Sirkuit Perekaman EKG Sederhana dan Monitor Detak Jantung LabVIEW: 5 Langkah

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

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

Salah satu aspek paling mendasar dari perawatan kesehatan modern, adalah kemampuan untuk menangkap gelombang jantung menggunakan EKG, atau elektrokardiogram. Teknik ini menggunakan elektroda permukaan untuk mengukur berbagai pola listrik yang dipancarkan dari jantung, sehingga outputnya dapat digunakan sebagai alat diagnostik untuk mendiagnosis kondisi jantung dan paru-paru seperti berbagai bentuk takikardia, blok cabang, dan hipertrofi. Untuk mendiagnosis kondisi ini, bentuk gelombang keluaran dibandingkan dengan sinyal EKG normal.

Untuk membuat sistem yang dapat memperoleh bentuk gelombang EKG, sinyal harus terlebih dahulu diperkuat, dan kemudian disaring dengan tepat untuk menghilangkan noise. Untuk melakukan ini, rangkaian tiga tahap dapat dibangun menggunakan OP amp.

Instruksi ini akan memberikan informasi yang diperlukan untuk merancang dan kemudian membangun rangkaian sederhana yang mampu merekam sinyal EKG menggunakan elektroda permukaan, dan kemudian menyaring sinyal tersebut untuk pemrosesan dan analisis lebih lanjut. Selain itu, Instruksi ini akan menguraikan satu teknik yang digunakan untuk menganalisis sinyal itu untuk membuat representasi grafis dari keluaran rangkaian, serta metode untuk menghitung detak jantung dari keluaran rangkaian gelombang EKG.

Catatan: saat merancang setiap tahap, pastikan untuk melakukan sapuan AC baik secara eksperimental, maupun melalui simulasi untuk memastikan perilaku rangkaian yang diinginkan.

Langkah 1: Rancang dan Bangun Penguat Instrumentasi

Tahap pertama dalam rangkaian EKG ini adalah penguat instrumentasi, yang terdiri dari tiga buah OP amp. Dua OP amp pertama adalah input buffer, yang kemudian diumpankan ke OP amp ketiga yang berfungsi sebagai penguat diferensial. Sinyal dari tubuh harus disangga atau output akan berkurang karena tubuh tidak dapat memberikan banyak arus. Diferensial amp mengambil perbedaan antara dua sumber input untuk memberikan perbedaan potensial yang terukur, sementara secara bersamaan membatalkan kebisingan umum. Tahap ini juga memiliki penguatan 1000, memperkuat mV tipikal ke tegangan yang lebih mudah dibaca.

Penguatan rangkaian 1000 untuk penguat instrumentasi dihitung dengan persamaan yang ditunjukkan. Gain tahap 1 dari penguat instrumentasi dihitung dengan (2), dan gain tingkat 2 dari penguat instrumentasi dihitung dengan (3). K1 dan K2 dihitung sehingga tidak berbeda satu sama lain lebih dari nilai 15.

Untuk penguatan 1000, K1 dapat diatur ke 40 dan K2 dapat diatur ke 25. Nilai resistor semuanya dapat dihitung, tetapi penguat instrumentasi khusus ini menggunakan nilai resistor di bawah ini:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Langkah 2: Rancang dan Bangun Filter Takik

Tahap selanjutnya adalah notch filter untuk menghilangkan sinyal 60 Hz yang berasal dari stopkontak.

Pada filter takik, nilai resistor R1 dihitung dengan (4), nilai R2 dengan (5), dan nilai R3 dengan (6). Faktor kualitas sirkuit, Q, diatur ke 8 karena memberikan margin kesalahan yang masuk akal sekaligus akurat secara realistis. Nilai Q dapat dihitung dengan (7). Persamaan pengaturan terakhir dari filter takik digunakan untuk menghitung bandwidth, dan dijelaskan oleh (8). Selain faktor kualitas 8, filter takik memiliki spesifikasi desain lain yang hadir. Filter ini dirancang untuk memiliki gain 1 sehingga tidak akan mengubah sinyal, sementara menghilangkan sinyal 60 Hz.

