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心電図シュミレーター [JavaScript・ソフト・ゲームなど]

心電図の元はなんなのでしょうか?
よく言われるのが、心臓のひとつひとつの細胞が発生する電気の合計である、ということです。

個々の細胞の電気変化を示したものが活動電位です。
活動電位.png
細胞ひとつの波形は、こんな感じでしょうか?

その活動電位の合計が、心電図として記録されるということのようです。


最近(といっても2013年???)スーパーコンピューター上で心臓を作成し、心電図をシュミレートするという成果が発表されました。
UT-Heartですね。
なんと、20 million myocyte modelsとのことです。

Science Advances 01 May 2015:Vol. 1, no. 4, e1400142 DOI: 10.1126/sciadv.1400142.からです。

以前から心臓をシュミレートする報告はあったのですが、さすがスーパーコンピュータといったところです。



さて、我々のパソコンではそんな芸当は無理?ですから一番簡単な、2細胞からなるシュミレーターをご紹介しましょう。

本家は、こちらです。

結構いろんなソフトをインストールしないといけないようですので、例のごとくJavascriptで書いてみました。

WebGL Volume Rendering



バッサリと簡略化し、曲線ではなく直線であらわしましたが意外といけるようです?
(著作権上問題があるようでしたらご連絡頂けるようでしたらありがたいです。
プログラム自体は、上下の波形の差分を表示しているだけの簡単なプログラムです。)

このプログラムではRとT波をシュミレートできますね。

http://nsa.kpu-m.ac.jp/gijutu/new-ecg/macpu11.pdfからのお話でした。

はかってみよう [ものづくり]

ADコンバータはアナログ信号をデジタルに変換します。
たとえば、-1~1Vのデーターを0~255と言った具合です。

この場合、8bitの精度ってことでしょうか?
さらに変換速度、多くはサンプリング速度で、Hzで表しますか?
この二点でADコンバータの基本性能が決まります。
まあ初めは、厳密でなくてもいいものを測定することにしましょう。



さて、何を測るかですが、初めに温度を測ってみましょうか?

P1220143.JPG
これが温度センサーですね。

LM35DZでご存知の方も多いでしょうか。
10.0mV/℃の割合で、温度が上昇すると出力する電圧も上昇するという何とも便利なICです。
3本端子なので、隣のトランジスターの2SC1815と区別がつきませんね。

±1℃の精度で一見低そうですが、体温あたりでは普通± 0.4℃ですから、体温計としては十分ですね。

よく使われる電子体温計の精度は±0.1℃ですのでそちらは正確そうですが、
±0.1℃とは、標準室温 23℃にて、恒温水槽で実測測定した場合ですので、
普通に測定する予測値は結構いい加減です。
(お医者さんで測定するときに待たされるのは実測なためなのでした)



さて、体温だけでは、うーんな感じなので、
もう少し高度?なものを測定します。

P1220140.JPG
で、上の回路です。
これは試作として色々、フィルター、増幅器を吟味するためにモジュール化したので余分に大きいです。

何かと言うと、心電計です。
そう、心臓の電気を測定する機械ですね。

回路のきもは、
P1220141.JPG
で、DCドリフトが少なく雑音も少ない設計の、計装アンプと呼ばれるOPアンプの一種を使います。

AD620と呼ばれるICで、データーシートにそのままずばり、
AD620.png
回路が載っている、れっきとしたICです。
計装アンプが入手できない場合、OPアンプ3つで回路を組むのですが、昔は決まってOP07でした。(ご存知?)
ですが、LF412とか、LM324でさえちゃんと心電図を測定できました。


しかし、医療機器として使用するには、
高度な雑音除去と、安全性が求められますのでそのままでは使えないのは言うまでもありません。
そのあたりは、JIS規格に厳格に決められていますので規格書から読み解けばよいでしょう。


実際に使用するには、低周波と高周波、さらにハムノイズ(50Hzか60Hzの電気の周波数です)を除去しなければなりません。
上の写真には、ハムノイズを除去するフィルターを組み込んでいるので結構正確に心電図が測定できます。


ここで注意点ですが、計装アンプは人体に接続しますので、
安全には注意が必要です。

出来れば高価ですが、絶縁タイプの計装アンプならもっと安全ですね。
(それで組んだ装置がどこかにあったはずなのですが、押し入れの奥なのでしょうか?見つかりませんでした)

一般に健康な人でも、心臓を横切る電流が0.4Aを超えると死に至りますので、十分ご注意を・・・



では測定結果ですね。
名称未設定 1_1.png
こんな感じによく見かける波形が測定できます。

シールドもしていない部屋での測定で結構雑音がのってますが、意外と綺麗な波形だと思いませんか?


