Instructables Projete um ECG funcional com plotagem automatizada do biosinal
Projete um ECG funcional com plotagem automatizada do biosinal
Este projeto combina tudo o que foi aprendido neste semestre e o aplica a uma única tarefa. Nossa tarefa é criar um circuito que possa ser usado como um eletrocardiograma (ECG) usando uma instrumentação amplificador, filtro passa-baixa e filtro notch. Um ECG usa eletrodos colocados em um indivíduo para medir e exibir a atividade cardíaca. Os cálculos foram feitos com base no coração médio de um adulto, e os esquemas originais do circuito foram criados no LTSpice para verificar o ganho e as frequências de corte. Os objetivos deste projeto de design são os seguintes:
- Aplicar as habilidades de instrumentação aprendidas no laboratório neste semestre
- Projete, construa e verifique a funcionalidade de um dispositivo de aquisição de sinal
- Validar o dispositivo em um sujeito humano
Suprimentos:
- Simulador LTSpice (ou software similar) Breadboard
- Vários resistores
- Vários capacitores
- Opamps
- Fios de eletrodo
- Vol de entradatage fonte
- Dispositivo para medir o volume de saídatage (ou seja, osciloscópio)
Etapa 1: Faça os cálculos para cada componente do circuito
As imagens acima mostram os cálculos para cada circuito. Abaixo, explica mais sobre os componentes e os cálculos feitos.
Instrumentação Ampmais vivo
uma instrumentação amplifier, ou IA, ajuda a fornecer uma grande quantidade de ganho para sinais de baixo nível. Ajuda a aumentar o tamanho do sinal para que fique mais visível e a forma de onda possa ser analisada.
Para os cálculos, escolhemos dois valores de resistores aleatórios para R1 e R2, que são 5 kΩ e 10 kΩ, respectivamente. Também queremos que o ganho seja 1000 para que o sinal seja mais fácil de analisar. A razão para R3 e R4 é então resolvida pela seguinte equação:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Em seguida, usamos essa proporção para decidir qual será o valor de cada resistor. Os valores são os seguintes:
R3 = 1 kΩ
Filtro Notch
Um filtro notch atenua os sinais dentro de uma banda estreita de frequências ou remove uma única frequência. A frequência que queremos remover neste caso é 60 Hz porque a maior parte do ruído produzido por dispositivos eletrônicos está nessa frequência. O fator AQ é a razão entre a frequência central e a largura de banda e também ajuda a descrever a forma do gráfico de magnitude. Um fator Q maior resulta em uma banda de parada mais estreita. Para cálculos, usaremos um valor Q de 8.
Decidimos escolher valores de capacitores que tínhamos. Portanto, C1 = C2 = 0.1 uF e C2 = 0.2 uF.
As equações que usaremos para calcular R1, R2 e R3 são as seguintes:
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 Lowpass
Um filtro passa-baixo atenua as altas frequências enquanto permite a passagem de frequências mais baixas. A frequência de corte terá valor de 150 Hz porque esse é o valor correto de ECG para adultos. Além disso, o ganho (valor K) será 1 e as constantes a e b são 1.414214 e 1, respectivamente.
Escolhemos C1 igual a 68 nF porque tínhamos esse capacitor. Para encontrar C2 usamos a seguinte equação:
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
Portanto, escolhemos C2 para igualar 0.15 uF
Para calcular os valores dos dois resistores, tivemos que usar as seguintes equações:
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
Etapa 2: Criar Esquemas no LTSpice
Todos os três componentes foram criados e executados individualmente no LTSpice com uma análise de varredura AC. Os valores usados são os que calculamos no passo 1.
Etapa 3: Construir a Instrumentação Ampli fi er
Construímos a instrumentação amplifier na breadboard seguindo o esquema no LTSpice. Depois de construído, o vol de entrada (amarelo) e de saída (verde)tages foram exibidos. A linha verde tem apenas um ganho de 743.5X em relação à linha amarela.
Etapa 4: Crie o filtro Notch
Em seguida, construímos o filtro notch na breadboard com base no esquema feito no LTSpice. Foi construído junto ao circuito IA. Em seguida, registramos o volume de entrada e saídatage valores em várias frequências para determinar a magnitude. Em seguida, traçamos um gráfico de magnitude versus frequência no gráfico para compará-lo com a simulação do LTSpice. A única coisa que mudamos foram os valores de C3 e R2 que são 0.22 uF e 430 kΩ, respectivamente. Novamente, a frequência que está removendo é de 60 Hz.
Etapa 5: Construa o filtro passa-baixo
Em seguida, construímos o filtro passa-baixo na breadboard com base no esquema do LTSpice ao lado do filtro notch. Em seguida, registramos o volume de entrada e saídatages em várias frequências para determinar a magnitude. Em seguida, plotamos a magnitude e a frequência para compará-la com a simulação do LTSpice. O único valor que alteramos para este filtro foi C2, que é 0.15 uF. A frequência de corte que estávamos verificando é de 150 Hz.
Etapa 6: Teste em um sujeito humano
Primeiro, conecte os três componentes individuais do circuito juntos. Em seguida, teste-o com um batimento cardíaco simulado para garantir que tudo esteja funcionando. Em seguida, coloque os eletrodos no indivíduo de forma que o positivo fique no pulso direito, o negativo no tornozelo esquerdo e o terra no tornozelo direito. Quando o indivíduo estiver pronto, conecte uma bateria de 9V para alimentar o opamps e exibir o sinal de saída. Observe que o indivíduo deve permanecer imóvel por cerca de 10 segundos para obter uma leitura precisa.
Parabéns, você criou com sucesso um ECG automatizado!
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