Sirsnīga EKG: 7 soļi

2025 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2025-01-23 14:59

Anotācija

EKG vai elektrokardiogramma ir plaši izmantota medicīnas ierīce, ko izmanto sirds elektrisko signālu ierakstīšanai. Tie ir vienkārši izgatavojami visvienkāršākajā formā, taču ir daudz vietas izaugsmei. Šim projektam LTSpice tika izstrādāta un simulēta EKG. EKG bija trīs komponenti: instrumentu pastiprinātājs, zemas caurlaidības filtrs un, visbeidzot, neinvertējošs pastiprinātājs. Tas bija paredzēts, lai nodrošinātu pietiekamu peļņu no salīdzinoši vāja biosignāla avota, kā arī filtra, lai noņemtu troksni ķēdē. Simulācijas parādīja, ka katrs ķēdes komponents darbojās veiksmīgi, tāpat kā kopējā integrālā shēma ar visiem trim komponentiem. Tas parāda, ka tas ir dzīvotspējīgs veids, kā izveidot EKG ķēdi. Pēc tam mēs izpētījām milzīgo EKG uzlabojumu potenciālu.

1. darbība. Ievads/priekšvēsture

EKG vai elektrokardiogrammu izmanto sirds elektrisko signālu reģistrēšanai. Tas ir diezgan izplatīts un nesāpīgs tests, ko izmanto, lai atklātu sirds problēmas un uzraudzītu sirds veselību. Tos veic ārstu kabinetos - vai nu klīnikās, vai slimnīcu telpās, un tie ir standarta mašīnas operāciju zālēs un ātrās palīdzības mašīnās [1]. Tie var parādīt, cik ātri sirds pukst, vai ritms ir regulārs vai nē, kā arī elektrisko impulsu spēku un laiku, kas iet caur dažādām sirds daļām. Apmēram 12 (vai mazāk) elektrodi ir piestiprināti pie ādas uz krūtīm, rokām un kājām un ir savienoti ar mašīnu, kas nolasa impulsus un tos grafikē [2]. Divpadsmit vadu EKG ir 10 elektrodi (lai kopā iegūtu 12 sirds skatus). 4 vadi iet uz ekstremitātēm. Divas uz plaukstas locītavām un divas uz potītēm. Pēdējie 6 vadi iet uz rumpja. V1 iet 4. starpribu telpā pa labi no krūšu kaula, savukārt V2 atrodas tajā pašā līnijā, bet pa kreisi no krūšu kaula. V3 ir novietots pusceļā starp V2 un V4, V5 iet pie priekšējās paduses līnijas tādā pašā līmenī kā V4 un V6 iet pa midillarālo līniju tajā pašā līmenī [3].

Šī projekta mērķis ir izstrādāt, simulēt un pārbaudīt analogā signāla iegūšanas ierīci - šajā gadījumā elektrokardiogrammu. Tā kā vidējais sirdsdarbības ātrums ir 72, bet miera stāvoklī tas var sasniegt pat 90, vidējo var uzskatīt par aptuveni 60 sitieniem minūtē, sirdsdarbības pamatfrekvencei dodot 1 Hz. Sirdsdarbības ātrums var būt no aptuveni 0,67 līdz 5 Hz (40 līdz 300 sitieni minūtē). Katrs signāls sastāv no viļņa, ko var apzīmēt kā P, QRS kompleksu un viļņa T daļu. P vilnis darbojas aptuveni 0,67 - 5 Hz, QRS komplekss ir aptuveni 10-50 Hz, un T vilnis ir aptuveni 1 - 7 Hz [4]. Pašreizējā EKG ir mašīnmācīšanās [5], kur aritmijas un tamlīdzīgi var klasificēt pati mašīna. Vienkāršības labad šai EKG būs tikai divi elektrodi - pozitīvs un negatīvs.

2. solis: Metodes un materiāli

Lai sāktu projektēšanu, gan pētniecībai, gan modelēšanai tika izmantots dators. Izmantotā programmatūra bija LTSpice. Pirmkārt, lai izstrādātu analogās EKG shēmu, tika veikts pētījums, lai noskaidrotu, kādi ir pašreizējie modeļi un kā tos vislabāk ieviest jaunā dizainā. Gandrīz visi avoti sākās ar instrumentu pastiprinātāju. Tas aizņem divas ieejas - no katra elektroda. Pēc tam tika izvēlēts zemas caurlaidības filtrs, lai noņemtu signālus virs 50 Hz, jo elektrolīnijas troksnis ir aptuveni 50–60 Hz [6]. Pēc tam bija neinvertīvs pastiprinātājs signāla pastiprināšanai, jo biosignāli ir diezgan mazi.

