Srčen EKG: 7 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Povzetek

EKG ali elektrokardiogram je običajno uporabljen medicinski pripomoček za beleženje električnih signalov srca. Preproste so za izdelavo v najosnovnejši obliki, vendar obstaja veliko prostora za rast. Za ta projekt je bil na LTSpice zasnovan in simuliran EKG. EKG je imel tri komponente: instrumentacijski ojačevalnik, nizkoprepustni filter in na koncu neinvertirni ojačevalnik. To je bilo zagotovljeno, da je prišlo do zadostnega dobička iz relativno šibkega vira biosignala in filtra za odstranjevanje hrupa v vezju. Simulacije so pokazale, da je vsaka komponenta vezja uspešna, prav tako celotno integrirano vezje z vsemi tremi komponentami. To kaže, da je to izvedljiv način za ustvarjanje EKG vezja. Nato smo raziskali ogromen potencial za izboljšave EKG -ja.

1. korak: Uvod/ozadje

Za snemanje električnih signalov srca se uporablja EKG ali elektrokardiogram. To je precej pogost in neboleč test, ki se uporablja za odkrivanje srčnih težav in spremljanje zdravja srca. Izvajajo se v zdravniških ordinacijah - bodisi v klinikah ali v bolnišničnih sobah in so standardni stroji v operacijskih sobah in reševalnih vozilih [1]. Lahko pokažejo, kako hitro bije srce, če je ritem pravilen ali ne, pa tudi moč in čas električnih impulzov, ki gredo skozi različne dele srca. Približno 12 elektrod (ali manj) je pritrjenih na kožo na prsih, rokah in nogah ter so povezane s strojem, ki bere impulze in jih grafično prikazuje [2]. Dvanajstovodni EKG ima 10 elektrod (za skupno 12 pogledov na srce). 4-vodnik gre na okončine. Dva na zapestjih in dva na gležnjih. Zadnjih 6 vodil gre na trup. V1 gre v 4. medrebrni prostor desno od prsnice, medtem ko je V2 na isti črti, vendar levo od prsnice. V3 je postavljen na sredino med V2 in V4, V5 gre na sprednjo aksilarno linijo na isti ravni, kot sta V4 in V6 na srednji osi na isti ravni [3].

Cilj tega projekta je načrtovati, simulirati in preveriti napravo za pridobivanje analognega signala - v tem primeru elektrokardiogram. Ker je povprečni srčni utrip 72, med počitkom pa se lahko zniža tudi na 90, lahko srednjo vrednost upoštevamo pri približno 60 utripov na minuto, kar daje osnovno frekvenco 1Hz za srčni utrip. Srčni utrip se lahko giblje od približno 0,67 do 5 Hz (40 do 300 utripov na minuto). Vsak signal je sestavljen iz vala, ki ga lahko označimo kot P, kompleks QRS in del T vala. P val deluje pri približno 0,67 - 5 Hz, kompleks QRS je pri približno 10-50 Hz, val T pa pri približno 1 - 7 Hz [4]. Trenutno najsodobnejši EKG ima strojno učenje [5], kjer lahko sam aparat razvrsti aritmije in podobno. Za poenostavitev bo imel ta EKG samo dve elektrodi - pozitivno in negativno.

2. korak: Metode in materiali

Za začetek oblikovanja je bil za raziskave in modeliranje uporabljen računalnik. Uporabljena programska oprema je bila LTSpice. Prvič, za oblikovanje sheme za analogni EKG je bila izvedena raziskava, da bi ugotovili, kakšni so trenutni modeli in kako jih najbolje implementirati v novo zasnovo. Skoraj vsi viri so se začeli z instrumentnim ojačevalnikom. Vzame dva vhoda - iz vsake elektrode. Po tem je bil izbran nizkoprepustni filter za odstranjevanje signalov nad 50 Hz, saj hrup daljnovoda prihaja pri približno 50-60 Hz [6]. Po tem je bil neinvertirni ojačevalnik za ojačanje signala, saj so biosignali precej majhni.

