Sirkuit EKG Sederhana dan Program Denyut Jantung LabVIEW: 6 Langkah

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

Elektrokardiogram, atau lebih lanjut disebut sebagai EKG, adalah sistem diagnostik dan pemantauan yang sangat kuat yang digunakan di semua praktik medis. EKG digunakan untuk mengamati aktivitas listrik jantung secara grafis untuk memeriksa kelainan pada detak jantung atau sinyal listrik.

Dari pembacaan EKG, detak jantung pasien dapat ditentukan oleh jarak waktu antara kompleks QRS. Selain itu, kondisi medis lainnya dapat dideteksi seperti serangan jantung tertunda oleh elevasi segmen ST. Pembacaan seperti ini sangat penting untuk mendiagnosis dan merawat pasien dengan benar. Gelombang P menunjukkan kontraksi atrium jantung, kurva QRS adalah kontraksi ventrikel, dan gelombang T adalah repolarisasi jantung. Mengetahui bahkan informasi sederhana seperti ini dapat mendiagnosis pasien dengan cepat untuk fungsi jantung yang tidak normal.

EKG standar yang digunakan dalam praktik medis memiliki tujuh elektroda yang ditempatkan dalam pola setengah lingkaran ringan di sekitar wilayah bawah jantung. Penempatan elektroda ini memungkinkan kebisingan minimal saat merekam dan juga memungkinkan pengukuran yang lebih konsisten. Untuk tujuan kami membuat sirkuit EKG, kami hanya akan menggunakan tiga elektroda. Elektroda input positif akan ditempatkan di pergelangan tangan bagian dalam kanan, elektroda input negatif akan ditempatkan di pergelangan tangan bagian dalam kiri, dan elektroda ground akan dihubungkan ke pergelangan kaki. Ini akan memungkinkan pembacaan dilakukan di seluruh jantung dengan akurasi relatif. Dengan penempatan elektroda yang terhubung ke penguat instrumentasi, filter lolos rendah, dan filter takik, bentuk gelombang EKG harus mudah dibedakan sebagai sinyal keluaran dari rangkaian yang dibuat.

CATATAN: 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

Langkah 1: Bangun Penguat Instrumentasi

Untuk membangun instrumentasi multitahap dengan penguatan 1000, atau 60 dB, persamaan berikut harus diterapkan.

Keuntungan=(1+2*R1/Rgain)

R1 sama dengan semua resistor yang digunakan dalam penguat instrumentasi selain dari resistor penguatan yang dalam arti tertentu akan menyebabkan semua penguatan terlibat dalam tahap pertama penguat. Ini dipilih menjadi 50,3 kΩ. Untuk menghitung resistor gain, nilai ini dicolokkan ke persamaan di atas.

1000=(1+2*50300/Rgain)

Raih = 100,7

Setelah nilai ini dihitung, penguat instrumentasi dapat dibangun sebagai rangkaian berikut yang ditunjukkan pada langkah ini. OP/AMP harus diberi daya dengan tegangan positif dan negatif 15 volt seperti yang ditunjukkan pada diagram rangkaian. Kapasitor bypass untuk setiap OP/AMP harus ditempatkan di dekat OP/AMP secara seri dengan catu daya untuk meredam sinyal AC yang datang dari sumber daya ke ground untuk mencegah OP/AMP menjadi gosong dan kebisingan tambahan apa pun yang mungkin berkontribusi ke sinyal. Juga, untuk menguji penguatan aktual rangkaian, simpul elektroda positif harus diberikan gelombang sinus input dan simpul elektroda negatif harus dihubungkan ke ground. Ini akan memungkinkan penguatan rangkaian terlihat secara akurat dengan sinyal input kurang dari 15 mV puncak ke puncak.

Langkah 2: Buat Filter Low Pass Orde ke-2

Filter low pass orde 2 digunakan untuk menghilangkan noise di atas frekuensi yang diinginkan untuk sinyal EKG yaitu 150 Hz.

Nilai K yang digunakan dalam perhitungan untuk low pass filter orde ke-2 adalah gain. Karena kami tidak ingin ada gain di filter kami, kami memilih nilai gain 1 yang berarti tegangan input akan sama dengan tegangan output.

