Desain Sirkuit Akuisisi, Amplifikasi, dan Penyaringan dari Elektrokardiogram Dasar: 6 Langkah

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

Untuk menyelesaikan instruksi ini, satu-satunya hal yang diperlukan adalah komputer, akses internet, dan beberapa perangkat lunak simulasi. Untuk keperluan desain ini, semua rangkaian dan simulasi akan dijalankan pada LTspice XVII. Perangkat lunak simulasi ini berisi pustaka lebih dari 1.000 komponen yang membuat pembuatan sirkuit menjadi sangat mudah. Karena sirkuit ini akan digeneralisasi, "UniversalOpAmp2" akan digunakan untuk setiap instance di mana op-amp diperlukan. Selain itu, setiap op-amp ditenagai oleh catu daya +15V dan -15V. Catu daya ini tidak hanya memberi daya pada op-amp tetapi juga memotong tegangan output jika ingin mencapai salah satu dari dua ekstrem tersebut.

Langkah 1: Desain Penguat Instrumentasi

Setelah sinyal diperoleh, perlu diperkuat untuk melakukan perhitungan dan penyaringan di atasnya. Untuk elektrokardiogram, metode amplifikasi yang paling umum adalah penguat instrumentasi. Seperti disebutkan di atas, penguat instrumentasi memiliki banyak keuntungan dalam hal rangkaian amplifikasi, yang terbesar adalah impedansi tinggi antara tegangan input. Untuk membangun rangkaian ini, 3 op-amp digunakan bersama dengan tujuh resistor, dengan enam resistor setara besarnya. Penguatan sebagian besar elektrokardiogram adalah sekitar 1000x sinyal input [1]. Persamaan penguatan penguat instrumentasi adalah sebagai berikut: Penguatan = 1 + (2*R1/R2) * (R7/R6). Untuk penyederhanaan, setiap resistor diasumsikan 1000 ohm, kecuali untuk R2, yang ditentukan 2 ohm. Nilai-nilai ini memberikan keuntungan 1001 kali lebih besar dari tegangan input. Keuntungan ini cukup untuk memperkuat sinyal yang diperoleh untuk analisis lebih lanjut. Namun, dengan menggunakan persamaan, gain dapat berupa apa pun yang diinginkan untuk desain sirkuit mereka.

Langkah 2: Desain Filter Pass Band

Filter bandpass adalah filter lolos tinggi dan filter lolos rendah yang bekerja dalam koordinasi biasanya dengan op-amp untuk menyediakan apa yang dikenal sebagai pita sandi. Passband adalah rentang frekuensi yang dapat dilewati sementara yang lainnya, di atas dan di bawah, ditolak. Standar industri menyatakan bahwa elektrokardiogram standar harus memiliki passband dari 0,5 Hz hingga 150 Hz [2]. Passband besar ini memastikan bahwa semua sinyal listrik dari jantung direkam dan tidak ada yang disaring. Demikian juga, passband ini menolak offset DC apa pun yang dapat mengganggu sinyal. Untuk merancang ini, resistor dan kapasitor tertentu harus dipilih sehingga frekuensi cutoff pass tinggi berada pada 0,5 Hz dan frekuensi cutoff pass rendah berada pada 150 Hz. Persamaan frekuensi cutoff untuk high pass dan low pass filter adalah sebagai berikut: Fc = 1/(2*pi*RC). Untuk perhitungan saya, resistor sewenang-wenang dipilih, kemudian menggunakan Persamaan 4, nilai kapasitor dihitung. Oleh karena itu, filter lolos tinggi akan memiliki nilai resistor 100.000 ohm dan nilai kapasitor 3,1831 mikrofarad. Demikian juga, filter lolos rendah akan memiliki nilai resistor 100.000 ohm dan nilai kapasitor 10,61 nano-farad. Diagram filter bandpass dengan nilai yang disesuaikan ditampilkan.

Langkah 3: Desain Filter Takik

Filter takik pada dasarnya adalah kebalikan dari filter bandpass. Alih-alih memiliki lintasan tinggi yang diikuti oleh lintasan rendah, ini adalah lintasan rendah yang diikuti oleh lintasan tinggi, oleh karena itu pada dasarnya seseorang dapat menghilangkan satu pita kecil kebisingan. Untuk filter takik pada elektrokardiogram, desain filter takik Twin-T digunakan. Desain ini memungkinkan frekuensi tengah untuk disaring dan memberikan faktor kualitas yang besar. Dalam hal ini, frekuensi tengah yang harus dihilangkan adalah pada 60 Hz. Menggunakan Persamaan 4, nilai resistor dihitung menggunakan nilai kapasitor yang diberikan sebesar 0,1 mikrofarad. Nilai resistor yang dihitung untuk stop band 60 Hz adalah 26,525 ohm. Kemudian R5 dihitung menjadi dari R3 dan R4. C3 juga dihitung sebagai dua kali lipat nilai yang dipilih untuk C1 dan C2 [3]. Resistor sewenang-wenang dipilih untuk R1 dan R2.

Langkah 4: Sirkuit Kombinasi

Menggunakan jaring, komponen-komponen ini ditempatkan secara seri bersama-sama dan gambar rangkaian yang telah selesai digambarkan. Menurut sebuah makalah yang diterbitkan oleh Springer Science, penguatan yang dapat diterima dari rangkaian EKG harus sekitar 70 dB ketika seluruh rangkaian diatur [4].

Langkah 5: Menguji Seluruh Sirkuit

Ketika semua komponen ditempatkan secara seri, validasi desain diperlukan. Pengujian sirkuit ini, baik transien dan sapuan AC dilakukan untuk menentukan apakah semua komponen bekerja secara serempak. Jika ini masalahnya, tegangan keluaran transien akan tetap sekitar 1000x tegangan masukan. Demikian juga, ketika sapuan AC dilakukan, plot sinyal band-pass filter akan diharapkan dengan takik pada 60 Hz. Melihat gambar-gambar yang digambarkan, sirkuit ini berhasil mencapai kedua tujuan tersebut. Pengujian lainnya adalah untuk melihat efisiensi dari notch filter. Untuk menguji ini, sinyal 60 Hz dilewatkan melalui rangkaian. Seperti yang digambarkan, besarnya output ini hanya sekitar 5x lebih besar dari input, dibandingkan dengan 1000x ketika frekuensi berada di dalam passband.

Langkah 6: Sumber daya:

[1] “Sistem Pengukuran EKG,” Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (diakses 01 Desember, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko dan M. E. Josephson, “Konten Frekuensi dan Karakteristik Konduksi Ventrikel,” Jurnal elektrokardiologi, vol. 48, tidak. 6, hlm. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] “Filter Penghenti Band disebut Filter Tolak,” Tutorial Elektronika Dasar, 22 Mei 2018.

[4] N. Guler dan U. Fidan, "Transmisi Nirkabel dari sinyal EKG," Springer Science, vol. 30 April 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.