Prva komponenta je bil instrumentacijski ojačevalnik. Ima dva vhoda, enega za pozitivno in enega za negativno elektrodo. Instrumentacijski ojačevalnik je bil uporabljen posebej za zaščito vezja pred vhodnim signalom. Obstajajo trije univerzalni op-ojačevalniki in 7 uporov. Vsi upori razen R4 (Rgain) so enakega upora. Dobiček instrumentacijskega ojačevalnika je mogoče upravljati z naslednjo enačbo: A = 1 + (2RRgain) [7] Dobiček je bil izbran na 50, saj so biosignali zelo majhni. Za lažjo uporabo so bili upori izbrani za večje. Izračuni nato sledijo temu nizu enačb, da dobimo R = 5000Ω in Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Naslednja uporabljena komponenta je bil nizkoprepustni filter za odstranjevanje frekvenc nad 50 Hz, ki bo v tem frekvenčnem območju ohranil samo val PQRST in zmanjšal hrup. Enačba za nizkoprepustni filter je prikazana spodaj: fc = 12RC [8] Ker je bila izbrana frekvenca za prekinitev 50 Hz, upor pa 1 kΩ, so izračuni dobili vrednost kondenzatorja 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Tretja komponenta na EKG-ju je bil neinvertirni ojačevalnik. S tem želimo zagotoviti, da je signal dovolj velik, preden se (potencialno) prenese na analogno -digitalni pretvornik. Dobiček neinvertirajočega ojačevalnika je prikazan spodaj: A = 1 + R2R1 [9] Tako kot prej, ko je bil dobiček izbran na 50, za povečanje amplitude končnega signala. Izračuni za upor so naslednji, pri čemer je en upor izbran na 10000Ω, kar daje vrednosti drugega upora 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Za preizkus sheme so bile izvedene analize na vsaki komponenti in nato na končni splošni shemi. Druga simulacija je bila analiza izmeničnega toka, oktava, s 100 točkami na oktavo in je potekala skozi frekvence od 1 do 1000 Hz.

3. korak: Rezultati

Za preizkus vezja je bil izveden oktavni pomet s 100 točkami na oktavo, ki se je začel s frekvenco 1 Hz in trajal do frekvence 1000 Hz. Vhod je bila sinusna krivulja, ki je predstavljala ciklično naravo vala EKG. Imel je DC odmik 0, amplituda 1, frekvenca 1 Hz, T zakasnitev 0, theta (1/s) 0 in phi (stopinja) 90. Frekvenca je bila nastavljena na 1, saj je povprečje srčni utrip lahko nastavite na približno 60 utripov na minuto, kar je 1 Hz.

Kot je prikazano na sliki 5, je bila modra vhodna in rdeča izhodna. Kot je prikazano zgoraj, je očitno prišlo do velikega dobička.

Nizkoprepustni filter je bil nastavljen na 50 Hz, da se odstrani šum daljnovoda v potencialni aplikaciji EKG. Ker to ne velja tukaj, kjer je signal stalen pri 1 Hz, je izhod enak vhodu (slika 6).

Izhod, prikazan modro, je v primerjavi z vhodom, prikazan zeleno, jasno povečan. Poleg tega, ker se vrhovi in doline sinusnih krivulj ujemajo, to kaže, da ojačevalnik res ni bil obrnjen (slika 7).

Slika 8 prikazuje vse krivulje skupaj. Jasno prikazuje manipulacijo signala, ki gre od majhnega signala, dvakrat ojača in filtrira (čeprav filtracija nima vpliva na ta specifični signal).

Z enačbami za dobiček in mejno frekvenco [10, 11] smo eksperimentalne vrednosti določili iz ploskev. Nizkoprepustni filter je imel najmanj napak, oba ojačevalnika pa sta lebdela z napako približno 10% (tabela 1).

4. korak: Pogovor

Zdi se, da shema počne tisto, kar naj bi storila. Vzel je dani signal, ga ojačal, nato filtriral in nato znova ojačal. Kot rečeno, gre za zelo 'majhno' zasnovo, ki jo sestavljajo le instrumentacijski ojačevalnik, nizkoprepustni filter in neinvertirni filter. Kljub neštetim uram brskanja po spletu za ustreznim virom ni bilo jasnega vnosa vira EKG. Na žalost, čeprav to ni uspelo, je bil grešni val primeren nadomestek za ciklično naravo signala.

