Širdinga EKG: 7 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

Anotacija

EKG arba elektrokardiograma yra dažniausiai naudojamas medicinos prietaisas, naudojamas širdies elektriniams signalams registruoti. Juos nesunku padaryti pačia paprasčiausia forma, tačiau yra daug erdvės augimui. Šiam projektui buvo sukurta ir imituota EKG naudojant „LTSpice“. EKG turėjo tris komponentus: prietaisų stiprintuvą, žemo dažnio filtrą ir galiausiai neinvertuojantį stiprintuvą. Taip buvo užtikrinta, kad iš gana silpno biosignalo šaltinio gaunamas pakankamas pelnas, taip pat filtras, pašalinantis triukšmą grandinėje. Modeliavimas parodė, kad kiekvienas grandinės komponentas sėkmingai veikė, kaip ir visas integruotas grandynas su visais trimis komponentais. Tai rodo, kad tai yra perspektyvus būdas sukurti EKG grandinę. Tada mes ištyrėme didžiulį EKG patobulinimų potencialą.

1 žingsnis: Įvadas/pagrindai

Širdies elektriniams signalams registruoti naudojama EKG arba elektrokardiograma. Tai gana dažnas ir neskausmingas testas, naudojamas širdies problemoms aptikti ir širdies sveikatai stebėti. Jie atliekami gydytojų kabinetuose - klinikose arba ligoninių patalpose ir yra standartinės mašinos operacinėse ir greitosios pagalbos automobiliuose [1]. Jie gali parodyti, kaip greitai plaka širdis, ar ritmas yra reguliarus, ar ne, taip pat elektros impulsų, einančių per skirtingas širdies dalis, stiprumą ir laiką. Apie 12 (ar mažiau) elektrodų yra pritvirtinta prie krūtinės, rankų ir kojų odos ir prijungta prie mašinos, kuri skaito impulsus ir juos grafikuoja [2]. Dvylikos laidų EKG turi 10 elektrodų (iš viso 12 širdies vaizdų). 4 laidai eina ant galūnių. Du ant riešų ir du ant kulkšnių. Paskutiniai 6 laidai eina ant liemens. V1 eina ketvirtąja tarpšonkauline erdve į dešinę nuo krūtinkaulio, o V2 yra toje pačioje linijoje, bet kairėje krūtinkaulio dalyje. V3 yra viduryje tarp V2 ir V4, V5 eina ties priekine pažasties linija tame pačiame lygyje, kaip ir V4, o V6 eina tarpakario linija tame pačiame lygyje [3].

Šio projekto tikslas yra suprojektuoti, imituoti ir patikrinti analoginio signalo gavimo įrenginį - šiuo atveju elektrokardiogramą. Kadangi vidutinis širdies susitraukimų dažnis yra 72, tačiau ramybės būsenoje jis gali nukristi iki 90, mediana gali būti laikoma maždaug 60 dūžių per minutę, o širdies susitraukimų dažnis yra 1 Hz. Širdies ritmas gali svyruoti nuo maždaug 0,67 iki 5 Hz (nuo 40 iki 300 dūžių per minutę). Kiekvienas signalas susideda iš bangos, kuri gali būti pažymėta kaip P, QRS kompleksas ir T dalis prie bangos. P banga veikia apie 0,67 - 5 Hz, QRS kompleksas - apie 10-50 Hz, o T banga - apie 1 - 7 Hz [4]. Šiuolaikinėje EKG yra mašinų mokymasis [5], kai aritmijas ir pan. Gali klasifikuoti pats aparatas. Kad būtų paprasčiau, ši EKG turės tik du elektrodus - teigiamą ir neigiamą.

2 žingsnis: metodai ir medžiagos

Norėdami pradėti projektuoti, kompiuteris buvo naudojamas tiek tyrimams, tiek modeliavimui. Naudota programinė įranga buvo „LTSpice“. Pirma, kuriant analoginės EKG schemą, buvo atlikti tyrimai, siekiant išsiaiškinti, kokie yra dabartiniai dizainai ir kaip geriausiai juos pritaikyti naujame dizaine. Beveik visi šaltiniai prasidėjo nuo prietaisų stiprintuvo. Tam reikia dviejų įėjimų - iš kiekvieno elektrodo. Po to buvo pasirinktas žemo dažnio filtras, skirtas pašalinti signalus virš 50 Hz, nes elektros linijos triukšmas yra apie 50–60 Hz [6]. Po to buvo neinvertinis stiprintuvas signalui sustiprinti, nes biosignalai yra gana maži.

