instructables Designa ett funktionellt EKG med automatiserad plottning av biosignalen
Designa ett funktionellt EKG med automatisk plottning av biosignalen
Detta projekt kombinerar allt man lärt sig den här terminen och tillämpar det på en enda uppgift. Vår uppgift är att skapa en krets som kan användas som ett elektrokardiogram (EKG) med hjälp av en instrumentering amplifier, lågpassfilter och notch-fi lter. Ett EKG använder elektroder placerade på en individ för att mäta och visa hjärtaktiviteten. Beräkningar gjordes baserat på det genomsnittliga vuxenhjärtat, och det ursprungliga kretsschemat skapades på LTSpice för att verifiera förstärknings- och gränsfrekvenser. Målen för detta designprojekt är följande:
- Tillämpa instrumenteringsfärdigheter som du lärt dig i labbet den här terminen
- Designa, bygg och verifiera funktionaliteten hos en signalinsamlingsenhet
- Validera enheten på en människa
Tillbehör:
- LTSpice simulator (eller liknande programvara) Breadboard
- Olika motstånd
- Olika kondensatorer
- Opamps
- Elektrod ledningar
- Inmatning voltage källa
- Enhet för att mäta uteffekt voltage (dvs oscilloskop)
Steg 1: Gör beräkningarna för varje kretskomponent
Bilderna ovan visar beräkningarna för varje krets. Nedan förklaras mer om komponenterna och de gjorda beräkningarna.
Instrumentation Amplivligare
En instrumentering amplifier, eller IA, hjälper till att ge en stor mängd förstärkning för lågnivåsignaler. Det hjälper till att öka storleken på signalen så att den är mer synlig och vågformen kan analyseras.
För beräkningar valde vi två slumpmässiga motståndsvärden för R1 och R2, som är 5 kΩ respektive 10 kΩ. Vi vill också att förstärkningen ska vara 1000 så att signalen blir lättare att analysera. Förhållandet för R3 och R4 löses sedan med följande ekvation:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Vi använde sedan det förhållandet för att bestämma vad varje motståndsvärde kommer att vara. Värdena är följande:
R3 = 1 kΩ
Notch Filter
Ett skårfilter dämpar signaler inom ett smalt band av frekvenser eller tar bort en enstaka frekvens. Frekvensen vi vill ta bort i det här fallet är 60 Hz eftersom det mesta bruset som produceras av elektroniska enheter är på den frekvensen. AQ-faktor är förhållandet mellan mittfrekvensen och bandbredden, och den hjälper också till att beskriva formen på magnituddiagrammet. En större Q-faktor ger ett smalare stoppband. För beräkningar kommer vi att använda ett Q-värde på 8.
Vi bestämde oss för att välja kondensatorvärden vi hade. Så C1 = C2 = 0.1 uF och C2 = 0.2 uF.
Ekvationerna vi kommer att använda för att beräkna R1, R2 och R3 är följande:
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
Lågpassfilter
Ett lågpassfilter dämpar höga frekvenser samtidigt som det låter lägre frekvenser passera. Gränsfrekvensen kommer att ha ett värde på 150 Hz eftersom det är det korrekta EKG-värdet för vuxna. Dessutom kommer förstärkningen (K-värdet) att vara 1, och konstanterna a och b är 1.414214 respektive 1.
Vi valde C1 för att vara lika med 68 nF eftersom vi hade den kondensatorn. Till nd C2 använde vi följande ekvation:
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
Därför valde vi att C2 skulle vara lika med 0.15 uF
För att beräkna de två motståndsvärdena var vi tvungna att använda följande ekvationer:
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
Steg 2: Skapa scheman på LTSpice
Alla tre komponenterna skapades och kördes individuellt på LTSpice med en AC-svepanalys. Värdena som används är de vi beräknade i steg 1.
Steg 3: Bygg instrumenteringen Ampliber
Vi byggde instrumenteringen ampförstärkare på brödbrädan genom att följa schemat på LTSpice. När den väl byggdes, ingången (gul) och utgång (grön) voltages visades. Den gröna linjen har bara en vinst på 743.5X jämfört med den gula linjen.
Steg 4: Bygg hackfiltret
Därefter byggde vi hackfiltret på brödbrädet baserat på schemat som gjorts på LTSpice. Den byggdes intill IA-kretsen. Vi spelade sedan in input och output voltage-värden vid olika frekvenser för att bestämma storleken. Sedan ritade vi magnitud vs. frekvens på plotten för att jämföra det med LTSpice-simuleringen. Det enda vi ändrade var värdena på C3 och R2 som är 0.22 uF respektive 430 kΩ. Återigen är frekvensen den tar bort 60 Hz.
Steg 5: Bygg lågpassfiltret
Vi byggde sedan lågpassfiltret på breadboarden baserat på schemat på LTSpice bredvid notchfiltret. Vi spelade sedan in input och output voltages vid olika frekvenser för att bestämma storleken. Sedan plottade vi storleken och frekvensen för att jämföra det med LTSpice-simuleringen. Det enda värdet vi ändrade för detta filter var C2 som är 0.15 uF. Gränsfrekvensen vi verifierade är 150 Hz.
Steg 6: Test på ett mänskligt ämne
Koppla först samman de tre enskilda komponenterna i kretsen. Testa den sedan med en simulerad hjärtslag för att säkerställa att allt fungerar. Placera sedan elektroderna på individen så att den positiva är på höger handled, den negativa är på den vänstra fotleden och marken på den högra fotleden. När personen är redo, anslut ett 9V-batteri för att driva opamps och visa utsignalen. Observera att individen bör vara väldigt stilla i cirka 10 sekunder för att få en korrekt avläsning.
Grattis, du har framgångsrikt skapat ett automatiserat EKG!
Dokument/resurser
 |
instructables Designa ett funktionellt EKG med automatiserad plottning av biosignalen [pdfInstruktioner Designa ett funktionellt EKG med automatisk plottning av biosignalen, designa ett funktionellt EKG, funktionellt EKG, plottning av biosignalen |
