Südamlik EKG: 7 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:45

Abstraktne

EKG või elektrokardiogramm on tavaliselt kasutatav meditsiiniseade, mida kasutatakse südame elektriliste signaalide salvestamiseks. Neid on lihtne valmistada kõige elementaarsemal kujul, kuid kasvuruumi on palju. Selle projekti jaoks kavandati ja simuleeriti LTSpice'is EKG. EKG-l oli kolm komponenti: mõõteriistade võimendi, madalpääsfilter ja lõpuks mitte-inverteeriv võimendi. See pidi tagama, et suhteliselt nõrkast biosignaali allikast ja filtrist vooluringi müra eemaldamiseks tuleb piisavalt kasu. Simulatsioonid näitasid, et ahela iga komponent toimis edukalt, nagu ka kõigi kolme komponendiga integreeritud ahel. See näitab, et see on elujõuline viis EKG -ahela loomiseks. Seejärel uurisime EKG täiustamise tohutut potentsiaali.

Samm: sissejuhatus/taust

Südame elektriliste signaalide registreerimiseks kasutatakse EKG -d või elektrokardiogrammi. See on üsna tavaline ja valutu test, mida kasutatakse südameprobleemide avastamiseks ja südame tervise jälgimiseks. Neid tehakse arstikabinetides - kas kliinikutes või haiglaruumides ning need on operatsioonisaalide ja kiirabiautode standardmasinad [1]. Need võivad näidata, kui kiiresti süda lööb, kas rütm on regulaarne või mitte, samuti südame eri osi läbivate elektriliste impulsside tugevust ja ajastust. Ligikaudu 12 (või vähem) elektroodi on kinnitatud nahale rinnal, kätel ja jalgadel ning ühendatud masinaga, mis loeb impulsse ja graafikutab neid [2]. Kaheteistkümne juhtmega EKG-l on 10 elektroodi (kokku 12 südame vaadet). 4-juhtmeline läheb jäsemetele. Kaks randmel ja kaks pahkluudel. Viimased 6 juhtimist lähevad torsole. V1 läheb 4. roietevahelisse ruumi rinnaku paremal, samas kui V2 on samal joonel, kuid rinnaku vasakul. V3 asetatakse poolele V2 ja V4 vahele, V5 läheb eesmisele aksillaarjoonele samal tasemel kui V4 ja V6 läheb samal tasapinnalisele joonele [3].

Selle projekti eesmärk on kavandada, simuleerida ja kontrollida analoogsignaali hankimise seadet - antud juhul elektrokardiogrammi. Kuna keskmine pulss on 72, kuid puhkeolekus võib see langeda isegi 90 -ni, võib mediaani pidada umbes 60 löögiks minutis, andes pulsi põhisageduse 1 Hz. Südame löögisagedus võib olla vahemikus 0,67 kuni 5 Hz (40 kuni 300 lööki minutis). Iga signaal koosneb lainest, mida saab tähistada kui P, QRS -kompleksi ja laine T -osa. P -laine töötab umbes 0,67–5 Hz juures, QRS -kompleks on umbes 10–50 Hz ja T -laine on umbes 1–7 Hz [4]. Kaasaegses EKG -s on masinõpe [5], kus rütmihäireid jms saab masin ise klassifitseerida. Lihtsuse huvides on sellel EKG -l ainult kaks elektroodi - positiivne ja negatiivne.

2. samm: meetodid ja materjalid

Projekteerimise alustamiseks kasutati arvutit nii uurimiseks kui ka modelleerimiseks. Kasutatav tarkvara oli LTSpice. Esiteks tehti analoog -EKG skemaatilise kujunduse jaoks uuringud, et näha, millised on praegused disainilahendused ja kuidas neid kõige paremini uudseks kujunduseks rakendada. Peaaegu kõik allikad said alguse instrumentaalse võimendiga. See võtab kaks sisendit - igast elektroodist. Pärast seda valiti üle 50 Hz signaalide eemaldamiseks madalpääsfilter, kuna elektriliini müra on umbes 50–60 Hz [6]. Pärast seda oli signaali võimendamiseks mitteinverteeriv võimendi, kuna biosignaalid on üsna väikesed.

