Srdačni EKG: 7 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:04

Sažetak

EKG ili elektrokardiogram je uobičajeno medicinsko sredstvo koje 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: instrumentacijsko 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 šuma u krugu. Simulacije su pokazale da je svaka komponenta kola uspješno izvedena, kao i ukupno integrirano kolo sa sve tri komponente. Ovo 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 salama 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 grudima, rukama i nogama te je spojeno na stroj koji čita impulse i grafički ih prikazuje [2]. EKG sa dvanaest odvoda ima 10 elektroda (za ukupno 12 pregleda srca). 4-odvod ide na udove. Dva na zglobovima, a dva na gležnjevima. Poslednjih 6 tragova ide na torzo. V1 ide u 4. međurebarni prostor desno od prsne kosti, dok je V2 na istoj liniji, ali lijevo od grudne 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 srednjoj aksilarnoj liniji na istoj razini [3].

Cilj ovog projekta je dizajnirati, simulirati i verificirati 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 mašinsko učenje [5], gdje aritmije i slično mogu klasificirati sami strojevi. 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 dizajnirala shema za analogni EKG, provedeno je istraživanje kako bi se utvrdilo koji su trenutni dizajni i kako ih najbolje implementirati u novi dizajn. Skoro svi izvori su započeli s instrumentacijskim pojačalom za početak. On prima dva ulaza - sa svake od elektroda. Nakon toga je odabran niskopropusni filter za uklanjanje signala iznad 50 Hz, budući da šum dalekovoda dolazi na oko 50-60 Hz [6]. Nakon toga je bilo neinvertirajuće pojačalo za pojačavanje signala, budući da su biosignali prilično mali.

Prva komponenta je instrumentaciono pojačalo. Ima dva ulaza, jedan za pozitivnu i jedan za negativnu elektrodu. Instrumentacijsko pojačalo korišteno je posebno za zaštitu kola od dolaznog signala. Postoje tri univerzalna op-pojačala i 7 otpornika. Svi otpornici osim R4 (Rgain) su istog otpora. Dobit instrumentacijskog 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 PQRST val u ovom frekvencijskom području i minimizirati šum. Jednadžba za niskopropusni filter prikazana je u nastavku: fc = 12RC [8] Budući da je odabrana frekvencija za odsjecanje 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 je neinvertirajuće pojačalo. Time se želi osigurati da je signal dovoljno velik prije (potencijalno) prijenosa na analogno -digitalni pretvarač. Dobit neinvertirajućeg pojačala je prikazana u nastavku: A = 1 + R2R1 [9] Kao i prije nego je pojačanje odabrano na 50, kako bi se povećala amplituda krajnjeg signala. Proračuni za otpornik su sljedeći, pri čemu je jedan otpornik izabran za 10000Ω, što daje vrijednost drugog otpornika od 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Da bi se testirala shema, izvršene su analize na svakoj komponenti, a zatim na konačnoj ukupnoj shemi. Druga simulacija je bila analiza naizmjenične struje, oktava, sa 100 tačaka po oktavi i koja je radila kroz frekvencije od 1 do 1000 Hz.

Korak 3: Rezultati

Za ispitivanje kola izvedeno je oktavno premotavanje, 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 cikličnu prirodu EKG vala. Imao je DC pomak 0, amplitudu 1, frekvenciju 1 Hz, T kašnjenje 0, theta (1/s) od 0 i phi (stepeni) od 90. Učestalost je postavljena na 1, budući da je prosjek puls se može postaviti na oko 60 otkucaja u minuti, što je 1 Hz.

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

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 zaista nije bilo invertirajuće (slika 7).

Slika 8 prikazuje sve krive 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 su određene iz grafikona. Najniži propust imao je niskopropusni filter, dok su oba pojačala lebdjela s greškom od oko 10% (Tablica 1).

Korak 4: Diskusija

Čini se da shema radi ono što bi trebala raditi. Uzeo je dati signal, pojačao ga, zatim ga filtrirao, a zatim ponovo pojačao. Kako je rečeno, riječ je o vrlo "malom" dizajnu, koji se sastoji samo od instrumentacijskog pojačala, niskopropusnog filtra i neinvertirajućeg filtera. Nije bilo jasnog unosa izvora EKG -a, unatoč nebrojenim satima pretraživanja weba za odgovarajućim izvorom. Nažalost, iako to nije uspjelo, grijeh je bio odgovarajuća zamjena za cikličnu prirodu signala.

