Srdcové EKG: 7 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Abstraktní

EKG nebo elektrokardiogram je běžně používané lékařské zařízení používané k zaznamenávání elektrických signálů srdce. Jsou jednoduché na výrobu v nejzákladnější formě, ale je zde spousta prostoru pro růst. Pro tento projekt bylo na LTSpice navrženo a simulováno EKG. EKG mělo tři složky: přístrojový zesilovač, dolní propust a nakonec neinvertující zesilovač. To mělo zajistit dostatečný zisk přicházející z relativně slabého zdroje biosignálu a také filtru pro odstranění šumu v obvodu. Simulace ukázaly, že každá součást obvodu fungovala úspěšně, stejně jako celkový integrovaný obvod se všemi třemi součástmi. To ukazuje, že toto je životaschopný způsob vytvoření obvodu EKG. Poté jsme prozkoumali obrovský potenciál pro zlepšení EKG.

Krok 1: Úvod/Pozadí

K záznamu elektrických signálů srdce se používá EKG nebo elektrokardiogram. Je to zcela běžný a bezbolestný test používaný k detekci srdečních problémů a sledování srdečního zdraví. Provádějí se v lékařských ordinacích - na klinikách nebo v nemocničních pokojích a jsou standardními stroji na operačních sálech a ambulancích [1]. Mohou ukázat, jak rychle srdce bije, zda je rytmus pravidelný nebo ne, a také sílu a načasování elektrických impulsů procházejících různými částmi srdce. Asi 12 elektrod (nebo méně) je připevněno ke kůži na hrudi, pažích a nohou a je připojeno ke stroji, který čte impulsy a zobrazuje je v grafech [2]. Dvanácti svodové EKG má 10 elektrod (celkem 12 zobrazení srdce). 4-svod jde na končetiny. Dva na zápěstí a dva na kotnících. Posledních 6 vedení jde na trup. V1 pokračuje ve 4. mezižebří napravo od hrudní kosti, zatímco V2 je na stejné linii, ale nalevo od hrudní kosti. V3 je umístěn uprostřed mezi V2 a V4, V5 jde na přední axilární linii na stejné úrovni jako V4 a V6 na midaxilární linii na stejné úrovni [3].

Cílem tohoto projektu je navrhnout, simulovat a ověřit zařízení pro získávání analogového signálu - v tomto případě elektrokardiogram. Vzhledem k tomu, že průměrná srdeční frekvence je 72, ale v klidu může klesnout až na 90, lze uvažovat o mediánu přibližně 60 tepů za minutu, což dává základní frekvenci 1 Hz pro srdeční frekvenci. Tepová frekvence se může pohybovat od přibližně 0,67 do 5 Hz (40 až 300 úderů za minutu). Každý signál se skládá z vlny, kterou lze označit jako P, QRS komplex, a části T vlny. Vlna P probíhá přibližně 0,67 - 5 Hz, komplex QRS je přibližně 10-50 Hz a vlna T přibližně 1 - 7 Hz [4]. Současný nejmodernější EKG má strojové učení [5], kde arytmie a podobné mohou být klasifikovány samotným přístrojem. Pro zjednodušení bude mít toto EKG pouze dvě elektrody - pozitivní a negativní.

Krok 2: Metody a materiály

Pro zahájení návrhu byl pro výzkum a modelování použit počítač. Použitým softwarem byl LTSpice. Za prvé, pro návrh schématu pro analogové EKG byl proveden výzkum s cílem zjistit, jaké jsou současné návrhy a jak je nejlépe implementovat do nového designu. Skoro všechny zdroje začínaly přístrojovým zesilovačem. Zabírá dva vstupy - z každé z elektrod. Poté byl zvolen nízkoprůchodový filtr pro odstranění signálů nad 50 Hz, protože šum elektrického vedení přichází přibližně na 50–60 Hz [6]. Poté byl neinvertující zesilovač pro zesílení signálu, protože biosignály jsou poměrně malé.

