Содержание.

1. Введение

2. Технико – экономическое обоснование

3. Анализ существующих решений

4. Разработка и описание структурной схемы.

5. Разработка, описание и расчет функциональной схемы.




1.
Введение.

Электроэнцефалография – метод записи электрической активности различных отделов головного мозга, которая преобразуется в соответствующую кривую, называемую электроэнцефалограммой (ЭЭГ). Прибор, с помощью которого выполняется электроэнцефалография, называется энцефалографом. Электроэнцефалограмма с помощью ряда характеристик отражает состояние головного мозга человека и уровень его сознания. Электроэнцефалография применяется главным образом для диагностики и определения участков головного мозга, пораженных эпилепсией.

Начало ЭЭГ-исследований, в том виде, как они проводятся сейчас, положили работы Правдич-Неминского, который изучил классифицировал у собаки различные типы электрических колебаний — всего 7 типов спонтанных волн. Исследования Правдич-Неминского создали предпосылки для переноса метода регистрации биопотенциалов мозга на человека.

В то время электрофизиологам удавалось регистрировать электрические колебания у человека лишь случайно от мозга, открытого при операциях. Возможность отведения биотоков мозга через неповрежденный череп и его покровы значительно расширяла границы применения этого метода. Ее реализовал Ганс Бергер, немецкий психиатр, записывая биопотенциалы у человека при нервно-психических заболеваниях.

Этот способ вскоре был заменен простым прикладыванием пластинок из неполяризующихся материалов. Модификация отведения биотоков мозга оказалась совершенно безболезненной и быстро вошла в клиническую практику, получив название электроэнцефалографии, а регистрируемая при этом кривая — электроэнцефалограммы. По форме кривой, т. е. по морфологии волнового процесса, электроэнцефалограмма состоит из двух типов волн: из волн, представляющих графическое изображение колебаний, наблюдаемых в отсутствие специальных воздействий, т. е. из спонтанных колебаний и из волн, возникающих под воздействием афферентных стимулов — токов действия. Прослеживая сложную динамику биоэлектрических реакций мозга, делаются попытки проникнуть в законы специфически человеческой психической деятельности. Последние могут быть расположены как на поверхности мозга, так и в глубине его.

Присоединение этих точек к измерительному прибору называется отведением. Отведение потенциалов производится с помощью специальных контактных устройств — электродов, которые либо прикладываются к поверхности тканей, покрывающих мозг (кость, мышцы, кожа и пр.), либо контактируют непосредственно с поверхностью мозга, либо, наконец, вводятся в его глубинные отделы. При отведении через ткани необходимо всегда учитывать, во-первых, их сопротивление, которое уменьшает реальную амплитуду биопотенциалов, и, во-вторых, возможную собственную их электрическую активность (особенно мышечные потенциалы, а также кожно-гальванический рефлекс), которая может суммироваться с электрической активностью мозга ("биологическая активность").

Так как при оценке ЭЭГ учитываются формы колебаний, их амплитуда, частота и временные (в частности, фазовые) соотношения, то регистрирующая аппаратура должна обеспечить максимально верное изображение исследуемых сигналов в виде удобочитаемой кривой с возможностью определения указанных параметров. Поскольку величина разности потенциалов, генерируемых мозгом, является очень малой и нижняя их граница, доступная измерению в настоящее время, определяется единицами микровольт, то, чтобы записать эти колебания, их необходимо усилить. Для этого используются электронные усилители, в частности усилители напряжений.

Для записи усиленных колебаний электрических потенциалов мозга используются разнообразные автоматические регистрирующие устройства. Эти устройства, называемые самописцами, или осциллографами, позволяют получить кривую изменений биопотенциалов как функцию времени.

Из большого числа существующих в технике типов осциллографов в электроэнцефалографии применяются лишь некоторые. В настоящее время имеются самопишущие приборы, специально разработанные для записи электроэнцефалограмм и объединяющие в одном комплексе усилители и осциллографы. Такие приборы называются электроэнцефалографами [1,2].

В современной медицине ЭЭГ исследование весьма применяемо и распространено, но приборы не приносят высокой точности, поэтому, модернизируя устройство за счет нововведений, разрабатываем портативный электроэнцефалограф, что и является основной целью данного курсового проекта.


