EKG dan Antarmuka Pengguna Virtual Detak Jantung: 9 Langkah

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

Untuk instruksi ini, kami akan menunjukkan kepada Anda bagaimana membangun sirkuit untuk menerima detak jantung Anda dan menampilkannya ke antarmuka pengguna virtual (VUI) dengan output grafis dari detak jantung dan detak jantung Anda. Ini membutuhkan kombinasi yang relatif sederhana dari komponen sirkuit dan perangkat lunak LabView untuk menganalisis dan mengeluarkan data. 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.

Bahan:

Sirkuit:

• Papan tempat memotong roti:
• Resistor:
• Kapasitor:
• Op Amp:
• Kabel sirkuit (termasuk dalam tautan Breadboard)
• klip buaya
• kunci pisang
• Catu Daya DC E3631A Agilent
• Pembangkit Fungsi
• Osiloskop

Tampilan Lab:

• Perangkat lunak LabView
• papan DAQ
• Kabel sirkuit
• Input Analog Terisolasi
• Pembangkit fungsi

Langkah 1: Tentukan Filter dan Amplifier Apa yang Digunakan

Untuk mewakili sinyal EKG, tiga tahap rangkaian yang berbeda dirancang dan diimplementasikan: penguat instrumentasi, filter takik, dan filter lolos rendah. Penguat instrumentasi menguatkan sinyal seperti ketika diterima dari subjek seringkali sangat kecil dan sulit untuk dilihat dan dianalisis. Filter takik digunakan untuk menghilangkan noise pada 60Hz karena sinyal EKG tidak mengandung sinyal pada 60Hz. Akhirnya filter low-pass menghilangkan frekuensi yang lebih tinggi untuk menghilangkan noise dari sinyal dan dalam kombinasi dengan filter takik hanya memungkinkan frekuensi yang direpresentasikan dalam sinyal EKG.

Langkah 2: Bangun Amplifier Instrumentasi dan Ujilah

Penguat harus memiliki penguatan 1000 V/V dan seperti yang dapat dilihat, penguat terdiri dari dua tahap. Oleh karena itu, keuntungan harus didistribusikan secara merata di antara dua tahap, dengan K1 menjadi keuntungan tahap pertama dan K2 menjadi keuntungan tahap kedua. Kami menentukan K1 menjadi 40 dan K2 menjadi 25. Ini adalah nilai yang dapat diterima karena fakta bahwa ketika dikalikan bersama, diperoleh penguatan 1000 V/V, 40 x 25 = 1000, dan jumlahnya sebanding, dengan varians dari 15 V/V. Menggunakan nilai-nilai ini untuk keuntungan, resistensi yang tepat kemudian dapat dihitung. Persamaan berikut digunakan untuk perhitungan ini:

Tahap 1 Keuntungan: K1 = 1 + 2R2R1 (1)

Tahap 2 Keuntungan: K2 = -R4R3 (2)

Kami secara sewenang-wenang memilih nilai R1, dalam hal ini adalah 1 kΩ, dan kemudian diselesaikan untuk nilai R2. Memasukkan nilai-nilai sebelumnya ke dalam persamaan untuk gain tahap 1, kita mendapatkan:

40 = 1 + 2R2*1000⇒R2 = 19,500

Penting untuk memastikan bahwa ketika memilih resistansi, mereka berada dalam kisaran kOhm karena aturan praktis bahwa semakin besar resistor, semakin banyak daya yang dapat hilang dengan aman tanpa mengalami kerusakan. Jika hambatannya terlalu kecil dan arusnya terlalu besar, akan terjadi kerusakan pada resistor dan selanjutnya rangkaian itu sendiri tidak akan bisa berfungsi. Mengikuti protokol yang sama untuk tahap 2, kami secara sewenang-wenang memilih nilai R3, 1 kΩ, dan kemudian diselesaikan untuk R4. Dengan memasukkan nilai sebelumnya ke dalam persamaan untuk gain tahap 2, kita mendapatkan: 25 = -R4*1000 R4= 25000

Tanda negatif dinegasikan karena resistansi tidak boleh negatif. Setelah Anda memiliki nilai-nilai ini, buat sirkuit berikut dalam gambar. Kemudian ujilah!

