Сърдечен ЕКГ: 7 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:49

Резюме

ЕКГ или електрокардиограма е често използвано медицинско устройство, използвано за записване на електрическите сигнали на сърцето. Те са лесни за правене в най -основната форма, но има много място за растеж. За този проект е проектирана и симулирана ЕКГ на LTSpice. ЕКГ имаше три компонента: инструментален усилвател, нискочестотен филтър и накрая неинвертиращ усилвател. Това трябваше да гарантира, че има достатъчно печалба, идваща от сравнително слаб източник на биосигнал, както и филтър за премахване на шума във веригата. Симулациите показаха, че всеки компонент на веригата се представя успешно, както и обща интегрална схема с трите компонента. Това показва, че това е жизнеспособен начин за създаване на ЕКГ верига. След това изследвахме огромния потенциал за подобрения на ЕКГ.

Стъпка 1: Въведение/Предистория

За запис на електрическите сигнали на сърцето се използва ЕКГ или електрокардиограма. Това е доста често срещано и безболезнено изследване, използвано за откриване на сърдечни проблеми и наблюдение на сърдечното здраве. Те се извършват в лекарски кабинети - или клиники, или болнични стаи и са стандартни машини в операционни зали и линейки [1]. Те могат да покажат колко бързо бие сърцето, дали ритъмът е правилен или не, както и силата и времето на електрическите импулси, преминаващи през различните части на сърцето. Около 12 електрода (или по -малко) са прикрепени към кожата на гърдите, ръцете и краката и са свързани към машина, която отчита импулсите и ги начертава [2]. ЕКГ с дванадесет проводника има 10 електрода (за да даде общо 12 гледки на сърцето). 4-те проводници отиват на крайниците. Две на китките и две на глезените. Последните 6 изводи вървят по торса. V1 преминава в четвъртото междуребрено пространство вдясно от гръдната кост, докато V2 е на същата линия, но вляво от гръдната кост. V3 е разположен по средата между V2 и V4, V5 отива в предната аксиларна линия на същото ниво, както V4 и V6 вървят по мидаксиларната линия на същото ниво [3].

Целта на този проект е да се проектира, симулира и провери устройство за улавяне на аналогов сигнал - в този случай електрокардиограма. Тъй като средната сърдечна честота е 72, но докато почивате, тя може да стигне до 90, медианата може да се счита за около 60 удара в минута, давайки основна честота от 1Hz за сърдечната честота. Сърдечната честота може да варира от около 0,67 до 5 Hz (40 до 300 удара в минута). Всеки сигнал се състои от вълна, която може да бъде означена като P, QRS комплекс и T част към вълната. Р вълната протича при около 0,67 - 5 Hz, QRS комплексът е при около 10-50 Hz, а Т вълната е при около 1 - 7 Hz [4]. Съвременното състояние на ЕКГ има машинно обучение [5], където аритмиите и други подобни могат да бъдат класифицирани от самата машина. За опростяване тази ЕКГ ще има само два електрода - положителен и отрицателен.

Стъпка 2: Методи и материали

За да започне проектирането, компютър беше използван както за изследване, така и за моделиране. Използваният софтуер беше LTSpice. Първо, за да се проектира схемата за аналоговия ЕКГ, бяха направени изследвания, за да се види какви са настоящите дизайни и как най -добре да се внедрят в нов дизайн. Почти всички източници започнаха с инструментален усилвател, за да започнат. Той приема два входа - от всеки от електродите. След това беше избран нискочестотен филтър за премахване на сигнали над 50 Hz, тъй като шумът от електропровода идва на около 50-60 Hz [6]. След това беше неинвертиращ усилвател за усилване на сигнала, тъй като биосигналите са доста малки.

Първият компонент беше инструменталният усилвател. Той има два входа, един за положителния и един за отрицателния електрод. Инструменталният усилвател е използван специално за защита на веригата от входящия сигнал. Има три универсални операционни усилвателя и 7 резистора. Всички резистори с изключение на R4 (Rgain) са с еднакво съпротивление. Печалбата на инструментален усилвател може да се манипулира със следното уравнение: A = 1 + (2RRgain) [7] Усилването е избрано да бъде 50, тъй като биосигналите са много малки. Резисторите бяха избрани да бъдат по -големи за по -лесна употреба. След това изчисленията следват този набор от уравнения, за да дадат R = 5000Ω и Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Следващият използван компонент беше нискочестотен филтър за премахване на честоти над 50 Hz, който ще запази само вълната PQRST в този честотен диапазон и ще намали шума. Уравнението за нискочестотен филтър е показано по -долу: fc = 12RC [8] Тъй като избраната честота за прекъсване е 50 Hz, а резисторът е избран да бъде 1 kΩ, изчисленията дават стойност на кондензатор от 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Третият компонент в ЕКГ беше неинвертиращ усилвател. Това е за да се гарантира, че сигналът е достатъчно голям, преди (потенциално) да бъде прехвърлен към аналогово -цифров преобразувател. Коефициентът на усилване на неинвертиращ усилвател е показан по -долу: A = 1 + R2R1 [9] Както и преди усилването беше избрано да бъде 50, за да се увеличи амплитудата на крайния сигнал. Изчисленията за резистора са следните, като един резистор е избран да бъде 10000Ω, давайки стойност на втори резистор от 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

За да се тества схемата, бяха проведени анализи на всеки компонент и след това върху крайната обща схема. Втората симулация беше анализ на променлив ток, октавен размах, със 100 точки на октава и преминаващ през честоти от 1 до 1000 Hz.

