Merekam Sinyal Bioelektrik: EKG dan Monitor Detak Jantung: 7 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.

Elektrokardiogram (EKG) adalah tes di mana elektroda permukaan ditempatkan pada subjek dengan cara tertentu untuk mendeteksi dan mengukur aktivitas listrik jantung subjek [1]. Sebuah EKG memiliki banyak kegunaan dan dapat berfungsi untuk membantu dalam diagnosis kondisi jantung, tes stres, dan observasi selama operasi. EKG juga dapat mendeteksi perubahan detak jantung, aritmia, serangan jantung, dan banyak pengalaman dan penyakit lainnya [1] juga dijelaskan dalam pernyataan masalah di atas. Sinyal jantung yang diukur oleh EKG menghasilkan tiga bentuk gelombang berbeda yang menggambarkan umpan langsung dari jantung yang berfungsi. Ini ditunjukkan pada gambar di atas.

Tujuan dari proyek ini adalah untuk membuat perangkat yang dapat memperoleh sinyal EKG dari generator keluaran atau manusia dan mereproduksi sinyal sekaligus menghilangkan noise. Keluaran dari sistem juga akan menghitung BPM.

Mari kita mulai!

Langkah 1: Kumpulkan Semua Bahan

Untuk membuat EKG ini, kita akan membuat sebuah sistem yang terdiri dari dua bagian besar yaitu rangkaian dan sistem LabVIEW. Tujuan dari rangkaian ini adalah untuk memastikan kita mendapatkan sinyal yang kita inginkan. Ada banyak kebisingan sekitar yang dapat meredam sinyal EKG kami, jadi kami perlu memperkuat sinyal kami serta menyaring kebisingan apa pun. Setelah sinyal disaring dan diperkuat melalui rangkaian, kami dapat mengirim sinyal yang telah disempurnakan ke program LabVIEW yang akan menampilkan bentuk gelombang serta menghitung BPM. Bahan-bahan berikut diperlukan untuk proyek ini:

-Resistor, kapasitor, dan penguat operasional (op-amp - UA741 digunakan) komponen listrik

-Papan tempat memotong roti tanpa solder untuk membangun dan menguji

- Catu daya DC untuk menyediakan daya ke op-amp

-Fungsi generator untuk memasok sinyal bioelektrik

-Osiloskop untuk melihat sinyal input

Papan -DAQ untuk mengubah sinyal dari analog ke digital

-Perangkat lunak LabVIEW untuk pengamatan sinyal keluaran

-BNC dan kabel ujung ujung variabel

Langkah 2: Merancang Sirkuit

Seperti yang baru saja kita bahas, perlu untuk menyaring dan memperkuat sinyal kita. Untuk melakukan ini, kita dapat mengatur 3 tahap berbeda dari rangkaian kita. Pertama, kita perlu memperkuat sinyal kita. Hal ini dapat dilakukan dengan memanfaatkan penguat instrumentasi. Dengan cara ini, sinyal input kami dapat terlihat jauh lebih baik di produk akhir. Kita perlu memiliki filter takik secara seri dengan penguat instrumentasi ini. Filter takik akan digunakan untuk menghilangkan kebisingan dari sumber listrik kami. Setelah itu, kita dapat memiliki filter lolos rendah. Karena pembacaan EKG biasanya berfrekuensi rendah, kami ingin memotong semua frekuensi yang berada pada frekuensi yang berada di luar batas pembacaan EKG kami, jadi kami menggunakan filter lolos rendah. Tahapan-tahapan tersebut dijelaskan lebih rinci pada langkah-langkah berikut.

Jika Anda mengalami masalah dengan sirkuit Anda, yang terbaik adalah mensimulasikan sirkuit Anda dalam program online. Dengan cara ini, Anda dapat memeriksa apakah perhitungan Anda untuk nilai resistor dan kapasitor sudah benar.

Langkah 3: Merancang Penguat Instrumentasi

Untuk mengamati sinyal bioelektrik lebih efisien, sinyal perlu diperkuat. Untuk proyek ini, perolehan yang harus dicapai secara keseluruhan adalah 1000 V/V. Untuk mencapai gain yang ditentukan dari penguat instrumentasi, nilai resistansi untuk rangkaian dihitung dengan persamaan berikut:

(Tahap 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(Tahap 2) K2 = -R4 / R3

Dimana setiap tahapan dikalikan untuk menghitung keuntungan secara keseluruhan. Nilai resistor yang dipilih untuk menghasilkan penguatan 1000 V/V adalah R1 = 10 kOhm, R2 = 150 kOhm, R3 = 10 kOhm, dan R4 = 330 kOhm. Gunakan catu daya DC untuk memberikan rentang tegangan +/- 15 V (menjaga batas arus tetap rendah) untuk memberi daya pada op-amp dari rangkaian fisik. Jika Anda ingin memeriksa nilai sebenarnya dari resistor, atau ingin mencapai penguatan ini sebelum membangun, Anda dapat mensimulasikan rangkaian menggunakan program seperti PSpice atau CircuitLab online, atau menggunakan osiloskop dengan tegangan sinyal input yang diberikan dan memeriksa kebenarannya. keuntungan setelah membangun penguat fisik. Hubungkan generator fungsi dan osiloskop ke amplifier untuk menjalankan rangkaian.