Catu Daya DC Agilent E3631A memberi daya pada penguat operasional dengan output +15 V dan -15 V menuju pin 4 dan 7. Atur generator fungsi untuk mengeluarkan Bentuk Gelombang Jantung dengan frekuensi 1 kHz, Vpp 12,7 mV, dan offset 0 V. Input ini harus ke pin 3 penguat operasional pada tahap pertama rangkaian. Keluaran penguat, yang berasal dari pin 6 penguat operasional tahap kedua, ditampilkan pada saluran 1 osiloskop dan tegangan puncak-ke-puncak diukur dan dicatat. Untuk memastikan bahwa penguat instrumentasi memiliki penguatan minimal 1000 V/V, tegangan puncak-ke-puncak harus setidaknya 12,7 V.

Langkah 3: Buat Filter Takik dan Ujilah

Filter takik diperlukan untuk menghilangkan kebisingan 60 Hz dari sinyal biologis. Selain persyaratan ini, karena filter ini tidak perlu menyertakan amplifikasi lebih lanjut, faktor kualitas disetel ke 1. Seperti halnya penguat instrumentasi, pertama-tama kita tentukan nilai untuk R1, R2, R3, dan C menggunakan desain berikut persamaan untuk filter takik: R1= 1/(2Q⍵0C)

R2= 2Q/(⍵0C)

R3= R1R/(2R1 + R2)

Q = 0/β

= c2 -⍵c1

Dimana Q = faktor kualitas

0= 2πf0= frekuensi pusat dalam rad/s

f0 = frekuensi tengah dalam Hz

= bandwidth dalam rad/s

c1, c2= frekuensi cutoff (rad/sec)

Kami secara sewenang-wenang memilih nilai C, dalam hal ini adalah 0,15 F, dan kemudian diselesaikan untuk nilai R1. Memasukkan nilai sebelumnya yang terdaftar dari faktor kualitas, frekuensi pusat, dan kapasitansi, kita mendapatkan:

R1= 1/(2(1)(2π60)(0.15x10-6))= 1105.25

Seperti disebutkan di atas ketika membahas desain penguat instrumentasi, masih penting untuk memastikan bahwa ketika memecahkan hambatan bahwa mereka berada dalam kisaran kOhm sehingga tidak ada kerusakan yang terjadi pada rangkaian. Jika ketika memecahkan hambatan, satu terlalu kecil, nilai harus diubah, seperti kapasitansi, untuk memastikan bahwa ini tidak terjadi. Demikian pula untuk memecahkan persamaan untuk R1, R2 dan R3 dapat diselesaikan:

R2= 2(1)/[(2π60)(0,15x10-6)]= 289,9 kΩ

R3= (1105,25)(289,9x103)/[(1105,25) + (289,9x103)]= 1095,84

Selain itu, pecahkan bandwidth untuk menjadikannya sebagai nilai teoretis untuk dibandingkan dengan nilai eksperimental nanti:

1 = (2π60)/β⇒β = 47,12 rad/s

Setelah Anda mengetahui nilai resistansi, bangun sirkuit di papan tempat memotong roti.

Hanya tahap rangkaian ini yang akan diuji pada titik ini, sehingga tidak boleh dihubungkan ke penguat instrumentasi. Catu daya DC Agilent E3631A digunakan untuk mendayai Op-amp dengan output +15 V dan -15 V menuju ke pin 4 dan 7. Generator fungsi diatur untuk mengeluarkan bentuk gelombang sinusoidal dengan frekuensi awal 10 Hz, a Vpp 1 V, dan offset 0 V. Input positif harus dihubungkan ke R1dan input negatif harus dihubungkan ke ground. Input juga harus terhubung ke saluran 1 osiloskop. Output dari filter takik, yang berasal dari pin 6 penguat operasional ditampilkan pada saluran 2 osiloskop. Sapuan AC diukur dan direkam dengan memvariasikan frekuensi dari 10 Hz hingga 100 Hz. Frekuensi dapat ditingkatkan dengan kenaikan 10 Hz sampai mencapai frekuensi 50. Kemudian digunakan kenaikan 2 Hz sampai 59 Hz. Setelah 59 Hz tercapai, peningkatan 0,1 Hz harus diambil. Kemudian, setelah 60 Hz tercapai, kenaikannya dapat ditingkatkan lagi. Rasio Vout/Vin dan sudut fase harus direkam. Jika rasio Vout/Vin tidak kurang dari atau sama dengan -20 dB pada 60 Hz, nilai resistansi perlu diubah untuk memastikan rasio ini. Sebuah plot respon frekuensi dan plot respon fase kemudian dibangun dari data ini. Respons frekuensi akan terlihat seperti itu pada grafik, yang membuktikan bahwa frekuensi sekitar 60Hz dihilangkan, itulah yang Anda inginkan!

