Et hjerteligt EKG: 7 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Abstrakt

Et EKG eller elektrokardiogram er et almindeligt brugt medicinsk udstyr, der bruges til at registrere hjertets elektriske signaler. De er enkle at lave i den mest grundlæggende form, men der er masser af plads til vækst. Til dette projekt blev et EKG designet og simuleret på LTSpice. EKG havde tre komponenter: en instrumenteringsforstærker, et lavpasfilter og endelig en ikke-inverterende forstærker. Dette var for at sikre, at der var nok gevinst fra en relativt svag kilde til et biosignal samt et filter til at fjerne støj i kredsløbet. Simuleringerne viste, at hver komponent i kredsløbet udførte succes, ligesom et samlet integreret kredsløb med alle tre komponenter. Dette viser, at dette er en levedygtig måde at oprette et EKG -kredsløb på. Vi undersøgte derefter det store potentiale for forbedringer af EKG.

Trin 1: Introduktion/baggrund

Et EKG eller elektrokardiogram bruges til at registrere hjertets elektriske signaler. Det er ret almindeligt og en smertefri test, der bruges til at opdage hjerteproblemer og overvåge hjertesundhed. De udføres på lægekontorer - enten klinikker eller hospitalsrum og er standardmaskiner i operationsstuer og ambulancer [1]. De kan vise, hvor hurtigt hjertet slår, hvis rytmen er regelmæssig eller ej, samt styrken og timingen af de elektriske impulser, der går gennem de forskellige dele af hjertet. Omkring 12 elektroder (eller færre) er fastgjort til huden på brystet, arme og ben og er forbundet til en maskine, der læser impulser og tegner dem [2]. Et tolv-aflednings EKG har 10 elektroder (for at give i alt 12 visninger af hjertet). 4-afledningen går på lemmerne. To på håndleddet, og to på anklerne. De sidste 6 ledninger går på torso. V1 går på det 4. interkostale rum til højre for brystbenet, mens V2 er på samme linje, men til venstre for brystbenet. V3 er placeret midt imellem V2 og V4, V5 går ved den forreste aksillære linje på samme niveau som V4 og V6 går på midaxillærlinjen på samme niveau [3].

Formålet med dette projekt er at designe, simulere og verificere en analog signaloptagelsesenhed - i dette tilfælde et elektrokardiogram. Da den gennemsnitlige puls er på 72, men mens den hviler, kan den gå så lavt som 90, kan medianen overvejes med omkring 60 slag i minuttet, hvilket giver en grundlæggende frekvens på 1Hz for pulsen. Puls kan variere fra ca. 0,67 til 5 Hz (40 til 300 bpm). Hvert signal består af en bølge, der kan mærkes som P, QRS -kompleks og en T -del til bølgen. P -bølgen kører ved ca. 0,67 - 5 Hz, QRS -komplekset er på omkring 10-50 Hz, og T -bølgen er på omkring 1 - 7 Hz [4]. Den nuværende topmoderne EKG har maskinindlæring [5], hvor arytmier og lignende kan klassificeres af maskinen selv. For at forenkle vil dette EKG kun have to elektroder - en positiv og en negativ.

Trin 2: Metoder og materialer

Til at begynde designet blev der brugt en computer til både forskning og modellering. Den anvendte software var LTSpice. For det første for at designe skematikken for det analoge EKG blev der undersøgt for at se, hvad de nuværende designs er, og hvordan man bedst implementerer dem i et nyt design. Stort set alle kilder startede med en instrumenteringsforstærker til at begynde med. Det optager to indgange - fra hver af elektroderne. Derefter blev et lavpasfilter valgt for at fjerne signaler over 50 Hz, da støj fra strømledningen kommer til omkring 50-60 Hz [6]. Derefter var en ikke -inverterende forstærker til at forstærke signalet, da biosignaler er ret små.

Den første komponent var instrumenteringsforstærkeren. Den har to indgange, en til den positive og en til den negative elektrode. Instrumenteringsforstærkeren blev specifikt brugt til at beskytte kredsløbet mod det indgående signal. Der er tre universelle op-forstærkere og 7 modstande. Alle modstande undtagen R4 (Rgain) har samme modstand. Forstærkningen af en instrumenteringsforstærker kan manipuleres med følgende ligning: A = 1 + (2RRgain) [7] Forstærkningen blev valgt til at være 50, da biosignaler er meget små. Modstandene blev valgt til at være større for brugervenlighed. Beregningerne følger derefter dette sæt ligninger for at give R = 5000Ω og Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Den næste komponent, der blev brugt, var et lavpasfilter til fjernelse af frekvenser over 50 Hz, hvilket vil beholde bare PQRST -bølgen i dette frekvensområde og minimere støj. Ligningen for et lavpasfilter er vist nedenfor: fc = 12RC [8] Da den valgte frekvens for afbrydelse var 50 Hz, og modstanden blev valgt til at være 1kΩ, giver beregningerne en kondensatorværdi på 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Den tredje komponent i EKG var en ikke-inverterende forstærker. Dette er for at sikre, at signalet er stort nok, før det (potentielt) overføres til en analog til digital konverter. Forstærkningen af en ikke -inverterende forstærker er vist nedenfor: A = 1 + R2R1 [9] Ligesom før forstærkningen blev valgt til at være 50, for at øge amplituden af det endelige signal. Beregningerne for modstanden er som følger, med en modstand valgt til at være 10000Ω, hvilket giver en anden modstandsværdi på 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

For at teste skematikken blev analyser kørt på hver komponent og derefter på den endelige overordnede skematiske. Den anden simulering var en vekselstrømsanalyse, en oktavsvepning, med 100 punkter pr. Oktav, og som kører gennem frekvenser 1 til 1000 Hz.

