Сердечная ЭКГ: 7 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Абстрактный

ЭКГ или электрокардиограмма - это обычно используемое медицинское устройство, используемое для записи электрических сигналов сердца. Их несложно сделать в самой простой форме, но есть много места для роста. Для этого проекта была разработана и смоделирована ЭКГ на LTSpice. ЭКГ состояла из трех компонентов: инструментального усилителя, фильтра нижних частот и, наконец, неинвертирующего усилителя. Это было сделано для того, чтобы обеспечить достаточное усиление от относительно слабого источника биосигнала, а также наличие фильтра для удаления шума в цепи. Моделирование показало, что каждый компонент схемы работает успешно, как и вся интегральная схема со всеми тремя компонентами. Это показывает, что это жизнеспособный способ создания цепи ЭКГ. Затем мы исследовали огромный потенциал для улучшения ЭКГ.

Шаг 1. Введение / История вопроса

ЭКГ или электрокардиограмма используются для записи электрических сигналов сердца. Это довольно распространенный и безболезненный тест, который используется для выявления сердечных проблем и мониторинга сердечного здоровья. Они выполняются в кабинетах врачей - в поликлиниках или больничных палатах и являются стандартными аппаратами в операционных и машинах скорой помощи [1]. Они могут показать, насколько быстро бьется сердце, регулярный ритм или нет, а также силу и время электрических импульсов, проходящих через разные части сердца. Около 12 электродов (или меньше) прикреплены к коже на груди, руках и ногах и подключены к устройству, которое считывает импульсы и составляет их график [2]. ЭКГ в двенадцати отведениях имеет 10 электродов (чтобы получить в общей сложности 12 изображений сердца). 4-выводной идет на конечности. Два на запястьях и два на щиколотках. Последние 6 отведений идут на туловище. V1 проходит в 4-м межреберье справа от грудины, а V2 находится на той же линии, но слева от грудины. V3 располагается посередине между V2 и V4, V5 проходит по передней подмышечной линии на том же уровне, что и V4 и V6 проходят по средней подмышечной линии на том же уровне [3].

Целью этого проекта является разработка, моделирование и проверка устройства сбора аналогового сигнала - в данном случае электрокардиограммы. Так как средняя частота пульса составляет 72, но в состоянии покоя она может снижаться до 90, медиана может считаться примерно 60 ударов в минуту, что дает основную частоту пульса 1 Гц. Частота сердечных сокращений может колебаться от 0,67 до 5 Гц (от 40 до 300 ударов в минуту). Каждый сигнал состоит из волны, которую можно обозначить как P, комплекса QRS и участка T волны. Зубец P составляет примерно 0,67–5 Гц, комплекс QRS - примерно 10–50 Гц, а зубец T - примерно 1–7 Гц [4]. Текущее состояние ЭКГ имеет машинное обучение [5], где аритмии и тому подобное могут быть классифицированы самой машиной. Для упрощения на этой ЭКГ будет всего два электрода - положительный и отрицательный.

Шаг 2: методы и материалы

Чтобы начать проектирование, как для исследований, так и для моделирования использовался компьютер. Используемое программное обеспечение - LTSpice. Во-первых, чтобы разработать схему аналоговой ЭКГ, было проведено исследование, чтобы увидеть, каковы текущие конструкции и как лучше всего реализовать их в новом дизайне. Практически все источники начинались с инструментального усилителя. Принимает два входа - от каждого из электродов. После этого был выбран фильтр нижних частот для удаления сигналов выше 50 Гц, так как шум линии электропередачи составляет примерно 50-60 Гц [6]. После этого был неинвертирующий усилитель для усиления сигнала, так как биосигналы довольно малы.

Первым компонентом был инструментальный усилитель. Он имеет два входа, один для положительного и один для отрицательного электрода. Инструментальный усилитель использовался специально для защиты схемы от входящего сигнала. Есть три универсальных операционных усилителя и 7 резисторов. Все резисторы, кроме R4 (Rgain), имеют одинаковое сопротивление. Коэффициент усиления инструментального усилителя можно регулировать с помощью следующего уравнения: A = 1 + (2RRgain) [7] Коэффициент усиления был выбран равным 50, поскольку биосигналы очень малы. Резисторы были выбраны большего размера для удобства использования. Затем вычисления следуют этой системе уравнений, чтобы получить R = 5000 Ом и Rgain = 200 Ом. 50 = 1 + (2RR усиление) 50 2 * 5000200

