EKG Otomatis: Simulasi Amplifikasi dan Filter Menggunakan LTspice: 5 Langkah

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

Ini adalah gambar perangkat akhir yang akan Anda buat dan diskusi yang sangat mendalam tentang setiap bagian. Juga menjelaskan perhitungan untuk setiap tahap.

Gambar menunjukkan diagram blok untuk perangkat ini

Metode dan Bahan:

Tujuan dari proyek ini adalah untuk mengembangkan perangkat akuisisi sinyal untuk mengkarakterisasi sinyal biologis tertentu/mengumpulkan data yang relevan pada sinyal. Lebih khusus lagi, EKG otomatis. Diagram blok yang ditunjukkan pada Gambar 3 menyoroti skema yang diusulkan untuk perangkat. Perangkat akan menerima sinyal biologis melalui elektroda dan kemudian memperkuatnya menggunakan amplifier dengan penguatan 1000. Amplifikasi ini diperlukan karena sinyal biologis akan berkurang sekitar 5mV yang sangat kecil dan sulit untuk ditafsirkan [5]. Setelah itu, noise akan dikurangi menggunakan filter bandpass untuk mendapatkan rentang frekuensi yang diinginkan untuk sinyal, 0,5-150 Hz, dan kemudian takik akan mengikuti untuk menghilangkan noise normal di sekitarnya yang disebabkan oleh saluran listrik yang ditemukan sekitar 50-60 Hz. [11]. Terakhir, sinyal kemudian perlu diubah ke digital sehingga dapat diinterpretasikan menggunakan komputer dan ini dilakukan dengan konverter analog ke digital. Namun dalam studi ini, fokus utamanya adalah pada amplifier, filter bandpass, dan filter takik.

Amplifier, filter bandpass, dan filter takik semuanya dirancang dan disimulasikan menggunakan LTSpice. Setiap bagian pertama kali dikembangkan secara terpisah dan diuji untuk memastikan mereka tampil dengan benar dan kemudian digabungkan menjadi satu skema akhir. Penguat, yang dapat dilihat pada gambar 4, dirancang dan didasarkan pada penguat instrumentasi. Penguat instrumentasi biasanya digunakan di EKG, monitor suhu, dan bahkan detektor gempa karena dapat memperkuat sinyal tingkat yang sangat rendah sambil menolak kebisingan berlebih. Ini juga sangat mudah untuk dimodifikasi untuk menyesuaikan gain apa pun yang diperlukan [6]. Gain yang diinginkan untuk rangkaian adalah 1000 dan ini dipilih karena input dari elektroda akan menjadi sinyal AC kurang dari 5 mV [5] dan perlu diperkuat agar data lebih mudah diinterpretasikan. Untuk mendapatkan gain 1000, digunakan persamaan (1) GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3) yang menghasilkan GAIN=(1+(5000Ω+5000Ω)/101.01Ω)(1000Ω/100Ω) = 1000. Untuk memastikan jumlah amplifikasi yang benar telah dicapai, uji transien dilakukan menggunakan LTspice.

Tahap kedua adalah bandpass filter. Filter ini dapat dilihat pada Gambar 5 dan terdiri dari filter lolos rendah dan filter lolos tinggi dengan penguat operasional di antaranya untuk mencegah filter saling membatalkan. Tujuan dari tahap ini adalah untuk menghasilkan serangkaian frekuensi yang dapat diterima untuk melewati perangkat. Rentang yang diinginkan untuk perangkat ini adalah 0,5 – 150 Hz karena ini adalah rentang standar untuk EKG [6]. Untuk mencapai kisaran target ini, persamaan (2) frekuensi cutoff = 1/(2πRC) digunakan untuk menentukan frekuensi cutoff untuk filter high pass dan low pass dalam bandpass. Karena ujung bawah rentang harus 0,5 Hz, nilai resistor filter lolos tinggi dan kapasitor dihitung menjadi 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83µF) dan dengan ujung atas perlu 150 Hz, pass filter resistor dan nilai kapasitor dihitung menjadi 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). Untuk memastikan bahwa rentang frekuensi yang benar telah tercapai, sapuan AC dijalankan menggunakan LTspice.

