EKG Hati: 7 Langkah

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

Abstrak

EKG, atau elektrokardiogram, adalah perangkat medis yang umum digunakan untuk merekam sinyal listrik jantung. Mereka mudah dibuat dalam bentuk paling dasar, tetapi ada banyak ruang untuk pertumbuhan. Untuk proyek ini, EKG dirancang dan disimulasikan di LTSpice. EKG memiliki tiga komponen: penguat instrumentasi, filter lolos rendah, dan terakhir, penguat non-pembalik. Ini untuk memastikan ada cukup penguatan yang masuk dari sumber biosignal yang relatif lemah, serta filter untuk menghilangkan noise di sirkuit. Simulasi menunjukkan bahwa setiap komponen sirkuit berhasil, seperti halnya sirkuit terpadu total dengan ketiga komponen. Ini menunjukkan bahwa ini adalah cara yang layak untuk membuat sirkuit EKG. Kami kemudian mengeksplorasi potensi besar untuk perbaikan EKG.

Langkah 1: Pendahuluan/Latar Belakang

EKG atau elektrokardiogram digunakan untuk merekam sinyal listrik jantung. Ini cukup umum dan tes tanpa rasa sakit yang digunakan untuk mendeteksi masalah jantung dan memantau kesehatan jantung. Mereka dilakukan di kantor dokter - baik klinik atau kamar rumah sakit dan merupakan mesin standar di ruang operasi dan ambulans [1]. Mereka dapat menunjukkan seberapa cepat jantung berdetak, apakah ritmenya teratur atau tidak, serta kekuatan dan waktu impuls listrik yang melewati berbagai bagian jantung. Sekitar 12 elektroda (atau kurang) dilekatkan pada kulit di dada, lengan, dan kaki dan dihubungkan ke mesin yang membaca impuls dan membuat grafiknya [2]. EKG dua belas sadapan memiliki 10 elektroda (untuk memberikan total 12 tampilan jantung). 4-lead berjalan pada anggota badan. Dua di pergelangan tangan, dan dua di pergelangan kaki. 6 lead terakhir masuk ke batang tubuh. V1 berjalan di ruang interkostal ke-4 di sebelah kanan tulang dada, sedangkan V2 berada di garis yang sama, tetapi di sebelah kiri tulang dada. V3 ditempatkan di tengah antara V2 dan V4, V5 berjalan di garis aksilaris anterior pada tingkat yang sama dengan V4 dan V6 pada garis tengah aksila pada tingkat yang sama [3].

Tujuan dari proyek ini adalah untuk merancang, mensimulasikan, dan memverifikasi perangkat akuisisi sinyal analog - dalam hal ini, elektrokardiogram. Karena denyut jantung rata-rata berada pada 72, tetapi saat istirahat dapat mencapai 90, median dapat dianggap pada sekitar 60 bpm, memberikan frekuensi dasar 1Hz untuk denyut jantung. Denyut jantung dapat berkisar dari sekitar 0,67 hingga 5 Hz (40 hingga 300 bpm). Setiap sinyal terdiri dari gelombang yang dapat diberi label sebagai P, kompleks QRS, dan bagian T untuk gelombang. Gelombang P berjalan pada sekitar 0,67 – 5 Hz, kompleks QRS pada sekitar 10-50 Hz, dan gelombang T pada sekitar 1 – 7 Hz [4]. EKG canggih saat ini memiliki pembelajaran mesin [5], di mana aritmia dan sejenisnya dapat diklasifikasikan oleh mesin itu sendiri. Untuk penyederhanaan, EKG ini hanya akan memiliki dua elektroda - positif dan negatif.

Langkah 2: Metode dan Bahan

Untuk memulai desain, komputer digunakan untuk penelitian dan pemodelan. Perangkat lunak yang digunakan adalah LTSpice. Pertama, untuk merancang skema EKG analog, penelitian dilakukan untuk melihat desain saat ini dan cara terbaik untuk mengimplementasikannya ke dalam desain baru. Hampir semua sumber dimulai dengan penguat instrumentasi untuk memulai. Dibutuhkan dalam dua input - dari masing-masing elektroda. Setelah itu, filter lolos rendah dipilih untuk menghilangkan sinyal di atas 50 Hz, karena noise saluran listrik datang sekitar 50-60 Hz [6]. Setelah itu, penguat noninverting untuk memperkuat sinyal, karena biosignal cukup kecil.