Langkah 4: Bangun Filter Lulus Rendah dan Uji

Frekuensi cutoff dari low-pass filter ditentukan sebagai 150 Hz. Nilai ini dipilih karena Anda ingin mempertahankan semua frekuensi yang ada di EKG sambil menghilangkan kebisingan berlebih, khususnya yang ditemukan pada frekuensi yang lebih tinggi. Frekuensi gelombang T terletak pada rentang 0-10 Hz, gelombang P pada rentang 5-30 Hz, dan kompleks QRS pada rentang 8-50 Hz. Namun, konduksi ventrikel abnormal ditandai dengan frekuensi yang lebih tinggi, biasanya di atas 70 Hz. Oleh karena itu, 150 Hz dipilih sebagai frekuensi cutoff untuk memastikan bahwa kami dapat menangkap semua frekuensi, bahkan frekuensi yang lebih tinggi, sambil memotong noise frekuensi tinggi. Selain frekuensi cutoff 150 Hz, faktor kualitas, K, diatur ke 1 karena tidak diperlukan amplifikasi lebih lanjut. Kami pertama-tama menentukan nilai untuk R1, R2, R3, R4, C1, dan C2 menggunakan persamaan desain berikut untuk filter low-pass:

R1= 2/[⍵c[aC2+sqrt([a^2 + 4b(K -1)]C2^2 - 4bC1C2)]

R2= 1/[bC1C2R1⍵c^2]

R3= K(R1+ R2)/(K -1) saat K > 1

R4= K(R1+R2)

C2 sekitar 10/fc uF

C1 < C2[a2 + 4b(K -1)]4b

Dimana K = keuntungan

c = frekuensi cutoff (rad/sec)

fc = frekuensi cutoff (Hz)

a = koefisien filter = 1,414214

b = koefisien filter = 1

Karena penguatannya 1, R3 diganti dengan rangkaian terbuka dan R4 diganti dengan hubungan pendek yang menjadikannya sebagai pengikut tegangan. Oleh karena itu, nilai-nilai tersebut tidak perlu dipecahkan. Kami pertama kali memecahkan nilai C2. Dengan memasukkan nilai sebelumnya ke dalam persamaan itu, kita mendapatkan:

C2 = 10/150 uF = 0,047 uF

Kemudian, C1 dapat diselesaikan dengan menggunakan nilai C2.

C1 < (0.047x10^-6)[1.414214^2 + 4(1)(1 -1)]/4(1)

C1 < 0,024 uF= 0,022 uF

Setelah nilai kapasitansi diselesaikan, R1 dan R2 dapat dihitung sebagai berikut:

R1= 2(2π150)[(1.414214)(0.047x10-6)+([1.4142142 + 4(1)(1 -1)]0.047x10-6)2 - 4(1)(0.022x10-6)(0.047 x10-6))] R1= 25486,92

R2= 1(1)(0.022x10-6)(0.047x10-6)(25486.92)(2π150)2= 42718,89

Dengan resistansi yang tepat, bangunlah rangkaian yang terlihat pada diagram rangkaian.

Ini adalah tahap terakhir dari desain keseluruhan dan harus dibangun di atas papan tempat memotong roti langsung di sebelah kiri filter takik dengan output filter takik dan tegangan input untuk filter lolos rendah. Sirkuit ini harus dibangun menggunakan papan tempat memotong roti yang sama seperti sebelumnya, dengan resistansi dan kapasitansi yang dihitung dengan benar, dan satu penguat operasional. Setelah sirkuit dibangun menggunakan diagram sirkuit pada gambar 3, itu diuji. Hanya tahap ini yang akan diuji pada titik ini, sehingga tidak boleh dihubungkan ke penguat instrumentasi atau filter takik. Oleh karena itu, Catu Daya DC Agilent E3631A digunakan untuk memberi daya pada penguat operasional dengan output +15 dan -15 V menuju ke pin 4 dan 7. Generator fungsi diatur untuk mengeluarkan bentuk gelombang sinusoidal dengan frekuensi awal 10 Hz, a Vpp 1 V, dan offset 0 V. Input positif harus dihubungkan ke R1 dan input negatif harus dihubungkan ke ground. Input juga harus terhubung ke saluran 1 osiloskop. Output dari filter takik, yang berasal dari pin 6 penguat operasional ditampilkan pada saluran 2 osiloskop. Sapuan AC diukur dan direkam dengan memvariasikan frekuensi dari 10 Hz hingga 300 Hz. Frekuensi dapat ditingkatkan dengan kenaikan 10 Hz sampai mencapai frekuensi cutoff 150 Hz. Kemudian frekuensinya harus dinaikkan sebesar 5 Hz hingga mencapai 250 Hz. Peningkatan 10 Hz yang lebih tinggi dapat digunakan untuk menyelesaikan sapuan. Rasio Vout/Vin dan sudut fase dicatat. Jika frekuensi cutoff tidak 150 Hz, maka nilai resistansi perlu diubah untuk memastikan nilai ini benar-benar frekuensi cutoff. Plot respons frekuensi akan terlihat seperti gambar di mana Anda dapat melihat bahwa frekuensi cut-off sekitar 150Hz.

