Serdeczne EKG: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

Abstrakcyjny

EKG lub elektrokardiogram jest powszechnie używanym urządzeniem medycznym używanym do rejestrowania elektrycznych sygnałów serca. Są proste w wykonaniu w najbardziej podstawowej formie, ale jest dużo miejsca na wzrost. Na potrzeby tego projektu zaprojektowano i zasymulowano EKG w LTSpice. EKG składał się z trzech elementów: wzmacniacza instrumentalnego, filtra dolnoprzepustowego i wreszcie wzmacniacza nieodwracającego. Miało to zapewnić wystarczające wzmocnienie pochodzące ze stosunkowo słabego źródła biosygnału, a także filtr usuwający szumy w obwodzie. Symulacje wykazały, że każdy element układu działał pomyślnie, podobnie jak cały układ scalony ze wszystkimi trzema elementami. To pokazuje, że jest to realny sposób tworzenia obwodu EKG. Następnie zbadaliśmy ogromny potencjał ulepszeń EKG.

Krok 1: Wprowadzenie/Tło

EKG lub elektrokardiogram służy do rejestrowania elektrycznych sygnałów serca. Jest to dość powszechny i bezbolesny test używany do wykrywania problemów z sercem i monitorowania zdrowia serca. Wykonywane są w gabinetach lekarskich – przychodniach lub salach szpitalnych i są standardowymi urządzeniami w salach operacyjnych i karetkach [1]. Mogą pokazać, jak szybko bije serce, czy rytm jest regularny czy nie, a także siłę i czas impulsów elektrycznych przechodzących przez różne części serca. Około 12 elektrod (lub mniej) jest przymocowanych do skóry na klatce piersiowej, ramionach i nogach i jest podłączonych do maszyny, która odczytuje impulsy i przedstawia je na wykresie [2]. 12-odprowadzeniowe EKG ma 10 elektrod (co daje łącznie 12 widoków serca). Czwórka idzie na kończyny. Dwie na nadgarstkach i dwie na kostkach. Ostatnie 6 odprowadzeń idzie na tułów. V1 znajduje się w czwartej przestrzeni międzyżebrowej po prawej stronie mostka, podczas gdy V2 znajduje się na tej samej linii, ale po lewej stronie mostka. V3 znajduje się w połowie drogi między V2 i V4, V5 biegnie w przedniej linii pachowej na tym samym poziomie, co V4 i V6 biegnie w środkowej linii pachowej na tym samym poziomie [3].

Celem tego projektu jest zaprojektowanie, symulacja i weryfikacja urządzenia do akwizycji sygnału analogowego - w tym przypadku elektrokardiogramu. Ponieważ średnie tętno wynosi 72, ale w spoczynku może spaść nawet do 90, medianę można uznać za około 60 uderzeń na minutę, co daje podstawową częstotliwość 1 Hz dla tętna. Tętno może wynosić od około 0,67 do 5 Hz (40 do 300 uderzeń na minutę). Każdy sygnał składa się z fali, którą można oznaczyć jako P, zespół QRS i część T fali. Załamek P przebiega z częstotliwością około 0,67 – 5 Hz, zespół QRS z częstotliwością około 10-50 Hz, a fala T z częstotliwością około 1 – 7 Hz [4]. Obecny stan techniki EKG obejmuje uczenie maszynowe [5], w którym arytmie i tym podobne mogą być klasyfikowane przez samą maszynę. Dla uproszczenia ten EKG będzie miał tylko dwie elektrody - dodatnią i ujemną.

Krok 2: Metody i materiały

Do rozpoczęcia projektowania wykorzystano komputer zarówno do badań, jak i do modelowania. Użyte oprogramowanie to LTSpice. Po pierwsze, aby zaprojektować schemat analogowego EKG, przeprowadzono badania, aby zobaczyć, jakie są obecne projekty i jak najlepiej je wdrożyć w nowatorskim projekcie. Prawie wszystkie źródła zaczynały się od wzmacniacza instrumentalnego. Pobiera dwa wejścia - z każdej z elektrod. Następnie wybrano filtr dolnoprzepustowy, aby usunąć sygnały powyżej 50 Hz, ponieważ szum linii energetycznej wynosi około 50-60 Hz [6]. Potem był wzmacniacz nieodwracający do wzmocnienia sygnału, ponieważ biosygnały są dość małe.