Tahap simulasi ketiga dan terakhir adalah filter takik dan dapat dilihat pada Gambar 6. Filter takik berfungsi sebagai sarana untuk menghilangkan noise yang tidak diinginkan yang terjadi di tengah rentang frekuensi yang diinginkan yang dibuat oleh bandpass. Frekuensi target dalam hal ini adalah 60 Hz karena itu adalah frekuensi standar saluran listrik di Amerika Serikat dan menyebabkan gangguan jika tidak ditangani [7]. Filter takik yang dipilih untuk menangani gangguan ini adalah filter takik kembar dengan dua op amp dan pembagi tegangan. Ini akan memungkinkan sinyal untuk tidak hanya menyaring sinyal secara langsung pada frekuensi target tetapi juga memasukkan umpan balik variabel ke dalam sistem, faktor kualitas Q yang dapat disesuaikan, dan output variabel berkat pembagi tegangan dan oleh karena itu menjadikannya sebagai filter aktif alih-alih pasif [8]. Namun, faktor-faktor tambahan ini sebagian besar tidak tersentuh dalam tes awal tetapi akan disentuh dalam pekerjaan di masa depan dan bagaimana meningkatkan proyek nanti. Untuk menentukan pusat frekuensi penolakan, persamaan (3) frekuensi penolakan pusat=1/(2π)*√(1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* (1/[(0.1*10^-6µF)*(0.1*10^-6µF)(15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56.420 Hz digunakan. Untuk memastikan bahwa frekuensi penolakan yang benar tercapai, sapuan AC dijalankan menggunakan LTspice.

Akhirnya, setelah setiap tahap diuji secara terpisah, ketiga tahap digabungkan seperti yang terlihat pada Gambar 7. Perlu juga dicatat bahwa semua op amp disuplai dengan catu daya +15V dan -15V DC untuk memungkinkan amplifikasi yang substansial. terjadi bila diperlukan. Kemudian tes transien dan sapuan AC dilakukan pada rangkaian yang telah selesai.

Hasil:

Grafik untuk setiap tahap dapat ditemukan langsung di bawah masing-masing tahap pada bagian Gambar di lampiran. Untuk tahap pertama, penguat instrumentasi, uji transien dijalankan pada rangkaian untuk menguji untuk memastikan bahwa penguatan untuk penguat adalah 1000. Pengujian berlangsung dari 1 – 1,25 detik dengan langkah waktu maksimum 0,05. Tegangan yang diberikan adalah gelombang sinus AC dengan amplitudo 0,005 V dan frekuensi 50 Hz. Gain yang diinginkan adalah 1000 dan seperti yang terlihat pada Gambar 4, karena Vout (kurva hijau) memiliki amplitudo 5V. Gain yang disimulasikan dihitung menjadi, gain = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. Oleh karena itu, persen kesalahan untuk tahap ini adalah 0%. 0,005V dipilih sebagai input untuk bagian ini karena akan berhubungan erat dengan input yang diterima dari elektroda seperti yang disebutkan di bagian metode.

Tahap kedua, filter bandpass, memiliki kisaran target 0,5 – 150 Hz. Untuk menguji filter dan memastikan rentang cocok, satu dekade, sapuan AC dijalankan dengan 100 poin per satu dekade dari 0,01 – 1000 Hz. Gambar 5 menunjukkan hasil dari sapuan AC dan menegaskan bahwa rentang frekuensi 0,5 hingga 150 Hz tercapai karena maksimum minus 3 dB memberikan frekuensi cutoff. Metode ini diilustrasikan pada grafik.

Tahap ketiga, filter takik, dirancang untuk menghilangkan kebisingan yang ditemukan di sekitar 60 Hz. Pusat frekuensi penolakan yang dihitung adalah ~56 Hz. Untuk mengkonfirmasi hal ini, satu dekade, sapuan AC dijalankan dengan 100 poin per dekade dari 0,01 – 1000 Hz. Gambar 6 menunjukkan hasil dari sapuan AC dan menggambarkan pusat frekuensi penolakan ~56-59 Hz. Persen kesalahan untuk bagian ini akan 4,16%.

Setelah memastikan bahwa masing-masing tahap bekerja, ketiga tahap kemudian dirakit seperti yang terlihat pada Gambar 7. Kemudian uji transien dijalankan untuk memeriksa amplifikasi rangkaian dan pengujian berlangsung dari 1 – 1,25 detik dengan langkah waktu maksimum 0,05 dengan tegangan yang disuplai dari gelombang sinus AC dengan amplitudo 0,005 V dan frekuensi 50 Hz. Grafik yang dihasilkan adalah grafik pertama pada Gambar 7 menunjukkan Vout3 (merah), output dari seluruh rangkaian, menjadi 3,865 V dan oleh karena itu membuat gain = 3.865V/0.005V = 773. Ini berbeda secara signifikan dari gain yang dimaksudkan sebesar 1000 dan memberikan error sebesar 22,7%. Setelah uji transien, satu dekade, sapuan AC dijalankan dengan 100 titik per satu dekade dari 0,01 – 1000 Hz dan menghasilkan grafik kedua pada Gambar 7. Grafik ini menyoroti hasil yang diinginkan dan menunjukkan filter yang bekerja bersama-sama untuk menghasilkan filter yang menerima frekuensi 0,5-150 Hz dengan pusat penolakan dari 57,5-58,8 Hz.