Vir napak pri teoretični in dejanski vrednosti dobička in nizkoprepustnega filtra so lahko izbrane komponente. Ker imajo uporabljene enačbe razmerje uporov, dodano 1, je bilo pri izračunih zanemarjeno. To je mogoče storiti, če so uporabljeni upori dovolj veliki. Medtem ko so bili izbrani upori veliki, bo dejstvo, da ta ni bil upoštevan v izračunih, ustvarilo majhno mejo napake. Raziskovalci na državni univerzi San Jose v San Joseju so izdelali EKG posebej za diagnozo bolezni srca in ožilja. Uporabili so instrumentni ojačevalnik, aktivni visokoprepustni filter prvega reda, aktivno nizkoprepustno polnilo Bessela 5. reda in aktivni zarezni filter z dvojnim t-t [6]. Ugotovili so, da je uporaba vseh teh komponent uspešno prilagodila surovi val EKG -ja pri človeku. Drugi model preprostega EKG vezja, ki ga je naredil Orlando Hoilett na Univerzi Purdue, je bil sestavljen samo iz instrumentacijskega ojačevalnika. Izhod je bil jasen in uporaben, vendar je bilo priporočljivo, da so za posebne aplikacije spremembe boljše - in sicer ojačevalniki, pasovni filtri in 60 Hz zarezni filter za odstranjevanje šumov daljnovoda. To kaže, da ta zasnova EKG-ja, čeprav ni vseobsegajoča, ni najpreprostejša metoda za sprejem EKG-signala.

5. korak: Prihodnje delo

Ta zasnova EKG -ja bi zahtevala še nekaj stvari, preden bi jih postavili v praktično napravo. Prvič, 60 -Hz filter z zarezo je priporočilo več virov, in ker tukaj ni bilo nobenega hrupa pri daljnovodu, ni bil vključen v simulacijo. Če bi to prevedli v fizično napravo, bi bilo koristno dodati zarezni filter. Poleg tega bi lahko namesto nizkoprepustnega filtra bolje delovalo, če bi imeli pasovni filter, da bi imeli večji nadzor nad filtriranimi frekvencami. Tudi pri simulaciji se tovrstna težava ne pojavi, ampak bi se pojavila v fizični napravi. Po tem bi EKG potreboval analogno -digitalni pretvornik in verjetno napravo, podobno malinemu pi, za zbiranje podatkov in njihovo pretakanje v računalnik za ogled in uporabo. Nadaljnje izboljšave bi bile, če bi dodali več odvodov, morda začenši s 4 vodi okončin in prešli na vseh 10 vodnikov za 12 srčni diagram srca. Koristnejši bi bil tudi boljši uporabniški vmesnik - morda z zaslonom na dotik, da bi lahko zdravstveni delavci zlahka dostopali do nekaterih delov EKG in se osredotočili nanje.

Nadaljnji koraki bi vključevali strojno učenje in izvajanje AI. Računalnik mora biti sposoben opozoriti zdravstveno osebje - in morda tudi okoli njega -, da je prišlo do aritmije ali podobnega. Na tej točki mora zdravnik pregledati EKG izvid, da postavi diagnozo - čeprav so tehniki usposobljeni za branje, ne morejo postaviti uradne diagnoze na terenu. Če imajo EKG, ki ga uporabljajo prvi odzivniki, natančno diagnozo, bi to lahko omogočilo hitrejše zdravljenje. To je še posebej pomembno na podeželju, kjer lahko traja več kot eno uro, da bolnika, ki si ne more privoščiti vožnje s helikopterjem v bolnišnico. Naslednja faza bi bila dodajanje defibrilatorja na sam EKG aparat. Potem, ko zazna aritmijo, lahko ugotovi ustrezno napetost za šok in - glede na nameščene blazinice - lahko bolnika poskuša vrniti v sinusni ritem. To bi bilo koristno v bolnišničnih okoljih, kjer so pacienti že priključeni na različne stroje in če ni dovolj medicinskega osebja, ki bi lahko takoj zagotovilo oskrbo, bi lahko stroj vse v enem poskrbel za to in prihranil dragocen čas, potreben za reševanje življenja.

