Një EKG e përzemërt: 7 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:10

Abstrakt

Një EKG, ose elektrokardiogram, është një pajisje mjekësore e përdorur zakonisht për të regjistruar sinjalet elektrike të zemrës. Ato janë të thjeshta për t'u bërë në formën më themelore, por ka shumë hapësirë për rritje. Për këtë projekt, një EKG është projektuar dhe simuluar në LTSpice. EKG kishte tre përbërës: një përforcues instrumentesh, një filtër me kalim të ulët dhe së fundi, një përforcues jo përmbysës. Kjo ishte për të siguruar që kishte një fitim të mjaftueshëm që vinte nga një burim relativisht i dobët i një biosignali, si dhe një filtër për të hequr zhurmën në qark. Simulimet treguan se çdo komponent i qarkut u krye me sukses, ashtu siç bëri një qark total i integruar me të tre përbërësit. Kjo tregon se kjo është një mënyrë e zbatueshme për krijimin e një qarku EKG. Ne pastaj eksploruam potencialin e madh për përmirësime në EKG.

Hapi 1: Hyrje/Sfond

Një EKG ose elektrokardiogram përdoret për të regjistruar sinjalet elektrike të zemrës. Quiteshtë mjaft e zakonshme dhe një test pa dhimbje që përdoret për të zbuluar problemet kardiake dhe për të monitoruar shëndetin kardiak. Ato kryhen në zyrat e mjekëve - ose klinikat ose dhomat e spitaleve dhe janë makina standarde në dhomat e operacionit dhe ambulancat [1]. Ato mund të tregojnë se sa shpejt rreh zemra, nëse ritmi është i rregullt apo jo, si dhe fuqinë dhe kohën e impulseve elektrike që kalojnë nëpër pjesë të ndryshme të zemrës. Rreth 12 elektroda (ose më pak) janë ngjitur në lëkurë në gjoks, krahë dhe këmbë dhe janë të lidhura me një makinë që lexon impulset dhe i grafikon ato [2]. Një EKG me dymbëdhjetë plumb ka 10 elektroda (për të dhënë gjithsej 12 pamje të zemrës). 4-plumbi shkon në gjymtyrë. Dy në kyçet e dorës, dhe dy në kyçin e këmbës. 6 drejtimet e fundit shkojnë në bust. V1 shkon në hapësirën e 4 -të ndërkostale në të djathtë të sternumit, ndërsa V2 është në të njëjtën linjë, por në të majtë të sternumit. V3 vendoset në mes të rrugës midis V2 dhe V4, V5 shkon në vijën e përparme aksilare në të njëjtin nivel me V4 dhe V6 në vijën mesaksilare në të njëjtin nivel [3].

Qëllimi i këtij projekti është të hartojë, simulojë dhe verifikojë një pajisje për marrjen e sinjalit analog - në këtë rast, një elektrokardiogram. Meqenëse norma mesatare e zemrës është 72, por gjatë pushimit mund të shkojë deri në 90, mesatarja mund të konsiderohet në rreth 60 rrahje në minutë, duke dhënë një frekuencë themelore prej 1Hz për rrahjet e zemrës. Shkalla e zemrës mund të shkojë nga rreth 0.67 në 5 Hz (40 deri në 300 rrahje në minutë). Çdo sinjal përbëhet nga një valë që mund të etiketohet si P, kompleks QRS dhe një pjesë T në valë. Vala P shkon rreth 0.67 - 5 Hz, kompleksi QRS është rreth 10-50 Hz, dhe vala T është rreth 1 - 7 Hz [4]. Gjendja aktuale e artit EKG ka mësimin e makinerisë [5], ku aritmitë dhe të ngjashme mund të klasifikohen nga vetë makina. Për thjeshtësi, kjo EKG do të ketë vetëm dy elektroda - një pozitive dhe një negative.

Hapi 2: Metodat dhe materialet

Për të filluar dizajnin, një kompjuter u përdor si për kërkime ashtu edhe për modelime. Softueri i përdorur ishte LTSpice. Së pari, për të hartuar skemën për EKG analoge, u bënë kërkime për të parë se cilat janë modelet aktuale dhe si t'i zbatojmë ato më së miri në një dizajn të ri. Pothuajse të gjitha burimet filluan me një përforcues instrumentesh për të filluar. Ajo merr dy hyrje - nga secila prej elektrodave. Pas kësaj, një filtër me kalim të ulët u zgjodh për të hequr sinjalet mbi 50 Hz, pasi zhurma e linjës së energjisë vjen në rreth 50-60 Hz [6]. Pas kësaj, ishte një përforcues jo -konvertues për të amplifikuar sinjalin, pasi biosinjalet janë mjaft të vogla.