Langkah 5: Gabungkan Semua 3 Komponen dan Simulasikan Elektrokardiogram (EKG)

Hubungkan ketiga tahap dengan menambahkan kabel antara komponen sirkuit terakhir dari komponen sebelumnya ke awal komponen berikutnya. Rangkaian lengkapnya terlihat pada diagram.

Menggunakan generator fungsi, simulasikan sinyal EKG lain dengan Jika komponen berhasil dibuat dan terhubung, output Anda pada osiloskop akan terlihat seperti pada gambar.

Langkah 6: Siapkan Papan DAQ

Di atas papan DAQ dapat dilihat. Hubungkan ke bagian belakang komputer untuk menyalakannya dan tempatkan Input Analog Terisolasi di saluran 8 papan (ACH 0/8). Masukkan dua kabel ke dalam lubang berlabel '1' dan '2' dari Input Analog Terisolasi. Atur generator fungsi untuk mengeluarkan sinyal EKG 1Hz dengan Vpp 500mV dan offset 0V. Hubungkan output generator fungsi ke kabel yang ditempatkan di Input Analog Terisolasi.

Langkah 7: Buka LabView, Buat Proyek Baru dan Siapkan Asisten DAQ

Buka perangkat lunak LabView dan buat proyek baru dan buka VI baru di bawah menu tarik-turun file. Klik kanan pada halaman untuk membuka jendela komponen. Cari 'DAQ Assistant Input' dan seret ke layar. Ini akan secara otomatis menarik jendela pertama.

Pilih Dapatkan Sinyal > Input Analog > Tegangan. Ini akan menarik jendela kedua.

Pilih ai8 karena Anda menempatkan Input Analog Terisolasi Anda di saluran 8. Pilih Selesai untuk membuka jendela terakhir.

Ubah Mode Akuisisi ke Sampel Berkelanjutan, Sampel menjadi Baca ke 2k dan Kecepatan ke 1kHz. Kemudian Pilih Jalankan di bagian atas jendela Anda dan output seperti yang terlihat di atas akan muncul. Jika sinyal EKG terbalik, cukup alihkan koneksi dari generator fungsi ke papan DAQ. Ini menunjukkan bahwa Anda berhasil memperoleh sinyal EKG! (Yay!) Sekarang Anda perlu membuat kode untuk menganalisisnya!

Langkah 8: Kode LabView untuk Menganalisis Komponen Sinyal EKG dan Menghitung Detak Jantung