Стъпка 3: Резултати

За да се тества веригата, беше извършено октавно сканиране със 100 точки на октава, като се започне с честота 1 Hz и се стигне до честота 1000 Hz. Входът е синусоидална крива, която представлява представяне на цикличния характер на ЕКГ вълната. Той имаше DC отместване 0, амплитуда 1, честота 1 Hz, T забавяне 0, theta (1/s) от 0 и phi (deg) от 90. Честотата беше зададена на 1, тъй като средната сърдечната честота може да бъде зададена на около 60 удара в минута, което е 1 Hz.

Както се вижда на фигура 5, синьото е вход, а червеното е изход. Очевидно имаше огромна печалба, както се вижда по -горе.

Нискочестотният филтър беше настроен на 50 Hz, за да премахне шума от електропровода в потенциално приложение за ЕКГ. Тъй като това не важи тук, когато сигналът е постоянен при 1 Hz, изходът е същият като входа (Фигура 6).

Изходът, показан в синьо, е ясно усилен в сравнение с входа, показан в зелено. Освен това, тъй като върховете и долините на синусоидалните криви съвпадат, това показва, че усилвателят наистина не е инвертиращ (Фигура 7).

Фигура 8 показва всички криви заедно. Той ясно показва манипулирането на сигнала, преминавайки от малък сигнал, усилен два пъти и филтриран (въпреки че филтрацията няма ефект върху този специфичен сигнал).

Използвайки уравненията за усилване и гранична честота [10, 11], експерименталните стойности бяха определени от графиките. Нискочестотният филтър имаше най -малка грешка, докато и двата усилвателя се движеха с грешка от около 10% (Таблица 1).

Стъпка 4: Дискусия

Изглежда, че схемата прави това, което трябва да направи. Той взе даден сигнал, усили го, след това го филтрира и след това го усили отново. Като се има предвид това, това е много „малък“дизайн, състоящ се само от инструментален усилвател, нискочестотен филтър и неинвертиращ филтър. Нямаше ясен вход на ЕКГ източник, въпреки безбройните часове на сърфиране в мрежата за подходящ източник. За съжаление, макар че това не се получи, вълната на греха беше подходящ заместител на цикличния характер на сигнала.

Източник на грешка, що се отнася до теоретичната и действителната стойност на усилването и нискочестотния филтър, могат да бъдат избраните компоненти. Тъй като използваните уравнения имат съотношение на съпротивленията, добавено към 1, докато правите изчисленията, това беше пренебрегнато. Това може да стане, ако използваните резистори са достатъчно големи. Докато избраните резистори бяха големи, фактът, че този не е взет в изчисления, ще създаде малка граница на грешка. Изследователи от Държавния университет в Сан Хосе в Сан Хосе, Калифорния, са проектирали ЕКГ специално за диагностика на сърдечно -съдови заболявания. Те са използвали инструментален усилвател, активен високочестотен филтър от първи ред, активен нискочестотен пълнител на Бесел от пети ред и филтър с двойна активна прореза [6]. Те стигнаха до извода, че използването на всички тези компоненти е довело до успешното кондициониране на сурова ЕКГ вълна от човек. Друг модел на обикновена ЕКГ верига, направен от Орландо Хойлет от университета Пърдю, се състои единствено от инструментален усилвател. Изходът беше ясен и използваем, но се препоръчваше за конкретни приложения промените да бъдат по -добри - а именно усилватели, лентови филтри и филтър с прорез 60 Hz за премахване на шума от електропровода. Това показва, че този дизайн на ЕКГ, макар и не всеобхватен, не е най-простият метод за приемане на ЕКГ сигнал.

Стъпка 5: Бъдеща работа

Този дизайн на ЕКГ би изисквал още няколко неща, преди да бъде поставен в практическо устройство. Първо, филтърът с прорез 60 Hz беше препоръчан от няколко източника и тъй като нямаше шум от електропровода, с който да се справя тук, той не беше внедрен в симулацията. Като се има предвид това, след като това се преведе на физическо устройство, би било полезно да се добави филтър с прорез. Освен това, вместо нискочестотния филтър, може да работи по -добре да имате лентов филтър, за да имате по -голям контрол върху честотите, които се филтрират. Отново, при симулацията, този вид проблем не възниква, но ще се появи във физическо устройство. След това ЕКГ ще изисква аналогово -цифров преобразувател и вероятно устройство, подобно на малиново пи, за да събира данните и да ги предава на компютър за преглед и използване. По -нататъшни подобрения биха били добавянето на още изводи, може би започвайки от 4 -те крайни проводника и завършвайки до всички 10 изводи за диаграма на 12 отводи на сърцето. По -добрият потребителски интерфейс също би бил от полза - може би със сензорен екран, за да могат медицинските специалисти да имат лесен достъп и да се фокусират върху определени части от ЕКГ изхода.