Esimene komponent oli mõõteriistade võimendi. Sellel on kaks sisendit, üks positiivse ja teine negatiivse elektroodi jaoks. Mõõteseadmete võimendit kasutati spetsiaalselt vooluahela kaitsmiseks sissetuleva signaali eest. Seal on kolm universaalset op-võimendit ja 7 takistit. Kõik takistid peale R4 (Rgain) on sama takistusega. Instrumentvõimendi võimendust saab manipuleerida järgmise võrrandiga: A = 1 + (2RRgain) [7] Võimenduseks valiti 50, kuna biosignaalid on väga väikesed. Takistid valiti kasutamise hõlbustamiseks suuremaks. Arvutused järgivad seda võrrandikomplekti, et saada R = 5000Ω ja Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRagan) 50 2 * 5000200

Järgmine kasutatav komponent oli üle 50 Hz sageduste eemaldamiseks madalpääsfilter, mis hoiab selles sagedusvahemikus ainult PQRST -laine ja minimeerib müra. Allpool on näidatud madalpääsfiltri võrrand: fc = 12RC [8] Kuna väljalülitamise valitud sagedus oli 50 Hz ja takistiks valiti 1 kΩ, annavad arvutused kondensaatori väärtuse 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C.

Kolmas komponent EKG-s oli mitteinverteeriv võimendi. Selle eesmärk on tagada, et signaal on piisavalt suur enne (potentsiaalselt) ülekandmist analoog -digitaalmuundurile. Mitteinverteeriva võimendi võimendus on näidatud allpool: A = 1 + R2R1 [9] Nagu enne võimenduse valimist 50, suurendatakse lõppsignaali amplituudi. Takisti arvutused on järgmised, kusjuures üks takisti on valitud 10000Ω, mis annab teise takisti väärtuseks 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Skeemi testimiseks viidi läbi analüüsid iga komponendi ja seejärel lõpliku üldskeemi kohta. Teine simulatsioon oli vahelduvvooluanalüüs, oktaavipühkimine, 100 punkti oktaavi kohta ja sageduste 1 kuni 1000 Hz läbimine.

3. samm: tulemused

Vooluahela testimiseks viidi läbi oktaavipühkimine, 100 punkti ühe oktaavi kohta, alustades sagedusega 1 Hz ja jätkates kuni 1000 Hz. Sisendiks oli sinusoidaalne kõver, mis kujutab endast EKG laine tsüklilist olemust. Selle alalisvoolu nihe oli 0, amplituud 1, sagedus 1 Hz, T -viivitus 0, teeta (1/s) 0 ja phi (deg) 90. Sageduseks määrati 1, kuna keskmine pulsi saab seada umbes 60 lööki minutis, mis on 1 Hz.

Nagu jooniselt 5 näha, oli sinine sisend ja punane väljund. Nagu eespool näha, oli selgelt suur kasu.

Madalpääsfilter oli seadistatud 50 Hz -le, et eemaldada elektriliini müra potentsiaalses EKG -rakenduses. Kuna see ei kehti siin, kus signaal on 1 Hz juures konstantne, on väljund sama mis sisend (joonis 6).

Väljund - sinisega näidatud - on rohelisega näidatud sisendiga võrreldes selgelt võimendatud. Lisaks, kuna siinuskõverate tipud ja orud langevad kokku, näitab see, et võimendi ei olnud inverteeriv (joonis 7).

Joonis 8 näitab kõiki kõveraid koos. See näitab selgelt signaali manipuleerimist, lähtudes väikesest signaalist, võimendades seda kaks korda ja filtreerides (kuigi filtreerimine ei mõjuta seda konkreetset signaali).

Kasutades võimenduse ja katkestussageduse võrrandeid [10, 11], määrati katseväärtused graafikute põhjal. Madalpääsfiltril oli kõige vähem viga, samas kui mõlemad võimendid hõljusid umbes 10% veaga (tabel 1).

