Et hjertelig EKG: 7 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

Abstrakt

Et EKG, eller elektrokardiogram, er en vanlig medisinsk enhet som brukes til å registrere hjertets elektriske signaler. De er enkle å lage i den mest grunnleggende formen, men det er god plass til vekst. For dette prosjektet ble det designet og simulert et EKG på LTSpice. EKG hadde tre komponenter: en instrumenteringsforsterker, et lavpassfilter og til slutt en ikke-inverterende forsterker. Dette var for å sikre at det var nok gevinst fra en relativt svak kilde til et biosignal, samt et filter for å fjerne støy i kretsen. Simuleringene viste at hver komponent i kretsen utført vellykket, det samme gjorde en total integrert krets med alle tre komponentene. Dette viser at dette er en levedyktig måte å lage en EKG -krets på. Deretter undersøkte vi det store potensialet for forbedringer av EKG.

Trinn 1: Introduksjon/bakgrunn

Et EKG eller elektrokardiogram brukes til å registrere hjertets elektriske signaler. Det er ganske vanlig og en smertefri test som brukes til å oppdage hjerteproblemer og overvåke hjertehelsen. De utføres på legekontorer - enten klinikker eller sykehusrom og er standardmaskiner i operasjonsrom og ambulanser [1]. De kan vise hvor fort hjertet slår, om rytmen er vanlig eller ikke, samt styrken og timingen til de elektriske impulsene som går gjennom de forskjellige delene av hjertet. Omtrent 12 elektroder (eller færre) er festet til huden på brystet, armer og ben og er koblet til en maskin som leser impulsene og tegner dem [2]. Et tolv-avlednings EKG har 10 elektroder (for å gi totalt 12 visninger av hjertet). 4-ledningen går på lemmer. To på håndleddene, og to på anklene. De siste 6 ledningene går på overkroppen. V1 går på det fjerde interkostale rommet til høyre for brystbenet, mens V2 er på samme linje, men til venstre for brystbenet. V3 er plassert midt mellom V2 og V4, V5 går på den fremre aksillærlinjen på samme nivå som V4 og V6 går på midtaksillærlinjen på samme nivå [3].

Målet med dette prosjektet er å designe, simulere og verifisere en analog signalinnsamlingsenhet - i dette tilfellet et elektrokardiogram. Siden gjennomsnittlig hjertefrekvens er på 72, men mens den hviler kan den gå så lavt som 90, kan medianen betraktes med omtrent 60 slag i minuttet, noe som gir en grunnfrekvens på 1Hz for pulsen. Puls kan variere fra omtrent 0,67 til 5 Hz (40 til 300 slag / min). Hvert signal består av en bølge som kan merkes som P, QRS -kompleks og en T -del til bølgen. P -bølgen går på omtrent 0,67 - 5 Hz, QRS -komplekset er på omtrent 10-50 Hz, og T -bølgen er på omtrent 1 - 7 Hz [4]. Den nåværende toppmoderne EKG har maskinlæring [5], der arytmier og lignende kan klassifiseres av maskinen selv. For å forenkle vil dette EKG bare ha to elektroder - en positiv og en negativ.

Trinn 2: Metoder og materialer

For å begynne designet ble en datamaskin brukt til både forskning og modellering. Programvaren som ble brukt var LTSpice. For det første, for å designe skjematikken for det analoge EKG, ble det forsket på for å se hva de nåværende designene er og hvordan de best implementeres til et nytt design. Stort sett alle kildene startet med en instrumenteringsforsterker til å begynne med. Den tar inn to innganger - fra hver av elektrodene. Etter det ble et lavpassfilter valgt for å fjerne signaler over 50 Hz, siden støy fra strømledningen kommer til omtrent 50-60 Hz [6]. Etter det var en ikke -inverterende forsterker for å forsterke signalet, siden biosignaler er ganske små.

Den første komponenten var instrumenteringsforsterkeren. Den har to innganger, en for den positive og en for den negative elektroden. Instrumenteringsforsterkeren ble brukt spesielt for å beskytte kretsen mot det innkommende signalet. Det er tre universelle op-forsterkere og 7 motstander. Alle motstandene unntatt R4 (Rgain) har samme motstand. Gevinsten til en instrumenteringsforsterker kan manipuleres med følgende ligning: A = 1 + (2RRgain) [7] Gevinsten ble valgt til å være 50 siden biosignaler er svært små. Motstandene ble valgt for å være større for enkel bruk. Beregningene følger deretter dette settet med ligninger for å gi R = 5000Ω og Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Den neste komponenten som ble brukt var et lavpassfilter, for å fjerne frekvenser over 50 Hz, som vil beholde bare PQRST -bølgen i dette frekvensområdet og minimere støy. Ligningen for et lavpassfilter er vist nedenfor: fc = 12RC [8] Siden den valgte frekvensen for avbrudd var 50 Hz, og motstanden ble valgt til å være 1kΩ, gir beregningene en kondensatorverdi på 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Den tredje komponenten i EKG var en ikke-inverterende forsterker. Dette er for å sikre at signalet er stort nok før (potensielt) overføres til en analog til digital omformer. Forsterkningen til en ikke -inverterende forsterker er vist nedenfor: A = 1 + R2R1 [9] Som før forsterkningen ble valgt til å være 50, for å øke amplituden til det endelige signalet. Beregningene for motstanden er som følger, med en motstand valgt til å være 10000Ω, noe som gir en andre motstandsverdi på 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

For å teste skjematikken ble analyser kjørt på hver komponent og deretter på den endelige overordnede skjematikken. Den andre simuleringen var en vekselstrømsanalyse, en oktavsvep, med 100 poeng per oktav, og som går gjennom frekvenser 1 til 1000 Hz.