Komponen pertama adalah penguat instrumentasi. Ini memiliki dua input, satu untuk positif dan satu untuk elektroda negatif. Penguat instrumentasi digunakan khusus untuk melindungi rangkaian dari sinyal yang masuk. Ada tiga op-amp universal dan 7 resistor. Semua resistor kecuali R4 (Rgain) memiliki resistansi yang sama. Gain dari penguat instrumentasi dapat dimanipulasi dengan persamaan berikut: A = 1 + (2RRgain) [7] Gain dipilih menjadi 50 karena biosignal sangat kecil. Resistor dipilih lebih besar untuk kemudahan penggunaan. Perhitungan kemudian mengikuti rangkaian persamaan ini untuk menghasilkan R = 5000Ω dan Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Komponen berikutnya yang digunakan adalah filter lolos rendah, untuk menghilangkan frekuensi di atas 50 Hz, yang akan menjaga gelombang PQRST saja dalam rentang frekuensi ini dan meminimalkan kebisingan. Persamaan untuk filter lolos rendah ditunjukkan di bawah ini: fc= 12RC[8] Karena frekuensi yang dipilih untuk pemutusan adalah 50 Hz, dan resistor dipilih menjadi 1kΩ, perhitungan menghasilkan nilai kapasitor 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Komponen ketiga dalam EKG adalah penguat non-pembalik. Hal ini untuk memastikan bahwa sinyal cukup besar sebelum (berpotensi) ditransfer ke konverter analog ke digital. Penguatan penguat non-pembalik ditunjukkan di bawah ini: A = 1 + R2R1 [9] Seperti sebelum penguatan dipilih menjadi 50, untuk meningkatkan amplitudo sinyal akhir. Perhitungan untuk resistor adalah sebagai berikut, dengan satu resistor dipilih 10000Ω, memberikan nilai resistor kedua 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Untuk menguji skema, analisis dijalankan pada setiap komponen dan kemudian pada skema keseluruhan akhir. Simulasi kedua adalah analisis AC, sapuan oktaf, dengan 100 poin per oktaf, dan berjalan melalui frekuensi 1 hingga 1000 Hz.

Langkah 3: Hasil

Untuk menguji rangkaian, dilakukan sapuan oktaf, dengan 100 poin per oktaf, dimulai dengan frekuensi 1 Hz, hingga frekuensi 1000 Hz. Inputnya adalah kurva sinusoidal, untuk menjadi representasi dari sifat siklik gelombang EKG. Itu memiliki offset DC 0, amplitudo 1, frekuensi 1 Hz, penundaan T 0, theta (1/s) 0, dan phi (derajat) 90. Frekuensi ditetapkan menjadi 1, karena rata-rata detak jantung dapat diatur ke sekitar 60 bpm, yaitu 1 Hz.

Seperti yang terlihat pada Gambar 5, biru adalah input dan merah adalah output. Jelas ada keuntungan besar, seperti yang terlihat di atas.

Filter lolos rendah diatur ke 50 Hz, untuk menghilangkan gangguan saluran listrik dalam aplikasi EKG potensial. Karena itu tidak berlaku di sini di mana sinyalnya konstan pada 1 Hz, outputnya sama dengan inputnya (Gambar 6).

Output - ditampilkan dengan warna biru - diperkuat dengan jelas dibandingkan dengan input, yang ditampilkan dalam warna hijau. Selain itu, karena puncak dan lembah kurva sinus cocok, ini menunjukkan bahwa penguat memang non-pembalik (Gambar 7).

Gambar 8 menunjukkan semua kurva bersama-sama. Ini jelas menunjukkan manipulasi sinyal, pergi dari sinyal kecil, diperkuat dua kali, dan disaring (meskipun filtrasi tidak berpengaruh pada sinyal tertentu).

Menggunakan persamaan untuk gain dan frekuensi cutoff [10, 11], nilai eksperimen ditentukan dari plot. Filter lolos rendah memiliki kesalahan paling kecil, sementara kedua amplifier melayang dengan kesalahan sekitar 10% (Tabel 1).

