Sirkuit EKG Simulasi: 7 Langkah

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

Elektrokardiogram adalah tes umum yang digunakan dalam pemeriksaan standar dan diagnosis penyakit serius. Perangkat ini, yang dikenal sebagai EKG, mengukur sinyal listrik di dalam tubuh yang bertanggung jawab untuk mengatur detak jantung. Tes dilakukan dengan menerapkan elektroda ke kulit subjek dan mengamati output, yang berbentuk gelombang EKG yang ditunjukkan. Bentuk gelombang ini mengandung gelombang P, kompleks QRS, dan gelombang T yang masing-masing mewakili respon fisiologis. Panduan ini akan membahas langkah-langkah simulasi EKG dalam perangkat lunak simulasi sirkuit.

Perlengkapan:

LTSpice atau simulator sirkuit serupa

Langkah 1: Bangun Penguat Instrumentasi

Tujuan dari penguat instrumentasi adalah untuk memperkuat sinyal yang sangat kecil yang sering dikelilingi oleh tingkat kebisingan yang tinggi. Tegangan sinyal input ke EMG biasanya antara 1 mV sampai 5 mV dan tujuan dari tahap ini adalah untuk memperkuat sinyal itu dengan penguatan sekitar 1000. Ditunjukkan dalam skema, penguatan dapat dikontrol dengan persamaan berikut di mana R1 = R2, R4 = R5, dan R6 = R7:

Perolehan = K1*K2, di mana K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Oleh karena itu, gain ditetapkan sama dengan 1000, jadi K1 dan K2 kira-kira 31,6. Beberapa resistor dapat dipilih secara sewenang-wenang dan lainnya dihitung, selama persamaan gain dipenuhi sama dengan 1000. Dalam rangkaian fisik, elektroda akan masuk ke penguat operasional, tetapi untuk tujuan simulasi satu di-ground dan yang lainnya digunakan untuk menandakan perbedaan potensial. Node Vin akan digunakan untuk kemudian mensimulasikan gelombang input. Node Vout mengarah ke tahap EKG berikutnya. Penguat operasional LTC1151 dipilih karena terletak di perpustakaan LTSpice, memiliki CMRR tinggi, dan telah digunakan dalam instrumentasi medis. Penguat operasional dasar dengan tegangan suplai +15V dan -15V akan bekerja dalam sistem ini.

Langkah 2: Buat Filter Takik

Tahap selanjutnya pada EKG adalah notch filter untuk menyaring gangguan saluran listrik yang terjadi pada frekuensi 60 Hz. Filter takik bekerja dengan menghilangkan sejumlah kecil sinyal yang terjadi sangat dekat dengan frekuensi tunggal. Oleh karena itu, dengan menggunakan frekuensi cutoff 60 Hz dan persamaan frekuensi cutoff, resistor dan kapasitor yang sesuai dapat dipilih. Menggunakan skema di atas dan mencatat bahwa C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10, dan R8 = R9 = 2*R10, nilai kapasitor dapat dipilih secara sewenang-wenang (Contoh menunjukkan kapasitor 1uF dipilih). Menggunakan persamaan berikut, nilai resistor yang sesuai dapat dihitung dan digunakan dalam tahap ini:

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

Node Vin adalah output dari penguat instrumentasi dan node Vout mengarah ke tahap berikutnya.

Langkah 3: Buat Filter Bandpass

Tahap terakhir dari sistem terdiri dari filter bandpass aktif untuk menghilangkan noise di atas dan di bawah rentang frekuensi tertentu. Baseline wander, disebabkan oleh baseline sinyal yang berubah-ubah terhadap waktu, terjadi di bawah 0,6 Hz dan noise EMG, yang disebabkan oleh adanya noise otot, terjadi pada frekuensi di atas 100 Hz. Oleh karena itu, angka-angka ini ditetapkan sebagai frekuensi cutoff. Filter bandpass terdiri dari filter lolos rendah diikuti oleh filter lolos tinggi. Namun, kedua filter memiliki frekuensi cutoff yang sama:

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

Menggunakan 1uF sebagai nilai kapasitor arbitrer, dan 0,6 dan 100 sebagai frekuensi cutoff, nilai resistor dihitung untuk bagian filter yang sesuai. Node Vin berasal dari output filter takik dan node Vout adalah tempat output simulasi dari sistem penuh akan diukur. Dalam sistem fisik, output ini akan terhubung ke osiloskop atau perangkat tampilan serupa untuk melihat gelombang EKG secara real time.

