Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych

Kubald 26 Gru 2012 21:44 26229 18
  • Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych

    Elektroencefalografia jest nieinwazyjną metodą pozwalającą przyjrzeć się pracy mózgu. O ile sam narząd jest wielce skomplikowany, aktywność jego obszarów może być oceniana na podstawie charakterystycznych fal mózgowych, rejestrowanych za pomocą specjalnych urządzeń. Intensywność tych fal zależy także od stanu badanego. Najprostsze do rozróżnienia są fale typu alfa i beta – fale alfa mają częstość rzędu 8-12 Hz i rejestrowane w obszarze płata czołowego wskazują, jak bardzo zrelaksowany jest badany. Fale beta mają częstość 12-30 Hz i wskazują, czy badany znajduje się w stanie wzmożonej uwagi.

    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych

    Intensywność każdej z badanych fal zależy zarówno od aktualnej aktywności mózgu jak i od miejsca pomiaru – przykładowo, fale alfa mierzone w obrębie lewej strony kory ruchowej wzmagają się, kiedy myślimy o ruchu prawą ręką.

    W niniejszym opisie pokazano, jak samodzielnie zbudować prosty encefalograf. Poza rejestrowaniem fal mózgowych, gotowy układ może być także wykorzystany jako kardiograf. Urządzenie wykorzystuje 3 elektrody – dwie umieszczane na głowie i trzecią – elektrodę odniesienia potencjału masy. Koszt całego urządzenia zawiera się w granicy $10.

    Większość elementów niezbędnych do budowy urządzenia jest łatwo dostępna. W układzie pracują dwa układy scalone: wzmacniacz instrumentacyjny AD620AN (najważniejszy i zarazem najdroższy układ; teoretycznie może być zbudowany w oparciu o 3 wzmacniacze operacyjne, ale nie zapewni to tak dobrych rezultatów, jak zastosowanie gotowego układu) oraz wzmacniacz operacyjny TL084CN (jakikolwiek inny wzmacniacz również się sprawdzi). Do tego potrzebna jest m.in. garść typowych rezystorów i kondensatorów, dwie 9-woltowe baterie, elektrody i żel do elektrod.

    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych




    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych

    Kompletny schemat można zobaczyć na powyższym rysunku. Autor zamieścił również charakterystykę częstotliwościową (zebraną za pomocą urządzenia NI myDAQ) – urządzenie posiada wzmocnienie całkowite rzędu 90. Całość zasilana jest z dwu baterii 9V (wzmacniacze wymagają zasilania symetrycznego), a dodatkowo, do linii masy przyłączana jest elektroda odniesienia umiejscawiana na nodze (obecny tam potencjał nie jest zakłócany aktywnością fal mózgowych). Głównym „zadaniem” urządzenia jest rejestracja fal i usunięcie niepotrzebnych szumów z sygnału. Do wizualizacji mierzonych wartości stosowana jest karta muzyczna, dlatego napięcie na wyjściu układu zmieniać może się jedynie w zakresie -1 do +1V.

    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych

    Całość można zbudować i przetestować na płytce stykowej.

    Pierwszym elementem urządzenia jest wzmacniacz instrumentacyjny – układ taki na wyjściu podaje różnicę napięć pomiędzy swoimi wejściami, pomnożoną o wartość wzmocnienia, G. W przypadku wzmacniacza idealnego, po podaniu na wejście napięć 2,1 oraz 2,2V napięcie na wyjściu powinno wynieść 0,1V*G. Niestety, na wyjściu wzmacniacza rzeczywistego wartość napięcia będzie nieco inna, ze względu na offset napięć na wejściach. Charakteryzujący każdy wzmacniacz współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR) wskazuje, jak dobrze wzmacniacz „ignoruje” offset napięć na wejściach. Czym wyższy współczynnik CMRR, tym lepiej i odpowiedź wzmacniacza będzie zbliżona do tej dla układu idealnego. W opisywanym układzie pracuje wzmacniacz AD620AN. Jego wzmocnienie ustalane jest za pomocą rezystora i w urządzeniu wynosi 89,2 (z rezystorem 560Ω). Elektrody podłączane są wprost do wejść wzmacniacza.

