BME 305 EEG - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Ein Elektroenzephalogramm (EEG) ist ein Gerät, das verwendet wird, um die elektrische Gehirnaktivität einer Person zu messen. Diese Tests können bei der Diagnose verschiedener Gehirnerkrankungen sehr nützlich sein. Beim Versuch, ein EEG zu erstellen, müssen verschiedene Parameter berücksichtigt werden, bevor ein funktionierender Kreislauf erstellt wird. Eine Sache beim Versuch, die Gehirnaktivität von der Kopfhaut abzulesen, ist, dass es eine sehr kleine Spannung gibt, die tatsächlich gelesen werden kann. Ein normaler Bereich für die Gehirnwelle eines Erwachsenen liegt zwischen 10 uV und 100 uV. Aufgrund einer so kleinen Eingangsspannung muss am Gesamtausgang der Schaltung eine große Verstärkung vorliegen, vorzugsweise mehr als das 10.000-fache des Eingangs. Eine andere Sache, die bei der Erstellung eines EEGs beachtet werden muss, ist, dass die typischen Wellen, die wir ausgeben, im Bereich von 1 Hz bis 60 Hz liegen. Wenn man dies weiß, müssen verschiedene Filter vorhanden sein, die jede unerwünschte Frequenz außerhalb der Bandbreite dämpfen.

Lieferungen

-LM741 Operationsverstärker (4)

-8,2 kOhm Widerstand (3)

-820 Ohm Widerstand (3)

-100 Ohm Widerstand (3)

-15 kOhm Widerstand (3)

-27 kOhm Widerstand (4)

-0,1 uF Kondensator (3)

-100 uF Kondensator (1)

-Steckbrett (1)

-Arduino-Mikrocontroller (1)

-9V Batterien (2)

Schritt 1: Instrumentenverstärker

Der erste Schritt beim Erstellen eines EEG besteht darin, Ihren eigenen Instrumentenverstärker (INA) zu erstellen, der verwendet werden kann, um zwei verschiedene Signale aufzunehmen und ein verstärktes Signal auszugeben. Die Inspiration für diesen INA kam vom LT1101, einem gängigen Instrumentenverstärker zur Differenzierung von Signalen. Mit 2 Ihrer Operationsverstärker LM741 können Sie den INA mit den verschiedenen im obigen Schaltplan angegebenen Verhältnissen erstellen. Sie können jedoch eine Variation dieser Verhältnisse verwenden und trotzdem die gleiche Ausgabe erhalten, wenn das Verhältnis ähnlich ist. Für diese Schaltung empfehlen wir, einen 100-Ohm-Widerstand für R, einen 820-Ohm-Widerstand für 9R und einen 8,2 kOhm-Widerstand für 90R zu verwenden. Mit Ihren 9V-Batterien können Sie die Operationsverstärker mit Strom versorgen. Durch Einrichten einer 9-V-Batterie, um den V+-Pin und die andere 9-V-Batterie so zu versorgen, dass sie -9V in den V-Pin einspeist. Dieser Instrumentenverstärker sollte Ihnen eine Verstärkung von 100 bieten.

Schritt 2: Filtern

Bei der Aufnahme biologischer Signale ist es wichtig, die Reichweite und mögliche Störquellen im Auge zu behalten. Filter können hier Abhilfe schaffen. Um dies zu erreichen, wird bei diesem Schaltungsdesign ein Bandpassfilter gefolgt von einem aktiven Notch-Filter verwendet. Der erste Teil dieser Stufe besteht aus einem Hochpassfilter und dann einem Tiefpassfilter. Die Werte für diesen Filter gelten für einen Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 55 Hz, der den interessierenden Frequenzbereich des EEG-Signals enthält. Dies dient dazu, Signale herauszufiltern, die von außerhalb des gewünschten Bereichs kommen. Ein Spannungsfolger sitzt dann nach dem Bandpass vor dem Kerbfilter, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung zum Kerbfilter eine niedrige Impedanz hat. Der Notch-Filter ist so eingestellt, dass er Rauschen bei 60 Hz mit einer Reduzierung des Signals von mindestens -20 dB aufgrund der großen Rauschverzerrung bei seiner Frequenz filtert. Schließlich ein weiterer Spannungsfolger, um diese Stufe abzuschließen.

Schritt 3: Nicht invertierender Operationsverstärker

Die Endstufe dieser Schaltung besteht aus einem nicht invertierenden Verstärker, um das gefilterte Signal mit einer Verstärkung von etwa 99 auf den 1-2V-Bereich zu erhöhen. Aufgrund der sehr geringen Eingangssignalstärke der Gehirnwellen ist diese Endstufe erforderlich, um eine Ausgangswellenform zu erhalten, die im Vergleich zu möglichen Umgebungsgeräuschen leicht anzuzeigen und zu verstehen ist. Es sollte auch beachtet werden, dass ein DC-Offset von nicht invertierenden Verstärkern normal ist und bei der Analyse und Anzeige des Endausgangs berücksichtigt werden sollte.

Schritt 4: Analog-Digital-Umwandlung

Sobald die gesamte Schaltung fertig ist, muss das analoge Signal, das wir in der gesamten Schaltung verstärkt haben, digitalisiert werden. Zum Glück, wenn Sie einen Arduino-Mikrocontroller verwenden, gibt es bereits einen eingebauten Analog-Digital-Wandler (ADC). Da Sie Ihre Schaltung an einen der sechs im Arduino integrierten analogen Pins ausgeben können, können Sie ein Oszilloskop auf den Mikrocontroller codieren. Im oben gezeigten Code verwenden wir den analogen Pin A0, um die analoge Wellenform zu lesen und in eine digitale Ausgabe umzuwandeln. Um die Lesbarkeit zu erleichtern, sollten Sie außerdem die Spannung von einem Bereich von 0 - 1023 in einen Bereich von 0 V bis 5 V umwandeln.