První komponentou byl přístrojový zesilovač. Má dva vstupy, jeden pro kladnou a jeden pro zápornou elektrodu. Zesilovač přístrojového vybavení byl použit speciálně k ochraně obvodu před příchozím signálem. K dispozici jsou tři univerzální operační zesilovače a 7 rezistorů. Všechny odpory kromě R4 (Rgain) mají stejný odpor. Zisk zesilovače instrumentace lze manipulovat pomocí následující rovnice: A = 1 + (2RRgain) [7] Zisk byl zvolen jako 50, protože biosignály jsou velmi malé. Rezistory byly vybrány tak, aby byly větší pro snadné použití. Výpočty se pak řídí touto sadou rovnic, takže R = 5000Ω a Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2R zisk) 50 2 * 5000200

Dalším použitým komponentem byl nízkoprůchodový filtr k odstranění frekvencí nad 50 Hz, který udrží v tomto frekvenčním rozsahu pouze vlnu PQRST a minimalizuje šum. Rovnice pro dolní propust je uvedena níže: fc = 12RC [8] Protože zvolená frekvence pro mezní hodnotu byla 50 Hz a odpor byl zvolen 1 kΩ, výpočty poskytují hodnotu kondenzátoru 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Třetí složkou na EKG byl neinvertující zesilovač. To má zajistit, aby byl signál před (potenciálně) přenesen do analogově -digitálního převodníku dostatečně velký. Zisk neinvertujícího zesilovače je uveden níže: A = 1 + R2R1 [9] Stejně jako předtím byl zisk zvolen na 50, aby se zvýšila amplituda konečného signálu. Výpočty pro rezistor jsou následující, přičemž jeden odpor je vybrán na 10 000 Ω, přičemž druhá hodnota odporu je 200 Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

K otestování schématu byly provedeny analýzy pro každou komponentu a poté pro konečné celkové schéma. Druhá simulace byla AC analýza, oktávový tah, se 100 body na oktávu, a procházející frekvencemi 1 až 1000 Hz.

Krok 3: Výsledky

K otestování obvodu bylo provedeno zametání oktávy se 100 body na oktávu, počínaje frekvencí 1 Hz a pokračující až do frekvence 1000 Hz. Vstupem byla sinusová křivka, která měla představovat cyklickou povahu vlny EKG. Měl DC offset 0, amplitudu 1, frekvenci 1 Hz, T zpoždění 0, theta (1/s) 0 a phi (deg) 90. Frekvence byla nastavena na 1, protože průměr srdeční frekvenci lze nastavit na přibližně 60 tepů za minutu, což je 1 Hz.

Jak je vidět na obrázku 5, modrý byl vstup a červený byl výstup. Jak je vidět výše, došlo zjevně k masivnímu zisku.

Nízkopásmový filtr byl nastaven na 50 Hz, aby se odstranil šum elektrického vedení v potenciální aplikaci EKG. Protože to neplatí zde, kde je signál konstantní při 1 Hz, je výstup stejný jako vstup (obrázek 6).

Výstup - zobrazený modře - je ve srovnání se vstupem zobrazeným zeleně jasně zesílen. Navíc, protože vrcholy a údolí sinusových křivek se shodují, ukazuje to, že zesilovač skutečně nebyl invertující (obrázek 7).

Obrázek 8 ukazuje všechny křivky dohromady. Jasně ukazuje manipulaci se signálem, vycházející z malého signálu, dvakrát zesíleného a filtrovaného (ačkoli filtrace nemá na tento specifický signál žádný vliv).

Pomocí rovnic pro zisk a mezní frekvenci [10, 11] byly experimentální hodnoty určeny z grafů. Nejnižší chybu měl dolní propust, zatímco oba zesilovače se vznášely s chybou asi 10% (tabulka 1).

