EKG Digital dan Monitor Detak Jantung: 8 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 yang sebenarnya, pastikan sirkuit dan koneksi sirkuit-ke-instrumen menggunakan daya baterai dan teknik isolasi lain yang tepat

Elektrokardiogram (EKG) merekam sinyal listrik selama siklus jantung. Setiap kali jantung berdetak, ada siklus depolarisasi dan hiperpolarisasi sel miokard. Depolarisasi dan hiperpolarisasi dapat direkam oleh elektroda, dan dokter membaca informasi tersebut untuk mempelajari lebih lanjut tentang bagaimana jantung berfungsi. EKG dapat menentukan infark miokard, fibrilasi atrium atau ventrikel, takikardia, dan bradikardia [1]. Setelah menentukan apa masalahnya dari EKG, dokter berhasil mendiagnosis dan merawat pasien. Ikuti langkah-langkah di bawah ini untuk mempelajari cara membuat alat perekam elektrokardiogram Anda sendiri!

Langkah 1: Bahan

Komponen sirkuit:

• Lima penguat operasional UA741
• Resistor
• Kapasitor
• Kabel jumper
• papan DAQ
• Perangkat lunak LabVIEW

Mencoba peralatan:

• Pembangkit fungsi
• catu daya DC
• Osiloskop
• Kabel BNC dan T-splitter
• Kabel jumper
• klip buaya
• colokan pisang

Langkah 2: Penguat Instrumentasi

Tahap pertama dari rangkaian adalah penguat instrumentasi. Ini memperkuat sinyal biologis sehingga berbagai komponen EKG dapat dibedakan.

Diagram rangkaian untuk penguat instrumentasi ditunjukkan di atas. Gain tahap pertama dari rangkaian ini didefinisikan sebagai K1 = 1 + 2*R2 / R1. Gain tahap kedua dari rangkaian didefinisikan sebagai K2 = R4 / R3. Gain keseluruhan penguat instrumentasi adalah K1 * K2. Gain yang diinginkan untuk proyek ini kira-kira 1000, jadi K1 dipilih menjadi 31 dan K2 dipilih menjadi 33. Nilai resistor untuk penguatan ini ditunjukkan di atas dalam diagram rangkaian. Anda dapat menggunakan nilai resistor yang ditunjukkan di atas, atau Anda dapat mengubah nilai untuk memenuhi penguatan yang Anda inginkan.**

Setelah Anda memilih nilai komponen Anda, sirkuit dapat dibangun di papan tempat memotong roti. Untuk menyederhanakan koneksi sirkuit pada papan tempat memotong roti, rel horizontal negatif di atas ditetapkan sebagai ground sedangkan dua rel horizontal di bawah ditetapkan masing-masing menjadi +/- 15V.

Op amp pertama ditempatkan di sisi kiri papan tempat memotong roti untuk memberikan ruang bagi semua komponen yang tersisa. Lampiran ditambahkan dalam urutan kronologis pin. Ini membuatnya lebih mudah untuk melacak bagian mana yang telah ditambahkan atau tidak. Setelah semua pin selesai untuk op amp 1, op amp berikutnya dapat ditempatkan. Sekali lagi, pastikan itu relatif dekat untuk meninggalkan ruang. Proses pin kronologis yang sama diselesaikan untuk semua op amp hingga penguat instrumentasi selesai.

Kapasitor bypass kemudian ditambahkan di samping diagram rangkaian untuk menghilangkan kopling AC di kabel. Kapasitor ini dipasang paralel dengan suplai tegangan DC dan diarde pada rel negatif horizontal atas. Kapasitor ini harus berada dalam kisaran 0,1 hingga 1 mikroFarad. Setiap op amp memiliki dua kapasitor bypass, satu untuk pin 4 dan satu untuk pin 7. Kedua kapasitor pada setiap op amp harus memiliki nilai yang sama, tetapi dapat bervariasi dari op amp ke op amp.

Untuk menguji amplifikasi, generator fungsi dan osiloskop dihubungkan masing-masing ke input dan output amplifier. Sinyal input juga terhubung ke osiloskop. Gelombang sinus sederhana digunakan untuk menentukan amplifikasi. Masukkan output generator fungsi ke dalam dua terminal input penguat instrumentasi. Atur osiloskop untuk mengukur rasio sinyal output terhadap sinyal input. Gain dari rangkaian dalam desibel adalah Gain = 20 * log10(Vout / Vin). Untuk gain 1000, gain dalam desibel adalah 60dB. Dengan menggunakan osiloskop, Anda dapat menentukan apakah penguatan rangkaian yang Anda buat memenuhi spesifikasi Anda, atau jika Anda perlu mengubah beberapa nilai resistor untuk meningkatkan rangkaian Anda.

Setelah penguat instrumentasi dirakit dan berfungsi dengan benar, Anda dapat beralih ke filter takik.

