Sydämellinen EKG: 7 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Abstrakti

EKG tai elektrokardiogrammi on yleisesti käytetty lääketieteellinen laite, jota käytetään sydämen sähköisten signaalien tallentamiseen. Ne ovat yksinkertaisia tehdä kaikkein yksinkertaisimmissa muodoissaan, mutta kasvun varaa riittää. Tätä projektia varten EKG suunniteltiin ja simuloitiin LTSpice -laitteella. EKG: ssä oli kolme komponenttia: instrumentointivahvistin, alipäästösuodatin ja lopuksi invertoimaton vahvistin. Näin varmistettiin, että suhteellisen heikoista biosignaalilähteistä ja suodattimesta poistettiin melua piiristä. Simulaatiot osoittivat, että piirin jokainen komponentti toimi onnistuneesti, samoin kuin integroitu piiri, jossa oli kaikki kolme komponenttia. Tämä osoittaa, että tämä on toteuttamiskelpoinen tapa luoda EKG -piiri. Tutkimme sitten EKG: n parantamisen valtavia mahdollisuuksia.

Vaihe 1: Johdanto/taustaa

EKG: tä tai EKG: tä käytetään sydämen sähköisten signaalien tallentamiseen. Se on melko yleinen ja kivuton testi, jota käytetään havaitsemaan sydänongelmia ja seuraamaan sydämen terveyttä. Ne suoritetaan lääkärin vastaanotolla - joko klinikalla tai sairaalahuoneessa ja ovat vakiokoneita leikkaus- ja ambulansseissa [1]. Ne voivat näyttää kuinka nopeasti sydän lyö, onko rytmi säännöllinen tai ei, samoin kuin sydämen eri osien läpi kulkevien sähköimpulssien voimakkuus ja ajoitus. Noin 12 (tai vähemmän) elektrodia on kiinnitetty rintakehän, käsivarsien ja jalkojen ihoon ja yhdistetty koneeseen, joka lukee impulsseja ja kuvaa ne [2]. Kaksitoistajohtoisessa EKG: ssä on 10 elektrodia (yhteensä 12 sydämenäkymää). 4-johdin menee raajoihin. Kaksi ranteissa ja kaksi nilkoissa. Viimeiset 6 johtoa menevät vartaloon. V1 menee 4. rintalastan väliseen tilaan rintalastan oikealle puolelle, kun taas V2 on samalla viivalla, mutta rintalastan vasemmalla puolella. V3 sijoitetaan V2: n ja V4: n väliin, V5 kulkee etuakselin linjalla samalla tasolla kuin V4 ja V6 kulkee midillaillaarisella linjalla samalla tasolla [3].

Tämän projektin tavoitteena on suunnitella, simuloida ja tarkistaa analoginen signaalinetsintälaite - tässä tapauksessa elektrokardiogrammi. Koska keskimääräinen syke on 72, mutta levossa se voi laskea jopa 90: een, mediaanin voidaan katsoa olevan noin 60 lyöntiä minuutissa, jolloin syke on 1 Hz: n perustaajuus. Syke voi vaihdella välillä 0,67 - 5 Hz (40 - 300 lyöntiä minuutissa). Jokainen signaali koostuu aallosta, joka voidaan merkitä P: ksi, QRS -kompleksiksi ja aallon T -osaksi. P -aalto kulkee noin 0,67 - 5 Hz: llä, QRS -kompleksi on noin 10 - 50 Hz ja T -aalto on noin 1 - 7 Hz [4]. Nykyisessä EKG: ssä on koneoppiminen [5], jossa rytmihäiriöt ja vastaavat voidaan luokitella itse. Yksinkertaisuuden vuoksi tässä EKG: ssä on vain kaksi elektrodia - positiivinen ja negatiivinen.

Vaihe 2: Menetelmät ja materiaalit

Suunnittelun aloittamiseen käytettiin tietokonetta sekä tutkimukseen että mallinnukseen. Ohjelmistona käytettiin LTSpicea. Ensinnäkin analogisen EKG: n kaavion suunnitteluun tutkittiin, mitkä ovat nykyiset mallit ja miten ne voidaan parhaiten toteuttaa uudessa mallissa. Lähes kaikki lähteet alkoivat instrumentointivahvistimella. Se ottaa kaksi tuloa - jokaisesta elektrodista. Tämän jälkeen alipäästösuodatin valittiin poistamaan yli 50 Hz: n signaalit, koska sähkölinjan kohina on noin 50-60 Hz [6]. Sen jälkeen oli ei -invertoiva vahvistin signaalin vahvistamiseksi, koska biosignaalit ovat melko pieniä.