Trinn 3: Resultater

For å teste kretsen ble det utført en oktavsvep, med 100 poeng per oktav, som startet med en frekvens på 1 Hz, og gikk til en frekvens på 1000 Hz. Inngangen var en sinusformet kurve, for å være en representasjon av den sykliske naturen til EKG -bølgen. Den hadde en DC -forskyvning på 0, amplitude på 1, frekvens på 1 Hz, T -forsinkelse på 0, theta (1/s) på 0 og phi (deg) på 90. Frekvensen ble satt til å være 1 siden et gjennomsnitt pulsen kan settes til omtrent 60 slag / min, som er 1 Hz.

Som vist i figur 5, var det blå inngangen og den røde var utgangen. Det var tydelig en massiv gevinst, som sett ovenfor.

Lavpassfilteret ble satt til 50 Hz for å fjerne kraftlinjestøy i en potensiell EKG -applikasjon. Siden det ikke gjelder her hvor signalet er konstant ved 1 Hz, er utgangen den samme som inngangen (figur 6).

Utgangen - vist i blått - er tydelig forsterket i forhold til inngangen, vist i grønt. I tillegg, siden toppene og dalene i sinuskurvene stemmer overens, viser dette at forsterkeren faktisk var ikke-inverterende (figur 7).

Figur 8 viser alle kurvene sammen. Det viser tydelig manipulasjonen av signalet, som går fra et lite signal, forsterkes to ganger og filtreres (selv om filtreringen ikke har noen effekt på dette spesifikke signalet).

Ved å bruke ligningene for forsterkning og cutoff -frekvens [10, 11], ble de eksperimentelle verdiene bestemt ut fra plottene. Lavpassfilteret hadde minst feil, mens begge forsterkerne svevde med en feil på omtrent 10% (tabell 1).

Trinn 4: Diskusjon

Det ser ut til at skjematikken gjør det den skal gjøre. Det tok et gitt signal, forsterket det, filtrerte det deretter og forsterket det igjen. Når det er sagt, er det en veldig 'liten' design, som bare består av en instrumenteringsforsterker, lavpassfilter og et ikke-inverterende filter. Det var ingen klar inngang fra en EKG -kilde, til tross for utallige timer på å surfe på nettet etter en riktig kilde. Dessverre, selv om det ikke fungerte, var syndbølgen en passende erstatning for signalets sykliske natur.

En feilkilde når det gjelder den teoretiske og den faktiske verdien av forsterknings- og lavpassfilteret, kan være de valgte komponentene. Siden ligningene som brukes har et forhold mellom motstandene lagt til 1, mens beregningene ble utført, ble denne ignorert. Dette kan gjøres hvis motstandene som brukes er store nok. Selv om de valgte motstandene var store, vil det faktum at den ene ikke ble tatt med i beregninger, skape en liten feilmargin. Forskere ved San Jose State University i San Jose CA designet et EKG spesielt for diagnostisering av hjerte- og karsykdommer. De brukte en instrumentforsterker, 1. ordens aktivt høypassfilter, 5. ordens aktivt Bessel lavpassfyller og et twin-t aktivt hakkfilter [6]. De konkluderte med at bruken av alle disse komponentene resulterte i vellykket kondisjonering av en rå EKG -bølge fra et menneske. En annen modell av en enkel EKG -krets utført av Orlando Hoilett ved Purdue University besto utelukkende av en instrumenteringsforsterker. Utgangen var klar og brukbar, men det ble anbefalt at endringer ville være bedre for spesifikke applikasjoner - nemlig forsterkere, båndpassfiltre og et 60 Hz hakkfilter for å fjerne støy fra kraftledninger. Dette viser at denne utformingen av et EKG, men ikke altomfattende, ikke er den enkleste metoden for å ta inn et EKG-signal.

