A Heartful EKG: 7 Steps

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Abstrakt

EKG alebo elektrokardiogram je bežne používané zdravotnícke zariadenie, ktoré sa používa na zaznamenávanie elektrických signálov srdca. Dajú sa ľahko vyrobiť v najzákladnejšej forme, ale je tu veľa priestoru na rast. Pre tento projekt bolo navrhnuté a simulované EKG na LTSpice. EKG malo tri komponenty: prístrojový zosilňovač, dolnopriepustný filter a nakoniec neinvertujúci zosilňovač. To malo zaistiť dostatočný zisk prichádzajúci z relatívne slabého zdroja biosignálu, ako aj z filtra na odstránenie šumu v obvode. Simulácie ukázali, že každá zložka obvodu fungovala úspešne, rovnako ako celkový integrovaný obvod so všetkými tromi komponentmi. To ukazuje, že je to životaschopný spôsob vytvorenia obvodu EKG. Potom sme preskúmali obrovský potenciál vylepšení EKG.

Krok 1: Úvod/Pozadie

Na zaznamenanie elektrických signálov srdca sa používa EKG alebo elektrokardiogram. Je to celkom bežný a bezbolestný test, ktorý sa používa na detekciu srdcových problémov a monitorovanie srdcového zdravia. Vykonávajú sa v lekárskych ordináciách - buď na klinikách, alebo v nemocničných izbách, a ide o štandardné stroje na operačných sálach a v ambulanciách [1]. Môžu ukázať, ako rýchlo srdce bije, či je rytmus pravidelný alebo nie, ako aj silu a načasovanie elektrických impulzov prechádzajúcich rôznymi časťami srdca. Asi 12 elektród (alebo menej) je prichytených na koži na hrudníku, rukách a nohách a je spojených so strojom, ktorý číta impulzy a zobrazuje ich v grafoch [2]. Dvanásťvodičové EKG má 10 elektród (aby poskytlo celkom 12 zobrazení srdca). 4vodičové vedenie na končatinách. Dve na zápästí a dve na členkoch. Posledných 6 vedení ide na trup. V1 pokračuje vo 4. medzirebrovom priestore napravo od hrudnej kosti, zatiaľ čo V2 je na rovnakej čiare, ale vľavo od hrudnej kosti. V3 je umiestnený uprostred medzi V2 a V4, V5 ide na prednej axilárnej línii na rovnakej úrovni ako V4 a V6 na midaxilárnej línii na rovnakej úrovni [3].

Cieľom tohto projektu je navrhnúť, simulovať a overiť zariadenie na získavanie analógového signálu - v tomto prípade elektrokardiogram. Pretože priemerná srdcová frekvencia je 72, ale v pokoji môže ísť až na 90, môže byť medián považovaný za približne 60 úderov za minútu, čo predstavuje základnú frekvenciu 1 Hz pre srdcový tep. Srdcová frekvencia sa môže pohybovať od približne 0,67 do 5 Hz (40 až 300 úderov za minútu). Každý signál pozostáva z vlny, ktorú je možné označiť ako komplex P, QRS, a časti T vlny. Vlna P prebieha približne 0,67 - 5 Hz, komplex QRS má približne 10 - 50 Hz a vlna T približne 1 - 7 Hz [4]. Súčasný stav techniky EKG má strojové učenie [5], kde arytmie a podobne môže klasifikovať samotný prístroj. Pre zjednodušenie bude mať toto EKG iba dve elektródy - pozitívnu a negatívnu.

Krok 2: Metódy a materiály

Na začiatku návrhu bol počítač použitý na výskum a modelovanie. Použitý softvér bol LTSpice. Po prvé, na navrhnutie schémy analógového EKG sa vykonal výskum s cieľom zistiť, aké sú súčasné návrhy a ako ich najlepšie implementovať do nového dizajnu. Skoro všetky zdroje začali na začiatku zosilňovačom prístrojov. Zaberá dva vstupy - z každej z elektród. Potom bol zvolený dolnopriepustný filter na odstránenie signálov nad 50 Hz, pretože hluk elektrického vedenia je asi 50-60 Hz [6]. Potom bol neinvertujúci zosilňovač na zosilnenie signálu, pretože biosignály sú dosť malé.

