Pemodelan Sinyal EKG di LTspice: 7 Langkah

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

EKG adalah metode yang sangat umum untuk mengukur sinyal listrik yang terjadi di jantung. Ide umum dari prosedur ini adalah untuk menemukan masalah jantung, seperti aritmia, penyakit arteri koroner, atau serangan jantung. Mungkin diperlukan jika pasien mengalami gejala seperti nyeri dada, kesulitan bernapas, atau detak jantung tidak merata yang disebut palpitasi, tetapi juga dapat digunakan untuk memastikan bahwa alat pacu jantung dan perangkat implan lainnya berfungsi dengan baik. Data dari Organisasi Kesehatan Dunia menunjukkan bahwa penyakit yang berhubungan dengan kardiovaskular adalah penyebab kematian terbesar secara global; penyakit ini membunuh sekitar 18 juta orang setiap tahun. Oleh karena itu, perangkat yang dapat memantau atau menemukan penyakit ini sangat penting, itulah sebabnya EKG dikembangkan. EKG adalah tes medis yang benar-benar non-invasif yang tidak menimbulkan risiko bagi pasien, kecuali beberapa ketidaknyamanan kecil saat elektroda dilepas.

Perangkat lengkap yang diuraikan dalam instruksi ini akan terdiri dari beberapa komponen untuk memanipulasi sinyal EKG yang bising sehingga hasil yang optimal dapat diperoleh. Rekaman EKG biasanya terjadi pada tegangan rendah, sehingga sinyal ini harus diperkuat sebelum analisis dapat dilakukan, dalam hal ini dengan penguat instrumentasi. Selain itu, noise sangat menonjol dalam rekaman EKG, sehingga harus dilakukan penyaringan untuk membersihkan sinyal-sinyal ini. Gangguan ini dapat datang dari berbagai tempat, sehingga pendekatan yang berbeda perlu diambil untuk menghilangkan kebisingan tertentu. Sinyal fisiologis hanya muncul pada rentang tertentu, jadi filter bandpass digunakan untuk menghilangkan frekuensi di luar rentang ini. Kebisingan umum dalam sinyal EKG disebut gangguan saluran listrik, yang terjadi pada sekitar 60 Hz dan dihilangkan dengan filter takik. Ketiga komponen ini bekerja secara bersamaan untuk membersihkan sinyal EKG dan memungkinkan interpretasi dan diagnosis yang lebih mudah dan akan dimodelkan dalam LTspice untuk menguji kemanjurannya.

Langkah 1: Membangun Penguat Instrumentasi (INA)

Komponen pertama dari perangkat lengkap adalah penguat instrumentasi (INA), yang dapat mengukur sinyal kecil yang ditemukan di lingkungan yang bising. Dalam hal ini, INA dibuat dengan gain tinggi (sekitar 1.000) untuk memungkinkan hasil yang optimal. Skema INA dengan nilai resistor masing-masing ditampilkan. Penguatan INA ini dapat dihitung secara teoritis untuk memastikan bahwa penyetelan itu valid dan nilai resistornya sesuai. Persamaan (1) menunjukkan persamaan yang digunakan untuk menghitung bahwa gain teoritis adalah 1.000, dimana R1 = R3, R4 = R5, dan R6 = R7.

Persamaan (1): Perolehan = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Langkah 2: Membangun Filter Bandpass

Sumber utama kebisingan termasuk sinyal listrik yang merambat melalui tubuh, sehingga standar industri adalah menyertakan filter bandpass dengan frekuensi cutoff 0,5 Hz dan 150 Hz untuk menghilangkan distorsi dari EKG. Filter ini menggunakan high pass filter dan low pass filter secara seri untuk menghilangkan sinyal di luar rentang frekuensi ini. Skema filter ini dengan nilai resistor dan kapasitor masing-masing ditampilkan. Nilai yang tepat dari resistor dan kapasitor ditemukan menggunakan rumus yang ditunjukkan pada Persamaan (2). Rumus ini digunakan dua kali, satu untuk frekuensi cutoff pass tinggi 0,5 Hz dan satu untuk frekuensi cutoff pass rendah 150 Hz. Dalam setiap kasus, nilai kapasitor diatur ke 1 F, dan nilai resistor dihitung.