Gunakan simbol pada gambar di LabView

Anda telah menempatkan Asisten DAQ. Asisten DAQ mengambil sinyal input, yang merupakan sinyal tegangan analog, baik yang disimulasikan oleh generator fungsi atau diterima langsung dari orang yang terhubung ke elektroda yang ditempatkan dengan tepat. Kemudian mengambil sinyal ini dan menjalankannya melalui konverter A/D dengan pengambilan sampel kontinu dan parameter 2000 sampel untuk dibaca, laju pengambilan sampel 1 kHz dan dengan nilai tegangan maksimum dan minimum masing-masing 10V dan -10V. Sinyal yang diperoleh ini kemudian dikeluarkan pada grafik sehingga dapat dilihat secara visual. Ini juga mengambil bentuk gelombang yang dikonversi ini dan menambahkan 5, untuk memastikannya memperhitungkan offset negatif dan kemudian dikalikan dengan 200 untuk membuat puncak lebih jelas, lebih besar dan lebih mudah untuk dianalisis. Ini kemudian menentukan nilai maks dan min dari bentuk gelombang dalam jendela yang diberikan 2,5 detik melalui operan maks/min. Nilai maks yang dihitung perlu dikalikan dengan persentase yang dapat diubah tetapi biasanya 90% (0,9). Nilai ini kemudian ditambahkan ke nilai min dan dikirim ke operan deteksi puncak sebagai ambang batas. Akibatnya setiap titik grafik bentuk gelombang yang melebihi ambang batas ini didefinisikan sebagai puncak dan disimpan sebagai larik puncak di operator detektor puncak. Array puncak ini kemudian dikirim ke dua fungsi yang berbeda. Salah satu fungsi ini menerima array puncak dan output bentuk gelombang oleh operator nilai maks. Dalam fungsi ini, dt, kedua input ini diubah menjadi nilai waktu untuk masing-masing puncak. Fungsi kedua terdiri dari dua operator indeks yang mengambil output lokasi dari fungsi deteksi puncak dan mengindeksnya secara terpisah untuk mendapatkan lokasi puncak ke-0 dan puncak ke-1. Selisih antara kedua lokasi ini dihitung dengan operator minus dan kemudian dikalikan dengan nilai waktu yang diperoleh dari fungsi dt. Ini menampilkan periode, atau waktu antara dua puncak dalam detik. Menurut definisi, 60 dibagi dengan periode memberikan BPM. Nilai ini kemudian dijalankan melalui operan absolut untuk memastikan output selalu positif dan kemudian dibulatkan ke bilangan bulat terdekat. Ini adalah langkah terakhir dalam menghitung dan akhirnya mengeluarkan detak jantung ke layar yang sama dengan keluaran bentuk gelombang. Sebagai akhirnya, inilah diagram blok yang akan terlihat seperti gambar pertama.

Setelah menyelesaikan diagram blok, jika Anda menjalankan program, Anda akan mendapatkan output seperti gambar.

Langkah 9: Gabungkan Sirkuit dan Komponen LabView dan Hubungkan ke Orang Nyata

Sekarang untuk bagian yang menyenangkan! Menggabungkan sirkuit indah Anda dan program LabView untuk mendapatkan EKG nyata dan menghitung detak jantungnya. Untuk memodifikasi rangkaian agar sesuai dengan manusia dan menghasilkan sinyal yang layak, penguatan penguat instrumentasi harus dikurangi menjadi penguatan 100. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika terhubung ke seseorang, ada offset yang kemudian menjenuhkan penguat operasional. Dengan menurunkan keuntungan, ini akan mengurangi masalah ini. Pertama, penguatan penguat instrumentasi tahap pertama diubah menjadi penguatan 4 sehingga penguatan keseluruhan adalah 100. Kemudian, dengan menggunakan persamaan 1, R2 diatur ke 19,5 kΩ, dan R1 ditemukan sebagai berikut:

4 = 1 + 2(19, 500)R1⇒R1= 13 kΩ Kemudian, penguat instrumentasi dimodifikasi dengan mengubah resistansi R1 menjadi 13 kΩ seperti yang ditunjukkan pada langkah 2 pada papan tempat memotong roti yang dibuat sebelumnya. Seluruh rangkaian terhubung dan rangkaian dapat diuji menggunakan LabView. Catu Daya DC Agilent E3631A memberi daya pada penguat operasional dengan output +15 V dan -15 V menuju pin 4 dan 7. Elektroda EKG terhubung ke subjek dengan kabel positif (G1) menuju ke pergelangan kaki kiri, lead negatif (G2) menuju pergelangan tangan kanan, dan ground (COM) menuju pergelangan kaki kanan. Input manusia harus ke pin 3 dari penguat operasional pada tahap pertama rangkaian dengan ujung positif terhubung ke pin 3 dari penguat operasional pertama dan ujung negatif terhubung ke pin 3 dari penguat operasional kedua. Tanah terhubung ke tanah papan tempat memotong roti. Output dari amplifier, yang berasal dari pin 6 dari filter low-pass, dipasang ke papan DAQ. Pastikan untuk diam dan tenang dan Anda akan mendapatkan output di LabView yang terlihat mirip dengan yang ada di gambar.

Sinyal ini jelas jauh lebih bising daripada sinyal sempurna yang disimulasikan oleh generator fungsi. Akibatnya detak jantung Anda akan melonjak banyak tetapi harus berfluktuasi dengan kisaran 60-90 BPM. Dan di sana Anda memilikinya! Cara yang menyenangkan untuk mengukur detak jantung kita sendiri dengan membangun sirkuit dan mengkodekan beberapa perangkat lunak!