instructables Design et funksjonelt EKG med automatisert plotting av biosignalet
Design et funksjonelt EKG med automatisk plotting av biosignalet
Dette prosjektet kombinerer alt du har lært dette semesteret og bruker det på én enkelt oppgave. Vår oppgave er å lage en krets som kan brukes som et elektrokardiogram (EKG) ved å bruke en instrumentering amplifier, lavpassfilter og hakkfi lter. Et EKG bruker elektroder plassert på et individ for å måle og vise hjerteaktiviteten. Beregninger ble gjort basert på gjennomsnittlig voksenhjerte, og de originale kretsskjemaene ble laget på LTSpice for å bekrefte forsterknings- og grensefrekvenser. Målene for dette designprosjektet er som følger:
- Bruk instrumenteringsferdigheter lært i laboratoriet dette semesteret
- Design, bygg og verifiser funksjonaliteten til en signalinnsamlingsenhet
- Valider enheten på et menneskelig emne
Rekvisita:
- LTSpice simulator (eller lignende programvare) Breadboard
- Ulike motstander
- Ulike kondensatorer
- Opamps
- Elektrode ledninger
- Inngang voltage kilde
- Enhet for å måle utgangsvoltage (dvs. oscilloskop)
Trinn 1: Gjør beregningene for hver kretskomponent
Bildene ovenfor viser beregningene for hver krets. Nedenfor forklarer det mer om komponentene og beregningene som er gjort.
Instrumentering Amplivligere
En instrumentering amplifier, eller IA, bidrar til å gi en stor mengde forsterkning for lavnivåsignaler. Det bidrar til å øke størrelsen på signalet slik at det er mer synlig og bølgeformen kan analyseres.
For beregninger valgte vi to tilfeldige motstandsverdier for R1 og R2, som er henholdsvis 5 kΩ og 10 kΩ. Vi ønsker også at forsterkningen skal være 1000 slik at signalet blir lettere å analysere. Forholdet for R3 og R4 løses deretter med følgende ligning:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Vi brukte deretter forholdet til å bestemme hva hver motstandsverdi vil være. Verdiene er som følger:
R3 = 1 kΩ
Hakkfilter
Et hakkfilter demper signaler innenfor et smalt frekvensbånd eller fjerner en enkelt frekvens. Frekvensen vi ønsker å fjerne i dette tilfellet er 60 Hz fordi det meste av støy som produseres av elektroniske enheter er på den frekvensen. AQ-faktor er forholdet mellom senterfrekvensen og båndbredden, og den hjelper også med å beskrive formen på størrelsesplottet. En større Q-faktor gir et smalere stoppbånd. For beregninger vil vi bruke en Q-verdi på 8.
Vi bestemte oss for å velge kondensatorverdier vi hadde. Så C1 = C2 = 0.1 uF, og C2 = 0.2 uF.
Ligningene vi skal bruke for å beregne R1, R2 og R3 er som følger:
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
Lavpassfilter
Et lavpassfilter demper høye frekvenser samtidig som lavere frekvenser slipper gjennom. Grensefrekvensen vil ha en verdi på 150 Hz fordi det er riktig EKG-verdi for voksne. Dessuten vil forsterkningen (K-verdien) være 1, og konstantene a og b er henholdsvis 1.414214 og 1.
Vi valgte C1 til å være lik 68 nF fordi vi hadde den kondensatoren. Til nd C2 brukte vi følgende ligning:
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
Derfor valgte vi C2 til å være lik 0.15 uF
For å beregne de to motstandsverdiene, måtte vi bruke følgende ligninger:
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
Trinn 2: Lag skjemaer på LTSpice
Alle de tre komponentene ble opprettet og kjørt individuelt på LTSpice med en AC-sweep-analyse. Verdiene som er brukt er de vi beregnet i trinn 1.
Trinn 3: Bygg instrumenteringen Ampliger
Vi bygde instrumenteringen amplifier på brødbrettet ved å følge skjemaet på LTSpice. Når den ble bygget, vil inngangen (gul) og utgang (grønn) voltages ble vist. Den grønne linjen har kun en gevinst på 743.5X sammenlignet med den gule linjen.
Trinn 4: Bygg hakkfilteret
Deretter bygde vi hakkfilteret på brødbrettet basert på skjemaet laget på LTSpice. Den ble bygget ved siden av IA-kretsen. Vi spilte deretter inn input og output voltage-verdier ved forskjellige frekvenser for å bestemme størrelsen. Deretter tegnet vi størrelse vs. frekvens på plottet for å sammenligne det med LTSpice-simuleringen. Det eneste vi endret var verdiene til C3 og R2 som er henholdsvis 0.22 uF og 430 kΩ. Igjen er frekvensen den fjerner 60 Hz.
Trinn 5: Bygg lavpassfilteret
Vi bygde deretter lavpassfilteret på breadboard basert på skjemaet på LTSpice ved siden av notch-filteret. Vi registrerte deretter input og output voltages ved forskjellige frekvenser for å bestemme størrelsen. Deretter plottet vi størrelsen og frekvensen for å sammenligne det med LTSpice-simuleringen. Den eneste verdien vi endret for dette filteret var C2 som er 0.15 uF. Grensefrekvensen vi verifiserte er 150 Hz.
Trinn 6: Test på et menneskelig emne
Først kobler du de tre individuelle komponentene i kretsen sammen. Test den deretter med en simulert hjerterytme for å sikre at alt fungerer. Plasser deretter elektrodene på individet slik at det positive er på høyre håndledd, negative er på venstre ankel og bakken er på høyre ankel. Når personen er klar, kobler du til et 9V-batteri for å drive opamps og vise utgangssignalet. Vær oppmerksom på at personen bør holde seg veldig stille i ca. 10 sekunder for å få en nøyaktig avlesning.
Gratulerer, du har opprettet et automatisert EKG!
Dokumenter / Ressurser
 |
instructables Design et funksjonelt EKG med automatisert plotting av biosignalet [pdf] Instruksjoner Design et funksjonelt EKG med automatisert plotting av biosignalet, design et funksjonelt EKG, funksjonelt EKG, plotting av biosignalet |