2.
Технико – экономическое обоснование.

Современные электроэнцефалографы представляют собой многоканальные регистрирующие устройства,  в зависимости от  количества каналов, что, в свою очередь влияет на размер, а так же дополнительных параметров,  варьируется их стоимость.

В медицинских учреждениях существует проблема следующего характера: за рубежом аппаратура более новая, подходит под современные стандарты, а так же более удобная, но очень дорогая. Отечественная аппаратура более прочная, но не современная.

В зависимости от того, в каком виде регистрируется и представляется для ана­лиза электроэнцефалографисту ЭЭГ, электроэнцефалографы подразделяются на традиционные «бумажные» (перьевые) и более современные — «безбумажные». В первых ЭЭГ после усиления подается на катушки электромагнитных или термо­пишущих гальванометров и пишется непосредственно на бумажную ленту. Элек­троэнцефалографы второго типа преобразуют ЭЭГ в цифровую форму и вводят ее в компьютер, на экране которого и отображается непрерывный процесс регистра­ции ЭЭГ, одновременно записываемой в память компьютера.

Бумажнопишущие электроэнцефалографы обладают преимуществом просто­ты эксплуатации и несколько дешевле при приобретении. Безбумажные обладают преимуществом цифровой регистрации со всеми вытекающими отсюда удобства­ми записи, архивирования, вторичной компьютерной обработки.

Для разработки нашего прибора будем использовать полную схему регистрации ЭЭГ – сигналов по системе «10-20» с использованием 16 активных отведений, для более точного определения очагов патологической активности. Такая система используется при подозрении на наличие у пациента фокальных нарушений. Несмотря на увеличение стоимости из-за выбора использования полной системы отведений, мы получим более качественный и точный прибор, который позволит обнаружить малейшую патологию.

Записывать потенциалы мозга будем в компьютер и на бумажный носитель с помощью аналогового регистратора. При этом открываются большие возможности по автоматизации анализа электроэнцефалограмм.

Разработка качественного и недорогого отечественного оборудования является необходимостью и основной задачей технико – экономической части данного курсового проекта. За счет использования элементов преимущественно отечественного производства, стоимость значительно понижается.




3. Анализ существующих решений.

Метод электроэнцефалографии (ЭЭГ) основан на регистрации биопотенциалов мозга. Излагая сущность метода простыми словами, можно сказать, что энцефалограф – это, по сути, обычный вольтметр, который измеряет разности потенциалов между различными точками кожи головы. Поскольку, как и все процессы в живой природе, потенциалы мозга меняются во времени, запись ЭЭГ традиционно представляется в виде кривой потенциал/время.

В настоящий момент технический прогресс позволил отказаться от устаревших аппаратов с лентой и самописцами и воспользоваться регистрацией ЭЭГ на цифровых носителях – появился метод компьютерной ЭЭГ (КЭЭГ). Компьютерные записи затем распечатываются и анализируются врачом совершенно так же как и больше полувека назад на заре эпохи ЭЭГ. Несмотря на то, что в настоящее время создано значительное число алгоритмов компьютерного анализа данных, визуальный анализ остается одним из самых значимых.

Среди методов регистрации ЭЭГ наиболее распространены:

- Рутинная ЭЭГ;

- ЭЭГ мониторинг;

- Видео ЭЭГ мониторинг.

Обычный (рутинный) метод записи ЭЭГ предполагает не более 15 минут записи, и используется для массовых исследований. К сожалению, в ряде ситуаций он оказался не слишком информативен – слишком короткий период записи не всегда позволяет разглядеть патологическую активность. Однако очень часто встречаются ситуации, когда даже в случае тяжелой болезни изменения на ЭЭГ проявляются лишь на незначительный период времени – например в связи с засыпанием пробуждением пациента. С появлением компьютерных технологий (КЭЭГ) закономерно появилась возможность выполнять более длительные записи - мониторинг ЭЭГ (от слова monitor – наблюдать).

ЭЭГ мониторинг предполагает длительную от 1 до 12 часов и более непрерывной записи. Активность мозга регистрируется в разных функциональных состояниях – как при повседневной активности в бодрствовании так и во сне. Причем, по мнению большинства исследователей, в большинстве случаев именно запись сна обладает наибольшей информативностью.

