Kredit Ekstra Proyek Akhir EKG- BME 305 Otomatis: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

Elektrokardiogram (EKG atau EKG) digunakan untuk mengukur sinyal listrik yang dihasilkan oleh jantung yang berdetak dan memainkan peran besar dalam diagnosis dan prognosis penyakit kardiovaskular. Beberapa informasi yang diperoleh dari EKG termasuk ritme detak jantung pasien serta kekuatan detaknya. Setiap bentuk gelombang EKG dihasilkan oleh iterasi dari siklus jantung. Data dikumpulkan melalui elektroda yang ditempatkan pada kulit pasien. Sinyal kemudian diperkuat dan noise disaring untuk menganalisis data yang ada dengan benar. Dengan menggunakan data yang dikumpulkan, peneliti tidak hanya dapat mendiagnosis penyakit kardiovaskular, tetapi EKG juga memainkan peran besar dalam meningkatkan pemahaman dan pengenalan penyakit yang lebih tidak jelas. Penerapan EKG telah sangat meningkatkan pengobatan kondisi seperti aritmia dan iskemia [1].

Perlengkapan:

Instruksi ini adalah untuk mensimulasikan perangkat EKG virtual dan oleh karena itu semua yang diperlukan untuk melakukan percobaan ini adalah komputer yang berfungsi. Perangkat lunak yang digunakan untuk simulasi berikut adalah LTspice XVII dan dapat diunduh dari internet.

Langkah 1: Langkah 1: Penguat Instrumentasi

Komponen pertama dari rangkaian adalah penguat instrumentasi. Seperti namanya, penguat instrumentasi digunakan untuk meningkatkan besarnya sinyal. Sinyal EKG yang tidak diperkuat atau disaring memiliki amplitudo sekitar 5 mV. Untuk menyaring sinyal, perlu diperkuat. Keuntungan yang masuk akal untuk sirkuit ini harus besar agar sinyal bioelektrik dapat disaring dengan tepat. Oleh karena itu, penguatan rangkaian ini akan menjadi sekitar 1000. Bentuk umum penguat instrumentasi disertakan dalam gambar untuk langkah ini [2]. Selain persamaan untuk penguatan rangkaian, nilai yang dihitung untuk setiap komponen ditunjukkan pada gambar kedua [3].

Gainnya negatif karena tegangan disuplai ke pin pembalik dari penguat operasional. Nilai yang ditunjukkan pada gambar kedua ditemukan dengan mengatur nilai R1, R2, R3, dan gain sesuai nilai yang diinginkan dan kemudian menyelesaikan nilai akhir R4. Gambar ketiga untuk langkah ini adalah rangkaian simulasi di LTspice, lengkap dengan nilai yang akurat.

Untuk menguji rangkaian, baik secara keseluruhan maupun sebagai komponen individu, analisis arus bolak-balik (AC) harus dijalankan. Bentuk analisis ini melihat besarnya sinyal saat frekuensi berubah. Oleh karena itu, jenis analisis sapuan analisis AC harus satu dekade karena menetapkan skala sumbu x dan lebih kondusif untuk membaca hasil secara akurat. Per dekade, harus ada 100 titik data. Ini akan secara akurat menyampaikan tren dalam data tanpa membebani program, memastikan efisiensi. Nilai frekuensi mulai dan berhenti harus mencakup kedua frekuensi terputus. Oleh karena itu, frekuensi awal yang wajar adalah 0,01 Hz dan frekuensi penghentian yang wajar adalah 1kHz. Untuk penguat instrumentasi, fungsi inputnya berupa gelombang sinus dengan besaran 5 mV. 5 mV sesuai dengan amplitudo standar sinyal EKG [4]. Gelombang sinus meniru aspek perubahan sinyal EKG. Semua pengaturan analisis ini, kecuali tegangan input, adalah sama untuk setiap komponen.

