Simulator Sirkuit EKG Otomatis: 4 Langkah

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

Elektrokardiogram (EKG) adalah teknik ampuh yang digunakan untuk mengukur aktivitas listrik jantung pasien. Bentuk unik dari potensial listrik ini berbeda tergantung pada lokasi elektroda perekam dan telah digunakan untuk mendeteksi banyak kondisi. Dengan deteksi dini berbagai kondisi jantung, dokter dapat memberikan banyak rekomendasi kepada pasien untuk mengatasi situasi mereka. Mesin ini terdiri dari tiga komponen utama: penguat instrumentasi diikuti oleh filter takik dan filter band pass. Tujuan dari bagian ini adalah untuk memperkuat sinyal yang masuk, menghilangkan sinyal yang tidak diinginkan, dan melewatkan semua sinyal biologis yang relevan. Analisis sistem yang dihasilkan membuktikan bahwa elektrokardiogram, seperti yang diharapkan, melakukan tugas yang diinginkan untuk menghasilkan sinyal EKG yang dapat digunakan, menunjukkan kegunaannya untuk mendeteksi kondisi jantung.

Perlengkapan:

• Perangkat Lunak LTSpice
• File sinyal EKG

Langkah 1: Penguat Instrumentasi

Penguat instrumentasi, kadang-kadang disingkat INA, digunakan untuk memperkuat sinyal biologis tingkat rendah yang diamati dari pasien. Sebuah INA khas terdiri dari tiga penguat operasional (Op Amps). Dua Op Amp harus dalam konfigurasi non-pembalik dan Op Amp terakhir dalam konfigurasi diferensial. Tujuh resistor digunakan bersama Op Amp untuk memungkinkan kita memvariasikan gain dengan mengubah ukuran nilai resistor. Dari resistor, ada tiga pasang dan satu ukuran individu.

Untuk proyek ini, saya akan menggunakan penguatan 1000 untuk memperkuat sinyal. Saya kemudian akan memilih nilai R2, R3, dan R4 sewenang-wenang (paling mudah jika R3 dan R4 ukurannya setara karena mereka akan membatalkan ke 1, membuka jalan untuk perhitungan yang lebih mudah). Dari sini, saya dapat memecahkan agar R1 memiliki semua ukuran komponen yang diperlukan.

Perolehan = (1 + 2R2/R1) * (R4/R3)

Menggunakan persamaan gain di atas dan nilai R2 = 50kΩ dan R3 = R4 = 10kΩ, kita mendapatkan R1 = 100Ω.

Untuk memeriksa bahwa gain sebenarnya 1000, kita dapat menjalankan rangkaian dengan fungsi sapuan.ac dan mengamati di mana dataran tinggi terjadi. Dalam hal ini adalah 60 dB. Dengan menggunakan persamaan di bawah ini, kita dapat mengubah dB menjadi Vout/Vin tanpa dimensi, yang akhirnya menjadi 1000, seperti yang diharapkan.

Keuntungan, dB = 20*log(Vout/Vin)

Langkah 2: Filter Takik

Komponen selanjutnya yang akan dirancang adalah notch filter. Nilai komponen untuk filter ini sangat tergantung pada frekuensi apa yang ingin Anda singkirkan. Untuk desain ini, kami ingin memotong frekuensi 60 Hz (fc) yang dilepaskan oleh instrumentasi medis.

Filter takik kembar yang digunakan dalam desain ini untuk memastikan hanya yang diinginkan yang akan dipotong dan bahwa kami tidak akan secara tidak sengaja melemahkan frekuensi biologis yang diinginkan di dekat tanda 60 Hz. Nilai komponen ditemukan dengan memilih nilai resistor sewenang-wenang, di mana saya memilih untuk menggunakan 2kΩ untuk filter lolos rendah (T atas) dan 1kΩ untuk filter lolos tinggi (T bawah). Menggunakan persamaan di bawah ini, saya memecahkan nilai kapasitor yang diperlukan.

fc = 1 / (4*pi*R*C)

Plot Bode ditemukan sekali lagi menggunakan fungsi sapuan.ac yang ditawarkan LTSpice.

Langkah 3: Filter Pass Band

Komponen terakhir pada sistem EKG otomatis diperlukan untuk melewatkan frekuensi biologis karena itulah yang kami minati. Sinyal EKG tipikal terjadi antara 0,5 Hz dan 150 Hz (fc), oleh karena itu dua filter dapat digunakan; baik band pass filter atau low pass filter. Dalam desain ini, filter band pass digunakan karena sedikit lebih presisi daripada low pass, meskipun filter itu masih berfungsi karena frekuensi biologis umumnya tidak memiliki frekuensi tinggi.

Sebuah band pass filter terdiri dari dua bagian: high pass filter dan low pass filter. Filter high pass muncul sebelum Op Amp dan low pass setelahnya. Ingatlah bahwa ada berbagai desain band pass filter yang dapat digunakan.

fc = 1 / (2*pi*R*C)

Sekali lagi, nilai arbitrer banyak dipilih untuk mencari nilai yang dibutuhkan bagian lain. Pada filter terakhir, saya memilih nilai resistor arbitrer dan diselesaikan untuk nilai kapasitor. Untuk menunjukkan bahwa tidak masalah yang mana yang Anda mulai, saya sekarang akan memilih nilai kapasitor sewenang-wenang untuk menyelesaikan nilai resistor. Dalam hal ini, saya memilih nilai kapasitor 1uF. Menggunakan persamaan di atas, saya menggunakan satu frekuensi cutoff pada satu waktu untuk memecahkan resistor masing-masing. Untuk kesederhanaan, saya akan menggunakan nilai kapasitor yang sama untuk bagian high pass dan low pass ke band pass filter. 0,5 Hz akan digunakan untuk mencari resistor high pass dan frekuensi cutoff 150 Hz digunakan untuk mencari resistor low pass.

Plot Bode sekali lagi dapat digunakan untuk melihat apakah desain sirkuit bekerja dengan benar.

Langkah 4: Sistem Penuh

Setelah setiap komponen diverifikasi untuk bekerja sendiri, bagian-bagian tersebut dapat digabungkan menjadi satu sistem. Dengan menggunakan data EKG yang diimpor dan fungsi PWL di generator sumber tegangan, Anda dapat menjalankan simulasi untuk memastikan bahwa sistem memperkuat dan melewatkan frekuensi biologis yang diinginkan dengan benar.

Tangkapan layar plot atas adalah contoh tampilan data keluaran menggunakan fungsi.tran dan tangkapan layar plot bawah adalah plot pertanda masing-masing menggunakan fungsi.ac.

Data EKG masukan yang berbeda dapat diunduh (dua file masukan EKG yang berbeda telah ditambahkan ke halaman ini) dan dibawa ke fungsi untuk menguji sistem pada model pasien yang berbeda.