Следующим использованным компонентом был фильтр нижних частот для удаления частот выше 50 Гц, который будет удерживать только волну PQRST в этом частотном диапазоне и минимизирует шум. Уравнение для фильтра нижних частот показано ниже: fc = 12RC [8] Поскольку выбранная частота для отсечки была 50 Гц, а резистор был выбран равным 1 кОм, вычисления дают значение конденсатора 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * С

Третьим компонентом ЭКГ был неинвертирующий усилитель. Это необходимо для того, чтобы сигнал был достаточно большим, прежде чем (потенциально) он будет передан в аналого-цифровой преобразователь. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя показан ниже: A = 1 + R2R1 [9] Как и прежде, коэффициент усиления был выбран равным 50, чтобы увеличить амплитуду конечного сигнала. Вычисления для резистора следующие: один резистор выбран равным 10000 Ом, что дает значение второго резистора 200 Ом. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Для проверки схемы был проведен анализ каждого компонента, а затем окончательной общей схемы. Второе моделирование представляло собой анализ переменного тока, октавную развертку, со 100 точками на октаву и проходящими через частоты от 1 до 1000 Гц.

Шаг 3: результаты

Для проверки схемы была проведена октавная развертка со 100 точками на октаву, начиная с частоты 1 Гц и заканчивая частотой 1000 Гц. Входной сигнал представлял собой синусоидальную кривую, отображающую циклический характер волны ЭКГ. Он имел смещение постоянного тока 0, амплитуду 1, частоту 1 Гц, задержку T 0, тета (1 / с) 0 и фи (градусы) 90. Частота была установлена на 1, поскольку среднее значение частоту пульса можно установить примерно на 60 ударов в минуту, что составляет 1 Гц.

Как видно на рисунке 5, синий цвет был входом, а красный - выходом. Как видно выше, был очевиден огромный выигрыш.

Фильтр нижних частот был установлен на 50 Гц, чтобы удалить шум линии электропередачи в потенциальном приложении ЭКГ. Поскольку это не применимо здесь, когда сигнал постоянный на частоте 1 Гц, выход такой же, как и вход (рисунок 6).

Выходной сигнал, показанный синим цветом, явно усилен по сравнению с входом, показанным зеленым. Кроме того, поскольку пики и впадины синусоидальных кривых совпадают, это показывает, что усилитель действительно был неинвертирующим (рисунок 7).

На рисунке 8 показаны все кривые вместе. Он ясно показывает манипулирование сигналом, идущим от слабого сигнала, дважды усиленного и отфильтрованного (хотя фильтрация не влияет на этот конкретный сигнал).

Используя уравнения для усиления и частоты отсечки [10, 11], экспериментальные значения определялись из графиков. Фильтр нижних частот имел наименьшую ошибку, в то время как оба усилителя зависали с ошибкой около 10% (таблица 1).

Шаг 4: Обсуждение

Похоже, что схема делает то, что должна. Он принимал заданный сигнал, усиливал его, затем фильтровал и снова усиливал. При этом это очень «маленькая» конструкция, состоящая только из инструментального усилителя, фильтра нижних частот и неинвертирующего фильтра. Не было четких данных об источнике ЭКГ, несмотря на бесчисленные часы поиска нужного источника в Интернете. К сожалению, хотя это и не сработало, синусоида была подходящей заменой циклической природе сигнала.

Источником ошибки, когда дело доходит до теоретического и фактического значения усиления и фильтра нижних частот, могут быть выбранные компоненты. Поскольку в используемых уравнениях отношение сопротивлений добавлено к 1, при проведении расчетов этим уравнением пренебрегли. Это можно сделать, если используемые резисторы достаточно большие. Хотя выбранные резисторы были большими, тот факт, что резистор не был учтен в расчетах, создаст небольшую погрешность. Исследователи из Университета Сан-Хосе в Сан-Хосе, Калифорния, разработали ЭКГ специально для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний. Они использовали инструментальный усилитель, активный фильтр верхних частот 1-го порядка, активный заполнитель низких частот Бесселя 5-го порядка и активный режекторный фильтр двойного t [6]. Они пришли к выводу, что использование всех этих компонентов привело к успешному формированию необработанной волны ЭКГ от человека. Другая модель простой схемы ЭКГ, созданная Орландо Хойлеттом из Университета Пердью, состояла исключительно из инструментального усилителя. Выходной сигнал был четким и пригодным для использования, но было рекомендовано, чтобы для конкретных приложений изменения были лучше, а именно усилители, полосовые фильтры и режекторный фильтр 60 Гц для удаления шума линии электропередачи. Это показывает, что такая конструкция ЭКГ, хотя и не является всеобъемлющей, не является самым простым методом приема сигнала ЭКГ.