さらっと波形を解説すると、
名称未設定 1_2.png
Pから始まり、QRS、Tでおしまいです。

なぜPからなのか色々あるようですが、初期の文献を見るとAから始まっていますので、
よく言われるのは、論文を重ねるうち前の波形と区別するため、
順々にアルファベットをあてはめて、最後にみんなに認められるようになったのがP~ということのようです。
(初めに測定されたのはパグ犬らしいですよ。その波形は結構歪んでいるものでした)

信じるか、・・・は・・・


そうそう、増幅度を上げると脳波を測定できます。
(心電計は1mV程度、脳波計は50μV位の微電圧を増幅します)
その場合には、ローパスフィルター(30Hz位)を使用し、周波数特性を極端にすぼめます。
(特性の良くないフィルターですと波形がひずんで使い物にはなりませんね。この場合形そのものに対してで、必ずしも周波数特性がいいからと言っていい図が出るわけではありません)

ADコンバータ で、いってみよう [ものづくり]

昨日、ADコンバータで入力しました・・・
で、ADコンバータをご存じない方もおられるでしょうから一応解説をしておきましょうか?

実物は
P1220134.JPG
かなり昔の、大作?でしょうか。
(昔はマメでしたねぇ・・・いまは・・・目が見づらくて・・・)


実際のADコンバータはと言うと
P1220135.JPG
の中の縦長のICで、ADC0820と書いてある部品ですね。

そのほかは、データーを取り込むマイコンと、アナログ信号をとどめておくサンプルホールド、
8ch入力のためのマルチプレクサなど々です。


さて、ADコンバーターというのは、かんたんにいうと、
アナログ信号をデジタル信号に変換するものです。


あまり聞き覚えがない方でも、パソコンに音を録音するサウンドボードはご存知でしょうか?
これは、まさしくAD、DAコンバータで、アナログの音声信号をデジタルに変換、あるいはその逆を行ってくれます。


じゃあ、たいしたものではない?ですが、決定的な違いはDC信号(直流)を読めるか読めないかですね。

サウンドボードはDC(直流)成分が必要ないので(あるとスピーカーを破壊します)、
入力、出力にコンデンサーを入れてあります。

実際にサウンドボードを改造して(=コンデンサーを外して直結)いる方もおられますね。



かなり昔の回路図があったので、一応ご紹介です。
(上の写真とは異なりますが、ADC0820→AD7820で同じもの。また、SH:サンプルホールドは1回路しか図示していません)
ADCON.png
回路のわからない方はちんぷんかんぷんでしょうが、
INPUTと書かれているところから入力し、D1~D7へとデジタル出力するものです。


実際のデーター入力は、今は枯れたインターフェースのRS232Cで行っています。
転送部分にはマイコンを入れてあり、
これまた枯れてしまったZ80(東芝のTMPZ84C015?という周辺チップを組み込んだLSI)を使用していますね。
(これだけでもこの装置がいかに古いかおわかりでしょう?、笑)

Z80.png
マイコン周りはこんな感じで、記憶が正しければCTCに入れる外部クロックに同期してサンプリングしていました。
セイコーのSPG8640Aという、プログラムクロックを使用したと思います。


お疲れさまでした。
そして、これが生き物とどうかかわるかは次回にでも。

LEDです、すみません。 [顕微鏡・機材など]

前に、乾電池でLEDを点灯させるお話をしましたが、今日は調光のお話です。

LED.jpg
一般に電圧が固定なら、上のように抵抗を間に入れて電流を制限します。

電源電圧5Vで、30mAを流したいのなら、LEDの電圧降下が30mAで3.4Vとすると、
オームの法則より、

(5-3.4)/0.03=53.333・・・

ですので、54Ωの抵抗をつければいいわけです。

ところが、LEDは低発熱と言ってもやはり熱を出しますし、
室温も変わりますね。

NSPWR70CS.jpg
NSPWR70CS(言わずもがなの日亜雷神です、30mAで10lmの高効率ですね)のデーターシートです。

これによると、温度が上昇すると、LEDの電圧降下が減少します。

たとえば、30°→60°に上昇すると、0.1~0.2V低下します。

そこで、上の式で求めた54Ωとしておくと、

(5-3.2)/54=0.03333・・・
となり、33mA流れるわけですね。

雷神さんは、高効率で低発熱ですのでそれほどでもありませんが、
顕微鏡で使用する5W以上ものLEDでは、かなりの発熱が起こります。
したがって、みている間にどんどん光の強さが変わって、
いい写真が撮れないってことになるわけですね。

