Szívélyes EKG: 7 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:39

Absztrakt

Az EKG vagy elektrokardiogram egy általánosan használt orvosi eszköz, amelyet a szív elektromos jeleinek rögzítésére használnak. A legalapvetőbb formában egyszerűen elkészíthetők, de bőven van hová fejlődni. Ehhez a projekthez egy EKG -t terveztek és szimuláltak az LTSpice -n. Az EKG három komponensből állt: műszeres erősítőből, aluláteresztő szűrőből és végül egy nem invertáló erősítőből. Ezzel biztosítani kellett, hogy elegendő nyereség jöjjön be egy viszonylag gyenge biosignál forrásból, valamint egy szűrő, amely eltávolítja a zajt az áramkörben. A szimulációk azt mutatták, hogy az áramkör minden összetevője sikeresen működött, csakúgy, mint egy teljes integrált áramkör mindhárom komponenssel. Ez azt mutatja, hogy ez életképes módja az EKG áramkör létrehozásának. Ezután feltártuk az EKG fejlesztésének hatalmas lehetőségeit.

1. lépés: Bevezetés/Háttér

EKG -t vagy elektrokardiogramot használnak a szív elektromos jeleinek rögzítésére. Ez meglehetősen gyakori és fájdalommentes vizsgálat, amelyet a szívproblémák kimutatására és a szív egészségének ellenőrzésére használnak. Ezeket orvosi rendelőkben végzik - akár klinikákon, akár kórházi helyiségekben, és standard gépek a műtőkben és a mentőkben [1]. Megmutathatják, hogy milyen gyorsan ver a szív, ha a ritmus szabályos vagy sem, valamint a szív különböző részein áthaladó elektromos impulzusok erősségét és időzítését. Körülbelül 12 (vagy kevesebb) elektróda van a bőrön a mellkason, a karon és a lábakon, és egy olyan géphez van csatlakoztatva, amely leolvassa az impulzusokat és grafikonozza őket [2]. A tizenkét elvezetéses EKG 10 elektródával rendelkezik (összesen 12 nézetet ad a szívről). A 4-vezetékes a végtagokon megy. Kettő a csuklóján, kettő a bokáján. Az utolsó 6 vezetés a törzsön megy. V1 a 4. bordaközi térben a szegycsonttól jobbra megy, míg a V2 ugyanazon a vonalon, de a szegycsont bal oldalán található. A V3 a V2 és a V4 középpontjába kerül, a V5 az elülső hónaljvonalhoz ugyanazon a szinten megy, mint a V4, a V6 pedig a midillaris vonalhoz ugyanazon a szinthez [3].

A projekt célja egy analóg jelgyűjtő eszköz - jelen esetben egy elektrokardiogram - tervezése, szimulálása és ellenőrzése. Mivel az átlagos pulzusszám 72, de nyugalomban akár 90 -re is csökkenhet, a medián körülbelül 60 bpm -nek tekinthető, ami 1 Hz -es alapfrekvenciát ad a pulzusszámhoz. A pulzus körülbelül 0,67 és 5 Hz (40-300 bpm) között változhat. Minden jel egy hullámból áll, amelyet P -nek, QRS -komplexnek és a hullám T -részének nevezhetünk. A P hullám körülbelül 0,67 - 5 Hz -en, a QRS -komplex körülbelül 10-50 Hz -en, a T -hullám pedig körülbelül 1 - 7 Hz -en fut [4]. A korszerű EKG -k gépi tanulással [5] rendelkeznek, ahol az aritmiákat és hasonlókat maga a gép osztályozhatja. Az egyszerűség kedvéért ez az EKG csak két elektródával rendelkezik - pozitív és negatív.

2. lépés: Módszerek és anyagok

A tervezés megkezdéséhez számítógépet használtak a kutatáshoz és a modellezéshez. A használt szoftver az LTSpice volt. Először is, az analóg EKG sematikájának megtervezéséhez kutatásokat végeztek annak megállapítására, hogy mik a jelenlegi tervek, és hogyan lehet ezeket a legjobban megvalósítani egy új tervben. Nagyjából minden forrás egy műszeres erősítővel kezdődött. Két bemenetet vesz fel - mindegyik elektródából. Ezt követően aluláteresztő szűrőt választottak az 50 Hz feletti jelek eltávolítására, mivel az elektromos vezeték zaj körülbelül 50-60 Hz-nél jelentkezik [6]. Ezt követően nem invertáló erősítő volt a jel erősítésére, mivel a bioszignálok meglehetősen kicsik.