Pirmasis komponentas buvo prietaisų stiprintuvas. Jame yra du įėjimai, vienas teigiamam ir vienas neigiamam elektrodui. Prietaisų stiprintuvas buvo naudojamas specialiai grandinei apsaugoti nuo gaunamo signalo. Yra trys universalūs stiprintuvai ir 7 rezistoriai. Visi rezistoriai, išskyrus R4 (Rgain), yra vienodo pasipriešinimo. Prietaisų stiprintuvo stiprinimas gali būti manipuliuojamas tokia lygtimi: A = 1 + (2RRgain) [7] Stiprinimas buvo pasirinktas kaip 50, nes biosignalai yra labai maži. Siekiant palengvinti naudojimą, rezistoriai buvo pasirinkti didesni. Tada skaičiavimai atliekami pagal šį lygčių rinkinį, kad R = 5000Ω ir Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Kitas naudojamas komponentas buvo žemo dažnio filtras, siekiant pašalinti aukštesnius nei 50 Hz dažnius, kurie išlaikys tik PQRST bangą šiame dažnių diapazone ir sumažins triukšmą. Žemo dažnio filtro lygtis parodyta žemiau: fc = 12RC [8] Kadangi pasirinktas išjungimo dažnis buvo 50 Hz, o rezistorius pasirinktas 1 kΩ, skaičiavimai duoda 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Trečias EKG komponentas buvo neinvertinis stiprintuvas. Taip siekiama užtikrinti, kad signalas būtų pakankamai didelis prieš (potencialiai) perkėlimą į analoginį į skaitmeninį keitiklį. Neinvertuojančio stiprintuvo stiprinimas parodytas žemiau: A = 1 + R2R1 [9] Kaip ir prieš tai, kai stiprinimas buvo pasirinktas kaip 50, kad padidėtų galutinio signalo amplitudė. Rezistoriaus skaičiavimai yra tokie, kai vienas rezistorius yra 10000Ω, o antroji rezistoriaus vertė yra 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Norėdami patikrinti schemą, buvo atlikta kiekvieno komponento analizė, o paskui - galutinė bendra schema. Antrasis modeliavimas buvo kintamosios srovės analizė, oktavos šlavimas, turintis 100 taškų už oktavą ir veikiantis nuo 1 iki 1000 Hz dažniu.

3 žingsnis: Rezultatai

Norėdami patikrinti grandinę, buvo atliktas oktavos šlavimas, po 100 taškų už oktavą, pradedant 1 Hz dažniu ir tęsiant iki 1000 Hz dažnio. Įvestis buvo sinusinė kreivė, kad būtų parodytas EKG bangos cikliškumas. Nuolatinės srovės poslinkis buvo 0, amplitudė 1, dažnis 1 Hz, T uždelsimas 0, teta (1/s) 0 ir phi (deg) 90. Dažnis nustatytas kaip 1, nes vid. širdies ritmą galima nustatyti apie 60 dūžių per minutę, tai yra 1 Hz.

Kaip matyti 5 paveiksle, mėlyna buvo įvestis, o raudona - išvestis. Akivaizdu, kad buvo didelis pelnas, kaip matyti aukščiau.

Žemo dažnio filtras buvo nustatytas į 50 Hz, kad pašalintų elektros linijos triukšmą galimoje EKG programoje. Kadangi tai netaikoma čia, kai signalas yra pastovus 1 Hz dažniu, išėjimas yra toks pat kaip įvestis (6 pav.).

Išvestis, parodyta mėlynai, yra aiškiai sustiprinta, palyginti su įvestimi, parodyta žalia spalva. Be to, kadangi sinusų kreivių smailės ir slėniai sutampa, tai rodo, kad stiprintuvas iš tikrųjų buvo neinvertuojantis (7 pav.).

8 paveiksle parodytos visos kreivės kartu. Tai aiškiai parodo, kaip manipuliuojama signalu, einančiu iš mažo signalo, sustiprinamas du kartus ir filtruojamas (nors filtravimas neturi jokio poveikio šiam konkrečiam signalui).

Naudojant stiprinimo ir ribinio dažnio lygtis [10, 11], eksperimentinės vertės buvo nustatytos iš brėžinių. Žemo dažnio filtras turėjo mažiausiai klaidų, o abu stiprintuvai pakilo apie 10% (1 lentelė).

