Rangkaian Pengumpulan EKG: 5 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:58

PEMBERITAHUAN: Ini bukan perangkat medis. Ini untuk tujuan pendidikan hanya menggunakan sinyal simulasi. Jika menggunakan sirkuit ini untuk pengukuran EKG nyata, harap pastikan sirkuit dan koneksi sirkuit-ke-instrumen menggunakan teknik isolasi yang tepat

Mungkin pengukuran fisiologis yang paling luas di industri perawatan kesehatan saat ini adalah Elektrokardiogram (EKG/EKG). Sulit untuk berjalan melalui rumah sakit atau ruang gawat darurat tanpa mendengar "bip" tradisional dari monitor detak jantung atau melihat bentuk gelombang EKG bergulir di layar di kamar pasien. Tapi, apa ukuran ini yang telah menjadi begitu terkait dengan perawatan kesehatan modern?

Elektrokardiogram sering disalahartikan sebagai perekaman aktivitas fisik jantung, namun, seperti namanya, elektrokardiogram sebenarnya adalah rekaman aktivitas listrik, depolarisasi dan repolarisasi, otot-otot jantung. Dengan menganalisis bentuk gelombang yang direkam, dokter dapat memperoleh wawasan tentang perilaku sistem kelistrikan jantung. Beberapa diagnosis umum yang dibuat dari data EKG meliputi: infark miokard, emboli paru, aritmia, dan blok AV.

Instruksi berikut akan menguraikan proses dan prinsip yang digunakan untuk membangun rangkaian listrik dasar yang mampu mengumpulkan EKG dengan menggunakan elektroda permukaan sederhana seperti yang dilakukan di rumah sakit.

Langkah 1: Rancang Penguat Instrumentasi

Elemen rangkaian pertama yang diperlukan untuk merekam sinyal EKG adalah penguat instrumentasi. Amplifier ini memiliki dua efek.

1. Ini menciptakan penyangga elektronik antara elektroda perekam dan rangkaian lainnya. Ini mengurangi penarikan arus yang diperlukan dari elektroda menjadi hampir nol. Memungkinkan pengumpulan sinyal dengan sedikit distorsi yang disebabkan oleh impedansi input.

2. Ini memperkuat sinyal yang direkam secara berbeda. Itu berarti bahwa sinyal apa pun yang umum di kedua elektroda perekam tidak akan diperkuat, sedangkan perbedaannya (bagian-bagian penting) akan diperkuat.

Biasanya rekaman elektroda permukaan untuk EKG akan berada dalam kisaran miliVolt. Oleh karena itu, untuk mendapatkan sinyal ini ke dalam rentang kita dapat bekerja dengan amplifikasi (K) sebesar 1000 V/V akan sesuai.

Persamaan yang mengatur untuk penguat yang diilustrasikan di atas adalah:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, ini adalah perolehan tahap 1

K2 = - R4/R3, ini adalah gain tahap 2

Perhatikan bahwa idealnya, K1 dan K2 harus kira-kira sama dan untuk mencapai amplifikasi yang diinginkan K1 * K2 = 1000

Nilai akhir yang digunakan di sirkuit kami adalah ….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Langkah 2: Mendesain Filter Takik

Kemungkinan di dunia modern pengumpulan EKG akan dilakukan di dekat beberapa perangkat elektronik lain, atau bahkan hanya di gedung yang dialiri listrik dari saluran listrik lokal. Sayangnya, tegangan tinggi dan sifat berosilasi dari daya yang diberikan berarti akan menghasilkan sejumlah besar "suara" listrik di hampir semua bahan konduktif yang ada di dekatnya; ini termasuk kabel dan elemen sirkuit yang digunakan untuk membangun sirkuit pengumpul EKG kami.

Untuk mengatasi hal ini, sinyal apa pun dengan frekuensi yang sama dengan kebisingan yang dihasilkan oleh catu daya lokal (disebut dengung listrik) dapat dengan mudah disaring dan pada dasarnya dihilangkan. Di Amerika Serikat, jaringan listrik memasok 110-120V dengan frekuensi 60 Hz. Oleh karena itu, kita perlu menyaring setiap komponen sinyal dengan frekuensi 60 Hz. Untungnya, ini telah dilakukan berkali-kali sebelumnya dan hanya membutuhkan desain filter takik (gambar di atas).