Foto di atas menggambarkan seperti apa rangkaian dalam perangkat lunak simulasi PSpice. Untuk memeriksa bahwa sirkuit Anda bekerja dengan benar, berikan gelombang sinus puncak-ke-puncak 1 kHz 10 mV dari generator fungsi, melalui sirkuit, dan ke osiloskop. Gelombang sinus puncak-ke-puncak 10 V harus diamati pada osiloskop.

Langkah 4: Mendesain Filter Takik

Masalah khusus ketika berhadapan dengan sirkuit ini adalah kenyataan bahwa sinyal noise 60 Hz dihasilkan oleh jalur catu daya di Amerika Serikat. Untuk menghilangkan noise ini, sinyal input ke dalam rangkaian harus disaring pada 60 Hz, dan cara apa yang lebih baik untuk melakukannya selain dengan filter takik!

Filter takik (rangkaian yang digambarkan di atas) adalah jenis filter listrik tertentu yang dapat digunakan untuk menghilangkan frekuensi tertentu dari sinyal. Untuk menghilangkan sinyal 60 Hz, kami menghitung persamaan berikut:

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

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

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Menggunakan faktor kualitas (Q) 8 untuk merancang filter yang cukup akurat, kapasitansi (C) 0,033 uFarad untuk perakitan lebih mudah, dan frekuensi tengah (w) 2 * pi * 60 Hz. Ini berhasil menghitung nilai untuk resistor R1 = 5,024 kOhm, R2 = 1,2861 MOhm, dan R3 = 5,004 kOhm, dan berhasil membuat filter untuk menghilangkan frekuensi 60 Hz dari sinyal bioelektrik input. Jika Anda ingin memeriksa filter, Anda dapat mensimulasikan rangkaian menggunakan program seperti PSpice atau CircuitLab online, atau menggunakan osiloskop dengan tegangan sinyal input yang diberikan dan memeriksa sinyal yang dihapus setelah membangun penguat fisik. Hubungkan generator fungsi dan osiloskop ke amplifier untuk menjalankan rangkaian.

Melakukan sapuan AC dengan sirkuit ini pada rentang frekuensi dari 1 Hz hingga 1 kHz pada sinyal puncak-ke-puncak 1 V harus menghasilkan fitur tipe "takik" pada 60 Hz di plot output, yang dihapus dari input sinyal.

Langkah 5: Merancang Low Pass Filter

Tahap terakhir dari rangkaian ini adalah filter lolos rendah, khususnya filter lolos rendah Butterworth Orde Kedua. Ini digunakan untuk mengisolasi sinyal EKG kami. Bentuk gelombang EKG biasanya berada dalam batas frekuensi 0 hingga ~100 Hz. Jadi, kami menghitung nilai resistor dan kapasitor kami berdasarkan frekuensi cutoff 100 Hz dan faktor kualitas 8, yang akan memberi kami filter yang relatif akurat.

R1=2/(w[aC2+sqrt(a2+4b(K-1)))

C2^2-4b*C1*C2) R2=1/(b*C1*C2*R1*w^2)

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

Nilai yang kami hitung akhirnya menjadi R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads, dan C2 = 0.045 microFarads. Nyalakan op-amp dengan tegangan DC + dan - 15V. Jika Anda ingin memeriksa filter, Anda dapat mensimulasikan rangkaian menggunakan program seperti PSpice atau CircuitLab online, atau menggunakan osiloskop dengan tegangan sinyal input yang diberikan dan memeriksa sinyal yang dihapus setelah membangun penguat fisik. Hubungkan generator fungsi dan osiloskop ke amplifier untuk menjalankan rangkaian. Pada frekuensi cutoff, Anda akan melihat besarnya -3 dB. Ini menunjukkan bahwa sirkuit Anda berfungsi dengan benar.

Langkah 6: Menyiapkan LabVIEW

Sekarang sirkuit telah dibuat, kami ingin dapat menafsirkan sinyal kami. Untuk melakukan ini, kita dapat menggunakan LabVIEW. Asisten DAQ dapat digunakan untuk memperoleh sinyal dari sirkuit. Setelah membuka LabVIEW, atur rangkaian seperti yang ditunjukkan pada diagram di atas. Asisten DAQ akan mengambil pembacaan input ini dari rangkaian dan sinyal akan menuju ke grafik bentuk gelombang. Ini akan memungkinkan Anda untuk melihat bentuk gelombang EKG!

Selanjutnya kita ingin menghitung BPM. Pengaturan di atas akan melakukannya untuk Anda. Program berfungsi dengan terlebih dahulu mengambil nilai maksimum dari sinyal EKG yang masuk. Nilai ambang memungkinkan kami mendeteksi semua nilai baru yang masuk yang mencapai persentase dari nilai maksimum kami (dalam hal ini, 90%). Lokasi nilai-nilai ini kemudian dikirim ke array pengindeksan. Sejak pengindeksan dimulai pada 0, kami ingin mengambil titik 0 dan 1 dan menghitung perubahan waktu di antara mereka. Ini memberi kita waktu di antara ketukan. Kami kemudian mengekstrapolasi data itu untuk menemukan BPM. Secara khusus, ini dilakukan dengan mengalikan output dari elemen dt dan output dari pengurangan antara dua nilai dalam array pengindeksan, dan kemudian membaginya dengan 60 (karena kita mengonversi ke menit).

Langkah 7: Hubungkan Semuanya dan Uji

Hubungkan sirkuit ke input papan DAQ. Sekarang sinyal yang Anda masukan akan melalui rangkaian ke papan DAQ dan program LabVIEW akan menampilkan bentuk gelombang dan BPM yang dihitung.

Selamat!