Berdasarkan persamaan tersebut, R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ, dan C1 = 15 nF

Langkah 3: Rancang dan Bangun Filter Low-Pass Butterworth Orde ke-2

Tahap terakhir, adalah filter low-pass untuk menghilangkan semua sinyal yang dapat terjadi di atas komponen frekuensi tertinggi dari gelombang EKG, seperti noise WiFi, dan sinyal ambient lainnya yang mungkin mengalihkan perhatian dari sinyal yang diinginkan. Titik -3dB untuk tahap ini harus sekitar atau mendekati 150 Hz, karena rentang standar sinyal yang ada dalam rentang gelombang EKG dari 0,05 Hz hingga 150 Hz.

Saat merancang filter Butterworth orde kedua low-pass, rangkaian kembali diatur untuk memiliki gain 1, yang memungkinkan untuk desain rangkaian yang lebih sederhana. Sebelum melakukan perhitungan lebih lanjut, penting untuk dicatat bahwa frekuensi cutoff yang diinginkan dari filter lolos rendah diatur ke 150 Hz. Paling mudah untuk memulai dengan menghitung nilai kapasitor 2, C2, karena persamaan lain bergantung pada nilai ini. C2 dapat dihitung dengan (9). Melanjutkan dari menghitung C2, C1 dapat dihitung dengan (10). Dalam kasus filter lolos rendah ini, koefisien a dan b ditentukan di mana a = 1,414214, dan b = 1. Nilai resistor R1 dihitung dengan (11), dan nilai resistor R2 dihitung dengan (12).

Nilai-nilai berikut digunakan:

R1 = 13,842kΩ

R2 = 54,36kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Langkah 4: Siapkan Program LabVIEW yang Digunakan untuk Akuisisi dan Analisis Data

Selanjutnya, program komputer LabView dapat digunakan untuk membuat tugas yang akan membuat representasi grafis detak jantung dari sinyal EKG, dan menghitung detak jantung dari sinyal yang sama. Program LabView menyelesaikan ini dengan terlebih dahulu menerima input analog dari papan DAQ, yang juga bertindak sebagai konverter analog ke digital. Sinyal digital ini kemudian dianalisis dan diplot lebih lanjut, di mana plot menunjukkan representasi grafis dari sinyal yang dimasukkan ke papan DAQ. Bentuk gelombang sinyal dianalisis dengan mengambil 80% dari nilai maksimum sinyal digital yang diterima, dan kemudian menggunakan fungsi detektor puncak untuk mendeteksi puncak sinyal ini. Secara bersamaan, program mengambil bentuk gelombang dan menghitung perbedaan waktu antara puncak gelombang. Deteksi puncak digabungkan dengan nilai yang menyertainya baik 1 atau 0, di mana 1 mewakili puncak untuk membuat indeks lokasi puncak, dan indeks ini kemudian digunakan bersamaan dengan perbedaan waktu antara puncak untuk menghitung detak jantung secara matematis di denyut per menit (BPM). Diagram blok yang digunakan dalam program LabView ditampilkan.

Langkah 5: Perakitan Penuh

Setelah Anda membuat semua sirkuit dan program LabVIEW dan memastikan semuanya bekerja dengan benar, Anda siap merekam sinyal EKG. Digambarkan adalah skema yang mungkin dari perakitan sistem sirkuit penuh.

Hubungkan elektroda positif ke pergelangan tangan kanan Anda dan salah satu input amplifier instrumentasi yang dilingkari, dan elektroda negatif ke pergelangan tangan kiri Anda dan input amplifier instrumentasi lainnya seperti pada gambar. Urutan masukan elektroda tidak menjadi masalah. Terakhir, letakkan elektroda arde di pergelangan kaki Anda, dan sambungkan ke arde di sirkuit Anda. Selamat, Anda telah menyelesaikan semua langkah yang diperlukan untuk merekam dan sinyal EKG.