Видео ЭЭГ мониторинг (ВЭМ) предполагает также запись видео сигнала параллельно с записью потока ЭЭГ. К сожалению запись ЭЭГ подвержена очень большим искажениям со стороны электрической активности близлежащих к электродам мышц. Иногда эти помехи (т.н. двигательные артефакты) столь похожи на патологическую активность мозга, что без визуального наблюдения за пациентом их почти невозможно различить. В настоящий момент именно видео ЭЭГ мониторинг является самым точным и информативным из всех методов регистрации ЭЭГ [2].
Основные виды активности электроэнцефалограммы:

Альфа-активность. Выявляется при проведении электроэнцефалограммы в состоянии пассивного бодрствования и представляет собой синусоидальные колебания частотой 8-13 Гц и амплитудой 40-100 мкВ. Альфа-активность зрелого мозга обычно модулирована в веретена и преобладает преимущественно в затылочных областях (связана с функционированием зрительного анализатора)

Бета активность. Представляет собой колебания частотой 14-40 Гц и амплитудой до 15-20 мкВ. Выявляется преимущественно в передних отделах головного мозга во время активного бодрствования. В структуре бета-активности выделяют низкочастотную (с частотой до 22-24 Гц) и высокочастотную (с частотой более 22-24 Гц) активность. Некоторые авторы в структуре бета-активности выделяют гамма-активность, или высокочастотные бета-активность с частотой 40-70 Гц и амплитудой до 5-7 мкв.

Мю-активность. Выявляется в центральных областях головного мозга с преобладанием в области роландической борозды (связана с проприоцептивной чувствительностью). По частоте и амплитуде соответствует альфа-активности, но имеет характерную аркоподобную форму.

Тета-активность. Медленноволновая активность частотой 4-7 Гц различной амплитуды, усиливающаяся при эмоциональном возбуждении и во в время сна. Появление активности на ЭЭГ в другие промежутки времени свидетельствует о снижении уровня функциональной активности коры и всего мозга в целом

Дельта-активность. Медленноволновая активность частотой 1-3 Гц различной амплитуды, наиболее выраженная во время сна. Появление активности на ЭЭГ в другие промежутки времени свидетельствует о снижении уровня функциональной активности коры и всего мозга в целом

Обзор методов для измерения потенциалов мозга:

Для измерения потенциалов мозга существует много методов. Различия методов состоят лишь в постановке задачи и получении требуемого результата измерения.

Количество электродов, наложенных на поверхность черепа должно быть не менее 8. Кроме того, для монополярной регистрации необходимо накладывать ушной электрод для заземления. Расположение электродов на голове осуществляют по схеме "десять-двадцать".

Применяют 6 видов электродов, которые различаются как по форме, так и по способу их фиксации на голове:

1) контактные накладные неприклеивающися электроды (рис.1.а), которые прилегают к голове при помощи тяжей шлема-сетки (рис.1.г);

2) игольчатые электроды (рис.1.б);

3) приклеивающиеся электроды (рис.1.в(1-металл, 2-липкая лента, 3-электродная паста, 4-кожа));

4) базальные электроды;

5) пиальные электроды;

6) многоэлектродные иглы.

Рис.1. Типы электродов и способы их крепления на голове.

Электроды не должны иметь собственного потенциала. Электроэнцефалографическая установка состоит из электродов, соединительных проводов, электродной распределительной коробки с пронумерованными гнездами, коммутационного устройства и некоторого количества каналов регистрации, позволяющих определенное количество независимых друг от друга процессов. При этом необходимо иметь в виду, что 4-канальные электроэнцефалографы непригодны для диагностических целей, так как позволяют выявить только грубые изменения, генерализованные по всей конвекситальной поверхности, 8-12-канальные пригодны только для общих диагностических целей – оценки общего функционального состояния и выявления грубой очаговой патологии. Только наличие 16 и более каналов позволяет регистрировать биоэлектрическую активность всей поверхности мозга одновременно, что дает возможность проводить самые тонкие исследования.

