instructables Разработка функциональной ЭКГ с автоматическим построением биосигнала
Разработайте функциональную ЭКГ с автоматическим построением биосигнала
Этот проект объединяет все, чему научились в этом семестре, и применяет это к одной задаче. Наша задача - создать схему, которую можно использовать в качестве электрокардиограммы (ЭКГ) с помощью инструментов. ampфильтр, фильтр нижних частот и режекторный фильтр. ЭКГ использует электроды, размещенные на человеке, для измерения и отображения сердечной деятельности. Расчеты были сделаны на основе среднего сердца взрослого человека, а оригинальные схемы были созданы в LTSpice для проверки усиления и частот среза. Задачи данного дизайн-проекта следующие:
- Применять навыки работы с инструментами, полученные в лаборатории в этом семестре
- Спроектируйте, создайте и проверьте функциональность устройства сбора сигналов
- Проверка устройства на человеке
Запасы:
- Симулятор LTSpice (или аналогичное программное обеспечение)
- Различные резисторы
- Различные конденсаторы
- Opamps
- Электродные провода
- Входная громкостьtagэлектронный источник
- Устройство для измерения выходного объемаtage (т.е. осциллограф)
Шаг 1: Сделайте расчеты для каждого компонента цепи
На изображениях выше показаны расчеты для каждой схемы. Ниже подробно рассказывается о компонентах и выполненных расчетах.
Инструментарий Ampпожизненнее
Инструментарий ampLifier, или IA, помогает обеспечить большое усиление для сигналов низкого уровня. Это помогает увеличить размер сигнала, чтобы он был более заметен и его форму можно было проанализировать.
Для расчетов были выбраны два случайных номинала резисторов R1 и R2, равные 5 кОм и 10 кОм соответственно. Мы также хотим, чтобы коэффициент усиления был равен 1000, чтобы сигнал было легче анализировать. Соотношение для R3 и R4 затем решается по следующему уравнению:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) --> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10)/(5)] --> R4/ Р3 = 200
Затем мы использовали это соотношение, чтобы решить, каким будет значение каждого резистора. Значения следующие:
R3 = 1 кОм
Режекторный фильтр
Режекторный фильтр ослабляет сигналы в узкой полосе частот или удаляет одну частоту. Частота, которую мы хотим удалить в этом случае, составляет 60 Гц, потому что большая часть шума, создаваемого электронными устройствами, находится на этой частоте. Коэффициент добротности — это отношение центральной частоты к ширине полосы, и он также помогает описать форму графика магнитуды. Большая добротность приводит к более узкой полосе задерживания. Для расчетов мы будем использовать значение Q, равное 8.
Мы решили выбрать номиналы конденсаторов, которые у нас были. Итак, C1 = C2 = 0.1 мкФ, а C2 = 0.2 мкФ.
Уравнения, которые мы будем использовать для расчета R1, R2 и R3, следующие:
R1 = 1/(4*pi*Q*f*C1) = 1/(4*pi*8*60*0.1E-6) = 1.6 кОм
R2 = (2*Q)/(2*pi*f*C1) = (2*8)/(2*pi*60*0.1E-6) = 424 кОм
R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2) = (1.6 * 424) / (1.6 + 424) = 1.6 кОм
Фильтр нижних частот
Фильтр нижних частот ослабляет высокие частоты, пропуская при этом низкие частоты. Частота среза будет иметь значение 150 Гц, поскольку это правильное значение ЭКГ для взрослых. Кроме того, усиление (значение K) будет равно 1, а константы a и b равны 1.414214 и 1 соответственно.
Мы выбрали C1 равным 68 нФ, потому что у нас был этот конденсатор. Для нахождения C2 мы использовали следующее уравнение:
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
Поэтому мы выбрали C2 равным 0.15 мкФ.
Чтобы вычислить значения двух резисторов, нам пришлось использовать следующие уравнения:
R1 = 2 / (2*pi*f*[a*C2 + sqrt([a^2 + 4*b(K-1)]*C2^2 – 4*b*C1*C2)] = 7.7 кОм
R2 = 1/(b*C1*C2*R1*(2*pi*f)^2) = 14.4 кОм
Шаг 2: Создание схем в LTSpice
Все три компонента были созданы и запущены отдельно в LTSpice с анализом развертки переменного тока. Используемые значения — это те, которые мы рассчитали на шаге 1.
Шаг 3: Создайте инструментарий Ampлифтер
Мы построили инструментарий amplifier на макетной плате, следуя схеме на LTSpice. После того, как он был построен, вход (желтый) и выход (зеленый) vol.tagбыли показаны. Зеленая линия имеет усиление только в 743.5 раза по сравнению с желтой линией.
Шаг 4: Создайте режекторный фильтр
Далее мы построили режекторный фильтр на макетной плате по схеме, сделанной в LTSpice. Он был построен рядом с автодромом IA. Затем мы записали входной и выходной объемtagзначения e на различных частотах для определения магнитуды. Затем мы построили график амплитуды и частоты на графике, чтобы сравнить его с симуляцией LTSpice. Единственное, что мы изменили, это значения C3 и R2, которые составляют 0.22 мкФ и 430 кОм соответственно. Опять же, частота, которую он удаляет, составляет 60 Гц.
Шаг 5: Создайте фильтр нижних частот
Затем мы построили фильтр нижних частот на макетной плате на основе схемы на LTSpice рядом с режекторным фильтром. Затем мы записали входной и выходной объемtagна разных частотах для определения амплитуды. Затем мы построили амплитуду и частоту, чтобы сравнить их с симуляцией LTSpice. Единственное значение, которое мы изменили для этого фильтра, было C2, что составляет 0.15 мкФ. Частота среза, которую мы проверяли, составляет 150 Гц.
Шаг 6: Испытание на человеке
Сначала соедините три отдельных компонента схемы вместе. Затем протестируйте его с имитацией сердцебиения, чтобы убедиться, что все работает. Затем поместите электроды на человека так, чтобы положительный был на правом запястье, отрицательный — на левой лодыжке, а заземление — на правой лодыжке. Как только человек будет готов, подключите 9-вольтовую батарею для питания оператора.ampс и отображать выходной сигнал. Обратите внимание, что человек должен оставаться неподвижным в течение примерно 10 секунд, чтобы получить точные показания.
Поздравляем, вы успешно создали автоматизированную ЭКГ!
Документы/Ресурсы
 | instructables Разработка функциональной ЭКГ с автоматическим построением биосигнала [pdf] Инструкции Разработка функциональной ЭКГ с автоматическим построением биосигнала, разработка функциональной ЭКГ, функциональная ЭКГ, построение биосигнала |