Trin 3: Resultater

For at teste kredsløbet blev der udført et oktavsving med 100 punkter pr. Oktav, der startede med en frekvens på 1 Hz og gik indtil en frekvens på 1000 Hz. Input var en sinusformet kurve, der skulle repræsentere EKG -bølgens cykliske karakter. Den havde en DC -forskydning på 0, amplitude på 1, frekvens på 1 Hz, T -forsinkelse på 0, theta (1/s) på 0 og phi (deg) på 90. Frekvensen blev sat til 1, da et gennemsnit puls kan indstilles til cirka 60 bpm, hvilket er 1 Hz.

Som det ses i figur 5, var det blå input og det røde output. Der var klart en massiv gevinst, som det ses ovenfor.

Lavpasfilteret blev indstillet til 50 Hz for at fjerne støj fra strømledningen i en potentiel EKG -applikation. Da det ikke gælder her, hvor signalet er konstant ved 1 Hz, er output det samme som input (figur 6).

Outputtet - vist med blåt - forstærkes klart i forhold til input, vist med grønt. Eftersom toppe og dale i sinuskurverne matcher, viser dette desuden, at forstærkeren faktisk var ikke-inverterende (figur 7).

Figur 8 viser alle kurverne samlet. Det viser tydeligt manipulationen af signalet, der går fra et lille signal, forstærkes to gange og filtreres (selvom filtreringen ikke har nogen effekt på dette specifikke signal).

Ved hjælp af ligningerne for forstærkning og afskæringsfrekvens [10, 11] blev de eksperimentelle værdier bestemt ud fra plottene. Lavpasfilteret havde den mindste fejl, mens begge forstærkere svævede med en fejl på ca. 10% (tabel 1).

Trin 4: Diskussion

Det ser ud til, at skematikken gør, hvad den skal gøre. Det tog et givet signal, forstærkede det, filtrerede det derefter og forstærkede det igen. Når det er sagt, er det et meget 'lille' design, der kun består af en instrumenteringsforstærker, lavpasfilter og et ikke-inverterende filter. Der var ikke noget klart input af en EKG -kilde, på trods af utallige timer at surfe på nettet efter en ordentlig kilde. Selvom det ikke lykkedes, var syndbølgen desværre en passende erstatning for signalets cykliske karakter.

En kilde til fejl, når det kommer til den teoretiske og den faktiske værdi af forstærkning og lavpasfilter, kunne være de valgte komponenter. Da de anvendte ligninger har et forhold mellem modstandene tilføjet til 1, mens beregningerne blev udført, blev denne ignoreret. Dette kan gøres, hvis de anvendte modstande er store nok. Mens de valgte modstande var store, vil det faktum, at den ene ikke blev taget i beregninger, skabe en lille fejlmargin. Forskere ved San Jose State University i San Jose CA designet et EKG specielt til diagnose af hjerte -kar -sygdomme. De brugte en instrumentforstærker, 1. ordens aktivt højpasfilter, 5. ordens aktivt Bessel lavpasfyldstof og et twin-t aktivt hakfilter [6]. De konkluderede, at brugen af alle disse komponenter resulterede i en vellykket konditionering af en rå EKG -bølge fra et menneske. En anden model af et simpelt EKG -kredsløb udført af Orlando Hoilett ved Purdue University bestod udelukkende af en instrumenteringsforstærker. Outputtet var klart og brugbart, men det blev anbefalet, at ændringer for bestemte applikationer ville være bedre - nemlig forstærkere, båndpasfiltre og et 60 Hz hakfilter for at fjerne støj fra strømledninger. Dette viser, at dette design af et EKG, selvom det ikke er altomfattende, ikke er den mest enkle metode til at optage et EKG-signal.

Trin 5: Fremtidigt arbejde

Dette design af et EKG ville kræve et par ting mere, før det sættes i en praktisk enhed. For det første blev 60 Hz -hakfilteret anbefalet af flere kilder, og da der ikke var nogen støj fra strømledningen at håndtere her, blev det ikke implementeret i simuleringen. Når det er sagt, når det først er oversat til en fysisk enhed, ville det være en fordel at tilføje et hakfilter. Derudover kan det i stedet for lavpasfilteret fungere bedre med et båndpasfilter for at have mere kontrol over de frekvenser, der filtreres fra. Igen, i simuleringen, kommer denne slags problemer ikke op, men det vil forekomme i en fysisk enhed. Efter dette ville EKG kræve en analog til digital konverter og sandsynligvis en enhed, der ligner en hindbær pi, til at indsamle data og streame dem til en computer til visning og brug. Yderligere forbedringer ville være tilføjelsen af flere afledninger, måske startende med de 4 ledemner og graduering til alle 10 afledninger til et 12 -afledningsdiagram af hjertet. En bedre brugergrænseflade ville også være en fordel - måske med en berøringsskærm, så læger let kan få adgang til og fokusere på bestemte dele af et EKG -output.