Krok 4: Diskuse

Zdá se, že schéma dělá to, co dělat má. Trvalo to daný signál, zesílilo to, pak to filtrovalo a pak to zesílilo znovu. Jak již bylo řečeno, je to velmi „malý“design, který se skládá pouze z přístrojového zesilovače, nízkoprůchodového filtru a neinvertujícího filtru. Přes nespočet hodin procházení webu po správném zdroji nebyl žádný jasný zdroj zdroje EKG. Bohužel, i když to nefungovalo, vlna hříchu byla vhodnou náhradou za cyklickou povahu signálu.

Zdrojem chyb, pokud jde o teoretické a skutečné hodnoty zisku a dolního průchodu, mohou být zvolené komponenty. Protože použité rovnice mají poměr odporů přidaný k 1, při provádění výpočtů byla tato rovnice opomíjena. To lze provést, pokud jsou použité odpory dostatečně velké. Zatímco vybrané odpory byly velké, skutečnost, že ten nebyl zahrnut do výpočtů, vytvoří malé rozpětí chyb. Vědci ze San Jose State University v San Jose CA navrhli EKG speciálně pro diagnostiku kardiovaskulárních chorob. Použili přístrojový zesilovač, aktivní horní propust 1. řádu, aktivní Besselovu dolní propust 5. řádu a aktivní zářezový filtr twin-t [6]. Došli k závěru, že použití všech těchto složek vedlo k úspěšnému kondicionování surové vlny EKG od lidského subjektu. Další model jednoduchého obvodu EKG, který provedl Orlando Hoilett na Purdue University, sestával výhradně z přístrojového zesilovače. Výstup byl jasný a použitelný, ale bylo doporučeno, aby pro konkrétní aplikace byly změny lepší - jmenovitě zesilovače, pásmové filtry a zářezový filtr 60 Hz pro odstranění šumu elektrického vedení. To ukazuje, že tento design EKG, i když není všeobjímající, není nejjednodušší metodou přijímání signálu EKG.

Krok 5: Budoucí práce

Tento design EKG by před vložením do praktického zařízení vyžadoval ještě několik věcí. Za prvé, 60 Hz zářezový filtr byl doporučen několika zdroji, a protože zde nebyl žádný hluk elektrického vedení, který by bylo třeba řešit, nebyl do simulace implementován. Jak již bylo řečeno, jakmile bude toto přeloženo do fyzického zařízení, bylo by užitečné přidat zářezový filtr. Kromě toho místo dolního propusti může fungovat lépe pásmový filtr, který bude mít větší kontrolu nad odfiltrovanými frekvencemi. Opět platí, že v simulaci se tento druh problému nevyskytuje, ale objevuje se ve fyzickém zařízení. Poté bude EKG vyžadovat převodník analogového signálu na digitální a pravděpodobně zařízení podobné malinovému pí ke shromažďování dat a jejich streamování do počítače k prohlížení a používání. Další vylepšení by bylo přidání dalších svodů, možná počínaje 4 končetinovými svody a přecházením na všech 10 svodů pro 12 svodový diagram srdce. Také by bylo prospěšné lepší uživatelské rozhraní - možná s dotykovým displejem, aby zdravotníci mohli snadno přistupovat k určitým částem výstupu EKG a soustředit se na ně.

Další kroky by zahrnovaly strojové učení a implementaci AI. Počítač by měl být schopen upozornit zdravotnický personál - a možná i ty kolem -, že došlo k arytmii nebo podobně. V tomto okamžiku musí lékař zkontrolovat výstup EKG, aby provedl diagnózu - zatímco technici jsou vyškoleni, aby je četli, nemohou v terénu provést oficiální diagnózu. Pokud mají EKG používaná prvními respondenty přesnou diagnózu, mohlo by to umožnit rychlejší léčbu. To je zvláště důležité ve venkovských oblastech, kde může trvat hodinu, než se pacient, který si nemůže dovolit cestu helikoptérou, dostat do nemocnice. Další fází by bylo přidání defibrilátoru k samotnému přístroji na EKG. Poté, když detekuje arytmii, může zjistit správné napětí pro šok a - vzhledem k tomu, že byly umístěny tlumicí podložky - se může pokusit dostat pacienta zpět do sinusového rytmu. To by bylo užitečné v nemocničním prostředí, kde jsou pacienti již připojeni k různým strojům a pokud není dostatek zdravotnického personálu, který by okamžitě poskytl péči, mohl by se o to postarat stroj typu vše v jednom, což by ušetřilo drahocenný čas potřebný k záchraně života.