Trinn 5: Fremtidig arbeid

Denne utformingen av et EKG vil kreve noen flere ting før den settes inn i en praktisk enhet. For det første ble 60 Hz hakkfilter anbefalt av flere kilder, og siden det ikke var noen støy fra strømledningen å håndtere her, ble det ikke implementert i simuleringen. Når det er sagt, når dette er oversatt til en fysisk enhet, vil det være fordelaktig å legge til et hakkfilter. I tillegg kan det i stedet for lavpassfilteret fungere bedre å ha et båndpassfilter, for å ha mer kontroll over frekvensene som filtreres ut. Igjen, i simuleringen kommer ikke denne typen problemer opp, men den vil vises på en fysisk enhet. Etter dette vil EKG kreve en analog til digital omformer, og sannsynligvis en enhet som ligner på en bringebær pi for å samle dataene og streame dem til en datamaskin for visning og bruk. Ytterligere forbedringer vil være å legge til flere elektroder, kanskje begynne med de fire lemledene og utdanne til alle 10 avledningene for et 12 -avledningsdiagram av hjertet. Et bedre brukergrensesnitt vil også være fordelaktig - kanskje med en berøringsskjerm for helsepersonell for enkelt å få tilgang til og fokusere på visse deler av en EKG -utgang.

Ytterligere trinn vil innebære maskinlæring og AI -implementering. Datamaskinen skal kunne varsle medisinsk personell - og muligens de som er rundt - om at det har oppstått arytmi eller lignende. På dette tidspunktet må en lege vurdere en EKG -utgang for å stille en diagnose - mens teknikere er opplært til å lese dem, kan de ikke stille en offisiell diagnose ute i feltet. Hvis EKG -ene som brukes av første respondenter har en nøyaktig diagnose, kan det gi raskere behandling. Dette er spesielt viktig i landlige områder, hvor det kan ta oppover en time å få en pasient som ikke har råd til en helikoptertur til sykehuset. Det neste trinnet vil være å legge til en defibrillator til selve EKG -maskinen. Når den så oppdager en arytmi, kan den finne ut riktig spenning for et sjokk og - gitt at sjokkputene er plassert - kan den prøve å få pasienten tilbake til sinusrytme. Dette ville være nyttig i sykehusinnstillinger, der pasienter allerede er koblet til forskjellige maskiner, og hvis det ikke er nok medisinsk personell til å gi omsorg umiddelbart, kan alt i ett -hjertet -maskinen ta seg av det, noe som sparer dyrebar tid som er nødvendig for å redde et liv.

Trinn 6: Konklusjon

I dette prosjektet ble en EKG -krets vellykket designet og deretter simulert ved hjelp av LTSpice. Den besto av en instrumenteringsforsterker, et lavpassfilter og en ikke-inverterende forsterker for å kondisjonere signalet. Simuleringen viste at alle tre komponentene fungerte individuelt så vel som sammen når de ble kombinert for en total integrert krets. Forsterkerne hadde hver en gevinst på 50, et faktum bekreftet av simuleringene som ble kjørt på LTSpice. Lavpassfilteret hadde en cutoff -frekvens på 50 Hz, for å redusere støy fra kraftledninger og gjenstander fra huden og bevegelse. Selv om dette er en veldig liten EKG -krets, er det mange forbedringer som kan gjøres, alt fra tillegg av et filter eller to, til en alt i ett -hjerte -maskin som kan ta EKG, lese det og gi umiddelbar behandling.

Trinn 7: Referanser

Referanser

[1] “Elektrokardiogram (EKG eller EKG),” Mayo Clinic, 09. april 2020. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Tilgang: 04-des-2020].

[2] "Elektrokardiogram", National Heart Lung and Blood Institute. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Tilgang: 04-des-2020].

[3] A. Randazzo, "The Ultimate 12-Lead ECG Placement Guide (With Illustrations)," Prime Medical Training, 11. november 2019. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Tilgang: 04-des-2020].

[4] C. Watford, "Forstå EKG -filtrering", EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Tilgjengelig: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Tilgang: 04-des-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher og AA Armoundas, "State -of -the -Art Machine Learning Techniques som har som mål å forbedre pasientens utfall knyttet til det kardiovaskulære systemet," Journal of the American Heart Association, vol. 9, nei. 4, 2020.

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

[7] “Instrumentasjonsforsterkerens utgangsspenningskalkulator,” ncalculators.com. [På nett]. Tilgjengelig: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Tilgang: 04-des-2020].

[8] “Lavpassfilterkalkulator,” ElectronicBase, 01-apr-2019. [På nett]. Tilgjengelig: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Tilgang: 04-des-2020].

[9] "Non-inverting Operational Amplifier-The Non-inverting Op-amp," Basic Electronics Tutorials, 06-Nov-2020. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Tilgang: 04-des-2020].

[10] E. Sengpiel, "Beregning: Forsterkning (forsterkning) og demping (tap) som faktor (forhold) til nivået i desibel (dB)," dB -kalkulator for forsterkningsforsterkning og dempnings- (tap) faktor for en lydforsterkerberegning desibel dB ratio - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Tilgang: 04-des-2020].

[11] “Lavpassfilter-Opplæring i passivt RC-filter,” Grunnleggende elektronikkopplæring, 01. mai 2020. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Tilgang: 04-des-2020].

[12] O. H. Instructables, "Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit", Instructables, 02. april-2018. [På nett]. Tilgjengelig: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Tilgang: 04-des-2020].

[13] Brent Cornell, "Elektrokardiografi," BioNinja. [På nett]. Tilgjengelig: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Tilgang: 04-des-2020].