Srčani EKG: 7 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:32

Sažetak

EKG ili elektrokardiogram obično je medicinski uređaj koji se koristi za snimanje električnih signala srca. Jednostavne su za izradu u najosnovnijem obliku, ali ima dovoljno prostora za rast. Za ovaj je projekt dizajniran i simuliran EKG na LTSpice. EKG je imao tri komponente: instrumentalno pojačalo, niskopropusni filter i na kraju neinvertirajuće pojačalo. Time se želi osigurati dovoljan dobitak koji dolazi iz relativno slabog izvora biosignala, kao i filter za uklanjanje buke u krugu. Simulacije su pokazale da je svaka komponenta kruga uspješno izvedena, kao i ukupni integrirani krug sa sve tri komponente. To pokazuje da je ovo izvediv način stvaranja EKG kruga. Zatim smo istražili ogroman potencijal poboljšanja EKG -a.

Korak 1: Uvod/Pozadina

Za snimanje električnih signala srca koristi se EKG ili elektrokardiogram. To je uobičajen i bezbolan test koji se koristi za otkrivanje srčanih problema i praćenje zdravlja srca. Izvode se u liječničkim ordinacijama - bilo u klinikama ili bolničkim sobama, a standardni su strojevi u operacijskim dvoranama i ambulantama [1]. Mogu pokazati koliko brzo srce kuca, ako je ritam pravilan ili ne, kao i snagu i vrijeme električnih impulsa koji prolaze kroz različite dijelove srca. Oko 12 elektroda (ili manje) pričvršćeno je na kožu na prsima, rukama i nogama te je spojeno na stroj koji čita impulse i grafički ih prikazuje [2]. EKG s dvanaest odvoda ima 10 elektroda (za ukupno 12 pregleda srca). 4-odvod ide na udove. Dva na zglobovima, a dva na gležnjevima. Posljednjih 6 tragova ide na torzo. V1 ide u 4. međurebarni prostor desno od prsne kosti, dok je V2 na istoj liniji, ali lijevo od prsne kosti. V3 je postavljen na pola puta između V2 i V4, V5 ide na prednjoj aksilarnoj liniji na istoj razini kao što V4 i V6 idu na srednju pazušnu liniju na istoj razini [3].

Cilj ovog projekta je dizajnirati, simulirati i provjeriti uređaj za prikupljanje analognog signala - u ovom slučaju elektrokardiogram. Budući da je prosječni broj otkucaja srca 72, ali dok se odmara može pasti i do 90, medijana se može uzeti u obzir pri oko 60 otkucaja u minuti, dajući osnovnu frekvenciju od 1Hz za broj otkucaja srca. Otkucaji srca mogu se kretati od oko 0,67 do 5 Hz (40 do 300 otkucaja u minuti). Svaki signal se sastoji od vala koji se može označiti kao P, QRS kompleks i T dijela vala. P val radi na oko 0,67 - 5 Hz, QRS kompleks je na oko 10-50 Hz, a T val na oko 1 - 7 Hz [4]. Trenutno najnovije stanje EKG -a ima strojno učenje [5], gdje se sam stroj može klasificirati aritmije i slično. Radi pojednostavljenja, ovaj EKG će imati samo dvije elektrode - pozitivnu i negativnu.

Korak 2: Metode i materijali

Za početak projektiranja, računalo je korišteno i za istraživanje i za modeliranje. Korišteni softver bio je LTSpice. Prvo, kako bi se osmislila shema za analogni EKG, provedeno je istraživanje kako bi se utvrdilo koji su trenutačni dizajni i kako ih najbolje implementirati u novi dizajn. Gotovo svi izvori su započeli s instrumentacijskim pojačalom za početak. Prihvaća dva ulaza - sa svake od elektroda. Nakon toga, odabran je niskopropusni filter za uklanjanje signala iznad 50 Hz, budući da šum dalekovoda dolazi na oko 50-60 Hz [6]. Nakon toga, bilo je neinvertirajuće pojačalo za pojačavanje signala, budući da su biosignali prilično mali.