Komponenti i parë ishte përforcuesi i instrumenteve. Ka dy hyrje, një për elektrodën pozitive dhe një për elektrodën negative. Përforcuesi i instrumenteve u përdor veçanërisht për të mbrojtur qarkun nga sinjali në hyrje. Ekzistojnë tre op-amps universal dhe 7 rezistorë. Të gjithë rezistencat përveç R4 (Rgain) janë të së njëjtës rezistencë. Fitimi i një përforcuesi të instrumenteve mund të manipulohet me ekuacionin e mëposhtëm: A = 1 + (2RRagimi) [7] Fitimi u zgjodh të ishte 50 pasi biosinjalet janë shumë të vogla. Rezistencat u zgjodhën të jenë më të mëdha për lehtësinë e përdorimit. Llogaritjet pastaj ndjekin këtë grup ekuacionesh për të dhënë R = 5000Ω dhe Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2Rfito) 50 2 * 5000200

Komponenti tjetër i përdorur ishte një filtër me kalim të ulët, për të hequr frekuencat mbi 50 Hz, i cili do të mbajë vetëm valën PQRST në këtë interval frekuence dhe minimizon zhurmën. Ekuacioni për një filtër me kalim të ulët tregohet më poshtë: fc = 12RC [8] Meqenëse frekuenca e zgjedhur për ndërprerje ishte 50 Hz, dhe rezistenca u zgjodh të ishte 1kΩ, llogaritjet japin një vlerë kondensatori prej 0.00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Komponenti i tretë në EKG ishte një përforcues jo përmbysës. Kjo është për të siguruar që sinjali është mjaft i madh para se (potencialisht) të transferohet në një konvertues analog në dixhital. Fitimi i një përforcuesi jo -konvertues tregohet më poshtë: A = 1 + R2R1 [9] Ashtu si më parë fitimi ishte zgjedhur të ishte 50, për të rritur amplituda e sinjalit përfundimtar. Llogaritjet për rezistencën janë si më poshtë, me një rezistencë të zgjedhur të jetë 10000Ω, duke dhënë një vlerë të dytë të rezistencës prej 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Për të testuar skemën, analizat u bënë në secilin komponent dhe më pas në skemën përfundimtare të përgjithshme. Simulimi i dytë ishte një analizë AC, një spastrim oktavash, me 100 pikë për oktavë, dhe duke kaluar nëpër frekuencat 1 deri në 1000 Hz.

Hapi 3: Rezultatet

Për të testuar qarkun, u krye një spastrim oktava, me 100 pikë për oktavë, duke filluar me një frekuencë prej 1 Hz dhe duke vazhduar deri në një frekuencë prej 1000 Hz. Hyrja ishte një kurbë sinusoidale, për të qenë një përfaqësim i natyrës ciklike të valës EKG. Kishte një kompensim DC 0, amplitudë 1, frekuencë 1 Hz, vonesë T 0, theta (1/s) 0, dhe phi (deg) 90. Frekuenca ishte vendosur 1, pasi një mesatare Shkalla e zemrës mund të vendoset në rreth 60 rrahje në minutë, që është 1 Hz.

Siç shihet në Figurën 5, bluja ishte hyrja dhe e kuqja ishte dalja. Pati qartë një fitim masiv, siç u pa më lart.

Filtri i kalimit të ulët u vendos në 50 Hz, për të hequr zhurmën e linjës së energjisë në një aplikim të mundshëm të EKG. Meqenëse kjo nuk vlen këtu ku sinjali është konstant në 1 Hz, dalja është e njëjtë me hyrjen (Figura 6).

Dalja - e treguar në ngjyrë blu - është përforcuar qartë në krahasim me hyrjen, e treguar me ngjyrë të gjelbër. Për më tepër, meqenëse majat dhe luginat e kthesave sinusale përputhen, kjo tregon se amplifikatori me të vërtetë nuk ishte përmbysës (Figura 7).

Figura 8 tregon të gjitha kthesat së bashku. Ai tregon qartë manipulimin e sinjalit, duke shkuar nga një sinjal i vogël, i përforcuar dy herë dhe i filtruar (edhe pse filtrimi nuk ka efekt në këtë sinjal specifik).

Duke përdorur ekuacionet për fitimin dhe frekuencën e ndërprerjes [10, 11], vlerat eksperimentale u përcaktuan nga komplotet. Filtri me kalim të ulët kishte gabimin më të vogël, ndërsa të dy përforcuesit qëndronin me një gabim prej rreth 10% (Tabela 1).

