Un ECG Heartful: 7 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Abstract

Un ECG sau electrocardiogramă este un dispozitiv medical utilizat în mod obișnuit, utilizat pentru a înregistra semnalele electrice ale inimii. Sunt simple de realizat în forma cea mai de bază, dar există o mulțime de spațiu pentru creștere. Pentru acest proiect, un ECG a fost proiectat și simulat pe LTSpice. ECG avea trei componente: un amplificator de instrumentație, un filtru trece-jos și, în cele din urmă, un amplificator fără inversare. Acest lucru a fost pentru a se asigura că există suficient câștig provenind dintr-o sursă relativ slabă de biosemnal, precum și un filtru pentru a elimina zgomotul din circuit. Simulările au arătat că fiecare componentă a circuitului a funcționat cu succes, la fel ca un circuit integrat total cu toate cele trei componente. Acest lucru arată că acesta este un mod viabil de a crea un circuit ECG. Am explorat apoi marele potențial de îmbunătățire a ECG.

Pasul 1: Introducere / Context

Un ECG sau electrocardiogramă este utilizat pentru a înregistra semnalele electrice ale inimii. Este destul de frecvent și un test nedureros folosit pentru a detecta problemele cardiace și pentru a monitoriza sănătatea cardiacă. Acestea sunt efectuate în cabinetele medicului - fie în clinici, fie în camere de spital și sunt mașini standard în sălile de operație și ambulanțe [1]. Ele pot arăta cât de repede bate inima, dacă ritmul este regulat sau nu, precum și puterea și sincronizarea impulsurilor electrice care trec prin diferitele părți ale inimii. Aproximativ 12 electrozi (sau mai puțini) sunt atașați de piele pe piept, brațe și picioare și sunt conectați la o mașină care citește impulsurile și le graficizează [2]. Un ECG cu 12 plumburi are 10 electrozi (pentru a oferi un total de 12 vederi ale inimii). 4-plumbul merge pe membre. Două la încheieturi și două la glezne. Ultimele 6 derivări merg pe trunchi. V1 merge pe al 4-lea spațiu intercostal în dreapta sternului, în timp ce V2 se află pe aceeași linie, dar în stânga sternului. V3 este plasat la jumătatea distanței dintre V2 și V4, V5 merge pe linia axilară anterioară la același nivel cu V4 și V6 merge pe linia midaxilară la același nivel [3].

Obiectivul acestui proiect este de a proiecta, simula și verifica un dispozitiv analogic de achiziție a semnalului - în acest caz, o electrocardiogramă. Deoarece ritmul cardiac mediu este de 72, dar în timp ce se odihnește poate ajunge până la 90, mediana poate fi considerată la aproximativ 60 bpm, oferind o frecvență fundamentală de 1Hz pentru ritmul cardiac. Ritmul cardiac poate varia de la aproximativ 0,67 până la 5 Hz (40 până la 300 bpm). Fiecare semnal constă dintr-o undă care poate fi etichetată ca P, complex QRS și o porțiune T către undă. Unda P rulează la aproximativ 0,67 - 5 Hz, complexul QRS este la aproximativ 10-50 Hz, iar unda T este la aproximativ 1 - 7 Hz [4]. ECG-urile actuale au învățarea automată [5], unde aritmiile și altele asemenea pot fi clasificate de către mașină. Pentru simplificare, acest ECG va avea doar doi electrozi - unul pozitiv și unul negativ.

Pasul 2: Metode și materiale

Pentru a începe proiectarea, un computer a fost folosit atât pentru cercetare, cât și pentru modelare. Software-ul folosit a fost LTSpice. În primul rând, pentru a proiecta schema pentru ECG analog, s-au făcut cercetări pentru a vedea care sunt proiectele actuale și cum să le implementăm cel mai bine într-un design nou. Aproape toate sursele au început cu un amplificator de instrumentație pentru a începe. Este nevoie de două intrări - de la fiecare dintre electrozi. După aceea, s-a ales un filtru trece-jos pentru a elimina semnalele peste 50 Hz, deoarece zgomotul liniei electrice ajunge la aproximativ 50-60 Hz [6]. După aceea, a fost un amplificator noninversor pentru a amplifica semnalul, deoarece biosemnalele sunt destul de mici.