Persamaan:

(1) – penguatan penguat instrumentasi [6], resistor relatif terhadap yang ditemukan pada Gambar 4.

(2) – frekuensi cutoff untuk filter lolos rendah/tinggi

(3) – untuk filter takik t kembar [8], resistor relatif terhadap yang ditemukan pada Gambar 6.

Langkah 1: Penguat Instrumentasi

Tahap 1: penguat instrumentasi

persamaan - GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3)

Langkah 2: Bandpass

tahap 2: filter bandpass

persamaan: frekuensi cutoff = 1/2πRC

Langkah 3: Tahap 3: Filter Takik

tahap 3: Filter Twin T Notch

persamaan - frekuensi penolakan pusat=1/2π (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Langkah 4: Skema Akhir Semua Tahap Bersama

Skema akhir dengan sapuan ac dan kurva transien

Langkah 5: Diskusi Perangkat

Diskusi:

Hasil dari pengujian yang dilakukan di atas berjalan seperti yang diharapkan untuk rangkaian secara keseluruhan. Meskipun amplifikasi tidak sempurna dan sinyal menurun sedikit semakin jauh melalui rangkaian (yang dapat dilihat pada Gambar 7, grafik 1 di mana sinyal meningkat dari 0,005V menjadi 5V setelah tahap pertama dan kemudian menurun menjadi 4V setelah tahap kedua dan kemudian 3,865V setelah tahap akhir), bandpass dan filter takik bekerja sebagaimana dimaksud dan menghasilkan rentang frekuensi 0,5–150 Hz dengan penghilangan frekuensi sekitar 57,5-58,8 Hz.

Setelah menetapkan parameter untuk sirkuit saya, saya kemudian membandingkannya dengan dua EKG lainnya. Perbandingan yang lebih langsung dengan angka-angka yang adil dapat ditemukan di Tabel 1. Ada tiga kesimpulan utama ketika membandingkan data saya dengan sumber literatur lain. Yang pertama adalah bahwa amplifikasi di sirkuit saya secara signifikan lebih rendah daripada dua lainnya yang saya bandingkan juga. Kedua sirkuit sumber literatur mencapai amplifikasi 1000 dan pada EKG Gawali [9], sinyal tersebut bahkan lebih diperkuat dengan faktor 147 pada tahap filter. Oleh karena itu, meskipun sinyal di sirkuit saya diperkuat oleh 773 (kesalahan 22,7% ketika dibandingkan dengan amplifikasi standar) dan dianggap cukup untuk dapat menafsirkan sinyal input dari elektroda [6], itu masih kerdil dibandingkan dengan amplifikasi standar. 1000. Jika amplifikasi standar ingin dicapai di sirkuit saya, amplifikasi di amplifier instrumentasi perlu ditingkatkan ke faktor yang lebih besar dari 1000 sehingga ketika gain diturunkan setelah melewati setiap tahap filter di sirkuit saya, itu masih memiliki keuntungan minimal 1000 atau filter perlu disesuaikan untuk mencegah tingkat penurunan tegangan yang lebih tinggi terjadi.

Takeaway utama kedua adalah bahwa ketiga sirkuit memiliki rentang frekuensi yang sangat mirip. Gawali [9] memiliki rentang yang sama persis yaitu 0,5-150 Hz sedangkan Goa [10] memiliki rentang yang sedikit lebih lebar yaitu 0,05-159 Hz. Sirkuit Goa memiliki sedikit perbedaan ini karena rentang itu lebih cocok dengan kartu akuisisi data yang digunakan dalam pengaturannya.

Takeaway utama terakhir adalah perbedaan pusat frekuensi penolakan yang dicapai oleh filter takik di setiap sirkuit. Sirkuit Gao dan saya sama-sama memiliki target 60 Hz untuk menekan kebisingan frekuensi saluran yang disebabkan oleh saluran listrik sementara Gawali diatur ke 50 Hz. Namun, perbedaan ini baik-baik saja karena tergantung pada lokasi di dunia, frekuensi saluran listrik bisa 50 atau 60 Hz. Oleh karena itu, perbandingan langsung dibuat hanya untuk sirkuit Goa karena gangguan saluran listrik di Amerika Serikat adalah 60 Hz [11]. Persentase kesalahannya adalah 3,08%.