Persamaan 2: R = 1 / (2 * pi * Frekuensi Cutoff * C)

Langkah 3: Membangun Filter Takik

Sumber kebisingan umum lainnya yang terkait dengan EKG disebabkan oleh saluran listrik dan peralatan elektronik lainnya tetapi dihilangkan dengan filter takik. Teknik penyaringan ini menggunakan high pass filter dan low pass filter secara paralel untuk menghilangkan noise khususnya pada 60 Hz. Skema filter takik dengan nilai resistor dan kapasitor masing-masing ditampilkan. Nilai resistor dan kapasitor yang tepat ditentukan sedemikian rupa sehingga R1 = R2 = 2R3 dan C1 = 2C2 =2C3. Kemudian, untuk memastikan frekuensi cutoff 60 Hz, R1 diatur ke 1 kΩ, dan Persamaan (3) digunakan untuk mencari nilai C1.

Persamaan 3: C = 1 / (4 * pi * Frekuensi Cutoff * R)

Langkah 4: Membangun Sistem Lengkap

Terakhir, ketiga komponen yang digabungkan diuji untuk memastikan bahwa seluruh perangkat berfungsi dengan baik. Nilai komponen spesifik tidak berubah ketika sistem penuh diimplementasikan, dan parameter simulasi termasuk pada Gambar 4. Setiap bagian dihubungkan secara seri satu sama lain dengan urutan sebagai berikut: INA, filter bandpass, dan filter takik. Sementara filter dapat dipertukarkan, INA harus tetap sebagai komponen pertama, sehingga amplifikasi dapat terjadi sebelum penyaringan dilakukan.

Langkah 5: Menguji Setiap Komponen

Untuk menguji validitas sistem ini, setiap komponen terlebih dahulu diuji secara terpisah, kemudian seluruh sistem diuji. Untuk setiap pengujian, sinyal input diatur berada dalam kisaran khas sinyal fisiologis (5 mV dan 1 kHz), sehingga sistem dapat seakurat mungkin. Sapuan AC dan analisis transien diselesaikan untuk INA, sehingga penguatan dapat ditentukan dengan menggunakan dua metode (Persamaan (4) dan (5)). Filter keduanya diuji menggunakan sapuan AC untuk memastikan bahwa frekuensi cutoff terjadi pada nilai yang diinginkan.

Persamaan 4: Gain = 10^ (dB / 20)Persamaan 5: Gain = Tegangan Output / Tegangan Input

Gambar pertama yang ditampilkan adalah sapuan AC dari INA, yang kedua dan ketiga adalah analisis transien INA untuk tegangan input dan output. Yang keempat adalah sapuan AC dari filter bandpass, dan yang kelima adalah sapuan AC dari filter takik.

Langkah 6: Menguji Sistem Lengkap

Akhirnya, seluruh sistem diuji dengan sapuan AC dan analisis transien; namun, input ke sistem ini adalah sinyal EKG yang sebenarnya. Gambar pertama di atas menunjukkan hasil sapuan AC, sedangkan gambar kedua menunjukkan hasil analisis transien. Setiap baris sesuai dengan pengukuran yang dilakukan setelah setiap komponen: hijau - INA, filter bandpass biru, dan filter takik merah. Gambar akhir memperbesar satu gelombang EKG tertentu untuk analisis yang lebih mudah.

Langkah 7: Pikiran Terakhir

Secara keseluruhan, sistem ini dirancang untuk menerima sinyal EKG, memperkuatnya, dan menghilangkan noise yang tidak diinginkan sehingga dapat dengan mudah ditafsirkan. Untuk sistem lengkap, penguat instrumentasi, filter bandpass, dan filter takik dirancang dengan spesifikasi desain khusus untuk mencapai tujuan. Setelah merancang komponen-komponen ini di LTspice, kombinasi sapuan AC dan analisis transien dilakukan untuk menguji validitas setiap komponen dan keseluruhan sistem. Pengujian ini menunjukkan bahwa keseluruhan desain sistem valid dan setiap komponen berfungsi seperti yang diharapkan.

Di masa depan, sistem ini dapat diubah menjadi sirkuit fisik untuk menguji data EKG saat hidup. Tes ini akan menjadi langkah terakhir dalam menentukan apakah desain itu valid. Setelah selesai, sistem dapat diadaptasi untuk digunakan di berbagai pengaturan perawatan kesehatan dan digunakan untuk membantu dokter mendiagnosis dan mengobati penyakit jantung.