Pirmais komponents bija instrumentu pastiprinātājs. Tam ir divas ieejas, viena pozitīvajam un otra negatīvajam elektrodam. Instrumentu pastiprinātājs tika īpaši izmantots, lai aizsargātu ķēdi no ienākošā signāla. Ir trīs universālie op-amp un 7 rezistori. Visiem rezistoriem, izņemot R4 (Rgain), ir vienāda pretestība. Instrumentu pastiprinātāja pastiprinājumu var manipulēt ar šādu vienādojumu: A = 1 + (2RRgain) [7] Pastiprinājums tika izvēlēts kā 50, jo biosignāli ir ļoti mazi. Lietošanas ērtībai rezistori tika izvēlēti lielāki. Pēc tam aprēķini tiek veikti saskaņā ar šo vienādojumu kopu, lai iegūtu R = 5000Ω un Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Nākamais izmantotais komponents bija zemas caurlaidības filtrs, lai noņemtu frekvences virs 50 Hz, kas šajā frekvenču diapazonā saglabās tikai PQRST viļņu un samazinās troksni. Zemas caurlaidības filtra vienādojums ir parādīts zemāk: fc = 12RC [8] Tā kā izslēgšanai izvēlētā frekvence bija 50 Hz un rezistors tika izvēlēts kā 1 kΩ, aprēķini dod kondensatora vērtību 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Trešais EKG komponents bija neinvertējošs pastiprinātājs. Tas tiek darīts, lai nodrošinātu, ka signāls ir pietiekami liels, pirms (potenciāli) tiek pārnests uz analogo ciparu pārveidotāju. Neinvertējoša pastiprinātāja pastiprinājums ir parādīts zemāk: A = 1 + R2R1 [9] Tāpat kā pirms pastiprinājuma tika izvēlēts 50, lai palielinātu gala signāla amplitūdu. Rezistora aprēķini ir šādi, ja viens rezistors ir izvēlēts kā 10000Ω, un otra rezistora vērtība ir 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Lai pārbaudītu shematisko, tika veiktas analīzes katram komponentam un pēc tam galīgajai vispārējai shēmai. Otrā simulācija bija maiņstrāvas analīze, oktāvas slaucīšana ar 100 punktiem uz vienu oktāvu, un tā darbojās frekvencēs no 1 līdz 1000 Hz.

3. darbība. Rezultāti

Lai pārbaudītu ķēdi, tika veikta oktāvu slaucīšana ar 100 punktiem uz oktāvu, sākot ar 1 Hz frekvenci un turpinot līdz 1000 Hz frekvencei. Ievads bija sinusoidāla līkne, kas atspoguļo EKG viļņa ciklisko raksturu. Tam bija līdzstrāvas nobīde 0, amplitūda 1, frekvence 1 Hz, T aizkave 0, teta (1/s) 0 un phi (deg) 90. Frekvence tika iestatīta uz 1, jo vidējais sirdsdarbības ātrumu var iestatīt uz aptuveni 60 sitieniem minūtē, kas ir 1 Hz.

Kā redzams 5. attēlā, zilā krāsa bija ievade, bet sarkanā - izeja. Acīmredzot bija milzīgs ieguvums, kā redzams iepriekš.

Zemās caurlaides filtrs tika iestatīts uz 50 Hz, lai novērstu elektrolīnijas troksni iespējamā EKG lietojumā. Tā kā šeit tas neattiecas, ja signāls ir nemainīgs ar 1 Hz, izeja ir tāda pati kā ieeja (6. attēls).

Izeja, kas parādīta zilā krāsā, ir skaidri pastiprināta salīdzinājumā ar ieeju, kas parādīta zaļā krāsā. Turklāt, tā kā sinusa līkņu virsotnes un ielejas sakrīt, tas parāda, ka pastiprinātājs patiešām nebija apgriezts (7. attēls).

8. attēlā parādītas visas līknes kopā. Tas skaidri parāda manipulācijas ar signālu, pārejot no neliela signāla, divreiz pastiprinot un filtrējot (lai gan filtrācija neietekmē šo konkrēto signālu).

Izmantojot pastiprinājuma un izslēgšanas frekvences vienādojumus [10, 11], eksperimentālās vērtības tika noteiktas no diagrammām. Zemās caurlaides filtram bija vismazākā kļūda, savukārt abiem pastiprinātājiem bija aptuveni 10% kļūda (1. tabula).

