Simulasi Akuisisi Sinyal EKG Menggunakan LTSpice: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

Kemampuan jantung untuk memompa adalah fungsi dari sinyal listrik. Dokter dapat membaca sinyal-sinyal ini pada EKG untuk mendiagnosis berbagai masalah jantung. Sebelum sinyal dapat disiapkan dengan baik oleh dokter, sinyal tersebut harus disaring dan diperkuat dengan benar. Dalam panduan ini, saya akan memandu Anda melalui bagaimana merancang sirkuit untuk mengisolasi sinyal EKG dengan memecah sirkuit ini dipecah menjadi tiga komponen sederhana: penguat instrumentasi, filter band-pass, dan filter takik, dengan cut-off yang diinginkan frekuensi dan keuntungan ditentukan oleh literatur yang diterbitkan dan model saat ini.

Perlengkapan:

Ini adalah panduan yang dimaksudkan untuk simulasi LTSpice, jadi satu-satunya bahan yang Anda perlukan untuk memodelkan sirkuit adalah aplikasi LTSpice. Jika Anda ingin menguji sirkuit Anda dengan file wav EKG, saya menemukan milik saya di sini.

Langkah 1: Merancang Filter Band-pass

Sinyal EKG tipikal memiliki rentang frekuensi 0,5-250 Hz. Jika Anda penasaran dengan teori di balik ini, silakan baca untuk membaca lebih lanjut tentang ini di sini atau di sini. Untuk tujuan panduan ini, artinya kami ingin menyaring semua yang tidak ada di wilayah tersebut. Kita dapat melakukan ini dengan filter band-pass. Berdasarkan variabel yang diposting dalam skema yang diposting, filter band-pass menyaring antara rentang 1/(2*pi*R1*C1) dan 1/(2*pi*R2*C2). Mereka juga memperkuat sinyal dengan (R2/R1).

Nilai dipilih sehingga nilai pemutusan frekuensi akan sesuai dengan batas sinyal EKG yang diinginkan dan penguatannya akan sama dengan 100. Skema dengan nilai-nilai yang diganti ini dapat dilihat pada gambar terlampir.

Langkah 2: Mendesain Filter Takik

Sekarang kita telah menyaring segala sesuatu yang tidak berada dalam rentang frekuensi sinyal EKG, saatnya untuk menyaring distorsi derau dalam jangkauannya. Kebisingan saluran listrik adalah salah satu distorsi EKG yang paling umum dan memiliki frekuensi ~50 Hz. Karena ini berada dalam rentang band-pass, itu dapat dikeluarkan dengan filter takik. Filter takik bekerja dengan menghilangkan frekuensi tengah dengan nilai 1/(4*pi*R*C) berdasarkan skema terlampir.

Nilai resistor dan kapasitor dipilih untuk menyaring kebisingan 50 Hz, dan nilainya dicolokkan ke skema terlampir. Perhatikan bahwa ini bukan satu-satunya kombinasi komponen RC yang akan berfungsi; itu hanya apa yang saya pilih. Jangan ragu untuk menghitung dan memilih yang berbeda!

Langkah 3: Merancang Penguat Instrumentasi

Sinyal EKG mentah juga perlu diperkuat. Meskipun ketika kita membangun sirkuit, kita akan menempatkan amplifier terlebih dahulu, lebih mudah secara konseptual untuk dipikirkan setelah filter. Ini karena penguatan keseluruhan rangkaian sebagian ditentukan oleh amplifikasi band-pass (Lihat Langkah 1 untuk penyegaran).

Kebanyakan EKG memiliki gain minimal 100 dB. Penguatan dB rangkaian sama dengan 20*log|Vout / Vin|. Sebuah Vout/Vin dapat diselesaikan dalam hal komponen resistif dengan analisis nodal. Untuk sirkuit kami, ini mengarah ke ekspresi gain baru:

Penguatan dB = 20*log|(R2/R1)*(1+2*R/RG)|

R1 dan R2 berasal dari filter band-pass (Langkah 1), dan R dan RG adalah komponen dari penguat ini (lihat skema terlampir). Pemecahan untuk gain dB sebesar 100 menghasilkan R/RG = 500. Nilai R = 50k ohm dan RG = 100 ohm dipilih.