Prvým komponentom bol prístrojový zosilňovač. Má dva vstupy, jeden pre kladnú a jeden pre zápornú elektródu. Zosilňovač prístrojov bol použitý špeciálne na ochranu obvodu pred prichádzajúcim signálom. Existujú tri univerzálne operačné zosilňovače a 7 rezistorov. Všetky odpory okrem R4 (Rgain) majú rovnaký odpor. Zisk zosilňovača prístrojov je možné manipulovať pomocou nasledujúcej rovnice: A = 1 + (2RRgain) [7] Zisk bol zvolený ako 50, pretože biosignály sú veľmi malé. Rezistory boli vybrané tak, aby boli väčšie, aby sa uľahčilo používanie. Výpočty potom nasledujú podľa tejto sady rovníc, pričom R = 5000Ω a Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2R zisk) 50 2 * 5000200

Ďalším použitým komponentom bol dolnopriepustný filter na odstránenie frekvencií nad 50 Hz, ktorý v tomto frekvenčnom rozsahu udrží iba vlnu PQRST a minimalizuje šum. Rovnica pre dolnopriepustný filter je uvedená nižšie: fc = 12RC [8] Pretože zvolená frekvencia pre prerušenie bola 50 Hz a odpor bol zvolený ako 1 kΩ, výpočty poskytujú hodnotu kondenzátora 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Treťou zložkou na EKG bol neinvertujúci zosilňovač. To má zaistiť, aby bol signál dostatočne veľký (potenciálne) pred prenosom do analógovo -digitálneho prevodníka. Zisk neinvertujúceho zosilňovača je uvedený nižšie: A = 1 + R2R1 [9] Rovnako ako predtým bol zisk zvolený na 50, aby sa zvýšila amplitúda konečného signálu. Výpočty pre odpor sú nasledovné, pričom jeden odpor je zvolený ako 10 000 Ω, pričom druhá hodnota odporu je 200 Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Na testovanie schémy boli spustené analýzy pre každý komponent a potom pre konečnú celkovú schému. Druhá simulácia bola striedavá analýza, oktávový cyklus, so 100 bodmi na oktávu a behom frekvencií 1 až 1 000 Hz.

Krok 3: Výsledky

Na testovanie obvodu bolo vykonané zametanie oktávy so 100 bodmi na oktávu, počínajúc frekvenciou 1 Hz a pokračujúce až do frekvencie 1000 Hz. Vstupom bola sínusová krivka, ktorá mala predstavovať cyklickú povahu vlny EKG. Mal offset DC 0, amplitúdu 1, frekvenciu 1 Hz, oneskorenie T 0, theta (1/s) 0 a phi (deg) 90. Frekvencia bola nastavená na 1, pretože priemer srdcovú frekvenciu je možné nastaviť na približne 60 úderov za minútu, čo je 1 Hz.

Ako je vidieť na obrázku 5, modrá bola vstupom a červená bola výstupom. Ako bolo uvedené vyššie, tu očividne došlo k obrovskému zisku.

Dolnopriepustný filter bol nastavený na 50 Hz, aby sa odstránil šum elektrického vedenia v potenciálnej aplikácii EKG. Pretože to neplatí tu, kde je signál konštantný pri 1 Hz, výstup je rovnaký ako vstup (obrázok 6).

Výstup - zobrazený modrou farbou - je v porovnaní so vstupom zobrazeným zelenou farbou zreteľne zosilnený. Navyše, pretože vrcholy a údolia sínusových kriviek sa zhodujú, ukazuje to, že zosilňovač skutočne nebol invertujúci (obrázok 7).

Obrázok 8 zobrazuje všetky krivky dohromady. Jasne ukazuje manipuláciu signálu, vychádzajúceho z malého signálu, dvakrát zosilneného a filtrovaného (aj keď filtrácia nemá žiadny vplyv na tento konkrétny signál).

Použitím rovníc pre zisk a medznú frekvenciu [10, 11] boli experimentálne hodnoty určené z grafov. Najmenšiu chybu mal dolnopriepustný filter, zatiaľ čo oba zosilňovače sa vznášali s chybou asi 10% (tabuľka 1).