    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych
    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych

    Tak wzmocniony sygnał poddawany jest dalszej obróbce w filtrze środkowozaporowym 60 Hz. Usuwa on interferencje związane z częstotliwością prądu przemiennego. Elementem determinującym częstotliwość pracy filtru jest rezystor 12Ω (dla częstości 50 Hz należy zastosować rezystor 15Ω). Poniżej można zobaczyć charakterystykę filtru.

    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych
    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych

    Tak oczyszczony sygnał podawany jest na filtr górnoprzepustowy 7 Hz. Pozwala on usunąć interferencje związane z ładunkiem statycznym zebranym na skórze głowy, a także wyciąć sygnały pochodzące od fal delta i gamma (poniżej 8 Hz). W urządzeniu pracuje filtr o częstotliwości granicznej 7,23 Hz.

    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych
    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych

    Kolejnym stopniem jest filtr dolnoprzepustowy 31 Hz – w opisywanym przypadku częstotliwość graniczna wynosi dokładnie 31,23 Hz; pozwala on usunąć niepotrzebne szumy sygnału, powyżej 30 Hz nie jest niesiona żadna informacja związana z falami mózgowymi.

    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych

    Następnie sygnał przechodzi przez kolejny filtr górnoprzepustowy o częstotliwości granicznej 1 Hz, celem jeszcze dokładniejszego stłumienia niepożądanych składowych sygnału. Dodatkowo, obecna w obwodzie szeregowo włączona rezystancja i pojemność tworzy filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości granicznej 160 Hz. Głównym zadaniem tego zespołu filtrów jest, poza oczyszczeniem sygnału, dobór wzmocnienia od 83 do 455, za pomocą potencjometru. Spowodowane jest to faktem, że amplituda fal mózgowych u każdego jest inna i waha się zwykle w zakresie 10-30 µV. Obecność zespołu filtrów z regulacją wzmocnienia pozwala dostosować poziom napięcia wyjściowego do wartości amplitudy rejestrowanej fali i zapobiec przesterowaniom na wyjściu.

    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych

    Dodatkowo, na wyjściu przewidziano jeszcze jeden filtr środkowozaporowy 60 Hz, identyczny, jak opisano powyżej. Odfiltrowany sygnał może być podany na kartę dźwiękową komputera.

    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych

    Umieszczenie elektrod pomiarowych zależy od rodzaju pomiaru – dla pomiaru fal alfa wystarczy elektroda umieszczona w obrębie płata potylicznego – fale te są łatwe do pomiaru i mają stosunkowo dużą amplitudę. Do dokładniejszych pomiarów niezbędne jest zlokalizowanie lewego wyrostka sutkowatego, nosacza i inionu. W tym wypadku elektroda odniesienia umieszczana jest w okolicach wyrostka sutkowatego.

    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych
    Zbuduj własny elektroencefalograf - urządzenie do pomiaru fal mózgowych

    Na stronie projektu dostępne są dalsze szczegóły dotyczące pomiaru, zbierania i obróbki danych oraz możliwości zmian. Autor zaproponował także m.in. grę w ponga sterowaną falami mózgowymi.


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • #2 27 Gru 2012 19:44
    szymon122
    Poziom 37  

    Na wykresie jest jeszcze fala Delta, ją również można łatwo "odczytać z mózgu" ?
    Chyba większym problemem jest interpretowanie wyników.

  • #3 27 Gru 2012 21:54
    bobo
    Poziom 29  

    szymon122 napisał:
    Na wykresie jest jeszcze fala Delta, ją również można łatwo "odczytać z mózgu" ?

    Może kolega bardziej uściślić? W czym tkwi wg. kolegi problem?
    Pozdrówka

  • #6 28 Gru 2012 02:14
    Jatsekku2
    Poziom 12  

    Hmm, a nie można zastosować czegoś bardziej powszechnego ? jakieś lm, albo tl ? Bo jednak nie wygodnie byłoby mi je zamawiać. I przy okazji chciałem wielokanałowe, więc na pewno nie da rady znaleźć czegoś innego ?

  • #7 28 Gru 2012 09:38
    kybernetes
    Poziom 39  

    Jatsekku2, kiedyś, w dawnych czasach, ludzie składali wzmacniacze pomiarowe z wzmacniaczy operacyjnych. Wielu z tych ludzi z pewnością jeszcze żyje i może nawet pisze na elektrodzie. Proponuje abyś założył temat w "początkujący nauka" i tam zapytał jak tanio zbudować wzmacniacz pomiarowy a myślę że otrzymasz pomoc.