Отведение биопотенциалов обязательно осуществляют двумя электродами, так как для их регистрации необходима замкнутая электрическая цепь: первый электрод→усилитель→регистрирующий прибор→усилитель→второй электрод. Источником колебаний потенциала является участок мозговой ткани, лежащий между этими двумя электродами. В зависимости от способа расположения этих двух электродов различают биполярное и монополярное отведения. С целью экономии времени (так как набор этих комбинаций на селекторе является очень трудоемким процессом) в современных электроэнцефалографах используют заранее фиксированные схемы отведений (монтажные схемы, рутинные программы и т. п.). Наиболее рациональным для осуществления топического анализа с использованием электроэнцефалографии являются следующие принципы построения монтажных схем: первая монтажная схема - биполярные отведения с большими межэлектродными расстояниями, соединения электродов в пары по сагиттальным и фронтальным линиям; вторая - биполярные отведения с малыми межэлектродными расстояниями с соединением электродов в пары по сагиттальным линиям; третья - биполярные отведения с малыми межэлектродными расстояниями с соединением электродов в пары по фронтальным линиям; четвертая - монополярные отведения с индифферентными электродами на ухе и по методу Гольдмана; пятая - биполярные отведения с малыми межэлектродными расстояниями с соединением электродов в пары по сагиттальным линиям и регистрации движений глаз, ЭКГ или кожно-гальванической реакции при проведении нагрузок.

Канал электроэнцефалографа  включает в себя усилитель биопотенциалов с большим коэффициентом усиления, позволяющим усиливать биоэлектрическую активность от единицы микровольт до десятков вольт. В настоящее время чаще применяют электромагнитные вибраторы с различными методами регистрации (чернильная, штифтовая, струйная, игольчатая), которые позволяют регистрировать колебания в зависимости от параметров регистрирующего устройства до 300Гц.

В настоящее время в ЭЭГ используются компьютеры, которые выполняют рутинные измерения, при этом врач сохраняет полный контроль над всеми этапами анализа энцефалограммы. Анализ может быть выполнен прямо на экране компьютера без необходимой предварительной распечатки энцефалограммы, что, безусловно, очень удобно.

С помощью всего лишь нескольких щелчков мышью врач получает размеченную электроэнцефалограмму и таблицу всех стандартных численных параметров, которые необходимо указать в диагностическом заключении. Далее программа переходит к генерации диагностического заключения.

Составление заключения сразу в электронной форме – без необходимости набора на клавиатуре значительных объемов текста – позволяет проводить законченный анализ большого числа электроэнцефалограмм прямо на экране компьютера без их распечатки.[2]

Так как в ЭЭГ покоя не всегда выявляются признаки патологии, то, как и при других методах функциональной диагностики, в клинической электроэнцефалографии применяются физические нагрузки, некоторые из которых являются обязательными: нагрузка для оценки ориентировочной реакции, нагрузка для оценки устойчивости к внешним ритмам (ритмическая фотостимуляция). Обязательной также является нагрузка, эффективная для выявления латентной (компенсированной) патологии, триггерная фотостимуляция - стимуляция в ритмах биоэлектрической активности самого мозга с помощью триггера-преобразователя волновых компонентов электроэнцефалограммы во вспышке света. С целью возбуждения основных ритмов мозга (альфа, дельта, тета и т. д.) используется метод "задержки" светового стимула.
         Выбор метода:

Исходя из всех рассмотренных методов регистрации и особенностей приборов, будем основываться на 16ти канальном электроэнцефалографе, метод регистрации по системе «10-20» – наиболее широко используемый метод расположения электродов на скальпе. Система основана на отношениях между

Рис.2. Расположение электродов по системе «10-20».

расположением электродов и основными областями коры мозга.  Каждый участок имеет символ и номер, чтобы идентифицировать местоположение полушария.  Используемые символы:  "F" - Лобный лепесток, "T" - Временный лепесток, "C" - Центральный лепесток, "P" - Теменной лепесток, "O" - Затылочный лепесток. (Примечание: нет никакого центрального лепестка в мозговой коре, "C" используется только для идентификации).  Четные числа (2, 4, 6, 8) относятся к правому полушарию, и нечетные числа (1, 3, 5, 7) относятся к левому полушарию. "Z" относится к электроду, помещенному в середину. Чем меньший номер, тем ближе позиция к середине. "Fp" замещает полярную Переднюю сторону. "Nasion" - точка между лбом и носом. "Inion" - точка в задней части черепа."10" и "20" (Система 10-20) относятся к 10 %, и 20 %  расстоянию между электродами. 