Prva komponenta bilo je instrumentacijsko pojačalo. Ima dva ulaza, jedan za pozitivnu i jedan za negativnu elektrodu. Instrumentalno pojačalo korišteno je posebno za zaštitu kruga od dolaznog signala. Postoje tri univerzalna op-pojačala i 7 otpornika. Svi otpornici osim R4 (Rgain) su istog otpora. Dobit instrumentalnog pojačala može se manipulirati sljedećom jednadžbom: A = 1 + (2RRgain) [7] Dobit je odabrana na 50 budući da su biosignali vrlo mali. Otpornici su odabrani da budu veći radi lakše upotrebe. Izračuni zatim slijede ovaj skup jednadžbi kako bi dobili R = 5000Ω i Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Sljedeća korištena komponenta bio je niskopropusni filter za uklanjanje frekvencija iznad 50 Hz, koji će zadržati samo val PQRST u ovom frekvencijskom području i minimizirati šum. Jednadžba za niskopropusni filtar prikazana je u nastavku: fc = 12RC [8] Budući da je odabrana frekvencija za odsijecanje bila 50 Hz, a otpornik izabran na 1 kΩ, proračuni daju vrijednost kondenzatora od 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Treća komponenta u EKG-u bilo je neinvertirajuće pojačalo. Time se želi osigurati da je signal dovoljno velik prije (potencijalno) prijenosa na analogno -digitalni pretvarač. Dobit neinvertirajućeg pojačala prikazana je u nastavku: A = 1 + R2R1 [9] Kao i prije nego je pojačanje odabrano na 50, za povećanje amplitude konačnog signala. Izračuni za otpornik su sljedeći, pri čemu je jedan otpornik odabran na 10000Ω, što daje vrijednost drugog otpornika od 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Za testiranje sheme, analize su provedene na svakoj komponenti, a zatim na konačnoj ukupnoj shemi. Druga simulacija bila je analiza naizmjenične struje, oktava, sa 100 točaka po oktavi i prolaskom kroz frekvencije od 1 do 1000 Hz.

Korak 3: Rezultati

Kako bi se ispitalo kolo, provedeno je oktavno brisanje sa 100 točaka po oktavi, počevši od frekvencije 1 Hz, pa sve do frekvencije od 1000 Hz. Ulaz je bio sinusoidna krivulja, koja je predstavljala cikličku prirodu EKG vala. Imao je DC pomak 0, amplitudu 1, frekvenciju 1 Hz, T kašnjenje 0, theta (1/s) 0, i phi (stupnjeve) 90. Učestalost je postavljena na 1, budući da je prosjek otkucaji srca mogu se postaviti na oko 60 otkucaja u minuti, što je 1 Hz.

Kao što se vidi na slici 5, plava je bila ulaz, a crvena je bila izlaz. Očigledno je da je došlo do ogromnog dobitka, kao što je gore navedeno.

Niskopropusni filter postavljen je na 50 Hz kako bi se uklonila buka dalekovoda u potencijalnoj aplikaciji EKG -a. Budući da to ne vrijedi ovdje gdje je signal konstantan na 1 Hz, izlaz je isti kao i ulaz (slika 6).

Izlaz - prikazan plavom bojom - jasno je pojačan u odnosu na ulaz, prikazan zelenom bojom. Osim toga, budući da se vrhovi i doline sinusnih krivulja podudaraju, to pokazuje da pojačalo doista nije bilo invertirajuće (slika 7).

Slika 8 prikazuje sve krivulje zajedno. Jasno prikazuje manipulaciju signalom, od malog signala, dva puta pojačanog i filtriranog (iako filtriranje nema utjecaja na ovaj specifični signal).

Koristeći jednadžbe za dobitak i graničnu frekvenciju [10, 11], eksperimentalne vrijednosti određene su iz grafikona. Niskopropusni filter imao je najmanju pogrešku, dok su oba pojačala lebdjela s pogreškom od oko 10% (tablica 1).

Korak 4: Rasprava

Čini se da shema radi ono što bi trebala učiniti. Uzeo je dati signal, pojačao ga, zatim ga filtrirao, a zatim ponovno pojačao. Kako je rečeno, riječ je o vrlo "malom" dizajnu, koji se sastoji samo od instrumentalnog pojačala, niskopropusnog filtra i neinvertirajućeg filtra. Nije bilo jasnog unosa izvora EKG -a, unatoč nebrojenim satima surfanja internetom u potrazi za odgovarajućim izvorom. Nažalost, iako to nije uspjelo, val grijeha bio je odgovarajuća zamjena za cikličku prirodu signala.