4. samm: arutelu

Näib, et skeem teeb seda, mida ta peaks tegema. See võttis etteantud signaali, võimendas seda, siis filtreeris ja seejärel võimendas uuesti. Nagu öeldud, on see väga „väike” disain, mis koosneb ainult mõõteriistade võimendist, madalpääsfiltrist ja mitte-inverteerivast filtrist. Vaatamata lugematule hulgale tundidele veebis surfamiseks sobiva allika jaoks ei olnud EKG -allikat selgelt sisestatud. Kahjuks, kuigi see ei õnnestunud, oli patulaine signaali tsüklilise olemuse sobiv asendaja.

Valitud komponendid võivad olla veaallikas teoreetilise ja võimendus- ja madalpääsfiltri tegeliku väärtuse osas. Kuna kasutatud võrranditele on takistuste suhe lisatud 1 -le, jäeti see arvutuste tegemisel tähelepanuta. Seda saab teha, kui kasutatavad takistid on piisavalt suured. Kuigi valitud takistid olid suured, loob asjaolu, et seda ei võetud arvutustesse, väike veamäär. San Jose osariigi ülikooli teadlased kavandasid EKG spetsiaalselt südame -veresoonkonna haiguste diagnoosimiseks. Nad kasutasid instrumendivõimendit, esimese järgu aktiivset kõrgpääsfiltrit, viienda järgu aktiivset Besseli madalpääsu täiteainet ja kahekordse aktiivse sälguga filtrit [6]. Nad jõudsid järeldusele, et kõigi nende komponentide kasutamine tingis inimeselt saadud toore EKG laine eduka konditsioneerimise. Veel üks lihtsa EKG vooluahela mudel, mille tegi Orlando Hoilett Purdue ülikoolis, koosnes ainult instrumendivõimendist. Väljund oli selge ja kasutatav, kuid soovitati, et konkreetsete rakenduste puhul oleksid muudatused paremad - nimelt võimendid, ribalaiuse filtrid ja 60 Hz sälgufilter elektriliini müra eemaldamiseks. See näitab, et kuigi selline EKG ülesehitus ei ole kõikehõlmav, pole see kõige lihtsam meetod EKG signaali vastuvõtmiseks.

Samm: tulevane töö

See EKG disain nõuab enne praktilisse seadmesse panemist veel mõnda asja. Ühe jaoks soovitasid 60 Hz sälgufiltrit mitmed allikad ja kuna siin ei olnud elektriliinimüra, millega tegeleda, siis seda simulatsiooni ei rakendatud. Nagu öeldud, kui see on füüsilisse seadmesse tõlgitud, oleks kasulik lisada sälkfilter. Lisaks võib madalpääsfiltri asemel paremini töötada ribalaiuse filtri abil, et paremini kontrollida filtreeritavaid sagedusi. Jällegi, simulatsioonis sellist probleemi ei tule, kuid see ilmneb füüsilises seadmes. Pärast seda vajaks EKG andmete kogumiseks ning vaatamiseks ja kasutamiseks arvutisse voolamiseks analoog -digitaalmuundurit ja tõenäoliselt vaarika pi sarnast seadet. Täiendavateks täiustusteks oleks rohkemate juhtmete lisamine, võib -olla alustades 4 jäseme juhtmest ja lõpetades kõigi 10 juhtmega, et saada südame 12 -lüliline diagramm. Kasuks tuleks ka parem kasutajaliides - võib -olla puuteekraaniga, et meditsiinitöötajad saaksid hõlpsasti juurde pääseda EKG väljundi teatud osadele ja keskenduda neile.

Edasised sammud hõlmavad masinõpet ja tehisintellekti rakendamist. Arvuti peaks olema võimeline hoiatama meditsiinitöötajaid - ja võib -olla ka neid ümbritsevaid -, et on tekkinud arütmia või muu sarnane. Siinkohal peab arst diagnoosi panemiseks üle vaatama EKG väljundi - kuigi tehnikud on koolitatud neid lugema, ei saa nad kohapeal ametlikku diagnoosi panna. Kui esmaabi saanud EKG -l on täpne diagnoos, võib see võimaldada kiiremat ravi. See on eriti oluline maapiirkondades, kus võib kuluda kuni tund, enne kui patsient, kes ei saa endale lubada kopterisõitu, haiglasse jõuab. Järgmine etapp oleks defibrillaatori lisamine EKG masinale. Seejärel saab ta arütmia tuvastamisel välja selgitada šoki jaoks sobiva pinge ja - arvestades, et põrutuspadjad on paigutatud - proovida patsienti siinusrütmi tagasi viia. See oleks kasulik haiglakeskkonnas, kus patsiendid on juba ühendatud erinevate masinatega ja kui meditsiinitöötajaid ei ole piisavalt, et kohe abi osutada, võiks kõik ühes südameseade selle eest hoolitseda, säästes sellega elu päästmiseks vajalikku väärtuslikku aega.