Выбираем  альфа-ритм, полоса частот 8-13 Гц, средняя амплитуда 30-70 мкВ.

В качестве электродов применяем контактные накладные неприклеивающися электроды, которые прилегают к голове при помощи тяжелого шлема-сетки. Записывать потенциалы мозга будем в компьютер через шину USB, выводить результаты – на ЖК-дисплей. При этом открываются большие возможности по автоматизации анализа электроэнцефалограмм.

Кроме того, компьютер выполняет все рутинные измерения, при этом врач сохраняет полный контроль над всеми этапами анализа энцефалограммы.  Анализ может быть выполнен прямо на экране компьютера без необходимой предварительной распечатки энцефалограммы.


4. Разработка и описание структурной схемы.




…              …                          …
                                         
Рис. 3. Структурная схема.

Структурная схема устройства представлена на рис. 3.  Она состоит из следующих основных блоков:

Прибор содержит 16 электродов, необходимых для полного описания нервной активности. Электроды крепятся на голове пациента. Каждый электрод снимает потенциалы на определенном участке. Далее ставим гальваническую развязку для защиты человека от опасных напряжений, а так же для исключения возникновения паразитных токов в силовых цепях и цепях управления. Сигнал с электродов проходит через усилитель, фильтры и мультиплексор на АЦП микроконтроллера.

АЦП, встроенный в микроконтроллер, разбивает сигнал на цифровые отсчеты. Эти отсчеты заносятся в память вместе с информацией о пациенте, введенной с клавиатуры.          МК управляет работой энцефалографа в целом.

Передача информации с МК на ЭВМ и с ЭВМ на МК происходит с помощью последовательного интерфейса USB, который аппаратно встроен в микроконтроллер. Интерфейс  USB 2.0 содержит интегрированный приемопередатчик, соответствующий спецификации шины USB 2.0 full-speed, буфер FIFO объемом 328 Байт, а так же поддерживает организацию четырех каналов передачи данных.

Аппарат снабжен ЖК – дисплеем, на который выводится буквенно – цифровая информация. ЖК – дисплей поддерживает русские шрифты.

После блока усилителей и фильтров ставят аналоговый регистратор, который предназначен для регистрации сигналов на бумажный носитель.
5. Разработка и описание функциональной схемы.

Рис. 4. Функциональная схема.

На рис. 4 представлена функциональная схема устройства, подробнее рассмотрим каждый блок схемы в отдельности для более наглядного представления о приборе в целом.

1) В качестве электродов применяем контактные накладные неприклеивающися электроды, которые прилегают к голове при помощи тяжей шлема-сетки.

Качество регистрации высокочастотных колебаний потенциалов электрического поля мозга во многом зависит от используемых электродов. Так как вольтаж потенциалов поверхности тела очень низкий, потери на преодоление сопротивления между кожей и электродом должны быть сведены к минимуму. В связи с этим: 1 - 1,5 см² – площадь поверхности электродов. Электроды выбираем из серебра или посеребренного металла исходя из принципа их наилучшей электропроводимости.

2) Для защиты человека от опасных напряжений, а так же для исключения возникновения паразитных токов в силовых цепях и цепях управления ставим перед аналоговым блоком гальваническую развязку - это, соответственно, такая организация взаимодействия участков электрических цепей, при которой непосредственный контакт отсутствует. В качестве гальванической развязки выбираем устройство FDD03-15D4A DC-DC.

3) Предусилитель осуществляет начальное усиление сигнала ЭЭГ. Предусилитель должен удовлетворять определенным требованиям: высокое входное сопротивление, чтобы не нагружать источник сигнала; входные цепи предусилителя должны также обеспечивать защиту пациента; частотный диапазон должен соответствовать спектру исследуемого сигнала. Поскольку эти сигналы имеют низкую амплитуду, важно чтобы полоса пропускания была не меньше, но и не больше, чем требуется.