По -нататъшните стъпки ще включват машинно обучение и внедряване на AI. Компютърът трябва да може да предупреждава медицинския персонал - и евентуално околните - че е възникнала аритмия или други подобни. В този момент лекарят трябва да прегледа резултата от ЕКГ, за да постави диагноза - докато техниците са обучени да ги четат, те не могат да поставят официална диагноза на място. Ако ЕКГ, използвани от първите лица, които имат точна диагноза, това може да позволи по -бързо лечение. Това е особено важно в селските райони, където може да отнеме повече от час, за да се получи пациент, който не може да си позволи пътуване с хеликоптер до болницата. Следващият етап би бил добавяне на дефибрилатор към самата ЕКГ машина. След това, когато открие аритмия, може да установи подходящото напрежение за шок и - като се има предвид, че подложките за удар са поставени - може да се опита да върне пациента в синусов ритъм. Това би било полезно в болнични условия, където пациентите вече са свързани към различни машини и ако няма достатъчно медицински персонал, който да осигури незабавна помощ, машината „всичко в едно“може да се погрижи за нея, спестявайки ценно време, необходимо за спасяване на живот.

Стъпка 6: Заключение

В този проект беше успешно проектирана ЕКГ верига и след това симулирана с помощта на LTSpice. Състои се от инструментален усилвател, нискочестотен филтър и неинвертиращ усилвател за кондициониране на сигнала. Симулацията показа, че и трите компонента работят поотделно, както и заедно, когато са комбинирани за обща интегрална схема. Усилвателите имат усилване от 50, факт, потвърден от симулациите, работещи на LTSpice. Нискочестотният филтър имаше гранична честота от 50 Hz, за да намали шума от електропроводите и артефактите от кожата и движението. Въпреки че това е много малка ЕКГ верига, могат да се направят много подобрения, като се започне от добавянето на филтър или два, до апарат за всичко в едно сърце, който може да вземе ЕКГ, да го прочете и осигури незабавно лечение.

Стъпка 7: Препратки

Препратки

[1] „Електрокардиограма (ЕКГ или ЕКГ)“, клиника Майо, 09-април-2020. [На линия]. Налично: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Достъп: 04-Dec-2020].

[2] „Електрокардиограма“, Национален сърдечен белодробен и кръвен институт. [На линия]. Налично: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Достъп: 04-Dec-2020].

[3] А. Рандацо, „Най-доброто ръководство за поставяне на ЕКГ с 12 отведения (с илюстрации)“, Премиерско медицинско обучение, 11 ноември 2019 г. [На линия]. Налично: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Достъп: 04-Dec-2020].

[4] C. Watford, „Разбиране на ЕКГ филтрирането“, EMS 12 Lead, 2014. [Онлайн]. Налично: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Достъп: 04-Dec-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au -Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher и AA Armoundas, „Съвременни техники за машинно обучение, целящи подобряване на резултатите за пациентите, свързани със сърдечно -съдовата система“, Американска сърдечна асоциация, кн. 9, не. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, „Проектиране на ЕКГ сензорна схема за диагностика на сърдечно -съдови заболявания“, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, не. 4, 2017.

[7] „Калкулатор на изходното напрежение на усилвателя за инструменти“, ncalculators.com. [На линия]. Налично: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Достъп: 04-Dec-2020].

[8] „Калкулатор за нискочестотен филтър“, ElectronicBase, 01-април-2019. [На линия]. Налично: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Достъп: 04-Dec-2020].

[9] „Неинвертиращ операционен усилвател-неинвертиращият операционен усилвател“, Основни уроци по електроника, 06-ноември-2020. [На линия]. Налично: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Достъп: 04-Dec-2020].

[10] Е. Сенгпиел, „Изчисление: Усилване (усилване) и затихване (загуба) като фактор (съотношение) към нивото в децибели (dB)“, dB калкулатор за усилване на усилването и коефициент на затихване (загуба) на изчисление на аудио усилвател децибел dB съотношение - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [На линия]. На разположение: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Достъп: 04-Dec-2020].

[11] „Нискочестотен филтър-Урок за пасивен RC филтър“, Основни уроци по електроника, 01-май-2020. [На линия]. Налично: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Достъп: 04-Dec-2020].

[12] O. H. Instructables, „Супер проста електрокардиограма (ЕКГ) верига“, Instructables, 02-април-2018. [На линия]. Налично: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Достъп: 04-Dec-2020].

[13] Брент Корнел, „Електрокардиография“, BioNinja. [На линия]. Налично: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Достъп: 04-Dec-2020].