Az első alkatrész a műszeres erősítő volt. Két bemenettel rendelkezik, az egyik a pozitív és a másik a negatív elektródához. A műszeres erősítőt kifejezetten az áramkör védelmére használták a bejövő jelektől. Három univerzális op-erősítő és 7 ellenállás van. Az R4 (Rgain) kivételével minden ellenállás azonos ellenállású. A műszeres erősítő erősítése a következő egyenlettel kezelhető: A = 1 + (2RRgain) [7] Az erősítést 50 -nek választottuk, mivel a bioszignálok nagyon kicsik. Az ellenállásokat a könnyebb használat érdekében nagyobbnak választották. A számítások ezt az egyenlethalmazt követik, így R = 5000Ω és Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

A következő komponens egy aluláteresztő szűrő volt, amely eltávolította az 50 Hz feletti frekvenciákat, ami csak a PQRST hullámot tartja ebben a frekvenciatartományban, és minimalizálja a zajt. Az aluláteresztő szűrő egyenlete az alábbiakban látható: fc = 12RC [8] Mivel a levágás frekvenciája 50 Hz volt, és az ellenállást 1 kΩ -ra választották, a számítások 0,00000318 F kondenzátor értéket eredményeznek. 50 = 12 * 1000 * C

Az EKG harmadik komponense egy nem invertáló erősítő volt. Ennek célja annak biztosítása, hogy a jel elég nagy legyen, mielőtt (potenciálisan) át lehet vinni analóg -digitális átalakítóba. A nem invertáló erősítő erősítését az alábbiakban mutatjuk be: A = 1 + R2R1 [9] Mint azelőtt, hogy az erősítést 50 -re választottuk, a végső jel amplitúdójának növelése érdekében. Az ellenállásra vonatkozó számítások a következők: az egyik ellenállást 10000Ω -nak választják, ami a második ellenállás értékét 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

A vázlat teszteléséhez elemzéseket futtattunk az egyes komponenseken, majd a végső általános vázlaton. A második szimuláció egy váltakozó áramú elemzés, egy oktáv söprés volt, oktávonként 100 ponttal, és 1–1000 Hz -es frekvenciákon.

3. lépés: Eredmények

Az áramkör teszteléséhez oktáv söprést hajtottak végre, oktávonként 100 ponttal, 1 Hz -es frekvenciával kezdve 1000 Hz -ig. A bemenet egy szinuszos görbe volt, hogy az EKG hullám ciklikus jellegét ábrázolja. Egyenáramú eltolása 0 volt, amplitúdója 1, frekvenciája 1 Hz, T késleltetése 0, téta (1/s) 0 és phi (fok) 90. A frekvenciát 1 -re állítottuk be, mivel egy átlagos a pulzusszám körülbelül 60 ütés / perc, azaz 1 Hz.

Amint az 5. ábrán látható, a kék volt a bemenet, a piros pedig a kimenet. Nyilvánvalóan hatalmas nyereség volt, amint azt fent láttuk.

Az aluláteresztő szűrőt 50 Hz -re állították be, hogy megszüntesse az elektromos vezeték zaját egy potenciális EKG -alkalmazásban. Mivel ez nem érvényes itt, ahol a jel állandó 1 Hz -en, a kimenet megegyezik a bemenettel (6. ábra).

A kék színű kimenet egyértelműen felerősödik a zölddel jelzett bemenethez képest. Ezenkívül, mivel a szinuszgörbék csúcsa és völgye megegyezik, ez azt mutatja, hogy az erősítő valóban nem volt invertáló (7. ábra).

A 8. ábra az összes görbét együtt mutatja. Világosan mutatja a jel manipulációját, kis jelből indulva, kétszer erősítve és szűrve (bár a szűrés nincs hatással erre a specifikus jelre).

Az erősítés és a levágás gyakoriságának egyenleteit használva [10, 11], a kísérleti értékeket a diagramokból határoztuk meg. Az aluláteresztő szűrőben volt a legkisebb hiba, míg mindkét erősítő körülbelül 10% -os hibával lebegett (1. táblázat).