4 žingsnis: diskusija

Atrodo, kad schema daro tai, ką turi daryti. Jis paėmė tam tikrą signalą, jį sustiprino, tada filtravo ir vėl sustiprino. Tai sakant, tai yra labai „maža“konstrukcija, kurią sudaro tik prietaisų stiprintuvas, žemo dažnio filtras ir neinvertuojantis filtras. Nepaisant daugybės valandų naršymo internete tinkamo šaltinio, nebuvo aiškaus EKG šaltinio įvesties. Deja, nors tai nepasiteisino, nuodėmės banga buvo tinkamas signalo cikliškumo pakaitalas.

Klaidų šaltinis, kai kalbama apie teorinę ir faktinę padidinimo ir žemo dažnio filtro vertę, gali būti pasirinkti komponentai. Kadangi naudojamoms lygtims pasipriešinimo santykis pridėtas prie 1, atliekant skaičiavimus, šis neatsižvelgė. Tai galima padaryti, jei naudojami rezistoriai yra pakankamai dideli. Nors pasirinkti rezistoriai buvo dideli, tai, kad vienas nebuvo įtrauktas į skaičiavimus, sukuria nedidelę paklaidą. San Chosė valstijos universiteto mokslininkai sukūrė specialiai širdies ir kraujagyslių ligų diagnostikai skirtą EKG. Jie naudojo instrumentinį stiprintuvą, 1-os eilės aktyvų aukšto dažnio filtrą, 5-os eilės aktyvų Bessel žemo dažnio užpildą ir dviejų t aktyvių išpjovų filtrą [6]. Jie padarė išvadą, kad naudojant visus šiuos komponentus buvo sėkmingai kondicionuota neapdorota žmogaus EKG banga. Kitas paprastos EKG grandinės modelis, kurį atliko Orlando Hoilett iš Purdue universiteto, sudarė tik prietaisų stiprintuvas. Išvestis buvo aiški ir tinkama naudoti, tačiau buvo rekomenduojama, kad tam tikroms reikmėms pakeitimai būtų geresni - būtent stiprintuvai, pralaidumo filtrai ir 60 Hz išpjovos filtras, pašalinantis elektros linijos triukšmą. Tai rodo, kad ši EKG konstrukcija, nors ir nėra visa apimanti, nėra pats paprasčiausias EKG signalo gavimo būdas.

5 žingsnis: būsimas darbas

Šiai EKG konstrukcijai prieš įdedant į praktišką prietaisą prireiks dar kelių dalykų. Viena vertus, 60 Hz išpjovos filtrą rekomendavo keli šaltiniai, ir kadangi čia nebuvo jokio elektros linijos triukšmo, jis nebuvo įtrauktas į modeliavimą. Be to, kai tai bus išversta į fizinį įrenginį, būtų naudinga pridėti išpjovos filtrą. Be to, vietoj žemo dažnio filtro gali būti geriau turėti dažnių juostos filtrą ir geriau kontroliuoti filtruojamus dažnius. Vėlgi, imituojant šią problemą neiškyla, tačiau ji atsirastų fiziniame įrenginyje. Po to, norint atlikti EKG, reikės analoginio skaitmeninio keitiklio ir greičiausiai įrenginio, panašaus į aviečių pi, kad būtų galima surinkti duomenis ir perduoti juos į kompiuterį, kad būtų galima peržiūrėti ir naudoti. Tolesni patobulinimai būtų pridėti daugiau laidų, galbūt pradedant nuo 4 galūnių laidų ir baigiant visais 10 laidų, kad būtų pateikta 12 širdies schema. Taip pat būtų naudinga geresnė vartotojo sąsaja - galbūt su jutikliniu ekranu, kad medicinos specialistai galėtų lengvai pasiekti tam tikras EKG išvesties dalis ir sutelkti dėmesį į jas.

Tolesni veiksmai apimtų mašinų mokymąsi ir AI diegimą. Kompiuteris turėtų sugebėti įspėti medicinos personalą - ir galbūt aplinkinius - apie aritmiją ar pan. Šiuo metu gydytojas, norėdamas nustatyti diagnozę, turi peržiūrėti EKG rezultatus - nors technikai yra išmokyti juos skaityti, jie negali nustatyti oficialios diagnozės vietoje. Jei EKG, kurį naudoja pirmieji gydytojai, yra tiksli diagnozė, tai gali padėti greičiau gydyti. Tai ypač svarbu kaimo vietovėse, kur gali užtrukti daugiau nei valandą, kol pacientas, negalintis sau leisti skristi sraigtasparniu, patenka į ligoninę. Kitas etapas būtų defibriliatoriaus pridėjimas prie paties EKG aparato. Tada, kai jis nustato aritmiją, jis gali išsiaiškinti tinkamą šoko įtampą ir, atsižvelgdamas į tai, kad buvo uždėtos amortizatoriai, gali bandyti sugrąžinti pacientą į sinusinį ritmą. Tai būtų naudinga ligoninėse, kai pacientai jau yra prijungti prie įvairių mašinų ir jei nepakanka medicinos personalo, kuris galėtų nedelsiant suteikti pagalbą, viskas viename širdies aparate galėtų tuo pasirūpinti, sutaupydama brangaus laiko, reikalingo gyvybei išgelbėti.