Izvor greške kada su u pitanju teoretska i stvarna vrijednost pojačanja i niskopropusnog filtra mogle bi biti odabrane komponente. Budući da korištene jednadžbe omjeru otpora dodaju 1, pri izračunavanju je ova zanemarena. To se može učiniti ako su upotrijebljeni otpornici dovoljno veliki. Iako su odabrani otpornici bili veliki, činjenica da nije uzet u proračune stvorit će malu granicu pogreške. Istraživači sa Sveučilišta San Jose State u San Joseu u Kaliforniji dizajnirali su EKG posebno za dijagnosticiranje kardiovaskularnih bolesti. Koristili su instrumentalno pojačalo, aktivni visokopropusni filter 1. reda, aktivni Besselov niskopropusni filtar 5. reda i dvostruki filter s aktivnim usjekom [6]. Zaključili su da je upotreba svih ovih komponenti rezultirala uspješnim uvjetovanjem sirovog EKG vala od čovjeka. Drugi model jednostavnog EKG sklopa koji je izradio Orlando Hoilett sa Sveučilišta Purdue sastojao se samo od instrumentalnog pojačala. Izlaz je bio jasan i upotrebljiv, ali se preporučalo da za određene primjene budu bolje promjene - naime pojačala, pojasni filteri i filtar s usjekom od 60 Hz za uklanjanje šuma dalekovoda. To pokazuje da ovaj dizajn EKG-a, iako nije sveobuhvatan, nije najjednostavnija metoda prihvaćanja EKG signala.

Korak 5: Budući rad

Ovaj dizajn EKG -a zahtijevat će još nekoliko stvari prije nego što se stavi u praktičan uređaj. Prvo, nekoliko izvora preporučilo je zarezni filter od 60 Hz, a budući da ovdje nije bilo buke na dalekovodu, on nije implementiran u simulaciju. S obzirom na to, kad se ovo prevede na fizički uređaj, bilo bi korisno dodati usječeni filter. Osim toga, umjesto niskopropusnog filtra, moglo bi biti bolje imati pojasni filtar, kako biste imali veću kontrolu nad frekvencijama koje se filtriraju. Opet, u simulaciji se ova vrsta problema ne pojavljuje, ali bi se pojavila na fizičkom uređaju. Nakon toga, EKG će zahtijevati analogno -digitalni pretvarač i vjerojatno uređaj sličan malinovom pi za prikupljanje podataka i njihovo strujanje na računalo za pregled i upotrebu. Daljnja poboljšanja bila bi dodavanje više odvoda, možda počevši od 4 odvoda za ekstremitete i prelazeći na svih 10 odvoda za dijagram srca s 12 odvoda. Bolje korisničko sučelje također bi bilo korisno - možda sa zaslonom osjetljivim na dodir kako bi medicinski stručnjaci mogli lako pristupiti i usredotočiti se na određene dijelove EKG izlaza.

Daljnji koraci uključivali bi strojno učenje i implementaciju umjetne inteligencije. Računalo bi trebalo biti u stanju upozoriti medicinsko osoblje - a možda i one u blizini - da je došlo do aritmije ili slično. U ovom trenutku liječnik mora pregledati EKG nalaz kako bi postavio dijagnozu - dok su tehničari obučeni da ih čitaju, ne mogu postaviti službenu dijagnozu na terenu. Ako EKG -ovi koje koriste prvi koji imaju hitnu pomoć imaju točnu dijagnozu, to bi moglo omogućiti brže liječenje. To je osobito važno u ruralnim područjima, gdje bi moglo potrajati više od sat vremena da se pacijent koji si ne može priuštiti vožnju helikopterom do bolnice. Sljedeća faza bila bi dodavanje defibrilatora samom EKG aparatu. Zatim, kada otkrije aritmiju, može otkriti odgovarajući napon za šok i - s obzirom na to da su postavljeni šok jastučići - može pokušati vratiti pacijenta u sinusni ritam. To bi bilo korisno u bolničkim okruženjima, gdje su pacijenti već spojeni na razne aparate, a ako nema dovoljno medicinskog osoblja da odmah pruži skrb, aparat za sve u jednom srcu mogao bi se pobrinuti za to, štedeći dragocjeno vrijeme potrebno za spašavanje života.