K=1

Untuk filter Butterworth orde kedua yang akan digunakan untuk rangkaian ini, koefisien a dan b didefinisikan di bawah ini. a=1,414214 b=1

Pertama, nilai kapasitor kedua dipilih menjadi kapasitor yang relatif besar yang tersedia di lab dan dunia nyata.

C2 = 0,1 F

Untuk menghitung kapasitor pertama, hubungan berikut antara kapasitor dan kapasitor kedua digunakan. Koefisien K, a, dan b dimasukkan ke dalam persamaan untuk menghitung berapa nilai yang seharusnya.

C1<=C2*[a^2+4b(K-1)]/4b

C1<=(0.1*10^-6[1.414214^2+4*1(1-1)]/4*1

C1<=50 nF

Karena kapasitor pertama dihitung kurang dari atau sama dengan 50 nF, nilai kapasitor berikut dipilih.

C1=33 nF

Untuk menghitung resistor pertama yang diperlukan untuk filter lolos rendah orde kedua ini dengan frekuensi potong 150 Hz, persamaan berikut diselesaikan menggunakan nilai kapasitor yang dihitung dan koefisien K, a, dan b. R1=2/[(frekuensi cutoff)*[aC2*sqrt([(a^2+4b(K-1))C2^2-4bC1C2])]

R1=9478 Ohm

Untuk menghitung resistor kedua, persamaan berikut digunakan. Frekuensi cutoff lagi adalah 150 Hz dan koefisien b adalah 1.

R2=1/[bC1C2R1(frekuensi batas)^2]

R2=35,99 kOhmSetelah menghitung nilai resistor dan kapasitor di atas yang diperlukan untuk filter takik orde kedua, rangkaian berikut dibuat untuk menunjukkan filter lolos rendah aktif yang akan digunakan. OP/AMP diberi daya dengan tegangan positif dan negatif 15 volt seperti yang ditunjukkan pada diagram. Kapasitor bypass dihubungkan ke sumber daya sehingga setiap sinyal AC yang keluar dari sumber dialihkan ke ground untuk memastikan OP/AMP tidak tergoreng oleh sinyal ini. Untuk menguji tahap rangkaian EKG ini, simpul sinyal input harus dihubungkan ke gelombang sinus dan sapuan AC dari 1 Hz hingga 200 Hz harus dilakukan untuk melihat cara kerja filter.

Langkah 3: Buat Filter Takik

Filter takik adalah bagian yang sangat penting dari banyak sirkuit untuk mengukur sinyal frekuensi rendah. Pada frekuensi rendah, kebisingan AC 60 Hz sangat umum karena frekuensi arus AC yang mengalir melalui gedung-gedung di Amerika Serikat. Kebisingan 60 Hz itu tidak nyaman karena berada di tengah pita pass untuk EKG, tetapi filter takik dapat menghilangkan frekuensi tertentu sambil mempertahankan sisa sinyal. Saat merancang filter takik ini, sangat penting untuk memiliki faktor kualitas tinggi, Q, untuk memastikan bahwa gulungan cut-off tajam di sekitar titik yang diinginkan. Di bawah ini merinci perhitungan yang digunakan untuk membuat filter takik aktif yang akan digunakan di sirkuit EKG.

Pertama frekuensi yang diinginkan, 60 Hz harus diubah dari Hz menjadi rad/s.

frekuensi=2*pi*frekuensi

frekuensi = 376,99 rad/detik

Selanjutnya, bandwidth dari frekuensi yang dipotong harus dihitung. Nilai-nilai ini ditentukan dengan cara yang memastikan bahwa frekuensi utama yang diinginkan, 60 Hz, benar-benar terputus dan hanya beberapa frekuensi di sekitarnya yang sedikit terpengaruh.