  • #8 28 Gru 2012 11:38
    szymon122
    Poziom 37  

    bobo napisał:
    W czym tkwi wg. kolegi problem?

    Kubald napisał:
    Najprostsze do rozróżnienia są fale typu alfa i beta

    Lecz nadal mi się wydaje, że najtrudniejsza będzie potem analiza wyników, nie wiem czy im większa amplituda Alpha to człowiek bardziej zrelaksowany czy jakoś inaczej trzeba to interpretować.

  • #9 28 Gru 2012 12:31
    bobo
    Poziom 29  

    szymon122 napisał:

    Lecz nadal mi się wydaje, że najtrudniejsza będzie potem analiza wyników, nie wiem czy im większa amplituda Alpha to człowiek bardziej zrelaksowany czy jakoś inaczej trzeba to interpretować.

    No właśnie i tutaj dochodzimy do sedna ( prawie ) sprawy. To nie jest tak że, u człowieka w danej chwili występuje tylko określona fala o określonej czestotliwości. Mało tego, w niektórych obszarach mózgu, pewne fale wogóle nie występuja lub są nie do uchwycenia. Np. fale Alfa, o których krążą przedziwne opowieści, jakoby przy ich wystepowaniu człowiek sie relaksował, lepiej i szybciej uczył itp itd. Te opowieści wywołuja lawinę dziwnych konstrukcji ot, popularny biofeedback czy nawet urządzenie EEG. Rzecz w tym że, stan relaksu lub stan lepszej percepcji wcale nie musi mieć zwiazku z falami Alfa. Aby było jasne, atakując nasz mózg falami o określonej częstotliwości nie mamy 100% pewności że bedziemy osiągali taki stan jak nam wmawiaja jest akurat odwrotnie to nasz stan fizyczny oraz "ducha" generuje określone częstotliwości fal. Zapewne zaraz pojawi sie głos, a co z falami o częstotliwości kilku Hz, wywołującymi strach lub panikę? Po pierwsze to ich amplituda i zasięg ( aby nam dać o sobie znać ) muszą być ogromne a po drugie wiecej w opowieściach o nich jest "mitologi" i fantazji niż ma faktycznie miejsce. Nie mniej temat jest arcyciekawy i wart uwagi, wszak człowiek jest tworem nieodgadnionym.
    Pozdrówka

  • #10 05 Sty 2013 00:08
    kubasuszec
    Poziom 2  

    Jatsekku2 napisał:
    Hmm, a nie można zastosować czegoś bardziej powszechnego ? jakieś lm, albo tl ? Bo jednak nie wygodnie byłoby mi je zamawiać. I przy okazji chciałem wielokanałowe, więc na pewno nie da rady znaleźć czegoś innego ?


    Niebawem czeka mnie oddanie projektu z Elektroniki biomedycznej (EKG), tam też używaliśmy AD620, gdzie jego użycie jest właściwie niezbędne, a składanie własnego wzmacniacza pomiarowego nie jest trudne, choć to tylko teoria z wykładu(pewnie w praktyce przydało by się parę kondensatorów itd). Więc jeśli chcesz zbierać informacje z człowieka, najlepiej kup AD620, bądź jego odpowiednik (ten był najtańszy) bo zazwyczaj są to dość małe sygnały a do ich zebrania wymagany jest odpowiedni sprzęt

  • #11 05 Sty 2013 18:52
    Jatsekku2
    Poziom 12  

    Nom, zakładałem temat o tych wzmacniaczach pomiarowych i ciężka sprawa, bo potrzebna jest duża dokładność rezystorów, wyczytałem, że INA122 to prawie to samo, więc zamówiłem sobie sample od TI i to jest chyba najlepsze wyjście, zastanawiam się też czy nie da rady użyć układa 4067 ("przełącznik analogowy") do zwiększenia ilości kanałów

  • #12 13 Lut 2013 21:12
    chrobry
    Poziom 13  

    Mam pytanie odnośne elektrod pomiarowych. Te stosowane w artykule są obecnie trochę za drogie (45$). Czym najlepiej je zastąpić? Jakiś polski zamiennik? Dzięki za jakiekolwiek podpowiedzi...