Ensimmäinen komponentti oli instrumenttivahvistin. Siinä on kaksi tuloa, yksi positiivista ja toinen negatiivista elektrodia varten. Instrumenttivahvistinta käytettiin erityisesti piirin suojaamiseen tulevalta signaalilta. On kolme yleistä op-vahvistinta ja 7 vastusta. Kaikki vastukset paitsi R4 (Rgain) ovat saman vastuksen. Instrumenttivahvistimen vahvistusta voidaan käsitellä seuraavalla yhtälöllä: A = 1 + (2RRgain) [7] Vahvistukseksi valittiin 50, koska biosignaalit ovat hyvin pieniä. Vastukset valittiin suuremmiksi käytön helpottamiseksi. Laskelmat seuraavat sitten tätä yhtälöryhmää, jolloin R = 5000Ω ja Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Seuraava komponentti oli alipäästösuodatin yli 50 Hz: n taajuuksien poistamiseksi, mikä pitää vain PQRST -aallon tällä taajuusalueella ja minimoi kohinan. Alipäästösuodattimen yhtälö on esitetty alla: fc = 12RC [8] Koska valittu katkaisutaajuus oli 50 Hz ja vastus valittiin 1 kΩ: ksi, laskelmien kondensaattorin arvo on 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C.

EKG: n kolmas komponentti oli invertoimaton vahvistin. Tällä varmistetaan, että signaali on riittävän suuri ennen (mahdollisesti) siirtämistä analogisesta digitaalimuuntimeen. Ei -invertoivan vahvistimen vahvistus on esitetty alla: A = 1 + R2R1 [9] Kuten ennen kuin vahvistukseksi valittiin 50, lopullisen signaalin amplitudin lisäämiseksi. Vastuksen laskelmat ovat seuraavat: yksi vastus on 10000Ω, jolloin toinen vastuksen arvo on 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Kaavion testaamiseksi analyysit suoritettiin kullekin komponentille ja sitten lopulliselle yleiskaavalle. Toinen simulaatio oli AC -analyysi, oktaavipyyhkäisy, jossa oli 100 pistettä oktaavia kohti ja joka kulki taajuuksien 1 - 1000 Hz läpi.

Vaihe 3: Tulokset

Piirin testaamiseksi suoritettiin oktaavipyyhkäisy, 100 pistettä oktaavia kohti alkaen taajuudella 1 Hz ja jatkaen 1000 Hz: n taajuuteen. Tulo oli sinimuotoinen käyrä, joka edustaa EKG -aallon syklistä luonnetta. Sen DC -poikkeama oli 0, amplitudi 1, taajuus 1 Hz, T -viive 0, teeta (1/s) 0 ja phi (deg) 90. Taajuus asetettiin 1: ksi, koska keskiarvo Syke voidaan asettaa noin 60 lyöntiin minuutissa, mikä on 1 Hz.

Kuten kuviosta 5 nähdään, tulo oli sininen ja ulostulo punainen. Siitä tuli selvästi valtava voitto, kuten yllä on nähty.

Alipäästösuodatin asetettiin 50 Hz: iin sähkölinjan melun poistamiseksi mahdollisesta EKG -sovelluksesta. Koska tämä ei päde tässä, jos signaali on vakio 1 Hz: llä, lähtö on sama kuin tulo (kuva 6).

Lähtö - näkyy sinisenä - vahvistetaan selvästi verrattuna tuloon, joka näkyy vihreänä. Lisäksi koska sinikäyrien huiput ja laaksot vastaavat toisiaan, tämä osoittaa, että vahvistin ei todellakaan ollut invertoiva (kuva 7).

Kuva 8 esittää kaikki käyrät yhdessä. Se osoittaa selvästi signaalin manipuloinnin, joka lähtee pienestä signaalista, vahvistetaan kahdesti ja suodatetaan (vaikka suodatuksella ei ole vaikutusta tähän erityiseen signaaliin).

Käyttämällä vahvistus- ja rajataajuuden yhtälöitä [10, 11] koearvot määritettiin käyristä. Alipäästösuodattimessa oli pienin virhe, kun taas molemmissa vahvistimissa oli noin 10% virhe (taulukko 1).