Исходя из вышесказанного, предусилитель строим на 3-х ОУ. Такая схема имеет более высокий входной импеданс и обеспечивает большое усиление и лучший К_ОСС по сравнению со схемами на одном ОУ. Кроме того, величина К_ОСС менее чувствительна к точности подбора резисторов.

В качестве операционных усилителей выбираем К140УД1701А.

4) Фильтр низких частот. Низкочастотные помехи, содержащиеся в полезном сигнале устраняем с помощью ФНЧ,  используем ФНЧ Баттерворта 2-го порядка, который имеет максимально плоскую АЧХ, умеренную фазовую нелинейность, приемлемую переходную характеристику и достаточно крутой спад АЧХ вне полосы пропускания.

   5) Сигнал, снимаемый с пациента содержит высокочастотные помехи. Для их устранения ставим ФВЧ (фильтр высоких частот). В качестве ФВЧ используем ФВЧ Баттерворта 2-го порядка. Фильтр Баттерворта характеризуется высокой скоростью затухания и эффективно подавляет частоты, большие частоты среза.

6) Для усиления отфильтрованного сигнала ставим внешний усилитель (ВУ) в инвертирующем включении перед АЦП. Это обеспечит нам необходимый для АЦП коэффициент усиления.

7) Для записи потенциалов мозга на бумажный носитель после блока усилителей и фильтров реализуем выход на аналоговый регистратор. Выбираем в качестве регистратора прибор типа Н338, предназначенный для регистрации в аналоговой форме быстро протекающих процессов, изменяющихся в диапазонах от 0 до 150 Гц, преобразованных в соответствующее значение электрического напряжения. Запись показаний прибора осуществляется на теплочувствительной бумаге в прямоугольной системе координат. [13]

8) После ВУ ставим мультиплексор, в данном случае две микросхемы, содержащие по 4 мультиплексора «2 в 1», так как у нас в микроконтроллере 8 – разрядное АЦП. Необходимо обработать информацию (сигнал), поступившую от нескольких датчиков с разделением времени. Выбираем микросхему К4519. Она обеспечивает коммутацию 16 каналов, позволяет проводить как адресную, так и последовательную выборки каналов. 

9) Микроконтроллер представляет собой AT91SAM7S – семейство Atmel микроконтроллеров со встроенной флэш-памятью с малым числом внешних выводов, в основу которых заложено высокопроизводительное 32-битное ядро ARM7TDMI. Отличительными особенностями этих контроллеров является наличие встроенной высокоскоростной флэш-памяти (FLASH) и статической памяти (SRAM), большой набор периферийных узлов и модулей, включая порт USB2.0.

Микроконтроллеры AT91SAM7S содержат 8-канальный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который позволяет работать в двух режимах разрешающей способности - 8 и 10 бит. Максимальная частота дискретизации, обеспечиваемая АЦП, достигает 384 тыс. отсчетов в секунду.

Микроконтроллеры семейства AT91SAM7S являются контроллерами общего назначения. Встроенный в них USB порт позволяет сделать на их основе приложения, требующие наличие связи с компьютером или сотовым телефоном. Отличная ценовая политика и соответствие требованиям по высокой степени интеграции позволяют заниматься созданием дешевых устройств с крупным или массовым их производством. [11]

Для реализации сигнализации превышения критических порогов входных сигналов напряжения и частоты используем программу микроконтроллер, оповещение о превышении будет выводиться на ЖК – дисплей в виде букв. Выбираем модель MT-12864A-2FLA со встроенным контроллером КБ145ВГ4.

         10) С микроконтроллера идет выход на ЖК - дисплей: активную матрицу, в которой используются микротранзисторы TFT, открывающие и закрывающие индивидуальную ячейку. Выбираем модель WG12232A-YGH-VN –   графический дисплей с ЖК матрицей 122х32.

11) Интерфейс  USB соединяет наш прибор с ПК, содержит интегрированный приемопередатчик, он имеет буфер FIFO объемом 328 Байт. Для работы интерфейса USB используется единая (с ядром) схема генерации и распределения тактового сигнала, что позволяет использовать один кварц для ядра и USB.