6. korak: Zaključek

V tem projektu je bilo vezje EKG uspešno zasnovano in nato simulirano z uporabo LTSpice. Sestavljen je bil iz instrumentacijskega ojačevalnika, nizkoprepustnega filtra in neinvertirajočega ojačevalnika za pogoj signala. Simulacija je pokazala, da so vse tri komponente delovale posamično in skupaj, če so združene za skupno integrirano vezje. Vsak ojačevalnik je imel dobiček 50, kar potrjujejo simulacije na LTSpice. Nizkoprepustni filter je imel mejno frekvenco 50 Hz za zmanjšanje hrupa iz daljnovodov in artefaktov s kože in gibanja. Čeprav je to zelo majhen EKG -krog, bi bilo mogoče narediti veliko izboljšav, vse od dodajanja enega ali dveh filtrov do vsestranskega srčnega aparata, ki bi lahko vzel EKG, ga prebral in zagotoviti takojšnje zdravljenje.

7. korak: Reference

Reference

[1] "Elektrokardiogram (EKG ali EKG)", klinika Mayo, 09. april 2020. [Na spletu]. Na voljo: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Dostop: 04. 12. 2020].

[2] "Elektrokardiogram", Nacionalni inštitut za pljuča in srce. [Na spletu]. Na voljo: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Dostop: 04. 12. 2020].

[3] A. Randazzo, "Najnovejši vodnik po postavitvi 12-odvodnega EKG-ja (z ilustracijami)", Prime Medical Training, 11. novembra 2019. [Na spletu]. Na voljo: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Dostop: 04. 12. 2020].

[4] C. Watford, "Razumevanje filtriranja EKG -ja", EMS 12 Svinec, 2014. [Na spletu]. Na voljo: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Dostop: 04. 12. 2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher in AA Armoundas, »najsodobnejše tehnike strojnega učenja, namenjene izboljšanju rezultatov pacientov v zvezi s kardiovaskularnim sistemom«, American Heart Association, let. 9, ne. 4. 2020.

[6] W. Y. Du, "Oblikovanje vezja senzorja EKG za diagnozo srčno -žilnih bolezni", Mednarodni časopis za biosenzorje in bioelektroniko, letn. 2, št. 4. 2017.

[7] "Kalkulator izhodne napetosti ojačevalnika instrumentov", ncalculators.com. [Na spletu]. Na voljo: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Dostop: 04. 12. 2020].

[8] "Kalkulator nizkoprepustnih filtrov", ElectronicBase, 01. april 2019. [Na spletu]. Na voljo: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Dostop: 04. 12. 2020].

[9] "Neinvertirni operacijski ojačevalnik-neinvertirajoči op-ojačevalnik", Vadnice o osnovni elektroniki, 6. november 2020. [Na spletu]. Na voljo: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Dostop: 04. 12. 2020].

[10] E. Sengpiel, "Izračun: ojačanje (dobiček) in dušenje (izguba) kot faktor (razmerje) do ravni v decibelih (dB)", dB kalkulator za ojačanje ojačanja in faktor dušenja (izgube) izračuna avdio ojačevalnika decibel dB razmerje - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Na spletu]. Na voljo: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Dostop: 04. 12. 2020].

[11] "Nizkoprepustni filter-vadnica za pasivni RC filter," Osnovni tečaji elektronike, 01. maj 2020. [Na spletu]. Na voljo: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Dostop: 04. 12. 2020].

[12] O. H. Instructables, "Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit", Instructables, 02. april 2018. [Na spletu]. Na voljo: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Dostop: 04. 12. 2020].

[13] Brent Cornell, "Elektrokardiografija," BioNinja. [Na spletu]. Na voljo: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Dostop: 04. 12. 2020].