Krok 4: Diskusia

Zdá sa, že schéma robí to, čo má. Zobralo daný signál, zosilnilo ho, potom ho prefiltrovalo a potom znova zosilnilo. Ako už bolo povedané, je to veľmi „malý“dizajn, ktorý pozostáva iba z prístrojového zosilňovača, dolnopriepustného filtra a neinvertujúceho filtra. Napriek nespočetným hodinám hľadania správneho zdroja na webe nebol žiadny jasný zdroj zdroja EKG. Bohužiaľ, aj keď to nefungovalo, vlna hriechu bola vhodnou náhradou za cyklickú povahu signálu.

Zdrojom chyby, pokiaľ ide o teoretickú a skutočnú hodnotu zisku a dolného priepustného filtra, môžu byť zvolené komponenty. Pretože pri rovniciach bol pomer odporov pripočítaný k 1, pri výpočtoch sa táto rovnica zanedbávala. To sa dá urobiť, ak sú použité odpory dostatočne veľké. Aj keď boli zvolené odpory veľké, skutočnosť, že ten nebol zahrnutý do výpočtov, vytvorí malú chybovú odchýlku. Vedci zo Štátnej univerzity v San Jose v San Jose CA navrhli EKG špeciálne na diagnostiku kardiovaskulárnych chorôb. Použili prístrojový zosilňovač, aktívny hornopriepustný filter 1. rádu, aktívny Besselov dolný priechod 5. rádu a aktívny zárezový filter twin-t [6]. Dospeli k záveru, že použitie všetkých týchto zložiek viedlo k úspešnému kondicionovaniu surovej vlny EKG od ľudského subjektu. Ďalší model jednoduchého obvodu EKG, ktorý urobil Orlando Hoilett z Purdue University, pozostával výlučne z prístrojového zosilňovača. Výstup bol jasný a použiteľný, ale bolo odporúčané, aby pre konkrétne aplikácie boli zmeny lepšie - menovite zosilňovače, pásmové filtre a 60 Hz zárezový filter na odstránenie šumu elektrického vedenia. To ukazuje, že tento dizajn EKG, aj keď nie je všeobjímajúci, nie je najjednoduchším spôsobom zachytávania signálu EKG.

Krok 5: Budúca práca

Tento návrh EKG by pred vložením do praktického zariadenia vyžadoval ešte niekoľko vecí. Pre jeden bol 60 Hz zárezový filter odporúčaný niekoľkými zdrojmi a keďže tu nebol žiadny hluk elektrického vedenia, ktorý by bolo potrebné riešiť, nebol do simulácie implementovaný. To znamená, že akonáhle je to preložené do fyzického zariadenia, bolo by užitočné pridať zárezový filter. Navyše, namiesto dolnopriepustného filtra môže byť lepšie fungovať s pásmovým filtrom, ktorý bude mať väčšiu kontrolu nad filtrovanými frekvenciami. V simulácii sa tento druh problému nevyskytuje, ale vyskytuje sa vo fyzickom zariadení. Potom bude EKG vyžadovať analógovo -digitálny prevodník a pravdepodobne zariadenie podobné malinovému pí na zhromažďovanie údajov a ich streamovanie do počítača na zobrazenie a používanie. Ďalším zlepšením by bolo pridanie ďalších zvodov, pravdepodobne začínajúc 4 končatinovými zvodmi a postupnými postupmi pre všetkých 10 zvodov pre diagram 12 zvodov srdca. Prospešné by bolo aj lepšie používateľské rozhranie - možno s dotykovým displejom, aby mal lekársky odborník ľahký prístup k určitým častiam výstupu EKG a mohol sa na ne zamerať.