Gambar terakhir adalah plot respons frekuensi untuk penguat instrumentasi. Ini menunjukkan bahwa penguat instrumentasi mampu meningkatkan besarnya sinyal input sekitar 1000. Gain yang diinginkan untuk penguat instrumentasi adalah 1000. Gain dari penguat instrumentasi yang disimulasikan adalah 999,6, ditemukan menggunakan persamaan yang ditunjukkan pada foto kedua. Persentase kesalahan antara gain yang diinginkan dan gain eksperimental adalah 0,04%. Ini adalah jumlah persen kesalahan yang dapat diterima.

Langkah 2: Langkah 2: Filter Takik

Komponen selanjutnya yang digunakan pada rangkaian EKG adalah filter aktif. Filter aktif hanyalah filter yang membutuhkan daya agar dapat berfungsi. Untuk tugas ini, filter aktif terbaik yang akan digunakan adalah filter takik. Filter takik digunakan untuk menghilangkan sinyal pada frekuensi tunggal atau rentang frekuensi yang sangat sempit. Dalam kasus rangkaian ini, frekuensi yang akan dihilangkan dengan filter takik adalah 60 Hz. 60 Hz adalah frekuensi yang dioperasikan oleh saluran listrik dan oleh karena itu merupakan sumber kebisingan yang besar dengan perangkat. Powerline noise mendistorsi sinyal biomedis dan mengurangi kualitas data [5]. Bentuk umum dari filter takik yang digunakan untuk rangkaian ini ditunjukkan pada foto pertama untuk langkah ini. Komponen aktif dari notch filter adalah buffer yang terpasang. Buffer digunakan untuk mengisolasi sinyal setelah notch filter. Karena buffer adalah bagian dari filter dan membutuhkan daya untuk beroperasi, filter takik adalah komponen filter aktif dari rangkaian ini.

Persamaan komponen resistor dan kapasitor filter takik ditunjukkan pada foto kedua [6]. Dalam persamaan, fN adalah frekuensi yang akan dihilangkan, yaitu 60 Hz. Seperti halnya penguat instrumentasi, nilai resistor atau kapasitor dapat diatur ke nilai apa pun dan nilai lainnya dihitung dengan persamaan yang ditunjukkan pada foto kedua. Untuk filter ini, C diberi nilai 1 F dan nilai lainnya ditemukan berdasarkan nilai tersebut. Nilai kapasitor diputuskan berdasarkan kenyamanan. Tabel pada foto kedua menampilkan nilai 2R, R, 2C, dan C yang digunakan.

Gambar ketiga untuk langkah ini adalah rangkaian filter takik akhir dengan nilai akurat. Dengan menggunakan rangkaian tersebut, analisis AC Sweep dijalankan menggunakan 5V. 5V sesuai dengan tegangan setelah amplifikasi. Parameter analisis lainnya sama dengan yang dinyatakan pada langkah penguat instrumentasi. Plot respons frekuensi ditunjukkan pada foto terakhir. Menggunakan nilai dan persamaan di foto kedua, frekuensi sebenarnya untuk filter takik adalah 61,2 Hz. Nilai yang diinginkan untuk filter takik adalah 60 Hz. Menggunakan persamaan persen kesalahan, ada kesalahan 2% antara filter simulasi dan filter teoritis. Ini adalah jumlah kesalahan yang dapat diterima.

Langkah 3: Langkah 3: Filter Lulus Rendah

Jenis bagian terakhir yang digunakan dalam rangkaian ini adalah filter pasif. Seperti disebutkan sebelumnya, filter pasif adalah filter yang tidak memerlukan sumber daya untuk dapat beroperasi. Untuk EKG, baik high pass maupun low pass filter diperlukan untuk menghilangkan noise dari sinyal dengan benar. Jenis filter pasif pertama yang ditambahkan ke rangkaian adalah filter lolos rendah. Seperti namanya, pertama ini memungkinkan sinyal di bawah frekuensi cutoff lewat [7]. Untuk low pass filter, frekuensi cut off harus berada di atas batas jangkauan sinyal. Seperti disebutkan sebelumnya, kisaran atas sinyal EKG adalah 150 Hz [2]. Dengan menetapkan batas atas, noise dari sinyal lain tidak digunakan dalam akuisisi sinyal.