Langkah 4: Diskusi

Tampaknya skema melakukan apa yang seharusnya dilakukan. Dibutuhkan sinyal yang diberikan, diperkuat, kemudian disaring, dan kemudian diperkuat lagi. Karena itu, ini adalah desain yang sangat 'kecil', hanya terdiri dari penguat instrumentasi, filter lolos rendah, dan filter non-pembalik. Tidak ada masukan yang jelas dari sumber EKG, meskipun berjam-jam menjelajahi web untuk sumber yang tepat. Sayangnya, sementara itu tidak berhasil, gelombang sin adalah pengganti yang tepat untuk sifat siklik dari sinyal.

Sumber kesalahan dalam hal teoritis dan nilai aktual dari gain dan low pass filter bisa menjadi komponen yang dipilih. Karena persamaan yang digunakan memiliki rasio hambatan yang ditambahkan ke 1, saat melakukan perhitungan, yang satu ini diabaikan. Hal ini dapat dilakukan jika resistor yang digunakan cukup besar. Sementara resistor yang dipilih berukuran besar, fakta bahwa resistor tersebut tidak diperhitungkan akan menciptakan margin kesalahan yang kecil. Para peneliti di San Jose State University di San Jose CA merancang EKG khusus untuk diagnosis penyakit kardiovaskular. Mereka menggunakan penguat instrumen, filter high pass aktif orde 1, filler low pass aktif Bessel orde 5, dan filter takik aktif twin-t [6]. Mereka menyimpulkan bahwa penggunaan semua komponen ini menghasilkan pengkondisian gelombang EKG mentah yang berhasil dari subjek manusia. Model lain dari rangkaian EKG sederhana yang dilakukan oleh Orlando Hoilett di Universitas Purdue hanya terdiri dari penguat instrumentasi. Outputnya jelas dan dapat digunakan, tetapi direkomendasikan bahwa untuk aplikasi tertentu, perubahan akan lebih baik - yaitu amplifier, filter bandpass, dan filter takik 60 Hz untuk menghilangkan noise saluran listrik. Ini menunjukkan bahwa desain EKG ini, meskipun tidak mencakup semua, bukanlah metode yang paling sederhana untuk menerima sinyal EKG.

Langkah 5: Pekerjaan Masa Depan

Desain EKG ini memerlukan beberapa hal lagi sebelum dimasukkan ke dalam perangkat praktis. Pertama, filter takik 60 Hz direkomendasikan oleh beberapa sumber, dan karena tidak ada gangguan saluran listrik yang harus ditangani di sini, filter ini tidak diimplementasikan ke dalam simulasi. Karena itu, setelah ini diterjemahkan ke perangkat fisik, akan bermanfaat untuk menambahkan filter takik. Selain itu, daripada filter low pass, mungkin lebih baik memiliki filter bandpass, untuk memiliki kontrol lebih besar terhadap frekuensi yang sedang disaring. Sekali lagi, dalam simulasi, masalah semacam ini tidak muncul, tetapi akan muncul di perangkat fisik. Setelah ini, EKG akan memerlukan konverter analog ke digital, dan kemungkinan perangkat yang mirip dengan raspberry pi untuk mengumpulkan data dan mengalirkannya ke komputer untuk dilihat dan digunakan. Perbaikan lebih lanjut adalah penambahan lebih banyak sadapan, mungkin dimulai dengan 4 sadapan ekstremitas dan dilanjutkan ke 10 sadapan untuk diagram 12 sadapan jantung. Antarmuka pengguna yang lebih baik juga akan bermanfaat - mungkin dengan layar sentuh untuk profesional medis agar dapat dengan mudah mengakses dan fokus pada bagian tertentu dari keluaran EKG.

Langkah selanjutnya akan melibatkan pembelajaran mesin dan implementasi AI. Komputer harus dapat memperingatkan tenaga medis - dan mungkin orang-orang di sekitar - bahwa telah terjadi aritmia atau sejenisnya. Pada titik ini, seorang dokter harus meninjau keluaran EKG untuk membuat diagnosis - sementara teknisi dilatih untuk membacanya, mereka tidak dapat membuat diagnosis resmi di lapangan. Jika EKG yang digunakan oleh responden pertama memiliki diagnosis yang akurat, ini dapat memungkinkan perawatan yang lebih cepat. Ini sangat penting di daerah pedesaan, di mana bisa memakan waktu lebih dari satu jam untuk membawa pasien yang tidak mampu naik helikopter ke rumah sakit. Tahap selanjutnya adalah menambahkan defibrillator ke mesin EKG itu sendiri. Kemudian, ketika mendeteksi aritmia, ia dapat mengetahui tegangan yang tepat untuk kejutan dan - mengingat bantalan kejut telah dipasang - dapat mencoba mengembalikan pasien ke ritme sinus. Ini akan berguna dalam pengaturan rumah sakit, di mana pasien sudah terhubung ke berbagai mesin dan jika tidak ada cukup tenaga medis untuk segera memberikan perawatan, mesin jantung semua dalam satu bisa merawatnya, menghemat waktu berharga yang dibutuhkan untuk menyelamatkan nyawa..