では、どうするかというと、定電流回路を抵抗のかわりに使用します。

さらに、顕微鏡撮影では、光の量を調正しないといけないので、
可変抵抗(ボリューム)にすればいいのですが、
大電流を流すためにはすごい大きなボリュームが必要になるわけです。



さて、定電流回路は色々(ググって頂いた方がいいでしょうか?)あるのですが、

大きく分けて、リニア型とそれ以外に分けておきましょう。

リニア型は上の抵抗のように電圧降下を起こさせて所定の電圧なり、電流なりを得るものです。
なので、多くは発熱によって電気の無駄となるわけです。


対して、それ以外では、スイッチング型が有名で、

文字通りスイッチを入れて所定の電圧、電流が流れた後、すぐにスイッチを切ります。
以前の乾電池のところの様なものですね。(厳密には微妙らしいですが)


で、スイッチを入れたり切ったりするのでちらつきそうですが、
目に見える速度を超えたスピードで入切しますので、見た目にはずーっと点いているように感じるのですね。

そこで、
P1220130.JPG
にお教え頂いた、DIODES社に使えそうな石(ICのZXLD1366)がありましたので組んだのが上です。

最近はチップ製品になってしまって、
P1580802.JPG
こんな半田付けが要求されるので、顕微鏡を見ながらって・・・
TSOT25ですので、MAX1W(ですが1.25A、60VまでOKなつわものです)でまあ実験がてらですね。
(実際の使用ではON抵抗が1Aで0.5Ωですから0.5Wで、定格内ですが結構な発熱があるので放熱を工夫しませんといけませんね)

で実際に付けてみると、やはり電圧による光量制御では、25%?~100%(200mA位~1A)の光量となって、
うーん、暗くなりません。
データーシート通りと言えばその通り?


そこで、PWM制御ということで、
外部からスイッチの入り切りのタイミングを入力するようにする回路を別途組んでみると、
NE555.jpg
こんな感じに、
ジャンク箱で長らく寝ていた、有名な555でデューティ比0~100%可変できる回路を組んでみました。
(実際には、左のダイオード下の2つの抵抗部分はボリュームになります。LTSpiceには可変抵抗がないみたいです?)

パソコンにつないであるADコンバーターを介してどうなっているか調べると、
名称未設定 2022.jpg
こんな感じに、ボリュームによって割合が変化しているのを確認し、大体2.5kHzですね。



で、De、?、

外からPWMを加えるのであればその先はなんでもOKかなぁと考え直し、


上のZXLD1366ではなく、いつものカレントミラーによる回路に
555を直接組み込んで、
P1220129.JPG
リニア型と、PWMの合体が上ですね。

意外といい感じに動作しますが、PWM特有の音がちょっと聞こえたりします。
(ドレミファインバーターってご存知?京急ですね)
利点は、最大電流が固定されるので、危なさが少なそうっていうことでしょうか?


普通に、秋月さんのキットに組み込んで、
P1220128.JPG
な感じにもなったりします。
(CL6807:35Vで1Aまでを使用、マニュアルに0%では500Hz以下でと書いてありますが、5kHz位でも動作OKでした。実際は、100Hz以上で、かつ0.02%以上でないといけないようです。厳密にすると、マイコンが必要ですね)


うーん、LEDもほんと奥が深いですねぇ。

鉄砲 [ものづくり]

戦争は武器があるからなのか、人がいるからなのか・・・は、わかりませんが、
武器によって平和が訪れることはないでしょう。

同じ鉄砲でも、ゴムならばとは思いますが、
それでも不謹慎ということになるのでしょうか?

昔は、よく遊んだものです。
P1220125.JPG
こんな形でしたでしょうか?

しかし最近は色々と進化して、
連射、連発、カートリッジ・・・とエスカレートしているのですね。

これが本物へと移行することはないでね、と思うのは私だけではないようです。


さて、とはいえ工作としては基本を学べるので、子供と一緒に作ったりするわけです。

以前、砂ネズミさん宅の蓋(もう2才?ですが元気ですよ)で使ったあまりがあったので、ポリカの板から
P1220126.JPG
・・・な感じに仕上がりました。


P1220127.JPG
ゴムの発射部分は、こんな感じでよくある構造ですがうまく動かすとなると結構大変ですね。
みなさんご苦労されているようです。

では、お久しぶりでした。


追加)子供のが出来たようです。
これで、なんとか糸のこ盤が使えるようになったのでしょう?
P1220131_1.jpg

P1220132_2.jpg
ゴムのかかる部分もOKのようで、ちゃんととんでました。
うーん子供ってすごいですよね。
タグ:鉄砲