Persamaan untuk frekuensi cut off adalah f = 1 / (2 * pi * R * C). Seperti pada komponen rangkaian sebelumnya, nilai R dan C dapat ditemukan dengan memasukkan frekuensi dan menyetel salah satu nilai komponen [7]. Untuk filter lolos rendah, kapasitor disetel sebesar 1 F dan frekuensi pemutusan yang diinginkan adalah 150 Hz. Menggunakan persamaan frekuensi cut off, nilai untuk komponen resistor dihitung menjadi 1 kΩ. Gambar pertama untuk langkah ini adalah skema low pass filter lengkap.

Parameter yang sama yang ditentukan untuk filter takik digunakan untuk Analisis Sapuan AC dari filter lolos rendah, yang ditunjukkan pada gambar kedua. Untuk komponen ini, frekuensi cutoff yang diinginkan adalah 150Hz dan menggunakan Persamaan 3, frekuensi cut off yang disimulasikan adalah 159 Hz. Ini memiliki persen kesalahan 6%. Persentase kesalahan untuk komponen ini lebih tinggi dari yang disukai tetapi komponen dipilih untuk kemudahan terjemahan ke sirkuit fisik. Ini jelas merupakan filter lolos rendah, berdasarkan plot respons frekuensi pada gambar kedua, karena hanya sinyal di bawah frekuensi cutoff yang dapat lewat pada 5 V, dan ketika frekuensi mendekati frekuensi cut off, tegangan berkurang.

Langkah 4: Langkah 4: Filter Lulus Tinggi

Komponen pasif kedua untuk rangkaian EKG adalah filter lolos tinggi. Filter lolos tinggi adalah filter yang memungkinkan frekuensi apa pun yang lebih besar dari frekuensi cutoff untuk dilalui. Untuk komponen ini, frekuensi cutoff akan menjadi 0,05 Hz. Sekali lagi 0,05 Hz adalah ujung bawah jangkauan sinyal EKG [2]. Meskipun nilainya sangat kecil, masih perlu ada filter lolos tinggi untuk menyaring setiap offset tegangan pada sinyal. Oleh karena itu, filter lolos tinggi masih diperlukan dalam desain rangkaian, meskipun frekuensi cutoff sangat kecil.

Persamaan untuk frekuensi cutoff sama dengan filter low pass cut off, f = 1 / (2 * pi * R * C). Nilai resistor diatur ke 50 kΩ dan frekuensi cut off yang diinginkan adalah 0,05 Hz [8]. Dengan menggunakan informasi itu, nilai kapasitor dihitung menjadi 63 F. Gambar pertama untuk langkah ini adalah filter lolos tinggi dengan nilai yang sesuai.

Analisis Sapu AC adalah filter kedua. Seperti halnya low pass filter, saat frekuensi sinyal mendekati frekuensi cut off, tegangan keluaran menurun. Untuk filter lolos tinggi, frekuensi cut off yang diinginkan adalah 0,05 Hz dan frekuensi cutoff yang disimulasikan adalah 0,00505 Hz. Nilai ini dihitung menggunakan persamaan frekuensi low pass cut off. Persentase kesalahan untuk komponen ini adalah 1%. Ini adalah kesalahan persen yang dapat diterima.

Langkah 5: Langkah 5: Sirkuit Penuh

Seluruh rangkaian dibangun dengan menghubungkan empat komponen, penguat instrumentasi, filter takik, filter lolos rendah, dan filter lolos tinggi, secara seri. Diagram rangkaian lengkap ditunjukkan pada gambar pertama untuk langkah ini.