6 žingsnis: Išvada

Šiame projekte buvo sėkmingai suprojektuota EKG grandinė, o vėliau imituota naudojant „LTSpice“. Jį sudarė prietaisų stiprintuvas, žemo dažnio filtras ir neinvertuojantis stiprintuvas signalui kondicionuoti. Modeliavimas parodė, kad visi trys komponentai veikė atskirai ir kartu, kai jie buvo sujungti į visą integruotą grandinę. Kiekvienas stiprintuvas padidino 50, tai patvirtina LTSpice imitacijos. Žemo pralaidumo filtro išjungimo dažnis buvo 50 Hz, kad būtų sumažintas elektros linijų keliamas triukšmas ir odos bei judesių artefaktai. Nors tai labai maža EKG grandinė, galima daug ką patobulinti, pradedant nuo vieno ar dviejų filtrų pridėjimo ir baigiant „viskas viename“širdies aparatu, galinčiu atlikti EKG, jį nuskaityti ir nedelsiant suteikti gydymą.

7 žingsnis: nuorodos

Nuorodos

[1] „Elektrokardiograma (EKG arba EKG)“, Mayo klinika, 2020 m. Balandžio 9 d. [Prisijungęs]. Galima rasti: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 04 d.]

[2] „Elektrokardiograma“, Nacionalinis širdies plaučių ir kraujo institutas. [Prisijungęs]. Galima: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 04 d.]

[3] A. Randazzo, „Galutinis 12 laidų EKG išdėstymo vadovas (su iliustracijomis)“, „Prime Medical Training“, 2019 m. Lapkričio 11 d. [Prisijungęs]. Galima: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 04 d.]

[4] C. Watford, „Supratimas apie EKG filtravimą“, EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Galima: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 04 d.]

[5] RK Sevakula, WTM Au -Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher ir AA Armoundas, „Naujausios mašinų mokymosi technikos, kuriomis siekiama pagerinti pacientų rezultatus, susijusius su širdies ir kraujagyslių sistema“, Amerikos širdies asociacija, t. 9, ne. 4, 2020 m.

[6] W. Y. Du, „EKG jutiklių grandinės dizainas širdies ir kraujagyslių ligų diagnostikai“, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, t. 2, ne. 2017 m. 4 d.

[7] „Prietaisų stiprintuvo išėjimo įtampos skaičiuoklė“, ncalculators.com. [Prisijungęs]. Galima: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 04 d.]

[8] „Žemo dažnio filtrų skaičiuoklė“, „ElectronicBase“, 2019 m. Balandžio 1 d. [Prisijungęs]. Galima: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 04 d.]

[9] „Neapverstas operacinis stiprintuvas-neinvertuojantis op-amp“, „Pagrindinės elektronikos pamokos“, 2020 m. Lapkričio 6 d. [Prisijungęs]. Galima: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 04 d.]

[10] E. Sengpiel, „Skaičiavimas: stiprinimas (padidėjimas) ir slopinimas (nuostoliai) kaip koeficientas (santykis) iki lygio decibelais (dB)“, dB skaičiuoklė garso stiprintuvo skaičiavimo stiprinimui ir slopinimo (nuostolių) koeficientui decibelų dB santykis - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Prisijungęs]. Galima: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 04 d.]

[11] „Žemo dažnio filtras-pasyvaus RC filtro pamoka“, „Pagrindinės elektronikos pamokos“, 2020 m. Gegužės 1 d. [Prisijungęs]. Galima: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 04 d.]

[12] O. H. Instructables, „Super Simple Electrocardiogram (EKG) Circuit“, „Instructables“, 2018 m. Balandžio 2 d. [Prisijungęs]. Galima: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 04 d.]

[13] Brent Cornell, „Elektrokardiografija“, „BioNinja“. [Prisijungęs]. Prieinama: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Žiūrėta: 2020 m. Gruodžio 04 d.]