Prima componentă a fost amplificatorul de instrumentație. Are două intrări, una pentru pozitiv și una pentru electrodul negativ. Amplificatorul de instrumentație a fost utilizat special pentru a proteja circuitul de semnalul primit. Există trei op-amperi universali și 7 rezistențe. Toate rezistențele, cu excepția R4 (Rgain), au aceeași rezistență. Câștigul unui amplificator de instrumentație poate fi manipulat cu următoarea ecuație: A = 1 + (2RRgain) [7] Câștigul a fost ales să fie 50, deoarece biosemnalele sunt foarte mici. Rezistențele au fost alese pentru a fi mai mari pentru ușurință în utilizare. Calculele urmează apoi acest set de ecuații pentru a da R = 5000Ω și Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRcâștigat) 50 2 * 5000200

Următoarea componentă utilizată a fost un filtru trece-jos, pentru a elimina frecvențele peste 50 Hz, care va păstra doar unda PQRST în acest interval de frecvență și va minimiza zgomotul. Ecuația pentru un filtru trece jos este prezentată mai jos: fc = 12RC [8] Deoarece frecvența aleasă pentru întrerupere a fost de 50 Hz, iar rezistorul a fost ales ca 1kΩ, calculele produc o valoare a condensatorului de 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

A treia componentă din ECG a fost un amplificator fără inversare. Aceasta este pentru a vă asigura că semnalul este suficient de mare înainte de a fi (potențial) transferat la un convertor analogic la digital. Câștigul unui amplificator fără inversare este prezentat mai jos: A = 1 + R2R1 [9] Ca înainte, câștigul a fost ales să fie 50, pentru a crește amplitudinea semnalului final. Calculele pentru rezistență sunt după cum urmează, cu un rezistor ales să fie 10000Ω, oferind o a doua valoare a rezistorului de 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Pentru a testa schema, s-au efectuat analize pe fiecare componentă și apoi pe schema generală finală. A doua simulare a fost o analiză de curent alternativ, o mătură de octavă, cu 100 de puncte pe octavă și care rulează prin frecvențe de la 1 la 1000 Hz.

Pasul 3: Rezultate

Pentru a testa circuitul, a fost efectuată o măturare a octavei, cu 100 de puncte pe octavă, începând cu o frecvență de 1 Hz și mergând până la o frecvență de 1000 Hz. Intrarea a fost o curbă sinusoidală, pentru a reprezenta natura ciclică a undei ECG. Avea un offset DC de 0, amplitudine de 1, frecvență de 1 Hz, întârziere T de 0, theta (1 / s) de 0 și phi (deg) de 90. Frecvența a fost setată să fie 1, deoarece o medie ritmul cardiac poate fi setat la aproximativ 60 bpm, adică 1 Hz.

După cum se vede în Figura 5, albastrul a fost intrarea și roșul a fost ieșirea. A fost clar un câștig masiv, așa cum s-a văzut mai sus.

Filtrul de trecere jos a fost setat la 50 Hz, pentru a elimina zgomotul liniei electrice într-o aplicație potențială ECG. Deoarece acest lucru nu se aplică aici, unde semnalul este constant la 1 Hz, ieșirea este aceeași cu intrarea (Figura 6).

Ieșirea - afișată în albastru - este clar amplificată în comparație cu intrarea, afișată în verde. În plus, deoarece vârfurile și văile curbelor sinusoidale se potrivesc, acest lucru arată că amplificatorul a fost într-adevăr neinversibil (Figura 7).

Figura 8 prezintă toate curbele împreună. Arată clar manipularea semnalului, trecând de la un semnal mic, amplificat de două ori și filtrat (deși filtrarea nu are niciun efect asupra acestui semnal specific).

Folosind ecuațiile pentru câștig și frecvența de tăiere [10, 11], valorile experimentale au fost determinate din grafice. Filtrul de trecere joasă a avut cea mai mică eroare, în timp ce ambele amplificatoare au planat cu o eroare de aproximativ 10% (Tabelul 1).