Hapi 4: Diskutim

Duket se skema bën atë që supozohet të bëjë. Ai mori një sinjal të caktuar, e përforcoi atë, pastaj e filtroi dhe pastaj e përforcoi përsëri. Duke u thënë kështu, është një dizajn shumë "i vogël", i përbërë nga vetëm një përforcues instrumentesh, filtër me kalim të ulët dhe një filtër jo përmbysës. Nuk kishte asnjë informacion të qartë të burimit të EKG -së, pavarësisht orëve të panumërta që lundronin në internet për një burim të duhur. Fatkeqësisht, ndërsa kjo nuk funksionoi, vala e mëkatit ishte një zëvendësues i përshtatshëm për natyrën ciklike të sinjalit.

Një burim gabimi kur bëhet fjalë për vlerën teorike dhe aktuale të filtrit të fitimit dhe kalimit të ulët mund të jenë përbërësit e zgjedhur. Meqenëse ekuacionet e përdorura kanë një raport të rezistencave të shtuara në 1, gjatë llogaritjeve, kjo u neglizhua. Kjo mund të bëhet nëse rezistorët e përdorur janë mjaft të mëdhenj. Ndërsa rezistorët e zgjedhur ishin të mëdhenj, fakti që ai nuk u mor në llogaritjet do të krijojë një diferencë të vogël gabimi. Hulumtuesit në Universitetin Shtetëror San Jose në San Jose CA hartuan një EKG posaçërisht për diagnozën e sëmundjeve kardiovaskulare. Ata përdorën një përforcues instrumentesh, filtër aktiv të rendit të parë me kalim të lartë, mbushës aktiv të rendit të 5-të Bessel të ulët dhe një filtër të nivelit aktiv dy binjakësh [6]. Ata arritën në përfundimin se përdorimi i të gjithë këtyre përbërësve rezultoi në kondicionimin e suksesshëm të një valë të papërpunuar të EKG -së nga një subjekt njerëzor. Një model tjetër i një qarku të thjeshtë EKG të bërë nga Orlando Hoilett në Universitetin Purdue përbëhej vetëm nga një përforcues instrumentesh. Dalja ishte e qartë dhe e përdorshme, por rekomandohej që për aplikime të veçanta, ndryshimet të ishin më të mira - përkatësisht amplifikatorë, filtra të brezit dhe një filtër të nivelit 60 Hz për të hequr zhurmën e linjës së energjisë. Kjo tregon se ky model i një EKG-je, edhe pse jo gjithëpërfshirës, nuk është metoda më e thjeshtë e marrjes së një sinjali EKG.

Hapi 5: Puna në të ardhmen

Ky dizajn i një EKG do të kërkonte edhe disa gjëra të tjera para se të vihej në një pajisje praktike. Së pari, filtri i nivelit 60 Hz u rekomandua nga disa burime, dhe meqenëse nuk kishte zhurmë të linjës së energjisë për t'u trajtuar këtu, ai nuk u zbatua në simulim. Duke u thënë kështu, pasi kjo të përkthehet në një pajisje fizike, do të ishte e dobishme të shtoni një filtër të nivelit. Për më tepër, në vend të filtrit të kalimit të ulët, mund të funksionojë më mirë të keni një filtër të brezit, për të pasur më shumë kontroll mbi frekuencat që po filtrohen. Përsëri, në simulim, kjo lloj çështje nuk del, por do të shfaqet në një pajisje fizike. Pas kësaj, EKG do të kërkonte një konvertues analog në dixhital, dhe ka të ngjarë një pajisje të ngjashme me një pi mjedër për të mbledhur të dhënat dhe për t'i transmetuar ato në një kompjuter për shikim dhe përdorim. Përmirësime të mëtejshme do të ishin shtimi i më shumë drejtuesve, mbase duke filluar me plumbat me 4 gjymtyrë dhe duke u diplomuar në të 10 drejtuesit për një diagram 12 plumbi të zemrës. Një ndërfaqe më e mirë e përdoruesit do të ishte gjithashtu e dobishme - mbase me një ekran me prekje për profesionistët mjekësorë që të jenë në gjendje të kenë qasje të lehtë dhe të përqëndrohen në pjesë të caktuara të daljes së EKG -së.

Hapat e mëtejshëm do të përfshinin mësimin e makinerisë dhe zbatimin e UA. Kompjuteri duhet të jetë në gjendje të paralajmërojë personelin mjekësor - dhe ndoshta ata përreth - se ka ndodhur aritmia ose të ngjashme. Në këtë pikë, një mjek duhet të rishikojë një dalje të EKG -së për të bërë një diagnozë - ndërsa teknikët janë të trajnuar për t'i lexuar ato, ata nuk mund të bëjnë një diagnozë zyrtare në terren. Nëse EKG -të që përdoren nga pacientët e parë kanë një diagnozë të saktë, kjo mund të lejojë trajtim më të shpejtë. Kjo është veçanërisht e rëndësishme në zonat rurale, ku mund të duhen më shumë se një orë për të marrë një pacient që nuk mund të përballojë një udhëtim me helikopter në spital. Faza tjetër do të ishte shtimi i një defibrilatori në vetë aparatin EKG. Pastaj, kur zbulon një aritmi, mund të kuptojë tensionin e duhur për një goditje dhe - duke pasur parasysh që jastëkët e goditjes janë vendosur - mund të përpiqet ta kthejë pacientin në ritmin e sinusit. Kjo do të ishte e dobishme në mjediset spitalore, ku pacientët tashmë janë të lidhur me makina të ndryshme dhe nëse nuk ka personel të mjaftueshëm mjekësor për të ofruar kujdes të menjëhershëm, makina e të gjithëve në një zemër mund të kujdeset për të, duke kursyer kohë të çmuar të nevojshme për të shpëtuar një jetë Me