4. lépés: Vita

Úgy tűnik, hogy a vázlat azt teszi, amit tennie kell. Vett egy adott jelet, felerősítette, majd leszűrte, majd ismét felerősítette. Ennek ellenére ez egy nagyon „kicsi” kialakítás, amely csak műszeres erősítőből, aluláteresztő szűrőből és nem invertáló szűrőből áll. Nem volt egyértelmű adat az EKG -forrásról, annak ellenére, hogy számtalan óra szörfölt a weben a megfelelő forrás után. Sajnos, bár ez nem sikerült, a bűnhullám megfelelő helyettesítője volt a jel ciklikus jellegének.

Hibaforrás lehet az erősítés és az aluláteresztő szűrő elméleti és tényleges értéke tekintetében. Mivel az alkalmazott egyenletekhez az ellenállások aránya 1 -hez van hozzáadva, a számítások során ezt figyelmen kívül hagyták. Ez megtehető, ha a használt ellenállások elég nagyok. Bár a választott ellenállások nagyok voltak, az a tény, hogy az egyiket nem vették figyelembe a számításokhoz, kis hibahatárt eredményez. A San Jose Állami Egyetem kutatói kifejezetten a szív- és érrendszeri betegségek diagnosztizálására terveztek EKG -t. Műszeres erősítőt, elsőrendű aktív felüláteresztő szűrőt, ötödrendű aktív Bessel aluláteresztő töltőt és iker-t aktív bevágású szűrőt használtak [6]. Arra a következtetésre jutottak, hogy ezeknek az összetevőknek a használata az emberi alany nyers EKG -hullámának sikeres kondicionálását eredményezte. Egy egyszerű EKG áramkör másik modellje, amelyet Orlando Hoilett készített a Purdue Egyetemen, kizárólag műszeres erősítőből állt. A kimenet tiszta és használható volt, de azt javasolták, hogy bizonyos alkalmazásoknál a változtatások jobbak legyenek - nevezetesen erősítők, sávszűrők és egy 60 Hz -es bemetszésű szűrő az elektromos vezeték zajának eltávolítására. Ez azt mutatja, hogy az EKG ilyen kialakítása, bár nem mindenre kiterjedő, nem a legegyszerűbb módszer az EKG-jel vételére.

5. lépés: Jövőbeli munka

Az EKG ilyen kialakítása még néhány dolgot igényel, mielőtt praktikus készülékbe helyezik. Egyrészt a 60 Hz -es bemetszéses szűrőt több forrás ajánlotta, és mivel itt nem volt villanyvezeték -zaj, amellyel foglalkozni kellett volna, ezt nem vették be a szimulációba. Ennek ellenére, ha ezt lefordítják egy fizikai eszközre, előnyös lenne egy bevágásos szűrőt hozzáadni. Ezenkívül az aluláteresztő szűrő helyett jobban működhet a sávszűrő, és jobban szabályozhatja a kiszűrt frekvenciákat. A szimulációban ez a fajta probléma nem merül fel, de megjelenik egy fizikai eszközben. Ezt követően az EKG -nek analóg -digitális átalakítóra, és valószínűleg egy málna -pi -hez hasonló eszközre van szüksége az adatok összegyűjtéséhez és a számítógépre történő továbbításához megtekintésre és használatra. További fejlesztések lennének további vezetékek hozzáadása, talán a 4 végtagvezetékkel kezdve, és mind a 10 vezetékhez fokozatosan, a szív 12 elvezetési diagramjához. A jobb felhasználói felület szintén előnyös lenne - talán egy érintőképernyővel, hogy az egészségügyi szakemberek könnyen elérhessék az EKG kimenet egyes részeit, és összpontosíthassanak rájuk.

A további lépések magukban foglalják a gépi tanulást és az AI megvalósítását. A számítógépnek képesnek kell lennie arra, hogy figyelmeztesse az egészségügyi személyzetet - és esetleg a körülötte lévőket -, hogy aritmia vagy hasonlók történtek. Ezen a ponton az orvosnak felül kell vizsgálnia az EKG kimenetét a diagnózis felállításához - míg a technikusok képzettek az olvasásra, nem tudnak hivatalos diagnózist készíteni a terepen. Ha az elsősegélynyújtók által használt EKG -k pontos diagnózissal rendelkeznek, gyorsabb kezelést tesz lehetővé. Ez különösen fontos a vidéki területeken, ahol akár egy órát is igénybe vehet, hogy olyan beteget szállítson a kórházba, aki nem engedheti meg magának a helikoptert. A következő lépés egy defibrillátor hozzáadása az EKG -készülékhez. Ezután, amikor aritmiát észlel, képes kitalálni a megfelelő feszültséget a sokkhoz, és - tekintettel arra, hogy a sokkpárnákat elhelyezték - megpróbálhatja visszaállítani a beteget a sinus ritmusába. Ez hasznos lehet a kórházi környezetben, ahol a betegek már különféle gépekhez vannak csatlakoztatva, és ha nincs elegendő egészségügyi személyzet azonnali ellátáshoz, a minden egy szívben gép gondoskodhat róla, és értékes időt takaríthat meg az élet megmentéséhez..