12) После этого сигнал передаётся на ЭВМ, где происходит дальнейшая обработка сигнала.




6. Разработка и расчет принципиальной схемы.

1. Расчет предварительного усилителя на операционном  усилителе.

 

Рис.4. Предварительный усилитель

На рис приведена схема двухкаскадного предварительного усилителя на базе операционного усилителя. Первый каскад, состоящий из усилителей DA1 и DA2, усиливает дифференциальный сигнал в  раз, и коэффициент передачи для синфазного напряжения равен 1. Следовательно дифференциальный сигнал увеличивается на выходах DA1 и DA2 без увеличения синфазного сигнала. Второй каскад, выполненный на ОУ DА3, в дифференциальном включении усиливает дифференциальный сигнал в  раз.

Пределы измерения величины ЭЭГ 10 – 70 мкВ;

Поэтому возьмем U_вх=70×10^-6 В, входной ток I_вх=4×10^-9 А, рассчитаем первый резистор:

R₁===17,5×10³ Ом.

Для первого каскада К_у1=714, а для второго каскада К_у2=10.

Исходя из коэффициента усиления К_у1, рассчитаем остальные элементы первого каскада:

К_у1==>R₂=714×=714×=>

R₂=6,2031×10⁶>R₂=6,19×10⁶ Ом

Исходя из коэффициента усиления К_у2, рассчитаем остальные элементы второго каскада:

К_у2= => 10 R₃= R₄ => R₃=1×10³ Ом, R₄=10×10³ Ом

Пользуясь справочником выбираем резисторы серии С2-33И номиналом:

  R₁=17,4×10³ Ом
R₂=6,19×10⁶ Ом

R₃=1×10³ Ом

R₄=10×10³ Ом

2. Расчет ФНЧ Баттерворта.




Рис.5. ФНЧ 2 порядка Баттерворта

В качестве фильтра используем фильтр второго порядка Баттерворта без обратной связи - коэффициент усиления равен 1.

Частота среза по заданию F_ср=100 Гц;

Значения сопротивлений получаются из передаточной функции НЧ фильтра:

 

Где а, b –коэффициенты полинома;

        С₁, С₂ - номиналы емкостей;

         F_ср – частота среза.

а=1,4142; b=1,0000 (табличное значение)

Чтобы сопротивления резисторов были действительными должно выполняться условие:

==2, С₂≥2С₁

Возьмем согласно ряду номинальных значений конденсаторов:

С₁=1×10^-6 Ф, С₂=2,2×10^-6 Ф,                    

тогда:

=786,1 Ом

R₅=R₆=787 Ом

3. Расчет ФВЧ Баттерворта.



Рис.6. ФВЧ 2 порядка Баттерворта

В качестве фильтра используем фильтр  2 порядка Баттерворта. Коэффициент усиления равен 1. По заданию F_ср =1 Гц.

Пусть С₃=С₄=С=10^-6 Ф. Тогда

, ,

Где а, b –коэффициенты полинома;

С₃, С₄ - номиналы емкостей;

F_ср – частота среза.

а=1,4142; b=1,0000 (табличное значение)

Ом, R₇=225×10³ Ом

Ом, R₈=112,5×10³ Ом. [9]

4. Расчет выходного усилителя.




Рис.7. Инвертирующий выходной усилитель

Необходимый сигнал на ходе АЦП равен порядка 5 В. Так же мы имеем К_у2=10:     =10

Пусть R₉=1 кОм,   R₁₃=10 кОм. Тогда R₁₁==909,01 Ом


5. Расчет канала нормализации.

1) U_c = 70×10^-6 В, η_вх = 10^-4,

    

2) n = 8  - разряд АЦП, N = 2⁸   η_вых.ф = 5·10⁵

      

3) k_син = 0,02

4) η_вых.пу ≥ 100 – необходимо выполнить

   Примем для определенности k_диф1 ≈ k_диф2

    

   

   

   

    η_вых.пу = η_вх · k²_осс= 10^-4×()²=12,7×10⁶ » 100

    П_пу1,2 ≈ 10⁴ Гц (по графику [К_у, дБ(f, Гц)]

   

5),

     f_с1 » f_с2 =>  f_ср1 » f_ср» f_с2=> F_дис=4×100=400 Гц. [4]


6. Работа микроконтроллера.