Pasul 4: Discuție

Se pare că schema face ceea ce ar trebui să facă. A luat un semnal dat, l-a amplificat, apoi l-a filtrat și apoi l-a amplificat din nou. Acestea fiind spuse, este un design foarte „mic”, constând doar dintr-un amplificator de instrumentație, filtru trece jos și un filtru fără inversare. Nu a existat o intrare clară a unei surse ECG, în ciuda nenumăratelor ore navigând pe web pentru o sursă adecvată. Din păcate, deși acest lucru nu a funcționat, unda de păcat a fost un substitut adecvat pentru natura ciclică a semnalului.

O sursă de eroare în ceea ce privește valoarea teoretică și cea reală a câștigului și a filtrului de trecere joasă ar putea fi componentele alese. Deoarece ecuațiile folosite au un raport al rezistențelor adăugat la 1, în timp ce făceau calculele, acesta a fost neglijat. Acest lucru se poate face dacă rezistențele utilizate sunt suficient de mari. În timp ce rezistențele alese au fost mari, faptul că cel care nu a fost luat în calcul va crea o mică marjă de eroare. Cercetătorii de la San Jose State University din San Jose CA au conceput un ECG special pentru diagnosticul bolilor cardiovasculare. Au folosit un amplificator de instrumente, un filtru trece sus activ de ordinul 1, un filtru activ de treaptă joasă Bessel de ordinul 5 și un filtru crestat activ twin-t [6]. Au ajuns la concluzia că utilizarea tuturor acestor componente a dus la condiționarea cu succes a unei unde ECG brute de la un subiect uman. Un alt model de circuit simplu ECG realizat de Orlando Hoilett la Universitatea Purdue consta doar dintr-un amplificator de instrumentație. Ieșirea a fost clară și utilizabilă, dar s-a recomandat ca pentru aplicații specifice, modificările să fie mai bune - și anume amplificatoare, filtre de bandă și un filtru de 60 Hz pentru a elimina zgomotul liniilor electrice. Acest lucru arată că acest design al unui ECG, deși nu este cuprinzător, nu este cea mai simplă metodă de preluare a unui semnal ECG.

Pasul 5: Munca viitoare

Acest design al unui ECG ar necesita încă câteva lucruri înainte de a fi introdus într-un dispozitiv practic. În primul rând, filtrul de 60 Hz a fost recomandat de mai multe surse și, din moment ce nu a existat niciun zgomot de linie electrică, nu a fost implementat în simulare. Acestea fiind spuse, odată ce acest lucru este tradus într-un dispozitiv fizic, ar fi benefic să adăugați un filtru de notch. În plus, în locul filtrului trece jos, ar putea funcționa mai bine să aveți un filtru trece bandă, pentru a avea un control mai mare al frecvențelor care sunt filtrate. Din nou, în simulare, acest tip de problemă nu apare, dar ar apărea într-un dispozitiv fizic. După aceasta, ECG ar necesita un convertor analogic digital și probabil un dispozitiv asemănător cu un pi zmeură pentru a colecta datele și a le transmite pe un computer pentru vizualizare și utilizare. Îmbunătățiri suplimentare ar fi adăugarea a mai multe derivări, poate începând cu cele 4 direcții ale membrelor și absolvind la toate cele 10 direcții pentru o diagramă cu 12 direcții a inimii. O interfață de utilizator mai bună ar fi, de asemenea, benefică - poate cu un ecran tactil pentru ca profesioniștii din domeniul medical să poată accesa cu ușurință și să se concentreze asupra anumitor părți ale unei ieșiri ECG.

Pași suplimentari ar implica învățarea automată și implementarea AI. Computerul ar trebui să poată alerta personalul medical - și, eventual, cei din jur - că s-a produs o aritmie sau altele asemenea. În acest moment, un medic trebuie să revizuiască un rezultat ECG pentru a face un diagnostic - în timp ce tehnicienii sunt instruiți să le citească, nu pot face un diagnostic oficial pe teren. În cazul în care ECG-urile utilizate de primii respondenți au un diagnostic precis, ar putea permite un tratament mai rapid. Acest lucru este deosebit de important în zonele rurale, unde ar putea dura mai mult de o oră pentru a obține un pacient care nu își poate permite o plimbare cu elicopterul la spital. Următoarea etapă ar fi adăugarea unui defibrilator la mașina ECG în sine. Apoi, atunci când detectează o aritmie, poate afla tensiunea adecvată pentru un șoc și - având în vedere că tampoanele de șoc au fost plasate - poate încerca să readucă pacientul în ritmul sinusal. Acest lucru ar fi util în spitale, unde pacienții sunt deja conectați la diverse mașini și dacă nu există suficient personal medical care să ofere imediat îngrijire, aparatul cu totul într-o singură inimă ar putea avea grijă de acesta, economisind timp prețios necesar pentru a salva o viață.