  • #14 07 Mar 2014 18:49
    adi1525
    Poziom 14  

    Wiem, że temat jest z lutego tamtego roku ale mam pytanie, ponieważ są tu pewne nie jasności.
    Otóż kondensator C11 na schemacie podłączony jest minusem do plusa wzmacniacza, a już na zdjęciu rozpieszczenia elementów na płytce stykowej jest odwrotne. Czy to ma znaczenie w tym przypadku ?
    Druga rzecz, rezystor R4 na schemacie jest połączony pomiędzy C5 i C1 a z drugiej strony do wyjścia wzmacniacz, a na płytce stykowej rezystor jest włączony pomiędzy R2 i C5. Czym mam się sugerować, płytką czy schematem ?

  • #15 07 Mar 2014 20:48
    jacekele321
    Poziom 9  

    Masz na myśli ten układ ECG, czy EMG na INA106 IC?
    http://www.instructables.com/id/Muscle-EMG-Se...r-a-Microcontroller/step3/SIGNAL-ACQUISITION/

    Ktoś może się orientuje czy ten AD620 i INA106 są podobne i jakoś zamienne?
    Akurat bardziej temat EMG mnie interesuje i wygląda na to że krok po kroku jest pokazane jak na stykówce to zrobić.
    Mam zamiar po prostu schemat z tego narysować i zrobić jakąś płytkę PCB z tego, tylko te tajemnicze specjalizowane wzmacniacze póki co komplikują sprawę bo ich nie mam...
    EMG chyba łatwiejsze do analizowania na początek niż fale mózgowe-przynajmniej jest akcja i reakcja bardzo widoczna:

    Link

  • #16 07 Mar 2014 21:27
    adi1525
    Poziom 14  

    Chodzi mi o ten schemat, który zamieścił Autor, ECG na AD620AN

  • #17 08 Mar 2014 09:59
    jacekele321
    Poziom 9  

    W sumie jak trochu przyjrzałem się tym wzmacniaczom instrumentacyjnym, czy jak je tam zwał, to INA106 i AD620, czy chyba nowszy z tej serii AD8221 podobną funkcję pełnią i chyba podobna jest metoda wzmacniania tych niskich napięć z elektrod przyklejonych do skóry zarówno w ECG jak i EMG.
    Natomiast cała sztuka to sensownie zinterpretować te dane i chyba bardziej podoba mi się ECG opisane w tym dokumencie poniżej z załącznika ECG.pdf, gdzie sensownie jest opisany schemat takiego układu ECG na AD620 ale zasilanego z jednej baterii 3V z układami do podbijania naipęcia do 5V i następnie dodatkowo uzyskiwania -5V oraz cyfrowej filtracji z przesyłem danych na PC za pomocą optoiziolatora.
    Chociaż w innych filmach wideo widziałem wręcz INA118 z podpiętym REF na 2.5V z drabinki rezystorowej 5k i 5k, całość zasilana z jednej baterii 9V i stabilizator na 5V.
    Dzięĸi temu trikowi jak twierdził autor można uniknąć problemów z pulsowaniem układów do podbijania i zmiany polaryzacji, no i zasilać całość z jednej baterii.
    Ceny tych wzmacniaczy w okolicy do 20PLN można dostać w TME chyba są, wiec po prostu trzeba wziąć jakiś i na mikrokontrolerze na ADC wyjście może próbować analizować i filtrować programowo.

    Jest jakaś przeszkoda, żeby cyfrowo filtrować te sygnały ECG pochodzące z tych specjalizowanych wzmacniaczy?

  • #18 08 Mar 2014 18:46
    adi1525
    Poziom 14  

    Doczytałem się, że schemat jest dobry a zdjęcie układu może mieć lekkie odstępstwa od oryginału jak to autor napisał. Ale mam problem, otóż program READ_EEG ze strony podanej przez autora został prawdopodobnie edytowany i jest tam dużo błędów, mógłby ktoś podesłać działający ??

  • #19 09 Mar 2014 13:05
    adi1525
    Poziom 14  

    Teraz dopiero zacząłem się nad tym zastanawiać, jak oscyloskop odczyta mi 13Hz jak większość kart ma pasmo przenoszenia od 20Hz ?? :P