Pierwszym elementem był wzmacniacz instrumentacyjny. Posiada dwa wejścia, jedno dla elektrody dodatniej i jedno dla elektrody ujemnej. Wzmacniacz oprzyrządowania został użyty specjalnie do ochrony obwodu przed przychodzącym sygnałem. Istnieją trzy uniwersalne wzmacniacze operacyjne i 7 rezystorów. Wszystkie rezystory oprócz R4 (Rgain) mają taką samą rezystancję. Wzmocnienie wzmacniacza instrumentalnego można manipulować następującym równaniem: A = 1 + (2RRgain) [7] Wzmocnienie zostało wybrane na 50, ponieważ biosygnały są bardzo małe. Rezystory zostały wybrane jako większe dla ułatwienia użytkowania. Obliczenia są następnie zgodne z tym zestawem równań, co daje R = 5000 Ω i Rgain = 200 Ω. 50 = 1 + (2RRwzmocnienie) 50 2 * 5000200

Kolejnym zastosowanym elementem był filtr dolnoprzepustowy, usuwający częstotliwości powyżej 50 Hz, który utrzyma w tym zakresie tylko falę PQRST i zminimalizuje szumy. Poniżej przedstawiono równanie dla filtra dolnoprzepustowego: fc= 12RC[8] Ponieważ wybrana częstotliwość odcięcia wynosiła 50 Hz, a rezystor został dobrany jako 1kΩ, obliczenia dają kondensator o wartości 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Trzecim elementem EKG był wzmacniacz nieodwracający. Ma to na celu zapewnienie, że sygnał jest wystarczająco duży przed (potencjalnym) przesłaniem go do przetwornika analogowo-cyfrowego. Wzmocnienie wzmacniacza nieodwracającego pokazano poniżej: A = 1 + R2R1[9] Podobnie jak wcześniej wzmocnienie zostało wybrane na 50, aby zwiększyć amplitudę sygnału końcowego. Obliczenia dla rezystora są następujące, z jednym rezystorem wybranym jako 10000 Ω, co daje wartość drugiego rezystora o wartości 200 Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Aby przetestować schemat, przeprowadzono analizy każdego komponentu, a następnie końcowego schematu ogólnego. Druga symulacja była analizą AC, przemiataniem oktawowym, ze 100 punktami na oktawę i przebiegającą przez częstotliwości od 1 do 1000 Hz.

Krok 3: Wyniki

Aby przetestować obwód, przeprowadzono przemiatanie oktawy, ze 100 punktami na oktawę, zaczynając od częstotliwości 1 Hz i przechodząc do częstotliwości 1000 Hz. Sygnał wejściowy był krzywą sinusoidalną, która miała być reprezentacją cyklicznej natury fali EKG. Miał on przesunięcie DC równe 0, amplitudę 1, częstotliwość 1 Hz, opóźnienie T 0, theta (1/s) 0 i phi (stopnie) 90. Częstotliwość została ustawiona na 1, ponieważ średnia tętno można ustawić na około 60 uderzeń na minutę, co odpowiada 1 Hz.

Jak widać na rysunku 5, niebieski był wejściem, a czerwony wyjściem. Wyraźnie widać było ogromne wzmocnienie, jak widać powyżej.

Filtr dolnoprzepustowy został ustawiony na 50 Hz, aby usunąć zakłócenia linii energetycznej w potencjalnym zastosowaniu EKG. Ponieważ nie ma to zastosowania tutaj, gdy sygnał jest stały przy 1 Hz, wyjście jest takie samo jak wejście (rysunek 6).

Wyjście - pokazane na niebiesko - jest wyraźnie wzmocnione w porównaniu do wejścia, pokazanego na zielono. Ponadto, ponieważ szczyty i doliny krzywych sinusoidalnych pasują do siebie, pokazuje to, że wzmacniacz rzeczywiście był nieodwracający (rysunek 7).

Rysunek 8 pokazuje wszystkie krzywe razem. Wyraźnie pokazuje manipulację sygnałem, wychodząc od małego sygnału, dwukrotnie wzmocnionego i przefiltrowanego (choć filtracja nie ma wpływu na ten konkretny sygnał).

Wykorzystując równania na wzmocnienie i częstotliwość graniczną [10, 11] z wykresów wyznaczono wartości eksperymentalne. Najmniejszy błąd miał filtr dolnoprzepustowy, podczas gdy oba wzmacniacze zawisły z błędem około 10% (tabela 1).