Yderligere trin vil involvere maskinlæring og AI -implementering. Computeren skal være i stand til at advare medicinsk personale - og muligvis dem der er omkring - at der er opstået arytmi eller lignende. På dette tidspunkt skal en læge gennemgå et EKG -output for at stille en diagnose - mens teknikere er uddannet til at læse dem, kan de ikke stille en officiel diagnose ude i feltet. Hvis de EKG'er, der bruges af første respondenter, har en nøjagtig diagnose, kan det muliggøre hurtigere behandling. Dette er især vigtigt i landdistrikterne, hvor det kan tage op til en time at få en patient, der ikke har råd til en helikoptertur til hospitalet. Det næste trin ville være at tilføje en defibrillator til selve EKG -maskinen. Når den derefter registrerer en arytmi, kan den finde ud af den korrekte spænding for et stød og - da stødpuderne er placeret - kan den forsøge at få patienten tilbage i sinusrytme. Dette ville være nyttigt i hospitalsindstillinger, hvor patienter allerede er tilsluttet forskellige maskiner, og hvis der ikke er nok medicinsk personale til straks at yde pleje, kan alt i ét -hjertemaskinen tage sig af det, hvilket sparer dyrebar tid, der er nødvendig for at redde et liv.

Trin 6: Konklusion

I dette projekt blev et EKG -kredsløb med succes designet og derefter simuleret ved hjælp af LTSpice. Den bestod af en instrumenteringsforstærker, et lavpasfilter og en ikke-inverterende forstærker til at konditionere signalet. Simuleringen viste, at alle tre komponenter fungerede individuelt såvel som sammen, når de blev kombineret til et totalt integreret kredsløb. Forstærkerne havde hver en gevinst på 50, et faktum bekræftet af de simuleringer, der køres på LTSpice. Lavpasfilteret havde en afbrydelsesfrekvens på 50 Hz for at reducere støj fra elledninger og artefakter fra huden og bevægelse. Selvom dette er et meget lille EKG -kredsløb, er der masser af forbedringer, der kan foretages, lige fra tilføjelse af et filter eller to, op til en alt -i -et -hjertemaskine, der kunne tage EKG, læse det og give øjeblikkelig behandling.

Trin 7: Referencer

Referencer

[1] “Elektrokardiogram (EKG eller EKG)”, Mayo Clinic, 09-apr-2020. [Online]. Tilgængelig: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Adgang: 04-dec-2020].

[2] "Elektrokardiogram", National Heart Lung and Blood Institute. [Online]. Tilgængelig: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Adgang: 04-dec-2020].

[3] A. Randazzo, "Den ultimative 12-aflednings-EKG-placeringsvejledning (med illustrationer)", Prime Medical Training, 11-nov-2019. [Online]. Tilgængelig: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Adgang: 04-dec-2020].

[4] C. Watford, "Forståelse af EKG -filtrering", EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Tilgængelig: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Adgang: 04-dec-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher og AA Armoundas, "State -of -the -Art Machine Learning Techniques, der sigter mod at forbedre patientresultater vedrørende det kardiovaskulære system," Journal of the American Heart Association, bind. 9, nej. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, "Design of a ECG Sensor Circuitry for Cardiovascular Disease Diagnosis", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, bind. 2, nej. 4, 2017.

[7] "Instrumenteringsforstærker udgangsspændingsberegner", ncalculators.com. [Online]. Tilgængelig: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Adgang: 04-dec-2020].

[8] "Lavpasfilterberegner", ElectronicBase, 01-apr-2019. [Online]. Tilgængelig: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Adgang: 04-dec-2020].

[9] "Ikke-inverterende operationsforstærker-den ikke-inverterende op-forstærker", Grundlæggende elektroniske vejledninger, 06-nov-2020. [Online]. Tilgængelig: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Adgang: 04-dec-2020].

[10] E. Sengpiel, "Beregning: Amplifikation (forstærkning) og dæmpning (tab) som faktor (forhold) til niveauet i decibel (dB)," dB -lommeregner til forstærkningsforstærkning og dæmpning (tab) faktor for en beregning af en lydforstærker decibel dB ratio - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Online]. Tilgængelig: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Adgang: 04-dec-2020].

[11] "Lavpasfilter-Selvstudium i passivt RC-filter," Grundlæggende elektroniske vejledninger, 01-maj-2020. [Online]. Tilgængelig: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Adgang: 04-dec-2020].

[12] O. H. Instructables, "Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit", Instructables, 02-apr-2018. [Online]. Tilgængelig: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Adgang: 04-dec-2020].

[13] Brent Cornell, "Elektrokardiografi", BioNinja. [Online]. Tilgængelig: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Adgang: 04-dec-2020].