Izvor greške kada su u pitanju teoretske i stvarne vrijednosti pojačanja i niskopropusnog filtra mogle bi biti odabrane komponente. Budući da korištene jednadžbe omjeru otpornosti dodaju 1, pri izračunavanju je ova zanemarena. To se može učiniti ako su otpornici dovoljno veliki. Iako su odabrani otpornici bili veliki, činjenica da nije uzet u proračune stvorit će malu marginu greške. Istraživači sa Državnog univerziteta San Jose u San Joseu u Kaliforniji dizajnirali su EKG posebno za dijagnosticiranje kardiovaskularnih bolesti. Koristili su pojačalo za instrumente, aktivni visokopropusni filter 1. reda, aktivni Besselov niskopropusni filtar 5. reda i dvostruki filter sa aktivnim usjekom [6]. Zaključili su da je upotreba svih ovih komponenti uspjela usloviti sirovi EKG val od ljudskog subjekta. Drugi model jednostavnog EKG sklopa koji je uradio Orlando Hoilett sa Univerziteta Purdue sastojao se samo od instrumentacijskog pojačala. Izlaz je bio jasan i upotrebljiv, ali je preporučeno da za određene primjene budu bolje izmjene - naime pojačala, pojasni filteri i filter sa zarezima od 60 Hz za uklanjanje šuma dalekovoda. Ovo pokazuje da ovaj dizajn EKG-a, iako nije sveobuhvatan, nije najjednostavniji način 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 je preporučilo 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 zarezni filter. Osim toga, umjesto niskopropusnog filtera, možda bi bilo bolje imati pojasni filter, 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 vjerovatno uređaj sličan malinovom pi za prikupljanje podataka i njihovo strujanje na računar za pregled i upotrebu. Daljnja poboljšanja bi bila dodavanje više elektroda, možda počevši od 4 odvoda za ekstremitete, pa do svih 10 izvoda za dijagram srca sa 12 odvoda. Bolje korisničko sučelje također bi bilo korisno - možda sa ekranom osjetljivim na dodir kako bi medicinski radnici mogli lako pristupiti i usredotočiti se na određene dijelove EKG izlaza.

Dalji koraci bi uključivali mašinsko učenje i implementaciju AI. Kompjuter bi trebao biti u stanju upozoriti medicinsko osoblje - a možda i one oko njega - da je došlo do aritmije ili slično. U ovom trenutku liječnik mora pregledati EKG nalaz kako bi postavio dijagnozu - iako su tehničari obučeni da ih čitaju, ne mogu postaviti službenu dijagnozu na terenu. Ako EKG -ovi koje koriste prvi koji imaju hitnu pomoć imaju tačnu dijagnozu, to bi moglo omogućiti brže liječenje. Ovo je posebno 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 u sam EKG aparat. Zatim, kada otkrije aritmiju, može utvrditi odgovarajući napon za šok i - s obzirom na to da su postavljeni šok jastučići - može pokušati vratiti pacijenta u sinusni ritam. Ovo bi bilo korisno u bolničkim okruženjima, gdje su pacijenti već spojeni na razne aparate, a ako nema dovoljno medicinskog osoblja da odmah pruži njegu, 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 krug je uspješno dizajniran, a zatim simuliran pomoću LTSpice. Sastojao se od instrumentacijskog pojačala, niskopropusnog filtera i neinvertirajućeg pojačala za uslovljavanje signala. Simulacija je pokazala da su sve tri komponente radile pojedinačno, kao i zajedno, kada su kombinirane za ukupno integrirano kolo. Pojačala su imala pojačanje od 50, što je potvrđeno simulacijama na LTSpice -u. Niskopropusni filter imao je graničnu frekvenciju od 50 Hz, za smanjenje buke iz dalekovoda i artefakata sa 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. [Online]. Dostupno: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Pristupljeno: 04. 12. 2020.].

[2] “Elektrokardiogram”, Nacionalni institut za pluća i srce. [Online]. Dostupno: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Pristupljeno: 04. 12. 2020.].

[3] A. Randazzo, „Ultimativni vodič za postavljanje EKG-a sa 12 odvoda (sa ilustracijama)“, Primarna medicinska obuka, 11. novembra 2019. [Online]. Dostupno: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Pristupljeno: 04. 12. 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. 12. 2020.].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher i AA Armoundas, „Najsavremenije tehnike mašinskog učenja s ciljem poboljšanja ishoda pacijenata vezanih za kardiovaskularni sistem“, American Heart Association, vol. 9, br. 4, 2020.

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

[7] “Kalkulator izlaznog napona pojačala instrumentacije”, ncalculators.com. [Online]. Dostupno: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Pristupljeno: 04. 12. 2020.].

[8] „Kalkulator niskopropusnih filtera“, ElectronicBase, 01. travnja 2019. [Online]. Dostupno: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Pristupljeno: 04. 12. 2020.].

[9] “Neinvertirajuće operativno pojačalo-neinvertirajuće op-pojačalo”, Vodiči iz osnovne elektronike, 06. studenog 2020. [Online]. Dostupno: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Pristupljeno: 04. 12. 2020.].

[10] E. Sengpiel, „Proračun: Pojačanje (pojačanje) i prigušenje (gubitak) kao faktor (omjer) do nivoa u decibelima (dB)», dB kalkulator za pojačanje pojačanja i faktor prigušenja (gubitka) izračunavanja audio pojačala decibel dB ratio - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Online]. Dostupno: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Pristupljeno: 04. 12. 2020.].

[11] “Niskopropusni filter-Vodič za pasivni RC filter,” Osnovni elektronički vodiči, 01. maj-2020. [Online]. Dostupno: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Pristupljeno: 04. 12. 2020.].

[12] O. H. Instructables, "Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit", Instructables, 02. aprila 2018. godine. [Online]. Dostupno: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Pristupljeno: 04. 12. 2020.].

[13] Brent Cornell, „Elektrokardiografija“, BioNinja. [Online]. Dostupno: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Pristupljeno: 04. 12. 2020.].