Микроконтроллер AT91SAM7S, главным образом предназначен для того, что бы принятую информацию преобразовать и при помощи USB-порта передать на компьютер.  Полноскоростная USB-связь позволяет установить соединение между хостом и присоединённым USB – устройством. Программное обеспечение хоста связывается с USB-устройством через коммуникационный поток. Этот поток переносится с помощью одной из типов передач, определяемых USB-устройством. Сначала микроконтроллер записывает данные в предпорт USB, ждёт, когда поступит сигнал о возможности передачи, если да, то передаёт, нет – ждёт. [11]
Алгоритм:



Рис.8. Алгоритм программы на микроконтроллере




7. Выбор

элементной

базы
.

Расчет площади печатной платы начинаем с расчета установочной площади элементов. Установочная площадь представляет собой прямоугольник, описанный вокруг элемента с учетом его максимальных установочных размеров, требований по монтажу, обеспечивающих нормальную работу электроээнцефалографа.

i

S_∑=K_y∑S_{устi     ,}

где S_∑ - суммарная площадь;

K_y – коэффициент увеличения площади, зависящий от назначения радиоэлектронного средства и условий эксплуатации и равный 1…5;

S_устi – установочная площадь i
– го элемента.

Установочная площадь отдельных элементов:

Резисторы 238 штук S_уст=3708,72 мм²

Конденсаторы 68 штук S_уст=76896 мм²

Операционные усилители КР140УД17 102 штук S_уст=8032,5 мм²

Микроконтроллер S_уст=148,84 мм²

Микросхема К591КН3 S_уст=240 мм²

Гальваническая развязка S_уст= 5000 мм²

Итого, суммарная площадь печатной платы устройства равна

S_∑=93810.06 мм². Исходя из этого печатная плата должна иметь размеры 470×400 мм.

Исходя из размеров печатной платы корпус прибора должен иметь следующие размеры: боковая панель 550 × 240 × 75 . Чертеж корпуса прибора представлен в приложении. На передней панели расположено кнопка для включения канала измерения, кнопка сеть, вертикально расположены разъёмы для включения электродов. На задней панели расположен разъём для питания, для подключения ЭВМ.


10. Заключение.

В данном курсовом проекте был разработан портативный электроэнцефалограф. Были разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы устройства. Одним из путей усовершенствования разработанного прибора является увеличение количества электродов (для белее точного обследования),  добавление блока воздействия на биологический объект (свет, звук).

В результате данного курсового проекта разработано устройство, удовлетворяющее всем требованиям технического задания.


11. Список литературы.

1.     Ю.Г. Кратин, В.И. Гусельников. Техника и методики электроэнцефалографии. Ленингр.: Наука, 1971.-319с.

2.     И.В.Камышко. Медицинские приборы. Разработка и применение. –  М.: Медицинская книга, 2004. – 720 с.

3.     Г. А. Садовский. Основы теории погрешностей измерительных устройств: Учебное пособие. Рязань: РРТИ, 1981. – 84с.

4.     П. Гарет. Аналоговые устройства для микропроцессоров и мини ЭВМ. – М.: Мир, 1981. – 260 с.

5.     Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. М.: Радио и связь, 1989. -496 с.

6.     И.И. Четвертков, В.М. Терехов. Резисторы. Справочник. -2-е изд. М.: Радио и связь, 1991. - 528с.

7.      И.И. Четвертков, М.Н. Дьяко­нов. Конденсаторы. Справочник. -  М.: Радио и связь, 1993. - 392с.

8.      Операционные усилители и компараторы. Справочник. Том 12. М.: Додека-XXI, 2001. – 560с.

9.     http://www.masterkit.ru/info/magshow.php?num=56&open=o26o4o&search=

10.  http://www.ramld.ru/

11.  http://www.efo.ru/doc/Atmel/Atmel.pl?1216

12.  http://www.chipdip.ru/

13.  Справочник по электро - измерительным приборам. Ленинград: Энергия, 1977. – 832 с.


14. Приложение 1.