Krok 4: Dyskusja

Wygląda na to, że schemat robi to, co powinien. Wziął dany sygnał, wzmocnił go, następnie przefiltrował i ponownie wzmocnił. Biorąc to pod uwagę, jest to bardzo „mała” konstrukcja, składająca się tylko ze wzmacniacza instrumentalnego, filtra dolnoprzepustowego i filtra nieodwracającego. Nie było wyraźnego źródła EKG, pomimo niezliczonych godzin surfowania po Internecie w poszukiwaniu odpowiedniego źródła. Niestety, choć to nie zadziałało, fala grzechu była odpowiednim substytutem cyklicznego charakteru sygnału.

Źródłem błędu, jeśli chodzi o teoretyczną i rzeczywistą wartość wzmocnienia i filtru dolnoprzepustowego, mogą być wybrane komponenty. Ponieważ zastosowane równania mają stosunek oporów dodany do 1, podczas wykonywania obliczeń, ten został pominięty. Można to zrobić, jeśli zastosowane rezystory są wystarczająco duże. Chociaż wybrane rezystory były duże, fakt, że ten nie został uwzględniony w obliczeniach, spowoduje niewielki margines błędu. Naukowcy z San Jose State University w San Jose CA zaprojektowali EKG specjalnie do diagnozowania chorób układu krążenia. Wykorzystali wzmacniacz instrumentalny, aktywny filtr górnoprzepustowy 1. rzędu, aktywny wypełniacz dolnoprzepustowy Bessela 5. rzędu oraz aktywny filtr wycinający twin-t [6]. Doszli do wniosku, że zastosowanie wszystkich tych składników zaowocowało pomyślnym kondycjonowaniem surowej fali EKG od człowieka. Inny model prostego obwodu EKG, wykonany przez Orlando Hoiletta z Purdue University, składał się wyłącznie ze wzmacniacza instrumentacyjnego. Wyjście było czyste i użyteczne, ale zalecano, aby w przypadku konkretnych zastosowań zmiany były lepsze - mianowicie wzmacniacze, filtry pasmowe i filtr wycinający 60 Hz w celu usunięcia szumów linii zasilającej. To pokazuje, że ten projekt EKG, choć nie obejmuje wszystkich, nie jest najprostszą metodą odbierania sygnału EKG.

Krok 5: Przyszła praca

Ten projekt EKG wymagałby jeszcze kilku rzeczy, zanim zostanie umieszczony w praktycznym urządzeniu. Po pierwsze, filtr wycinający 60 Hz był zalecany przez kilka źródeł, a ponieważ nie było tutaj szumu linii energetycznej, nie został on zaimplementowany w symulacji. Biorąc to pod uwagę, po przetłumaczeniu na urządzenie fizyczne, korzystne byłoby dodanie filtra wycinającego. Ponadto, zamiast filtra dolnoprzepustowego, lepiej mieć filtr pasmowy, aby mieć większą kontrolę nad odfiltrowanymi częstotliwościami. Ponownie, w symulacji tego rodzaju problem nie pojawia się, ale pojawia się w fizycznym urządzeniu. Następnie EKG wymaga konwertera analogowo-cyfrowego i prawdopodobnie urządzenia podobnego do Raspberry Pi do zbierania danych i przesyłania ich do komputera w celu przeglądania i używania. Dalsze ulepszenia polegałyby na dodaniu większej liczby odprowadzeń, być może zaczynając od 4 odprowadzeń kończynowych i przechodząc do wszystkich 10 odprowadzeń dla 12-odprowadzeniowego diagramu serca. Korzystny byłby również lepszy interfejs użytkownika - być może z ekranem dotykowym dla lekarzy, aby mogli łatwo uzyskać dostęp i skupić się na niektórych częściach wyjścia EKG.

Dalsze kroki wiązałyby się z uczeniem maszynowym i wdrożeniem sztucznej inteligencji. Komputer powinien być w stanie zaalarmować personel medyczny – i ewentualnie otoczenie – o wystąpieniu arytmii lub podobnych. W tym momencie lekarz musi przejrzeć dane wyjściowe EKG, aby postawić diagnozę - podczas gdy technicy są przeszkoleni w ich odczytywaniu, nie mogą postawić oficjalnej diagnozy w terenie. Jeśli EKG używane przez osoby udzielające pierwszej pomocy mają dokładną diagnozę, może to umożliwić szybsze leczenie. Jest to szczególnie ważne na obszarach wiejskich, gdzie dotarcie do szpitala pacjenta, którego nie stać na lot helikopterem, może zająć nawet godzinę. Kolejnym etapem byłoby dodanie defibrylatora do samego aparatu EKG. Następnie, gdy wykryje arytmię, może określić odpowiednie napięcie do wyładowania i – biorąc pod uwagę umieszczenie elektrod defibrylacyjnych – może spróbować przywrócić pacjentowi rytm zatokowy. Byłoby to przydatne w warunkach szpitalnych, gdzie pacjenci są już podłączeni do różnych maszyn i jeśli nie ma wystarczającej liczby personelu medycznego, aby natychmiast zapewnić opiekę, aparat do serca wszystko w jednym mógłby się tym zająć, oszczędzając cenny czas potrzebny na uratowanie życia.