Vaihe 4: Keskustelu

Näyttää siltä, että kaavamainen tekee mitä sen on määrä tehdä. Se otti tietyn signaalin, vahvisti sitä, suodatti sen ja vahvisti sen uudelleen. Siitä huolimatta se on hyvin "pieni" muotoilu, joka koostuu vain instrumentointivahvistimesta, alipäästösuodattimesta ja invertoimattomasta suodattimesta. EKG -lähdettä ei saatu selkeästi, vaikka lukemattomia tunteja surffailtiin verkossa oikean lähteen löytämiseksi. Valitettavasti, vaikka tämä ei toiminut, syntiä aalto oli sopiva korvike signaalin sykliselle luonteelle.

Virheiden lähde, kun on kyse teoreettisesta ja vahvistuksen ja alipäästösuodattimen todellisesta arvosta, voivat olla valitut komponentit. Koska käytettyihin yhtälöihin vastusten suhde on lisätty arvoon 1, laskelmia tehtäessä tämä jätettiin huomiotta. Tämä voidaan tehdä, jos käytetyt vastukset ovat riittävän suuria. Vaikka valitut vastukset olivat suuria, se, että sitä ei otettu huomioon laskelmissa, luo pienen virhemarginaalin. San Jose CA: n San Jose State Universityn tutkijat suunnittelivat EKG: n erityisesti sydän- ja verisuonitautien diagnosoimiseksi. He käyttivät instrumenttivahvistinta, ensimmäisen kertaluvun aktiivista ylipäästösuodatinta, viidennen kertaluvun aktiivista Besselin alipäästösäiliötä ja kaksois-t-aktiivista lovisuodatinta [6]. He päättivät, että kaikkien näiden komponenttien käyttö johti ihmisen raa'an EKG -aallon onnistuneeseen käsittelyyn. Toinen malli yksinkertaisesta EKG -piiristä, jonka Orlando Hoilett teki Purduen yliopistossa, koostui yksinomaan instrumentointivahvistimesta. Lähtö oli selkeä ja käyttökelpoinen, mutta suositeltiin, että tietyissä sovelluksissa muutokset olisivat parempia - nimittäin vahvistimet, kaistanpäästösuodattimet ja 60 Hz: n lovisuodatin voimalinjan melun poistamiseksi. Tämä osoittaa, että tämä EKG-malli, vaikkakaan ei kaikenkattava, ei ole yksinkertaisin tapa ottaa EKG-signaali.

Vaihe 5: Tulevaisuuden työ

Tämä EKG -muotoilu vaatisi vielä muutamia asioita ennen kuin se laitetaan käytännölliseen laitteeseen. Ensinnäkin useat lähteet suosittelivat 60 Hz: n lovisuodatinta, ja koska täällä ei ollut voimalinjan kohinaa, sitä ei otettu käyttöön simulaatiossa. Siitä huolimatta, kun tämä on käännetty fyysiseksi laitteeksi, olisi hyödyllistä lisätä lovisuodatin. Lisäksi alipäästösuodattimen sijaan saattaa toimia paremmin kaistanpäästösuodatin, jotta suodatettavia taajuuksia voidaan hallita paremmin. Jälleen simulaatiossa tällaista ongelmaa ei esiinny, mutta se näkyy fyysisessä laitteessa. Tämän jälkeen EKG edellyttäisi analogia -digitaalimuunninta ja todennäköisesti vadelmapi: n kaltaista laitetta tietojen keräämiseksi ja suoratoistamiseksi tietokoneelle katseltavaksi ja käytettäväksi. Lisäparannuksia olisi lisää johtoja, ehkä alkaen neljästä raajajohdosta ja siirtymällä kaikkiin 10 johtoon sydämen 12 -kytkentäkaavioon. Paremmasta käyttöliittymästä olisi myös hyötyä - ehkä kosketusnäytöllä, jotta lääketieteen ammattilaiset voivat helposti käyttää tiettyjä EKG -lähdön osia ja keskittyä niihin.

