BME 305 EEG: 4 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Een elektro-encefalogram (EEG) is een apparaat dat wordt gebruikt om de elektrische hersenactiviteit van een persoon te meten. Deze tests kunnen zeer nuttig zijn bij het diagnosticeren van verschillende hersenaandoeningen. Wanneer u een EEG probeert te maken, zijn er verschillende parameters waarmee u rekening moet houden voordat u een werkend circuit maakt. Een ding over het proberen om hersenactiviteit van de hoofdhuid af te lezen, is dat er een zeer kleine spanning is die daadwerkelijk kan worden afgelezen. Een normaal bereik voor een volwassen hersengolf is van ongeveer 10 uV tot 100 uV. Vanwege zo'n kleine ingangsspanning zal er een grote versterking nodig zijn aan de totale uitgang van het circuit, bij voorkeur groter dan 10.000 keer van de ingang. Een ander ding dat in gedachten moet worden gehouden bij het maken van een EEG, is dat de typische golven die door ons worden uitgevoerd variëren van 1 Hz tot 60 Hz. Als je dit weet, moeten er verschillende filters zijn die ongewenste frequenties buiten de bandbreedte dempen.

Benodigdheden

-LM741 operationele versterker (4)

-8,2 kOhm weerstand (3)

-820 Ohm weerstand (3)

-100 Ohm weerstand (3)

-15 kOhm weerstand (3)

-27 kOhm weerstand (4)

-0.1 uF condensator (3)

-100 uF condensator (1)

-Broodplank (1)

-Arduino-microcontroller (1)

-9V batterijen (2)

Stap 1: Instrumentatieversterker

De eerste stap bij het maken van een EEG is om uw eigen instrumentatieversterker (INA) te maken die kan worden gebruikt om twee verschillende signalen op te nemen en een versterkt signaal uit te voeren. De inspiratie voor deze INA kwam van de LT1101, een veelgebruikte instrumentatieversterker die wordt gebruikt om signalen te differentiëren. Met behulp van 2 van uw LM741 operationele versterkers, kunt u de INA maken met behulp van de verschillende verhoudingen die in het bovenstaande schakelschema worden gegeven. U kunt echter een variatie op deze verhoudingen gebruiken en toch dezelfde uitvoer krijgen als de verhouding vergelijkbaar is. Voor dit circuit raden we u aan een weerstand van 100 ohm voor R, een weerstand van 820 ohm voor 9R en een weerstand van 8,2 kOhm voor 90R te gebruiken. Met behulp van uw 9V-batterijen kunt u de operationele versterkers van stroom voorzien. Door één 9V-batterij in te stellen om de V+-pin van stroom te voorzien, en de andere 9V-batterij zodat deze -9V in de V-pin invoert. Deze instrumentatieversterker zou u een versterking van 100 moeten geven.

Stap 2: Filteren

Bij het opnemen van biologische signalen is het belangrijk om rekening te houden met het bereik waarin u geïnteresseerd bent en mogelijke bronnen van ruis. Filters kunnen dit helpen oplossen. Voor dit circuitontwerp wordt een banddoorlaatfilter gevolgd door een actief inkepingsfilter gebruikt om dit te bereiken. Het eerste deel van deze fase bestaat uit een hoogdoorlaatfilter en vervolgens een laagdoorlaatfilter. De waarden voor dit filter zijn voor een frequentiebereik van 0,1 Hz tot 55 Hz, dat het EEG-signaalfrequentiebereik van belang bevat. Dit dient om signalen uit te filteren die van buiten het gewenste bereik komen. Een spanningsvolger zit dan na de bandpass voor het kerffilter om ervoor te zorgen dat de uitgangsspanning naar het kerffilter een lage impedantie heeft. Het notch-filter is ingesteld om ruis op 60 Hz te filteren met een reductie van minimaal -20dB in het signaal vanwege grote ruisvervorming op zijn frequentie. Eindelijk nog een spanningsvolger om deze fase te voltooien.

Stap 3: Niet-inverterende operationele versterker

De laatste fase van dit circuit bestaat uit een niet-inverterende versterker om het gefilterde signaal te verhogen tot het 1-2V-bereik met een versterking van ongeveer 99. Vanwege de zeer kleine ingangssignaalsterkte van de hersengolven, is deze laatste fase nodig om een uitgangsgolfvorm op te leveren die gemakkelijk weer te geven en te begrijpen is in vergelijking met mogelijk omgevingsgeluid. Er moet ook worden opgemerkt dat een DC-offset van niet-inverterende versterkers normaal is en in overweging moet worden genomen bij het analyseren en weergeven van de uiteindelijke uitvoer.

Stap 4: Omzetting van analoog naar digitaal

Zodra het hele circuit klaar is, moet het analoge signaal dat we in het circuit hebben versterkt, worden gedigitaliseerd. Gelukkig, als je een arduino-microcontroller gebruikt, is er al een ingebouwde analoog naar digitaal converter (ADC). Omdat je je circuit kunt uitvoeren naar een van de zes analoge pinnen die in de Arduino zijn ingebouwd, kun je een oscilloscoop op de microcontroller coderen. In de bovenstaande code gebruiken we de analoge pin A0 om de analoge golfvorm te lezen en om te zetten in een digitale uitgang. Om het lezen gemakkelijker te maken, moet u de spanning ook converteren van een bereik van 0 - 1023 naar een bereik van 0V tot 5V.