Bandwidth=Cutoff2-Cutoff1

Bandwidth=37.699 Faktor kualitas harus ditentukan selanjutnya. Faktor kualitas menentukan seberapa tajam takik dan seberapa sempit batas dimulai. Ini dihitung menggunakan bandwidth dan frekuensi yang diinginkan. Q=frekuensi/Lebar Pita

Q = 10

Nilai kapasitor yang tersedia dipilih untuk filter ini. Kapasitor tidak perlu besar dan tentunya tidak boleh terlalu kecil.

C = 100 nF

Untuk menghitung resistor pertama yang digunakan dalam filter takik aktif ini, hubungan berikut digunakan yang melibatkan faktor kualitas, frekuensi bunga, dan kapasitor yang dipilih.

R1=1/[2QC*frekuensi]

R1 = 1326,29 Ohm

Resistor kedua yang digunakan dalam filter ini dihitung menggunakan hubungan berikut.

R2=2Q/[frekuensi*C]

R2=530516 Ohm

Resistor terakhir untuk filter ini dihitung menggunakan dua nilai resistor sebelumnya. Ini diharapkan sangat mirip dengan resistor pertama yang dihitung.

R3=R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 Ohm

Setelah semua nilai komponen dihitung menggunakan persamaan yang dijelaskan di atas, filter takik berikut harus dibuat untuk secara akurat menyaring kebisingan AC 60 Hz yang akan mengganggu sinyal EKG. OP/AMP harus diberi daya dengan tegangan positif dan negatif 15 volt seperti yang ditunjukkan pada rangkaian di bawah ini. Kapasitor bypass dihubungkan dari sumber daya pada OP/AMP sehingga setiap sinyal AC yang berasal dari sumber daya dialihkan ke ground untuk memastikan OP/AMP tidak gosong. Untuk menguji bagian rangkaian ini, sinyal input harus terhubung ke gelombang sinus dan sapuan AC harus dilakukan dari 40 Hz hingga 80 Hz untuk melihat penyaringan sinyal 60 Hz.

Langkah 4: Buat Program LabVIEW untuk Menghitung Detak Jantung

LabVIEW adalah alat yang berguna untuk menjalankan instrumen serta mengumpulkan data. Untuk mengumpulkan data EKG, digunakan papan DAQ yang akan membaca tegangan input pada laju sampling 1 kHz. Tegangan input ini kemudian output ke plot yang digunakan untuk menampilkan rekaman EKG. Data yang dikumpulkan kemudian melewati pencari maks yang mengeluarkan nilai maksimum yang dibaca. Nilai-nilai ini memungkinkan ambang batas puncak dihitung pada 98% dari output maksimum. Setelah itu, detektor puncak digunakan untuk menentukan kapan data lebih besar dari ambang batas itu. Data ini bersama dengan waktu antara puncak dapat digunakan untuk menentukan detak jantung. Perhitungan sederhana ini secara akurat akan menentukan detak jantung dari tegangan input yang dibaca oleh papan DAQ.

Langkah 5: Pengujian

Setelah membangun sirkuit Anda, Anda siap untuk menggunakannya! Pertama, setiap tahap harus diuji dengan sapuan frekuensi AC dari 0,05 Hz hingga 200 Hz. Tegangan input tidak boleh lebih besar dari 15 mV puncak ke puncak sehingga sinyal tidak dibatasi oleh batasan OP/AMP. Selanjutnya, sambungkan semua sirkuit dan jalankan penyapuan AC penuh lagi untuk memastikan semuanya berfungsi dengan baik. Setelah Anda puas dengan output rangkaian lengkap Anda, saatnya untuk menghubungkan diri Anda dengannya. Tempatkan elektroda positif di pergelangan tangan kanan Anda dan elektroda negatif di pergelangan tangan kiri Anda. Letakkan elektroda arde di pergelangan kaki Anda. Hubungkan output dari rangkaian lengkap ke papan DAQ Anda dan jalankan program LabVIEW. Sinyal EKG Anda sekarang akan terlihat pada grafik bentuk gelombang di komputer. Jika tidak atau terdistorsi, coba turunkan penguatan rangkaian menjadi sekitar 10 dengan mengubah resistor penguatan yang sesuai. Ini akan memungkinkan sinyal untuk dibaca oleh program LabVIEW.