4. solis: diskusija

Šķiet, ka shēma dara to, kas tai ir jādara. Tas paņēma noteiktu signālu, to pastiprināja, pēc tam filtrēja un pēc tam vēlreiz pastiprināja. Tomēr tas ir ļoti “mazs” dizains, kas sastāv tikai no instrumentu pastiprinātāja, zemas caurlaides filtra un neinvertējoša filtra. Neskatoties uz neskaitāmām stundām, sērfojot tīmeklī, lai atrastu pareizu avotu, nebija skaidra EKG avota ievades. Diemžēl, lai gan tas neizdevās, grēka vilnis bija piemērots signāla cikliskuma aizstājējs.

Kļūdu avots, kad runa ir par teorētisko un faktisko pieauguma un zemas caurlaidības filtra vērtību, varētu būt izvēlētās sastāvdaļas. Tā kā izmantotajiem vienādojumiem pretestību attiecība ir pievienota 1, veicot aprēķinus, tas tika atstāts novārtā. To var izdarīt, ja izmantotie rezistori ir pietiekami lieli. Lai gan izvēlētie rezistori bija lieli, fakts, ka viens netika ņemts vērā aprēķinos, radīs nelielu kļūdas robežu. Sanhosē štata universitātes pētnieki Sanhosē CA izstrādāja EKG īpaši sirds un asinsvadu slimību diagnostikai. Viņi izmantoja instrumentu pastiprinātāju, pirmās kārtas aktīvo augstas caurlaidības filtru, piektās kārtas aktīvo Besela zemas caurlaidības pildvielu un divu t aktīvo iecirtumu filtru [6]. Viņi secināja, ka visu šo komponentu izmantošana izraisīja veiksmīgu neapstrādāta EKG viļņa kondicionēšanu no cilvēka. Vēl viens vienkāršas EKG shēmas modelis, ko veica Orlando Hoilets Purdue universitātē, sastāvēja tikai no instrumentu pastiprinātāja. Izeja bija skaidra un lietojama, taču tika ieteikts, lai konkrētiem lietojumiem izmaiņas būtu labākas - proti, pastiprinātāji, joslas caurlaidības filtri un 60 Hz iecirtuma filtrs, lai novērstu strāvas līnijas troksni. Tas parāda, ka šī EKG konstrukcija, lai arī nav visaptveroša, nav vienkāršākā metode EKG signāla uztveršanai.

5. solis. Nākotnes darbs

Šim EKG projektam būtu vajadzīgas vēl dažas lietas, pirms to ievietot praktiskā ierīcē. Pirmkārt, 60 Hz iecirtuma filtru ieteica vairāki avoti, un, tā kā šeit nebija elektrības līnijas trokšņa, ar ko rīkoties, tas netika ieviests simulācijā. Tomēr, ja tas ir tulkots fiziskā ierīcē, būtu lietderīgi pievienot iecirtuma filtru. Turklāt zemas caurlaidības filtra vietā varētu būt labāk izmantot frekvenču joslas filtru, lai labāk kontrolētu filtrētās frekvences. Atkal simulācijā šāda veida problēma nerodas, bet tā parādītos fiziskā ierīcē. Pēc tam EKG būtu nepieciešams analogo ciparu pārveidotājs un, iespējams, ierīce, kas līdzīga aveņu pi, lai savāktu datus un straumētu tos datorā apskatei un lietošanai. Papildu uzlabojumi būtu papildu vadu pievienošana, iespējams, sākot ar 4 ekstremitāšu vadiem un beidzot ar visiem 10 vadiem, lai iegūtu 12 sirds diagrammu. Labāka būtu arī lietotāja saskarne - iespējams, ar skārienekrānu, lai medicīnas speciālisti varētu viegli piekļūt noteiktām EKG izvades daļām un koncentrēties uz tām.

