Instrumentasi Akuisisi data ECG

Instrumentasi Akuisisi data ECG
Sinyal tubuh umumnya memiliki amplitudo yang sangat kecil dalam jangkauan mV. Sehingga dalam sistem instrumentasi biomedik modern, peran rangkaian penguat sangat penting. Penguat untuk sinyal biomedik sering disebut sebagai biopotensial amplifier. Dalam hal ini penguat digunakan untuk menguatkan sinyal dengan tetap memelihara bentuk dan karakteristik dari sinyal asli. Penguat awal biopotensial jantung menggunakan serangkaian penguat operasional yang umum disebut sebagai penguat instrumetasi. Sifat rangkaian ini memenuhi
syarat-syarat yang dibutuhkan rangkaian penguat biopotensial jantung yaitu:

1. Memiliki impedansi input yang tinggi, agar sinyal input tidak terpengaruh oleh impedansi rangkaian sebelumnya (untuk differensial > 2.5 Mohm, common mode > 100 Mohm). 
2. CMMR (common mode rejection ratio) tinggi, interferensi dapat pula timbul secara terus-menerus pada kedua input 16 (misal interferensi dari jala-jala listrik 50 Hz), ini disebut juga sinyal common-mode. Penguat yang memiliki CMMR yang tinggi berarti memiliki kemampuan yang lebih baik untuk menapis noise.
3. Penguatannya dapat diatur dengan mudah.
4. Low noise, amplitudo sinyal input dari tubuh yang sangat rawan terhadap noise, bahkan mungkin dapat hilang karena noise. Maka perlu karakteristik penguat yang low noise.
5. Nilai komponen dengan toleransi rendah (1%). Rangkaian penguat instrumentasi ini dibentuk dari dua penguat
non-inverting dan satu penguat diferensial (differential amplifier) seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.11.

Gambar 2.11 Penguat Instrumentasi

Besar penguatan rangkaian dapat diturunkan dengan menggunkan hukum tegangan Kirchhoff (KVL) adalah sebagai berikut :







Rangkaian penguat instrumentasi merupakan penguat awal, sehingga penguatan yang dihasilkan oleh rangkaian ini tidak boleh terlalu besar. Ini untuk menghindari arus offset yang menyebabkan polarisasi pada elektroda, sehingga menghasilkan overpotensial polarisasi dan menimbulkan tegangan offset dc (direct current) yang
besar pada op-amp input. 

Filter Analog
Sinyal ECG memiliki amplitudo yang sangat kecil sehingga
rawan terhadap interferensi dari sinyal lain seperti sinyal otot,
pergerakan tranduser dan interferensi dari tegangan jala
meredam sinyal-sinyal interferensi tersebut maka digunakan rangkaian
filter untuk mendapatkan sinyal ECG yang baik. Filter adalah rangkaian
yang digunakan untuk melewatkan sinyal-sinyal dengan frekuensi yang
diinginkan dan meredam sinyal-sinyal di luar batas frekuens
diinginkan.
Penyaringan pada frekuensi tinggi dapat meredam interferensi
dari gelombang elektromagnet, jala-jala listrik dan sinyal otot.
Sedangkan penyaringan pada frekuensi rendah digunakan untuk
meredam interferensi dari pergerakan elektroda. Penyaringan dilakukan
pada range frekuensi tertentu sehingga dibutuhkan sebuah
filter (BPF) dan sebuah Low pass filter (LPF) orde dua untuk meredam
frekuensi tinggi lebih baik.
Filter Band Pass (BPF) 
Filter ini merupakan gabungan dari filter low pass
pass. Rangkaian filter low pass terletak pada rangkaian pembatas level
tegangan. Besarnya frekuensi cut-off dari filter low pass
oleh komponen R1 dan C1. Sedangkan filter high pass terletak pada
awal rangkaian dan komponen yang mempengaruhi frekuensi
pada rangkaian tersebut adalah R4 dan C2. Rangkaian tersebut juga
memiliki Gain yang dipengaruhi oleh R1 dan R2 .














Gambar 2.12 Filter Band Pass


Filter tersebut memiliki frekuensi cut-off bawah (fcl) dan
frekuensi cut-off atas (fch) yang masing-masing ditentukan oleh rumus
sebagai berikut :










Sedangkan penguatan pada rangkaian filter band pass ini
ditentukan oleh rumus sebagai berikut :






Filter Low Pass (LPF) Orde 2
Karena sinyal hasil penyaringan dari filter band pass tidak begitu
meredam komponen pada frekuensi tinggi, maka digunakan pula filter
low pass (LPF) orde dua.












Gambar 2.13 Filter Low Pass Orde 2

Dengan menggunakan nilai R1= R2 = 0.5 R3 dan C2 = 2C1 maka
didapatkan nilai frekuensi cut-off dari rangkaian tersebut dengan rumus
sebagai berikut :







Rangkaian Adder
Sinyal ECG merupakan sinyal AC, oleh karena itu agar tegangan
sinyal ECG dapat tersampling secara utuh oleh ADC internal
mikrokontroller maka dibutuhkan suatu rangkaian adder. Rangkaian ini
berfungsi untuk menaikkan level tegangan pada sinyal ECG se
bagian negatif dari sinyal ECG naik menjadi positif seluruhnya.










Gambar 2.14 Rangkaian Adder
Dengan menggunakan nilai resistor R3 = R4 maka output dari
rangkaian adder ini ditentukan oleh persamaan berikut:






Nilai tegangan dc (Vdc) yang diberikan untuk menaikkan level
sinyal ECG diperoleh dengan mengatur resistansi multiturn R5.
Tegangan dc yang diberikan dinaikkan secara perlahan sampai tidak
terdapat sinyal ECG yang bernilai negatif.

Posted in: Elektronika