Ďalšie kroky by zahŕňali strojové učenie a implementáciu AI. Počítač by mal byť schopný upozorniť zdravotnícky personál - a možno aj tých okolo -, že došlo k arytmii alebo podobne. V tomto mieste musí lekár skontrolovať výstup EKG a stanoviť diagnózu - hoci sú technici školení na to, aby ich čítali, nemôžu v teréne stanoviť oficiálnu diagnózu. Ak majú EKG používané prvými respondentmi presnú diagnózu, mohlo by to umožniť rýchlejšiu liečbu. Toto je obzvlášť dôležité vo vidieckych oblastiach, kde môže trvať hodinu, kým sa pacient, ktorý si nemôže dovoliť cestu helikoptérou, dostať do nemocnice. Ďalšou fázou bude pridanie defibrilátora k samotnému prístroju na vyšetrenie EKG. Potom, keď zistí arytmiu, môže zistiť správne napätie pre šok a - vzhľadom na to, že boli umiestnené tlmiče - sa môže pokúsiť dostať pacienta späť do sínusového rytmu. To by bolo užitočné v nemocničnom prostredí, kde sú pacienti už napojení na rôzne stroje a ak nie je dostatok zdravotníckeho personálu na okamžité poskytnutie starostlivosti, mohol by sa o to postarať prístroj typu všetko v jednom, čím by sa ušetril drahocenný čas potrebný na záchranu života..

Krok 6: Záver

V tomto projekte bol úspešne navrhnutý obvod EKG a potom simulovaný pomocou LTSpice. Skladal sa z prístrojového zosilňovača, dolnopriepustného filtra a neinvertujúceho zosilňovača na úpravu signálu. Simulácia ukázala, že všetky tri komponenty pracovali jednotlivo aj spoločne v kombinácii pre celkový integrovaný obvod. Každý zosilňovač mal zosilnenie 50, čo potvrdili simulácie spustené na LTSpice. Dolný priepustný filter mal medznú frekvenciu 50 Hz, aby sa znížil hluk z elektrického vedenia a artefakty z pokožky a pohybu. Aj keď je to veľmi malý obvod EKG, je možné vykonať množstvo vylepšení, od pridania filtra alebo dvoch až po zariadenie srdca v jednom, ktoré dokáže snímať EKG, čítať ho a poskytnúť okamžité ošetrenie.

Krok 7: Referencie

Referencie

[1] „Elektrokardiogram (EKG alebo EKG)“, klinika Mayo, 9. apríla 2020. [Online]. K dispozícii: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Prístup: 04-Dec-2020].

[2] „Elektrokardiogram“, Národný ústav srdca a pľúc. [Online]. K dispozícii: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Prístup: 04-Dec-2020].

[3] A. Randazzo, „Ultimate 12-Lead ECG Placement Guide (With Illustrations)“, Prime Medical Training, 11. novembra 2019. [Online]. K dispozícii: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Prístup: 04-Dec-2020].

[4] C. Watford, „Understanding ECG Filtering“, EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Dostupné: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Prístup: 04-Dec-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher a AA Armoundas, „Najmodernejšie techniky strojového učenia zamerané na zlepšenie výsledkov pacientov týkajúcich sa kardiovaskulárneho systému“, Journal of the American Heart Association, roč. 9, č. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, „Návrh obvodu snímača EKG na diagnostiku kardiovaskulárnych chorôb“, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, roč. 2, č. 4, 2017.

[7] „Kalkulačka výstupného napätia zosilňovača prístrojov“, ncalculators.com. [Online]. K dispozícii: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Prístup: 04-Dec-2020].

[8] „Kalkulačka dolných priepustných filtrov“, ElectronicBase, 1. apríla 2019. [Online]. K dispozícii: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Prístup: 04-Dec-2020].

[9] „Neinvertujúci operačný zosilňovač-neinvertujúci operačný zosilňovač“, Návody pre základnú elektroniku, 6. novembra 2020. [Online]. K dispozícii: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Prístup: 04-Dec-2020].

[10] E. Sengpiel, „Výpočet: Zosilnenie (zosilnenie) a tlmenie (strata) ako faktor (pomer) k úrovni v decibeloch (dB)“, kalkulačka dB pre zosilnenie a faktor tlmenia (straty) výpočtu zvukového zosilňovača pomer decibelov dB - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Online]. K dispozícii: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Prístup: 04-Dec-2020].

[11] „Low Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial,“Basic Electronics Tutorials, 01-May-2020. [Online]. K dispozícii: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Prístup: 04-Dec-2020].

[12] O. H. Inštrukcie, „Super jednoduchý elektrokardiogramový (EKG) obvod,“pokyn, 2. apríla 2018. [Online]. K dispozícii: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Prístup: 04-Dec-2020].

[13] Brent Cornell, „Elektrokardiografia“, BioNinja. [Online]. Dostupné: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Prístup: 04-Dec-2020].