Krok 6: Závěr

V tomto projektu byl úspěšně navržen obvod EKG a poté simulován pomocí LTSpice. Skládal se z přístrojového zesilovače, dolní propusti a neinvertujícího zesilovače pro úpravu signálu. Simulace ukázala, že všechny tři komponenty pracovaly jednotlivě i společně, když byly kombinovány pro celkový integrovaný obvod. Každý zesilovač měl zisk 50, což je skutečnost potvrzená simulacemi spuštěnými na LTSpice. Dolní propust měla mezní frekvenci 50 Hz, aby se snížil hluk z elektrického vedení a artefakty z kůže a pohybu. Přestože se jedná o velmi malý obvod EKG, je možné provést mnoho vylepšení, od přidání jednoho nebo dvou filtrů až po zařízení typu srdce v jednom, které dokáže zaznamenat EKG, přečíst jej a poskytnout okamžité ošetření.

Krok 7: Reference

Reference

[1] „Elektrokardiogram (EKG nebo EKG),“Mayo Clinic, 9. dubna 2020. [Online]. K dispozici: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Přístup: 04-Dec-2020].

[2] „Elektrokardiogram“, National Heart Lung and Blood Institute. [Online]. K dispozici: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Přístup: 04-Dec-2020].

[3] A. Randazzo, „The Ultimate 12-Lead ECG Placement Guide (With Illustrations)“, Prime Medical Training, 11. listopadu 2019. [Online]. K dispozici: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Přístup: 04-Dec-2020].

[4] C. Watford, „Printing ECG Filtering“, EMS 12 Lead, 2014. [Online]. K dispozici: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Přístup: 04-Dec-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher a AA Armoundas, „Nejmodernější techniky strojového učení, jejichž cílem je zlepšit výsledky pacientů týkající se kardiovaskulárního systému,“Journal of the American Heart Association, sv. 9, č. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, „Návrh obvodu snímače EKG pro diagnostiku kardiovaskulárních chorob“, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, sv. 2, č. 4, 2017.

[7] „Kalkulačka výstupního napětí zesilovače přístrojů“, ncalculators.com. [Online]. K dispozici: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Přístup: 04-Dec-2020].

[8] „Kalkulačka nízkoprůchodového filtru“, ElectronicBase, 1. dubna 2019. [Online]. K dispozici: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Přístup: 04-Dec-2020].

[9] „Neinvertující operační zesilovač-neinvertující operační zesilovač“, Návody pro základní elektroniku, 06. listopadu 2020. [Online]. K dispozici: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Přístup: 04-Dec-2020].

[10] E. Sengpiel, „Výpočet: Zesílení (zesílení) a tlumení (ztráta) jako faktor (poměr) k úrovni v decibelech (dB)“, kalkulačka dB pro zesílení a faktor tlumení (ztráty) výpočtu zvukového zesilovače decibel dB ratio - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Online]. K dispozici: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Přístup: 04-Dec-2020].

[11] „Low Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial,“Basic Electronics Tutorials, 01-May-2020. [Online]. K dispozici: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Přístup: 04-Dec-2020].

[12] O. H. Instructables, „Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit“, Instructables, 02-Apr-2018. [Online]. K dispozici: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Přístup: 04-Dec-2020].

[13] Brent Cornell, „Elektrokardiografie“, BioNinja. [Online]. K dispozici: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Přístup: 04-Dec-2020].