**Pada diagram rangkaian di atas, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 =R42

Langkah 3: Filter Takik

Tujuan filter takik adalah untuk menghilangkan kebisingan dari catu daya dinding 60 Hz. Filter takik melemahkan sinyal pada frekuensi cutoff, dan melewatkan frekuensi di atas dan di bawahnya. Untuk rangkaian ini, frekuensi cutoff yang diinginkan adalah 60 Hz.

Persamaan yang mengatur diagram rangkaian yang ditunjukkan di atas adalah R1 = 1 /(2 * Q * w *C), R2 = 2 * Q / (w * C), dan R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), di mana Q adalah faktor kualitas dan w adalah 2 * pi * (frekuensi cutoff). Faktor kualitas 8 memberikan nilai resistor dan kapasitor dalam kisaran yang wajar. Nilai kapasitor dapat diasumsikan semua sama. Dengan demikian, Anda dapat memilih nilai kapasitor yang tersedia di kit Anda. Nilai resistor yang ditunjukkan pada rangkaian di atas adalah untuk frekuensi cutoff 60 Hz, faktor kualitas 8, dan nilai kapasitor 0,22 uF.

Karena kapasitor ditambahkan secara paralel, dua kapasitor dengan nilai C yang dipilih ditempatkan secara paralel untuk mencapai nilai 2C. Juga, kapasitor bypass ditambahkan ke op amp.

Untuk menguji filter takik, sambungkan output dari generator fungsi ke input filter takik. Amati masukan dan keluaran rangkaian pada osiloskop. Untuk memiliki filter takik yang efektif, Anda harus memiliki penguatan kurang dari atau sama dengan -20dB pada frekuensi cutoff. Karena komponennya tidak ideal, ini bisa sulit untuk dicapai. Nilai resistor dan kapasitor yang dihitung mungkin tidak memberikan keuntungan yang diinginkan. Ini akan mengharuskan Anda untuk membuat perubahan pada nilai resistor dan kapasitor.

Untuk melakukannya, fokuslah pada satu komponen pada satu waktu. Menambah dan mengurangi nilai satu komponen tanpa mengubah yang lain. Amati efeknya pada penguatan rangkaian. Ini mungkin membutuhkan banyak kesabaran untuk mencapai keuntungan yang diinginkan. Ingat, Anda dapat menambahkan resistor secara seri untuk menambah atau mengurangi nilai resistor. Perubahan yang paling meningkatkan gain kami adalah meningkatkan salah satu kapasitor menjadi 0,33 uF.

Langkah 4: Filter Lulus Rendah

Filter lolos rendah menghilangkan noise frekuensi tinggi yang dapat mengganggu sinyal EKG. Sebuah cutoff lulus rendah 40 Hz cukup untuk menangkap informasi bentuk gelombang EKG. Namun, beberapa komponen EKG melebihi 40 Hz. Cutoff 100 Hz atau 150 Hz juga dapat digunakan [2].

Filter lolos rendah yang dibuat adalah filter Butterworth Orde Kedua. Karena penguatan rangkaian kami ditentukan oleh penguat instrumentasi, kami menginginkan penguatan 1 di dalam pita untuk filter lolos rendah. Untuk penguatan 1, RA dihubung singkat dan RB dihubung terbuka pada diagram rangkaian di atas [3]. Dalam rangkaian, C1 = 10 / (fc) uF, di mana fc adalah frekuensi cutoff. C1 harus kurang dari atau sama dengan C2 * a^2 / (4 * b). Untuk filter Butterworth orde kedua, a = kuadrat(2) dan b = 1. Dengan memasukkan nilai a dan b, persamaan untuk C2 disederhanakan menjadi kurang dari atau sama dengan C1 / 2. Kemudian R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt(a^2 *C2 ^2 - 4 *b * C1 * C2))] dan R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), di mana w = 2 *pi * fc. Perhitungan untuk sirkuit ini diselesaikan untuk memberikan cutoff 40Hz. Nilai resistor dan kapasitor yang memenuhi spesifikasi ini ditunjukkan pada diagram rangkaian di atas.

Op amp ditempatkan di sisi paling kanan dari papan tempat memotong roti karena tidak ada komponen lain yang akan ditambahkan setelahnya. Resistor dan kapasitor ditambahkan ke op amp untuk melengkapi rangkaian. Kapasitor bypass juga ditambahkan ke op amp. Terminal input dibiarkan kosong karena input akan berasal dari sinyal output filter takik. Namun, untuk tujuan pengujian, sebuah kawat ditempatkan pada pin input agar dapat mengisolasi filter lolos rendah dan mengujinya satu per satu.