Langkah 4: Menguji Komponen

Semua komponen diuji secara terpisah dengan alat analisis oktaf AC Sweep LTSpice. Parameter 100 poin per oktaf, frekuensi awal 0,01 Hz, dan frekuensi akhir 100k Hz dipilih. Saya menggunakan amplitudo tegangan input 1V, tetapi Anda dapat amplitudo yang berbeda. Hal penting yang diambil dari sapuan AC adalah bentuk output yang sesuai dengan perubahan frekuensi.

Tes ini harus menghasilkan grafik yang mirip dengan yang terlampir di Langkah 1-3. Jika tidak, coba hitung ulang nilai resistor atau kapasitor Anda. Ada juga kemungkinan bahwa rangkaian Anda rel karena Anda tidak memberikan tegangan yang cukup untuk memberi daya pada op amp. Jika matematika R dan C Anda benar, coba tingkatkan jumlah tegangan yang Anda berikan ke op amp Anda.

Langkah 5: Menyatukan Semuanya

Sekarang, Anda siap untuk menyatukan semua komponen. Biasanya, amplifikasi dilakukan sebelum filtrasi, sehingga penguat instrumentasi diletakkan terlebih dahulu. Filter band-pass lebih lanjut memperkuat sinyal, sehingga ditempatkan di urutan kedua, sebelum filter takik, yang murni menyaring. Sirkuit total dijalankan melalui simulasi AC Sweep juga, yang menghasilkan hasil yang diharapkan dengan amplifikasi antara 0,5 - 250 Hz, kecuali untuk rentang takik 50 Hz.

Langkah 6: Memasukkan dan Menguji Sinyal EKG

Anda dapat mengubah sumber tegangan untuk memasok sirkuit dengan sinyal EKG alih-alih Sapu AC. Untuk melakukan ini, Anda perlu mengunduh sinyal EKG yang Anda inginkan. Saya menemukan file.wav dengan noise-enhanced di sini dan sinyal EKG clean.txt di sini. tetapi Anda mungkin dapat menemukan yang lebih baik. Input dan output mentah untuk file.wav dapat dilihat terlampir. Sulit untuk mengatakan apakah sinyal EKG yang ditingkatkan tanpa noise akan menghasilkan output yang tampak lebih baik. Bergantung pada sinyal, Anda mungkin perlu sedikit menyesuaikan batas filter. Output sinyal clean-pass juga dapat dilihat.

Untuk mengubah input, pilih sumber tegangan Anda, pilih pengaturan untuk File PWL, dan pilih file yang Anda inginkan. File yang saya gunakan adalah file.wav, jadi saya juga perlu mengubah teks direktif LTSpice dari "PWL File = " menjadi "wavefile = ". Untuk input file.txt, Anda harus menjaga teks PWL apa adanya.

Membandingkan output dengan sinyal EKG yang ideal menunjukkan bahwa masih ada ruang untuk perbaikan dengan perbaikan komponen. Namun, mengingat bentuk dan sifat noise-enhanced dari file sumber, fakta bahwa kami mampu mengekstrak gelombang-P, QRS, dan gelombang-T adalah langkah pertama yang bagus. File teks EKG yang bersih harus dapat melewati filter dengan sempurna.

Perhatikan baik-baik bagaimana Anda menginterpretasikan hasil sinyal input EKG ini. Jika Anda hanya menggunakan file.txt yang bersih, itu tidak berarti sistem Anda berfungsi untuk menyaring sinyal dengan benar -- ini hanya berarti bahwa komponen EKG yang penting tidak tersaring. Di sisi lain, tanpa mengetahui lebih banyak tentang file.wav, sulit untuk mengetahui apakah inversi gelombang dan bentuk aneh disebabkan oleh file sumber atau jika ada masalah dalam menyaring sinyal yang tidak diinginkan.