6. samm: järeldus

Selles projektis kavandati edukalt EKG -ahel ja simuleeriti seda LTSpice abil. See koosnes mõõteriistade võimendist, madalpääsfiltrist ja signaali konditsioneerimiseks mitte-inverteerivast võimendist. Simulatsioon näitas, et kõik kolm komponenti töötasid nii individuaalselt kui ka koos, kui need olid ühendatud integraallülituse jaoks. Iga võimendi võimendus oli 50, seda kinnitavad LTSpice'i simulatsioonid. Madalpääsfiltri katkestussagedus oli 50 Hz, et vähendada elektriliinide müra ning naha ja liikumise esemeid. Kuigi see on väga väike EKG -ahel, saab teha palju parandusi, alates filtri või kahe lisamisest kuni kõik ühes südameseadmesse, mis võib võtta EKG -d, seda lugeda ja pakkuda viivitamatut ravi.

Samm 7: Viited

Viited

[1] “Elektrokardiogramm (EKG või EKG),” Mayo kliinik, 9. aprill 2020. [Internetis]. Saadaval: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Kasutatud: 04-Dec-2020].

[2] "Elektrokardiogramm", riiklik südame kopsu- ja vereinstituut. [Internetis]. Kättesaadav: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Kasutatud: 04-Dec-2020].

[3] A. Randazzo, “Ultimate 12-lead EKG paigutuse juhend (illustratsioonidega)”, Prime Medical Training, 11. november-2019. [Internetis]. Saadaval: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Kasutatud: 04-Dec-2020].

[4] C. Watford, “Understanding EKG Filtering”, EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Saadaval: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Kasutatud: 04-Dec-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher ja AA Armoundas, „Kõrgtehnoloogilised masinõppe tehnikad, mille eesmärk on parandada südame -veresoonkonna süsteemi patsientide tulemusi”, American Heart Association, kd. 9, ei. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, „EKG -anduriringide disain südame -veresoonkonna haiguste diagnoosimiseks”, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, kd. 2, ei. 4, 2017.

[7] "Instrumentation Amplifier väljundpinge kalkulaator", ncalculators.com. [Internetis]. Saadaval: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Kasutatud: 04-Dec-2020].

[8] Madalpääsfiltrite kalkulaator, ElectronicBase, 01.04.2019. [Internetis]. Saadaval: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Kasutatud: 04-Dec-2020].

[9] „Mitteinverteeriv töövõimendi-mitteinverteeriv op-võimendi”, Elektroonika põhijuhendid, 06-november-2020. [Internetis]. Saadaval: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Kasutatud: 04-Dec-2020].

[10] E. Sengpiel, „Arvutamine: võimendus (võimendus) ja summutamine (kaotus) tegurina (suhtarvuna) detsibellides (dB),” dB kalkulaator helivõimendi arvutuse võimenduse võimenduse ja summutusteguri (kadu) teguriks detsibell dB suhe - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Internetis]. Saadaval: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Kasutatud: 04-Dec-2020].

[11] „Madalpääsfilter-passiivse RC-filtri õpetus”, Elektroonika põhijuhendid, 01. mai 2020. [Internetis]. Saadaval: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Kasutatud: 04-Dec-2020].

[12] O. H. Instructables, “Super Simple Electrocardiogram (EKG) Circuit”, Instructables, 02-Apr-2018. [Internetis]. Saadaval: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Kasutatud: 04-Dec-2020].

[13] Brent Cornell, "Elektrokardiograafia", BioNinja. [Internetis]. Kättesaadav: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Kasutatud: 04-Dec-2020].