Langkah 4: Uji Penguat Instrumentasi

Selanjutnya, penguat instrumentasi akan diuji untuk memastikan bahwa ia memberikan penguatan sebesar 1000. Untuk melakukan ini, masukkan gelombang sinusoidal pada frekuensi dan amplitudo yang berubah-ubah. Contoh ini menggunakan amplitudo puncak ke puncak 2mV untuk mewakili gelombang EMG dan frekuensi 1000 Hz. Simulasikan penguat instrumentasi dalam perangkat lunak simulasi rangkaian dan plot bentuk gelombang input dan output. Menggunakan fungsi kursor, catat besaran input dan output, dan hitung penguatan dengan Gain = Vout/Vin. Jika gain ini kira-kira 1000, tahap ini bekerja dengan baik. Analisis statistik tambahan dapat dilakukan pada tahap ini dengan mempertimbangkan toleransi resistor dan memodifikasi nilai resistor sebesar +5% dan -5% untuk melihat bagaimana pengaruhnya terhadap gelombang keluaran dan penguatan selanjutnya.

Langkah 5: Uji Filter Takik

Uji filter takik dengan melakukan sapuan AC dari rentang yang berisi 60 Hz. Dalam contoh ini, sapuan dijalankan dari 1 Hz hingga 200 Hz. Plot yang dihasilkan, ketika diukur pada simpul Vout, akan menampilkan grafik amplifikasi dalam dB vs. frekuensi dalam Hz. Grafik harus dimulai dan diakhiri pada amplifikasi 0 dB pada frekuensi jauh dari 60 Hz di kedua arah dan penurunan besar dalam amplifikasi akan muncul pada atau sangat dekat dengan 60 Hz. Ini menunjukkan bahwa sinyal yang muncul pada frekuensi ini dihilangkan dengan benar dari sinyal yang diinginkan. Analisis statistik tambahan dapat dilakukan pada tahap ini dengan mempertimbangkan toleransi resistor dan memodifikasi nilai resistor dan kapasitor sebesar +5% dan -5% untuk melihat bagaimana pengaruhnya terhadap frekuensi cutoff eksperimental (frekuensi yang mengalami redaman paling banyak secara grafis).

Langkah 6: Uji Filter Bandpass

Terakhir, uji filter bandpass dengan melakukan analisis sapuan AC lainnya. Kali ini, sapuan harus dari frekuensi kurang dari 0,6 dan lebih besar dari 100 untuk memastikan bandpass dapat dilihat secara grafis. Sekali lagi, jalankan analisis dengan mengukur pada simpul Vout yang ditunjukkan dalam skema. Outputnya akan terlihat seperti gambar di atas di mana amplifikasi negatif semakin jauh dari kisaran 0,6-100Hz. Titik di mana amplifikasi adalah -3dB harus 0,6 dan 100 Hz, atau nilai yang sangat dekat dengan titik pertama dan kedua. Poin -3dB menandakan ketika sinyal dilemahkan ke titik di mana output pada frekuensi ini akan menjadi setengah dari daya asli. Oleh karena itu, titik -3dB digunakan untuk menganalisis redaman sinyal untuk filter. Jika titik -3dB pada grafik yang dihasilkan cocok dengan rentang bandpass, panggung berfungsi dengan baik.

Analisis statistik tambahan dapat dilakukan pada tahap ini dengan mempertimbangkan toleransi resistor dan memodifikasi nilai resistor dan kapasitor sebesar +5% dan -5% untuk melihat bagaimana pengaruhnya terhadap kedua frekuensi cutoff eksperimental.

Langkah 7: Satukan Sistem EKG Penuh

Terakhir, ketika ketiga tahap dipastikan berfungsi dengan baik, tempatkan ketiga tahap EKG bersama-sama dan hasil akhirnya selesai. Gelombang EKG yang disimulasikan dapat dimasukkan ke dalam tahap penguat instrumentasi dan gelombang yang dikeluarkan harus berupa gelombang EKG yang diperkuat.