Korak 6: Zaključak

U ovom projektu, EKG sklop je uspješno dizajniran, a zatim simuliran pomoću LTSpice. Sastojao se od instrumentalnog pojačala, niskopropusnog filtra i neinvertirajućeg pojačala za uvjetovanje signala. Simulacija je pokazala da su sve tri komponente radile pojedinačno, kao i zajedno, kada su kombinirane za ukupni integrirani krug. Pojačala su imala pojačanje od 50, što je potvrđeno simulacijama na LTSpiceu. Niskopropusni filter imao je graničnu frekvenciju od 50 Hz, za smanjenje buke iz dalekovoda i artefakata s kože i pokreta. Iako je ovo vrlo mali krug EKG -a, postoji mnogo poboljšanja koja bi se mogla napraviti, od dodavanja jednog ili dva filtera, pa sve do aparata za sve u jednom srcu koji bi mogao uzeti EKG, pročitati ga i pružiti hitan tretman.

Korak 7: Reference

Reference

[1] "Elektrokardiogram (EKG ili EKG)", Klinika Mayo, 09. travnja 2020. [Na liniji]. Dostupno: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Pristupljeno: 04. prosinca 2020.].

[2] "Elektrokardiogram", Nacionalni institut za pluća i srce. [Na liniji]. Dostupno: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Pristupljeno: 04. prosinca 2020.].

[3] A. Randazzo, "Ultimativni Vodič za postavljanje EKG-a s 12 odvoda (s ilustracijama)", Prime Medical Training, 11. studenog 2019. [Na liniji]. Dostupno: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Pristupljeno: 04. prosinca 2020.].

[4] C. Watford, "Razumijevanje filtriranja EKG -a", EMS 12 Olovo, 2014. [Online]. Dostupno: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Pristupljeno: 04. prosinca 2020.].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher i AA Armoundas, „Najsuvremenije tehnike strojnog učenja s ciljem poboljšanja ishoda pacijenata u vezi s kardiovaskularnim sustavom“, časopis American Heart Association, sv. 9, br. 4. 2020. godine.

[6] W. Y. Du, "Dizajn kruga senzora EKG -a za dijagnostiku kardiovaskularnih bolesti", Međunarodni časopis za biosenzore i bioelektroniku, vol. 2, br. 4., 2017. godine.

[7] "Kalkulator izlaznog napona pojačala instrumentacije", ncalculators.com. [Na liniji]. Dostupno: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Pristupljeno: 04. prosinca 2020.].

[8] "Kalkulator niskopropusnih filtera", ElectronicBase, 01. travnja 2019. [Na liniji]. Dostupno: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Pristupljeno: 04. prosinca 2020.].

[9] "Neinvertirajuće operativno pojačalo-neinvertirajuće op-pojačalo", Vodiči iz osnovne elektronike, 06. studenog 2020. [Na liniji]. Dostupno: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Pristupljeno: 04. prosinca 2020.].

[10] E. Sengpiel, "Proračun: Pojačanje (dobitak) i prigušenje (gubitak) kao faktor (omjer) do razine u decibelima (dB)", "dB kalkulator za pojačanje pojačanja i faktor prigušenja (gubitka) proračuna audio pojačala omjer decibela dB - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Na liniji]. Dostupno: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Pristupljeno: 04. prosinca 2020.].

[11] "Niskopropusni filtar-Vodič za pasivni RC filter", Osnovni elektronički vodiči, 01. svibnja 2020. [Na liniji]. Dostupno: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Pristupljeno: 04. prosinca 2020.].

[12] O. H. Instructables, "Krug super jednostavnog elektrokardiograma (EKG-a)", Instructables, 02. travnja 2018. [Na liniji]. Dostupno: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Pristupljeno: 04. prosinca 2020.].

[13] Brent Cornell, „Elektrokardiografija“, BioNinja. [Na liniji]. Dostupno: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Pristupljeno: 04. prosinca 2020.].