Respon simulasi yang ditunjukkan pada gambar kedua bertindak seperti yang diharapkan berdasarkan jenis komponen yang digunakan untuk rangkaian ini. Rangkaian yang dirancang menyaring noise pada batas bawah dan atas sinyal EKG serta berhasil menyaring noise dari saluran listrik. Filter lolos rendah berhasil menghilangkan sinyal di bawah frekuensi terputus. Seperti yang ditunjukkan pada plot Respon frekuensi, pada 0,01 Hz, sinyal dilewatkan pada 1 V, nilai yang 5 kali lebih kecil dari output yang diinginkan. Ketika frekuensi meningkat, tegangan output juga meningkat hingga mencapai puncaknya pada 0,1 Hz. Puncaknya sekitar 5 V, yang disejajarkan dengan penguatan 1000 untuk penguat instrumentasi. Sinyal berkurang dari 5 V mulai dari 10 Hz. Pada saat frekuensi 60 Hz, tidak ada sinyal yang dikeluarkan oleh rangkaian. Ini adalah tujuan dari filter takik dan dimaksudkan untuk melawan gangguan dari saluran listrik. Setelah frekuensi melebihi 60 Hz, tegangan sekali lagi mulai meningkat dengan frekuensi. Akhirnya, setelah frekuensi mencapai 110 Hz, sinyal mencapai puncak sekunder kira-kira 2 V. Dari sana, output menurun karena filter lolos rendah.

Langkah 6: Kesimpulan

Tujuan dari tugas ini adalah untuk mensimulasikan EKG otomatis yang mampu merekam siklus jantung secara akurat. Untuk melakukan ini, sinyal analog yang akan diambil dari pasien perlu diperkuat dan kemudian disaring agar hanya menyertakan sinyal EKG. Ini dicapai dengan terlebih dahulu menggunakan penguat instrumentasi untuk meningkatkan besarnya sinyal kira-kira 1000 kali. Kemudian derau saluran listrik perlu dihilangkan dari sinyal serta derau dari atas dan di bawah rentang frekuensi EKG yang ditentukan. Ini berarti menggabungkan filter takik aktif serta filter lolos tinggi dan rendah pasif. Meskipun produk akhir untuk tugas ini adalah rangkaian simulasi, masih ada beberapa kesalahan yang dapat diterima, dengan mempertimbangkan nilai standar untuk komponen resistif dan kapasitif yang biasanya tersedia. Secara keseluruhan sistem bekerja seperti yang diharapkan dan akan dapat dialihkan ke sirkuit fisik dengan lebih mudah.

Langkah 7: Sumberdaya

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y. H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang, dan S.-H. Tan, “Sejarah, hotspot, dan tren elektrokardiogram,” Jurnal kardiologi geriatri: JGC, Jul-2015. [On line]. Tersedia: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Diakses: 01-Des-2020].

[2] L. G. Tereshchenko dan M. E. Josephson, “Konten frekuensi dan karakteristik konduksi ventrikel,” Jurnal elektrokardiologi, 2015. [Online]. Tersedia: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Diakses: 01-Des-2020].

[3] “Penguat Diferensial - Pengurang Tegangan,” Tutorial Elektronika Dasar, 17-Mar-2020. [On line]. Tersedia: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Diakses: 01-Des-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan, dan P. Kinget, "Sistem Pengukuran EKG," Universitas Columbia.

[5] S. Akwei-Sekyere, “Penghapusan noise Powerline dalam sinyal biomedis melalui pemisahan sumber buta dan analisis wavelet,” PeerJ, 02-Jul-2015. [On line]. Tersedia: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Diakses: 01-Des-2020].

[6] “Filter Penghenti Band disebut Filter Tolak,” Tutorial Elektronika Dasar, 29-Jun-2020. [On line]. Tersedia: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Diakses: 01-Des-2020].

[7] “Low Pass Filter - Tutorial Filter RC Pasif,” Tutorial Elektronika Dasar, 01-Mei-2020. [On line]. Tersedia: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Diakses: 01-Des-2020].

[8] “Filter High Pass - Tutorial Filter RC Pasif,” Tutorial Elektronika Dasar, 05-Mar-2019. [On line]. Tersedia: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Diakses: 01-Des-2020].