Pasul 6: Concluzie

În acest proiect, un circuit ECG a fost proiectat cu succes și apoi simulat folosind LTSpice. Acesta a constat dintr-un amplificator de instrumentație, un filtru trece-jos și un amplificator fără inversare pentru a condiționa semnalul. Simularea a arătat că toate cele trei componente au funcționat individual, precum și împreună, atunci când sunt combinate pentru un circuit integrat total. Amplificatoarele au avut fiecare un câștig de 50, fapt confirmat de simulările rulate pe LTSpice. Filtrul trece jos avea o frecvență de întrerupere de 50 Hz, pentru a reduce zgomotul de la liniile electrice și artefactele de pe piele și mișcare. În timp ce acesta este un circuit ECG foarte mic, există o mulțime de îmbunătățiri care ar putea fi făcute, mergând de la adăugarea unui filtru sau două, până la un aparat all in one care ar putea prelua ECG-ul, îl va citi și oferiți tratament imediat.

Pasul 7: Referințe

Referințe

[1] „Electrocardiogramă (ECG sau EKG)”, Clinica Mayo, 09-apr-2020. [Pe net]. Disponibil: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Accesat: 04 decembrie 2020].

[2] „Electrocardiograma”, Institutul Național al Pulmonului și Sângelui Inimii. [Pe net]. Disponibil: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Accesat: 04 decembrie 2020].

[3] A. Randazzo, „The Ultimate 12-Lead ECG Placement Ghid (With Illustrations)”, Prime Medical Training, 11 noiembrie 2019. [Pe net]. Disponibil: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Accesat: 04 decembrie 2020].

[4] C. Watford, „Înțelegerea filtrării ECG”, EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Disponibil: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Accesat: 04 decembrie 2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher și AA Armoundas, „Tehnici de învățare automată de ultimă generație care vizează îmbunătățirea rezultatelor pacienților legate de sistemul cardiovascular”, Journal of the American Heart Association, vol. 9, nr. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, „Proiectarea unui circuit senzor ECG pentru diagnosticarea bolilor cardiovasculare”, Jurnalul Internațional de Biosenzori și Bioelectronică, vol. 2, nr. 4, 2017.

[7] „Calculator de tensiune de ieșire a amplificatorului de instrumentație”, ncalculators.com. [Pe net]. Disponibil: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Accesat: 04 decembrie 2020].

[8] „Calculator filtru trecere scăzută”, ElectronicBase, 01-apr-2019. [Pe net]. Disponibil: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Accesat: 04 decembrie 2020].

[9] „Amplificator operațional fără inversare - amplificatorul opțional fără inversare”, tutoriale electronice de bază, 06-nov-2020. [Pe net]. Disponibil: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Accesat: 04 decembrie 2020].

[10] E. Sengpiel, „Calcul: amplificare (câștig) și amortizare (pierdere) ca factor (raport) la nivelul în decibeli (dB)”, calculator dB pentru câștig de amplificare și factor de amortizare (pierdere) al unui calcul al amplificatorului audio decibel dB ratio - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Pe net]. Disponibil: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Accesat: 04 decembrie 2020].

[11] „Filtru de trecere scăzută - Tutorial de filtrare RC pasiv”, Tutoriale de electronică de bază, 01-mai-2020. [Pe net]. Disponibil: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Accesat: 04 decembrie 2020].

[12] O. H. Instructables, „Circuit de electrocardiogramă super simplă (ECG)”, Instructables, 02-apr-2018. [Pe net]. Disponibil: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Accesat: 04 decembrie 2020].

[13] Brent Cornell, „Electrocardiografie”, BioNinja. [Pe net]. Disponibil: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Accesat: 04 decembrie 2020].