BME 305 EEG: 4 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) - это устройство, которое используется для измерения электрической активности мозга человека. Эти тесты могут быть очень полезны при диагностике различных заболеваний головного мозга. При попытке сделать ЭЭГ необходимо учитывать различные параметры, прежде чем создавать рабочую схему. Одна вещь о попытках считывания активности мозга по коже черепа заключается в том, что существует очень небольшое напряжение, которое действительно может быть считано. Нормальный диапазон мозговых волн взрослого человека составляет от 10 до 100 мкВ. Из-за такого малого входного напряжения потребуется большое усиление на общем выходе схемы, предпочтительно более чем в 10 000 раз превышающее входное. Еще одна вещь, которую необходимо иметь в виду при создании ЭЭГ, заключается в том, что типичные волны, которые мы выводили, находятся в диапазоне от 1 Гц до 60 Гц. Зная это, потребуются разные фильтры, которые будут ослаблять любую нежелательную частоту за пределами полосы пропускания.

Запасы

-Операционный усилитель LM741 (4)

Резистор -8,2 кОм (3)

-820 Ом резистор (3)

-100 Ом резистор (3)

-15 кОм резистор (3)

Резистор -27 кОм (4)

-0,1 мкФ конденсатор (3)

-100 мкФ конденсатор (1)

- Макетная плата (1)

-Микроконтроллер Arduino (1)

-9В батареи (2)

Шаг 1: инструментальный усилитель

Первым шагом в создании ЭЭГ является создание собственного инструментального усилителя (INA), который можно использовать для приема двух разных сигналов и вывода усиленного сигнала. Источником вдохновения для создания этого INA послужил LT1101, который представляет собой обычный инструментальный усилитель, используемый для дифференцирования сигналов. Используя 2 операционных усилителя LM741, вы можете создать INA, используя различные коэффициенты, указанные на принципиальной схеме выше. Однако вы можете использовать вариацию этих соотношений и по-прежнему получать тот же результат, если соотношение такое же. Для этой схемы мы предлагаем вам использовать резистор 100 Ом для R, резистор 820 Ом для 9R и резистор 8,2 кОм для 90R. Используя батарейки на 9 В, вы сможете питать операционные усилители. Установив одну батарею 9 В для питания контакта V +, а другую батарею 9 В, чтобы она подавала -9 В на контакт V-. Этот инструментальный усилитель должен дать вам коэффициент усиления 100.

Шаг 2: фильтрация

При записи биологических сигналов важно помнить об интересующем вас диапазоне и потенциальных источниках шума. Фильтры могут помочь решить эту проблему. Для этой схемы используется полосовой фильтр, за которым следует активный режекторный фильтр. Первая часть этого каскада состоит из фильтра высоких частот, а затем фильтра низких частот. Значения для этого фильтра приведены для диапазона частот от 0,1 Гц до 55 Гц, который содержит интересующий диапазон частот сигнала ЭЭГ. Это служит для фильтрации сигналов, поступающих за пределами желаемого диапазона. После полосы пропускания перед режекторным фильтром устанавливается повторитель напряжения, чтобы гарантировать, что выходное напряжение на режекторном фильтре имеет низкий импеданс. Режекторный фильтр настроен на фильтрацию шума на частоте 60 Гц с уменьшением сигнала как минимум на -20 дБ из-за больших шумовых искажений на его частоте. Наконец, еще один повторитель напряжения для завершения этого этапа.

Шаг 3: неинвертирующий операционный усилитель

Последний каскад этой схемы состоит из неинвертирующего усилителя для увеличения отфильтрованного сигнала до диапазона 1-2 В с коэффициентом усиления около 99. Из-за очень малой силы входного сигнала от мозговых волн этот последний каскад является необходимо для получения выходного сигнала, который легко отображать и понимать по сравнению с потенциальным окружающим шумом. Следует также отметить, что смещение постоянного тока от неинвертирующих усилителей является нормальным явлением и должно приниматься во внимание при анализе и отображении конечного выхода.

Шаг 4: преобразование аналогового сигнала в цифровой

После завершения всей схемы аналоговый сигнал, который мы усилили по всей схеме, необходимо оцифровать. К счастью, если вы используете микроконтроллер Arduino, там уже есть встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Имея возможность выводить свою схему на любой из шести аналоговых выводов, встроенных в Arduino, вы можете закодировать осциллограф на микроконтроллер. В приведенном выше коде мы используем аналоговый вывод A0 для считывания аналогового сигнала и преобразования его в цифровой выход. Кроме того, чтобы упростить чтение, вам следует преобразовать напряжение из диапазона 0-1023 в диапазон от 0 до 5 В.