Langkah 6: Kesimpulan

Dalam proyek ini, rangkaian EKG berhasil dirancang dan kemudian disimulasikan menggunakan LTSpice. Ini terdiri dari penguat instrumentasi, filter lolos rendah, dan penguat non-pembalik untuk mengkondisikan sinyal. Simulasi menunjukkan bahwa ketiga komponen bekerja secara individual maupun bersama-sama ketika digabungkan untuk sirkuit terpadu total. Amplifier masing-masing memiliki gain 50, fakta yang dikonfirmasi oleh simulasi yang dijalankan di LTSpice. Filter lolos rendah memiliki frekuensi cutoff 50 Hz, untuk mengurangi kebisingan dari saluran listrik dan artefak dari kulit dan gerakan. Meskipun ini adalah sirkuit EKG yang sangat kecil, ada banyak perbaikan yang dapat dilakukan, mulai dari penambahan satu atau dua filter, hingga mesin jantung lengkap yang dapat mengambil EKG, membacanya, dan memberikan pengobatan segera.

Langkah 7: Referensi

Referensi

[1] “Elektrokardiogram (EKG atau EKG),” Mayo Clinic, 09-Apr-2020. [On line]. Tersedia: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Diakses: 04-Des-2020].

[2] "Elektrokardiogram," Institut Paru-Paru dan Darah Jantung Nasional. [On line]. Tersedia: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Diakses: 04-Des-2020].

[3] A. Randazzo, “Panduan Penempatan EKG 12-Lead Utama (Dengan Ilustrasi),” Pelatihan Medis Utama, 11-Nov-2019. [On line]. Tersedia: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Diakses: 04-Des-2020].

[4] C. Watford, “Memahami Penyaringan EKG,” EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Tersedia: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Diakses: 04-Des-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au-Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher, dan AA Armoundas, “Teknik Pembelajaran Mesin Tercanggih yang Bertujuan untuk Meningkatkan Hasil Pasien yang Berkaitan dengan Sistem Kardiovaskular,” Journal of the Asosiasi Jantung Amerika, vol. 9, tidak. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, “Desain Sirkuit Sensor EKG untuk Diagnosis Penyakit Kardiovaskular,” Jurnal Internasional Biosensor & Bioelektronika, vol. 2, tidak. 4, 2017.

[7] “Kalkulator Tegangan Output Penguat Instrumen,” ncalculators.com. [On line]. Tersedia: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Diakses: 04-Des-2020].

[8] “Kalkulator Filter Lulus Rendah,” ElectronicBase, 01-Apr-2019. [On line]. Tersedia: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Diakses: 04-Des-2020].

[9] “Penguat Operasional Non-pembalik - Op-amp Non-pembalik,” Tutorial Elektronika Dasar, 06-Nov-2020. [On line]. Tersedia: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Diakses: 04-Des-2020].

[10] E. Sengpiel, “Perhitungan: Amplifikasi (gain) dan redaman (loss) sebagai faktor (rasio) ke level dalam desibel (dB),” kalkulator dB untuk penguatan penguatan dan faktor redaman (rugi) dari perhitungan penguat audio rasio desibel dB - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [On line]. Tersedia: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Diakses: 04-Des-2020].

[11]“Low Pass Filter - Tutorial Filter RC Pasif,” Tutorial Elektronika Dasar, 01-Mei-2020. [On line]. Tersedia: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Diakses: 04-Des-2020].

[12] Instruksi O. H., “Sirkuit Elektrokardiogram (EKG) Super Sederhana,” Instruksi, 02-Apr-2018. [On line]. Tersedia: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Diakses: 04-Des-2020].

[13] Brent Cornell, "Elektrokardiografi," BioNinja. [On line]. Tersedia: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Diakses: 04-Des-2020].