Krok 6: Wniosek

W ramach tego projektu pomyślnie zaprojektowano obwód EKG, a następnie zasymulowano go za pomocą LTSpice. Składał się ze wzmacniacza oprzyrządowania, filtra dolnoprzepustowego i wzmacniacza nieodwracającego do kondycjonowania sygnału. Symulacja wykazała, że wszystkie trzy komponenty działały indywidualnie, a także razem, gdy zostały połączone w całościowy układ scalony. Każdy ze wzmacniaczy miał wzmocnienie 50, co potwierdzają symulacje przeprowadzone na LTSpice. Filtr dolnoprzepustowy miał częstotliwość odcięcia 50 Hz, aby zredukować szumy z linii energetycznych oraz artefakty ze skóry i ruchu. Chociaż jest to bardzo mały obwód EKG, istnieje wiele ulepszeń, które można wprowadzić, począwszy od dodania jednego lub dwóch filtrów, aż do urządzenia typu „wszystko w jednym sercu”, które może wykonać EKG, odczytać je i zapewniają natychmiastowe leczenie.

Krok 7: Referencje

Bibliografia

[1] „Elektrokardiogram (EKG lub EKG),” Mayo Clinic, 09.04.2020. [Online]. Dostępne: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Dostęp: 04.12.2020].

[2] „Elektrokardiogram”, National Heart Lung and Blood Institute. [Online]. Dostępne: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Dostęp: 04.12.2020].

[3] A. Randazzo, „The Ultimate 12-Lead EKG Placement Guide (z ilustracjami),” Prime Medical Training, 11 listopada 2019 r. [Online]. Dostępne: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Dostęp: 04.12.2020].

[4] C. Watford, „Zrozumienie filtrowania EKG”, EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Dostępne: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Dostęp: 04.12.2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au-Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher i AA Armoundas, „Najnowocześniejsze techniki uczenia maszynowego mające na celu poprawę wyników pacjenta dotyczących układu sercowo-naczyniowego”, Journal of the Amerykańskie Stowarzyszenie Kardiologiczne, tom. 9, nie. 4, 2020.

[6] WY Du, „Projektowanie obwodu czujnika EKG do diagnostyki chorób układu krążenia”, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, tom. 2, nie. 4, 2017.

[7] „Kalkulator napięcia wyjściowego wzmacniacza oprzyrządowania”, ncalculators.com. [Online]. Dostępne: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Dostęp: 04.12.2020].

[8] „Kalkulator filtra dolnoprzepustowego”, ElectronicBase, 1 kwietnia 2019 r. [Online]. Dostępne: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Dostęp: 04.12.2020].

[9] „Nieodwracający wzmacniacz operacyjny - nieodwracający wzmacniacz operacyjny”, Podstawowe samouczki dotyczące elektroniki, 06-listopad-2020. [Online]. Dostępne: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Dostęp: 04.12.2020].

[10] E. Sengpiel, „Obliczenia: Wzmocnienie (wzmocnienie) i tłumienie (strat) jako współczynnik (stosunek) do poziomu w decybelach (dB), „Kalkulacja dB dla wzmocnienia wzmocnienia i tłumienia (strat) współczynnika obliczania wzmacniacza audio decybel dB stosunek - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Online]. Dostępne: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Dostęp: 04.12.2020].

[11]„Filtr dolnoprzepustowy - samouczek dotyczący pasywnego filtra RC”, samouczki podstawowe dotyczące elektroniki, 01-maj-2020. [Online]. Dostępne: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Dostęp: 04.12.2020].

[12] O. H. Instructables, „Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit”, Instructables, 02-kwiecień-2018. [Online]. Dostępne: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Dostęp: 04.12.2020].

[13] Brent Cornell, „Elektrokardiografia”, BioNinja. [Online]. Dostępne: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Dostęp: 04.12.2020].