Turpmākie pasākumi būtu saistīti ar mašīnmācīšanos un AI ieviešanu. Datoram jāspēj brīdināt medicīnas personālu - un, iespējams, apkārtējos - par to, ka ir notikusi aritmija vai tamlīdzīgi. Šajā brīdī ārstam ir jāpārskata EKG rezultāti, lai noteiktu diagnozi - lai gan tehniķi ir apmācīti tos lasīt, viņi nevar noteikt oficiālu diagnozi. Ja EKG, ko izmanto pirmās palīdzības sniedzēji, ir precīza diagnoze, tas varētu ļaut ātrāk ārstēties. Tas ir īpaši svarīgi lauku apvidos, kur var paiet pat stunda, lai nogādātu slimnīcā pacientu, kurš nevar atļauties braukt ar helikopteru. Nākamais posms būtu defibrilatora pievienošana pašai EKG iekārtai. Tad, atklājot aritmiju, tā var noteikt pareizo spriegumu šokam un - ņemot vērā, ka amortizatori ir ievietoti - var mēģināt atgriezt pacientu sinusa ritmā. Tas būtu noderīgi slimnīcās, kur pacienti jau ir piesaistīti dažādām iekārtām, un, ja nav pietiekami daudz medicīniskā personāla, lai nekavējoties sniegtu aprūpi, viss vienā sirds aparāts varētu par to parūpēties, ietaupot dārgo laiku, kas nepieciešams dzīvības glābšanai.

6. darbība. Secinājums

Šajā projektā tika veiksmīgi izstrādāta un pēc tam simulēta EKG ķēde, izmantojot LTSpice. Tas sastāvēja no instrumentu pastiprinātāja, zemas caurlaides filtra un neinvertējoša pastiprinātāja, lai kondicionētu signālu. Simulācija parādīja, ka visi trīs komponenti strādāja atsevišķi, kā arī kopā, apvienojot kopējo integrālo shēmu. Katra pastiprinātāja ieguvums bija 50, ko apstiprina LTSpice simulācijas. Zemas caurlaidības filtra ierobežojuma frekvence bija 50 Hz, lai samazinātu elektrolīniju troksni un artefaktus no ādas un kustības. Lai gan šī ir ļoti maza EKG ķēde, ir daudz uzlabojumu, ko varētu veikt, sākot ar viena vai divu filtru pievienošanu un beidzot ar visu vienā sirds aparātā, kas varētu paņemt EKG, to nolasīt un nodrošināt tūlītēju ārstēšanu.

7. darbība: atsauces

Atsauces

[1] “Elektrokardiogramma (EKG vai EKG),” Mayo klīnika, 2020. gada 9. aprīlis. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Skatīts: 2020. gada 4. decembris].

[2] “Elektrokardiogramma”, Nacionālais sirds plaušu un asins institūts. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Skatīts: 2020. gada 4. decembris].

[3] A. Randazzo, “The Ultimate 12-Lead EKG Placement Guide (With Illustrations)”, Prime Medical Training, 11. novembris-2019. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Skatīts: 2020. gada 4. decembris].

[4] C. Watford, “Understanding EKG Filtering”, EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Pieejams: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Skatīts: 2020. gada 4. decembris].

[5] RK Sevakula, WTM Au -Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher un AA Armoundas, “Modernākās mašīnmācīšanās metodes, kuru mērķis ir uzlabot pacientu rezultātus, kas attiecas uz sirds un asinsvadu sistēmu”, Amerikas Sirds asociācija, sēj. 9, nē. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, “EKG sensoru shēmas dizains sirds un asinsvadu slimību diagnostikai”, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, sēj. 2, nē. 4, 2017.

[7] “Instrumentu pastiprinātāja izejas sprieguma kalkulators”, ncalculators.com. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Skatīts: 2020. gada 4. decembris].

[8] “Zemas caurlaidības filtru kalkulators”, ElectronicBase, 2019. gada 1. aprīlis. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Skatīts: 2020. gada 4. decembris].

[9] “Neinvertējošs darbības pastiprinātājs-neinvertējošs op-amp,” Elektronikas pamatmācības, 2020. gada 6. novembris. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Skatīts: 2020. gada 4. decembris].

[10] E. Sengpiel, “Aprēķins: pastiprinājums (pastiprinājums) un slāpēšana (zudums) kā koeficients (attiecība) līdz līmenim decibelos (dB)”, dB kalkulators pastiprinātāja pastiprinājuma un slāpēšanas (zuduma) koeficienta aprēķināšanai audio pastiprinātājā decibel dB attiecība - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Skatīts: 2020. gada 4. decembris].

[11] “Zemas caurlaidības filtrs-pasīvā RC filtra apmācība”, Pamata elektronikas pamācības, 2020. gada 1. maijs. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Skatīts: 2020. gada 4. decembris].

[12] O. H. Instructables, “Super Simple Electrocardiogram (EKG) ķēde”, Instructables, 2018. gada 2. aprīlis. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Skatīts: 2020. gada 4. decembris].

[13] Brents Kornels, “Elektrokardiogrāfija”, BioNinja. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Skatīts: 2020. gada 4. decembris].