met geautomatiseerde plotten van het biosignaal, ontwerp een functioneel ECG, functioneel ECG, plotten van het biosignaal |