Persamaan yang mengatur filter ini adalah ….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Q = w / B

di mana wc2 adalah frekuensi cutoff tinggi, w2 frekuensi cutoff rendah, w frekuensi cutoff dalam rad/sec, dan Q adalah faktor kualitas

Perhatikan bahwa C adalah nilai yang dapat dipilih secara bebas. Nilai-nilai berikut yang digunakan di sirkuit kami adalah:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/dtk

Langkah 3: Filter Low-Pass

Sinyal EKG memiliki frekuensi sekitar 0 - 150Hz. Untuk mencegah lebih banyak noise dari kopling ke sinyal dari hal-hal dengan frekuensi yang lebih tinggi daripada rentang ini, filter ButterWorth low pass orde kedua dengan cutoff 150Hz diimplementasikan untuk hanya memungkinkan sinyal EKG melewati sirkuit. Alih-alih langsung memilih nilai kapasitor yang tersedia, seperti komponen sebelumnya, nilai kapasitor pertama, C2, dipilih berdasarkan rumus yang ditemukan di bawah ini. Dari nilai itu, semua nilai komponen lainnya dapat dihitung dan kemudian ditambahkan ke rangkaian sambil mempertahankan penguatan kembali ke 1V/V.

C2 10/fc uf, di mana fc adalah frekuensi cutoff (150 Hz untuk kasus ini).

Kemudian, nilai yang tersisa dapat dihitung seperti yang ditunjukkan pada tabel yang disertakan sebagai gambar kedua dalam langkah ini.

Nilai akhir yang digunakan untuk ditempatkan dalam skema di atas adalah:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Langkah 4: Persiapan LabVIEW

Satu-satunya bahan yang diperlukan untuk bagian koleksi EKG ini adalah komputer Windows yang dilengkapi dengan salinan LabVIEW 64-bit dan National Instruments Signal Conditioning Board () dengan modul input tunggal. Diagram blok fungsional dalam LabVIEW kemudian harus dibangun dengan cara berikut. Mulailah dengan membuka Diagram Blok Fungsional kosong.

Masukkan blok DAQ Assistant dan sesuaikan pengaturan sebagai berikut:

Pengukuran: Analog→ Tegangan

Modus: RSE

Pengambilan sampel: Pengambilan Sampel Berkelanjutan

Sampel yang Dikumpulkan: 2500

Tingkat Pengambilan Sampel: 1000 / dtk

Keluarkan bentuk gelombang yang dikumpulkan ke grafik bentuk gelombang. Selain itu, hitung nilai maksimum data bentuk gelombang saat ini. Kalikan nilai maksimum gelombang dengan nilai seperti 0,8 untuk membuat ambang batas deteksi puncak, nilai ini dapat disesuaikan berdasarkan tingkat kebisingan di dalam sinyal. Masukkan produk dari langkah sebelumnya sebagai ambang batas dan rangkaian tegangan mentah sebagai data untuk fungsi "Deteksi Puncak". Selanjutnya, ambil output "Lokasi" dari larik deteksi puncak dan kurangi nilai pertama dan kedua. Ini mewakili perbedaan nilai indeks dari dua puncak dalam larik awal. Ini kemudian dapat diubah menjadi perbedaan waktu dengan membagi nilai dengan laju sampel, untuk kasus contoh ini adalah 1000 / detik. Terakhir, ambil kebalikan dari nilai ini (berikan Hz) dan kalikan dengan 60 untuk mendapatkan denyut jantung dalam denyut per menit BPM. Diagram blok terakhir untuk ini harus menyerupai gambar header untuk langkah ini.

Langkah 5: Integrasi Sistem Penuh

Sekarang semua komponen telah dibangun secara individual, sekarang saatnya untuk menyatukan mal. Ini dapat dilakukan hanya dengan menghubungkan output dari satu bagian ke input dari segmen berikutnya. Tahapan harus ditransfer dalam urutan yang sama seperti yang muncul di Instructable ini. Untuk tahap terakhir, filter ButterWorth, inputnya harus dilampirkan ke salah satu dari dua kabel pada modul input papan pengkondisi sinyal. Kabel lain dari modul ini harus dilampirkan ke landasan bersama sirkuit.

Untuk penguat instrumentasi, kedua sadapannya masing-masing harus dipasang ke elektroda EKG/EKG. Ini mudah dilakukan dengan menggunakan dua klip buaya. Kemudian, letakkan satu elektroda di setiap pergelangan tangan. Pastikan semua segmen sirkuit terhubung dan LabVIEW VI berjalan dan sistem harus mengeluarkan grafik bentuk gelombang di jendela LabVIEW.

Outputnya akan terlihat mirip dengan gambar kedua yang disediakan pada langkah ini. Jika tidak serupa, nilai sirkuit Anda mungkin perlu disesuaikan. Salah satu masalah umum adalah bahwa filter takik tidak akan terpusat langsung pada 60 Hz dan mungkin sedikit terlalu tinggi/rendah. Ini dapat diuji dengan membuat plot pertanda untuk filter. Idealnya, filter takik memiliki redaman minimal 20 dB pada 60 Hz. Mungkin juga berguna untuk memeriksa apakah daya lokal Anda disuplai pada 60 Hz. Tidak jarang beberapa daerah memiliki suplai AC 50 Hz, hal ini memerlukan pemusatan filter takik di sekitar nilai ini.