6. lépés: Következtetés

Ebben a projektben az EKG áramkört sikeresen megtervezték, majd az LTSpice segítségével szimulálták. Ez egy műszeres erősítőből, egy aluláteresztő szűrőből és egy nem invertáló erősítőből állt a jel kondicionálásához. A szimuláció azt mutatta, hogy mindhárom komponens külön -külön és együtt is működött a teljes integrált áramkör érdekében. Az erősítők mindegyike 50 erősítést kapott, ezt az LTSpice -en futó szimulációk is megerősítették. Az aluláteresztő szűrő 50 Hz -es vágási frekvenciája csökkentette az elektromos vezetékek zaját és a bőrből és a mozgásból származó műtermékeket. Bár ez egy nagyon kicsi EKG áramkör, rengeteg fejlesztést lehet tenni, akár egy vagy két szűrő hozzáadásától egészen a minden egy szívben gépig, amely képes elviselni az EKG -t, leolvasni és azonnali kezelést kell biztosítani.

7. lépés: Hivatkozások

Hivatkozások

[1] „Elektrokardiogram (EKG vagy EKG),” Mayo Clinic, 2020. április 09. [Online]. Elérhető: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Hozzáférés: 2020. december 04.].

[2] „Elektrokardiogram”, Nemzeti Szív Tüdő- és Vérintézet. [Online]. Elérhető: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/elektrokardiogram. [Hozzáférés: 2020. december 04.].

[3] A. Randazzo, „A végső 12 elvezetéses EKG elhelyezési útmutató (illusztrációkkal)”, Prime Medical Training, 2019. november 11. [Online]. Elérhető: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Hozzáférés: 2020. december 04.].

[4] C. Watford, „Understanding EKG Filtering”, EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Elérhető: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Hozzáférés: 2020. december 04.].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher és AA Armoundas, „A legmodernebb gépi tanulási technikák, amelyek célja a kardiovaszkuláris rendszer betegállapotának javítása”, American Heart Association, vol. 9, nem. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, „EKG -érzékelő áramkör tervezése a szív- és érrendszeri betegségek diagnosztizálásához”, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, nem. 4, 2017.

[7] „Műszeres erősítő kimeneti feszültség számológép”, ncalculators.com. [Online]. Elérhető: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Hozzáférés: 2020. december 04.].

[8] „Aluláteresztő szűrő számológép”, ElectronicBase, 2019. április 1. [Online]. Elérhető: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Hozzáférés: 2020. december 04.].

[9] „Nem invertáló működési erősítő-A nem invertáló op-erősítő”, Alapvető elektronikai oktatóanyagok, 2020. november 06. [Online]. Elérhető: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Hozzáférés: 2020. december 04.].

[10] E. Sengpiel, „Számítás: Erősítés (erősítés) és csillapítás (veszteség), mint tényező (arány) a decibelben kifejezett értékhez (dB)”, dB kalkulátor az erősítő erősítésének erősítésének és csillapítási (veszteségi) tényezőjének számításához decibel dB arány - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Online]. Elérhető: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Hozzáférés: 2020. december 04.].

[11] „Aluláteresztő szűrő-passzív RC szűrő bemutató”, Alapvető elektronikai oktatóanyagok, 2020. május 1. [Online]. Elérhető: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Hozzáférés: 2020. december 04.].

[12] O. H. Instructables, „Super Simple Electrocardiogram (EKG) Circuit”, Instructables, 2018. április 02. [Online]. Elérhető: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Hozzáférés: 2020. december 04.].

[13] Brent Cornell, „Elektrokardiográfia”, BioNinja. [Online]. Elérhető: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Hozzáférés: 2020. december 04.].