Lisätoimenpiteisiin kuuluisi koneoppiminen ja tekoälyn käyttöönotto. Tietokoneen pitäisi pystyä varoittamaan hoitohenkilökuntaa - ja mahdollisesti myös läheisiä - rytmihäiriön tai vastaavan tapahtumisesta. Tässä vaiheessa lääkärin on tarkistettava EKG -tulos diagnoosin tekemiseksi - vaikka teknikot on koulutettu lukemaan ne, he eivät voi tehdä virallista diagnoosia kentällä. Jos ensiavun antajien käyttämillä EKG: llä on tarkka diagnoosi, se voi mahdollistaa nopeamman hoidon. Tämä on erityisen tärkeää maaseutualueilla, joilla voi kestää jopa tunnin päästä potilas, jolla ei ole varaa helikopterimatkaan, sairaalaan. Seuraava vaihe olisi defibrillaattorin lisääminen EKG -laitteeseen. Sitten, kun se havaitsee rytmihäiriön, se voi selvittää oikean jännitteen jännitteelle ja - ottaen huomioon, että iskutyynyt on asetettu - voi yrittää saada potilaan takaisin sinusrytmiin. Tästä olisi hyötyä sairaalaympäristössä, jossa potilaat ovat jo kytkettyinä erilaisiin koneisiin ja jos hoitohenkilökuntaa ei ole riittävästi heti hoitamaan, kaikki yhdessä sydämen kone voisi hoitaa sen ja säästää kallisarvoista aikaa hengen pelastamiseksi.

Vaihe 6: Johtopäätös

Tässä projektissa EKG -piiri suunniteltiin onnistuneesti ja simuloitiin sitten LTSpicen avulla. Se koostui instrumentointivahvistimesta, alipäästösuodattimesta ja ei-invertoivasta vahvistimesta signaalin hoitamiseksi. Simulaatio osoitti, että kaikki kolme komponenttia toimivat yksittäin sekä yhdessä yhdistettynä kokonaispiiriin. Vahvistimien vahvistus oli 50, minkä LTSpice -simulaatiot vahvistavat. Alipäästösuodattimen rajataajuus oli 50 Hz, joka vähentää voimalinjojen kohinaa ja ihon ja liikkeen aiheuttamia esineitä. Vaikka tämä on hyvin pieni EKG -piiri, on paljon parannuksia, joita voitaisiin tehdä aina suodattimen tai kahden lisäämisestä aina sydänlaitteeseen, joka voi ottaa EKG: n, lukea sen ja antaa välitöntä hoitoa.

Vaihe 7: Viitteet

Viitteet

[1] "Elektrokardiogrammi (EKG tai EKG)", Mayo Clinic, 9.4.2020. [Online]. Saatavilla: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Käytetty: 04.12.2020].

[2] "Elektrokardiogrammi", National Heart Lung and Blood Institute. [Online]. Saatavilla: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Käytetty: 04.12.2020].

[3] A. Randazzo,”Ultimate 12-Lead EKG Placement Guide (With Illustrations)”, Prime Medical Training, 11.11.2019. [Online]. Saatavilla: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Käytetty: 04.12.2020].

[4] C. Watford, “Understanding EKG Filtering”, EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Saatavilla: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Käytetty: 04.12.2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher ja AA Armoundas,”Huipputason koneoppimistekniikat, joiden tarkoituksena on parantaa potilaan tuloksia sydän- ja verisuonijärjestelmään”, American Heart Association, voi. 9, ei. 4, 2020.

[6] W. Y. Du,”Design of the EKG Sensor Circuitry for Cardiovascular Disease Diagnosis”, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, voi. 2, ei. 4, 2017.

[7] "Instrumentation Amplifier Output Voltage Calculator", ncalculators.com. [Online]. Saatavilla: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Käytetty: 04.12.2020].

[8] "Alipäästösuodattimen laskin", ElectronicBase, 1.4.2019. [Online]. Saatavilla: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Käytetty: 04.12.2020].

[9]”Ei-invertoiva operaatiovahvistin-kääntämätön op-vahvistin”, Elektroniikan perusoppaat, 06.11.2020. [Online]. Saatavilla: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Käytetty: 04.12.2020].

[10] E. Sengpiel, "Laskenta: Vahvistus (vahvistus) ja vaimennus (häviö) tekijänä (suhteena) desibeleihin (dB)", dB -laskin vahvistimen vahvistuksen ja vaimennuksen (häviön) kertoimelle desibelin dB -suhde - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Online]. Saatavilla: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Käytetty: 04.12.2020].

[11]”Alipäästösuodatin-passiivisen RC-suodattimen opetusohjelma”, Elektroniikan perusopetusohjelmat, 1.5.2020. [Online]. Saatavilla: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Käytetty: 04.12.2020].

[12] O. H. Instructables,”Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit”, Instructables, 2.4.2018. [Online]. Saatavilla: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Käytetty: 04.12.2020].

[13] Brent Cornell, "Elektrokardiografia", BioNinja. [Online]. Saatavilla: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Käytetty: 04.12.2020].