Hapi 6: Përfundimi

Në këtë projekt, një qark EKG u projektua me sukses dhe më pas u simulua duke përdorur LTSpice. Ai përbëhej nga një përforcues instrumentesh, një filtër me kalim të ulët dhe një përforcues jo përmbysës për të kushtëzuar sinjalin. Simulimi tregoi se të tre komponentët punuan individualisht si dhe së bashku kur kombinohen për një qark total të integruar. Përforcuesit secili kishin një fitim prej 50, një fakt i konfirmuar nga simulimet e drejtuara në LTSpice. Filtri me kalim të ulët kishte një frekuencë ndërprerjeje prej 50 Hz, për të zvogëluar zhurmën nga linjat e energjisë dhe artefaktet nga lëkura dhe lëvizja. Ndërsa ky është një qark shumë i vogël EKG, ka shumë përmirësime që mund të bëhen, duke shkuar deri në shtimin e një filtri ose dy, deri në një makinë zemre të gjitha në një që mund të marrë EKG, ta lexojë atë dhe ofrojnë trajtim të menjëhershëm.

Hapi 7: Referencat

Referencat

[1] "Elektrokardiogrami (EKG ose EKG)," Klinika Mayo, 09-Prill-2020. [Online]. Në dispozicion: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Qasur: 04-Dhjetor-2020].

[2] "Elektrokardiogram", Instituti Kombëtar i Zemrës për Mushkëritë dhe Gjakun. [Online]. Në dispozicion: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Qasur: 04-Dhjetor-2020].

[3] A. Randazzo, "Udhëzuesi përfundimtar i vendosjes së EKG-së me 12 plumb (me ilustrime)", Trajnimi Kryesor Mjekësor, 11-Nëntor-2019. [Online]. Në dispozicion: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Qasur: 04-Dhjetor-2020].

[4] C. Watford, "Kuptimi i Filtrimit të EKG -së", EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Në dispozicion: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Qasur: 04-Dhjetor-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher, dhe AA Armoundas, "State ‐ of ‐ the Mach the Mach the Mach the Mach the Art Machine Learning Techniques Që synojnë të përmirësojnë rezultatet e pacientëve që kanë të bëjnë me sistemin kardiovaskular," Journal of the Shoqata Amerikane e Zemrës, vëll. 9, jo 4, 2020.

[6] W. Y. Du, "Dizajni i një qarku të sensorit EKG për diagnostikimin e sëmundjeve kardiovaskulare", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, jo 4, 2017.

[7] "Llogaritësi i tensionit të daljes së amplifikatorit të instrumenteve", ncalculators.com. [Online]. Në dispozicion: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Qasur: 04-Dhjetor-2020].

[8] “Llogaritësi i filtrit me kalim të ulët”, ElectronicBase, 01-Prill-2019. [Online]. Në dispozicion: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Qasur: 04-Dhjetor-2020].

[9] "Përforcuesi Operacional Jo-përmbysës-Op-amp Jo-përmbysës," Udhëzime Bazë për Elektronikë, 06-Nëntor-2020. [Online]. Në dispozicion: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Qasur: 04-Dhjetor-2020].

[10] E. Sengpiel, "Llogaritja: Amplifikimi (fitimi) dhe amortizimi (humbja) si faktor (raporti) ndaj nivelit në decibel (dB)," llogaritësi dB për fitimin e amplifikimit dhe faktorin e amortizimit (humbjes) të një llogaritje të amplifikatorit audio raporti decibel dB - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Online]. Në dispozicion: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Qasur: 04-Dhjetor-2020].

[11] "Filtri me kalim të ulët-Udhëzues filtri RC pasiv", Tutoriale bazë të elektronikës, 01-maj-2020. [Online]. Në dispozicion: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Qasur: 04-Dhjetor-2020].

[12] O. H. Instructables, "Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit," Instructables, 02-Apr-2018. [Online]. Në dispozicion: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Qasur: 04-Dhjetor-2020].

[13] Brent Cornell, "Elektrokardiografia", BioNinja. [Online]. E disponueshme: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Qasur: 04-Dhjetor-2020].