Gelombang sinus dari generator fungsi digunakan sebagai sinyal input dan diamati pada frekuensi yang berbeda. Amati sinyal input dan output pada osiloskop dan tentukan penguatan rangkaian pada frekuensi yang berbeda. Untuk filter lolos rendah, penguatan pada frekuensi terputus harus -3db. Untuk sirkuit ini, cutoff harus terjadi pada 40 Hz. Frekuensi di bawah 40Hz seharusnya memiliki sedikit atau tidak ada redaman dalam bentuk gelombangnya, tetapi ketika frekuensi meningkat di atas 40 Hz, penguatan harus terus bergulir.

Langkah 5: Merakit Tahapan Sirkuit

Setelah Anda membangun setiap tahap sirkuit dan mengujinya secara independen, Anda dapat menghubungkan semuanya. Output penguat instrumentasi harus dihubungkan ke input filter takik. Output dari filter takik harus dihubungkan ke input filter lolos rendah.

Untuk menguji rangkaian, sambungkan input generator fungsi ke input tahap penguat instrumentasi. Amati masukan dan keluaran rangkaian pada osiloskop. Anda dapat menguji dengan gelombang EKG yang telah diprogram dari generator fungsi, atau dengan gelombang sinus dan mengamati efek dari rangkaian Anda. Pada gambar osiloskop di atas, kurva kuning adalah bentuk gelombang input, dan kurva hijau adalah output.

Setelah Anda menghubungkan semua tahapan sirkuit Anda dan menunjukkan bahwa itu berfungsi dengan baik, Anda dapat menghubungkan output sirkuit Anda ke papan DAQ dan mulai memprogram di LabVIEW.

Langkah 6: Program LabVIEW

Kode LabVIEW adalah untuk mendeteksi denyut per meter dari gelombang EKG yang disimulasikan pada frekuensi yang berbeda. Untuk memprogram di LabVIEW Anda harus mengidentifikasi semua komponen terlebih dahulu. Konverter analog ke digital, juga dikenal sebagai papan akuisisi data (DAQ), harus disetel dan diatur agar berjalan terus menerus. Sinyal output dari rangkaian terhubung ke input papan DAQ. Grafik bentuk gelombang dalam program LabVIEW terhubung langsung ke output asisten DAQ. Output dari data DAQ juga masuk ke pengidentifikasi maks/min. Sinyal kemudian melewati operator aritmatika perkalian. Indikator numerik 0,8 digunakan untuk menghitung nilai ambang batas. Ketika sinyal melebihi 0,8*Maksimum, puncak terdeteksi. Setiap kali nilai ini ditemukan, itu disimpan dalam array indeks. Dua titik data disimpan dalam array indeks dan dimasukkan ke dalam operator aritmatika pengurangan. Perubahan waktu ditemukan di antara kedua nilai ini. Kemudian, untuk menghitung detak jantung, 60 dibagi dengan perbedaan waktu. Indikator numerik, yang ditampilkan di sebelah grafik keluaran, mengeluarkan detak jantung dalam denyut per menit (bpm) dari sinyal masukan. Setelah program diatur, semuanya harus dimasukkan ke dalam loop while yang berkelanjutan. Input frekuensi yang berbeda memberikan nilai bpm yang berbeda.

Langkah 7: Kumpulkan Data EKG

Sekarang Anda dapat memasukkan sinyal EKG yang disimulasikan ke sirkuit Anda, dan merekam data dalam program LabVIEW Anda! Ubah frekuensi dan amplitudo EKG yang disimulasikan untuk melihat pengaruhnya terhadap data yang Anda rekam. Saat Anda mengubah frekuensi, Anda akan melihat perubahan dalam detak jantung yang dihitung. Anda telah berhasil merancang EKG dan monitor detak jantung!

Langkah 8: Perbaikan Lebih Lanjut

Perangkat yang dibangun akan bekerja dengan baik untuk memperoleh sinyal EKG yang disimulasikan. Namun, jika Anda ingin merekam sinyal biologis (pastikan untuk mengikuti tindakan pencegahan keselamatan yang sesuai), modifikasi lebih lanjut harus dilakukan pada sirkuit untuk meningkatkan pembacaan sinyal. Filter lolos tinggi harus ditambahkan untuk menghilangkan offset DC dan artefak gerakan frekuensi rendah. Penguatan penguat instrumentasi juga harus dikurangi sepuluh kali lipat agar tetap berada dalam kisaran yang dapat digunakan untuk LabVIEW dan op amp.

Sumber

[1] S. Meek dan F. Morris, “Pengantar. II--istilah dasar.,” BMJ, vol. 324, tidak. 7335, hlm. 470–3, Februari 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Fitur domain frekuensi untuk EKG mengalahkan diskriminasi menggunakan pengklasifikasi berbasis analisis relasional abu-abu, Dalam Komputer & Matematika dengan Aplikasi, Volume 55, Edisi 4, 2008, Halaman 680-690, ISSN 0898-1221, [3] “Filter Orde Kedua | Desain Filter Low Pass Orde Kedua.” Tutorial Elektronika Dasar, 9 September 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…