Шаг 5: Дальнейшая работа

Эта конструкция ЭКГ потребует еще нескольких вещей, прежде чем ее можно будет использовать в практическом устройстве. Во-первых, режекторный фильтр 60 Гц был рекомендован несколькими источниками, и, поскольку здесь не было шума линии электропередачи, с которым нужно было справиться, он не был реализован в моделировании. При этом, как только это переведено на физическое устройство, было бы полезно добавить режекторный фильтр. Кроме того, вместо фильтра нижних частот может быть лучше использовать полосовой фильтр, чтобы иметь больший контроль над частотами, которые отфильтровываются. Опять же, в моделировании такой проблемы не возникает, но она проявляется в физическом устройстве. После этого для ЭКГ потребуется аналого-цифровой преобразователь и, вероятно, устройство, подобное Raspberry Pi, для сбора данных и потоковой передачи их на компьютер для просмотра и использования. Дальнейшие улучшения будут заключаться в добавлении большего количества отведений, возможно, начиная с 4 отведений от конечностей и постепенно переходя ко всем 10 отведениям для диаграммы сердца с 12 отведениями. Также будет полезен улучшенный пользовательский интерфейс - возможно, с сенсорным экраном, чтобы медицинские работники могли легко получить доступ и сосредоточиться на определенных частях вывода ЭКГ.

Дальнейшие шаги будут включать машинное обучение и внедрение ИИ. Компьютер должен быть в состоянии предупреждать медицинский персонал - и, возможно, окружающих - о возникновении аритмии и т.п. На этом этапе врач должен просмотреть выходные данные ЭКГ, чтобы поставить диагноз - в то время как технические специалисты обучены их считывать, они не могут поставить официальный диагноз в полевых условиях. Если на ЭКГ, которые используют первые респонденты, будет установлен точный диагноз, это позволит ускорить лечение. Это особенно важно в сельской местности, где может потребоваться более часа, чтобы доставить пациента, который не может позволить себе поездку на вертолете в больницу. Следующим этапом будет добавление дефибриллятора к самому аппарату ЭКГ. Затем, когда он обнаруживает аритмию, он может определить правильное напряжение для разряда и - с учетом того, что электроды установлены - может попытаться вернуть пациента в синусовый ритм. Это было бы полезно в условиях больницы, где пациенты уже подключены к различным машинам, и если не хватает медицинского персонала для немедленного оказания помощи, универсальный кардиомонитор может позаботиться об этом, сэкономив драгоценное время, необходимое для спасения жизни..

Шаг 6: Заключение

В этом проекте схема ЭКГ была успешно спроектирована, а затем смоделирована с помощью LTSpice. Он состоял из инструментального усилителя, фильтра нижних частот и неинвертирующего усилителя для обработки сигнала. Моделирование показало, что все три компонента работают как по отдельности, так и вместе, когда их объединяют в общую интегральную схему. Усилители имели коэффициент усиления 50, что подтверждено симуляциями, выполненными на LTSpice. Фильтр нижних частот имел частоту среза 50 Гц для уменьшения шума от линий электропередач и артефактов от кожи и движений. Несмотря на то, что это очень маленькая схема ЭКГ, можно внести множество улучшений, начиная с добавления одного-двух фильтров и заканчивая универсальным кардиопередатчиком, который мог бы снимать ЭКГ, считывать ее и т. Д. обеспечить немедленное лечение.

Шаг 7: ссылки

использованная литература

[1] «Электрокардиограмма (ЭКГ или ЭКГ)», клиника Мэйо, 9 апреля 2020 г. [Онлайн]. Доступно: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Доступ: 4 декабря 2020 г.].

[2] «Электрокардиограмма», Национальный институт сердца, легких и крови. [Онлайн]. Доступно: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Доступ: 4 декабря 2020 г.].

[3] А. Рандаццо, «Полное руководство по размещению ЭКГ в 12 отведениях (с иллюстрациями)», Prime Medical Training, 11 ноября 2019 г. [Онлайн]. Доступно: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Доступ: 4 декабря 2020 г.].

[4] К. Уотфорд, «Понимание фильтрации ЭКГ», EMS, 12 отведений, 2014 г. [Online]. Доступно: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Доступ: 4 декабря 2020 г.].

[5] RK Sevakula, WTM Au-Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher и AA Armoundas, «Современные методы машинного обучения, направленные на улучшение результатов пациентов, имеющих отношение к сердечно-сосудистой системе», Журнал Американская кардиологическая ассоциация, т. 9, вып. 4 августа 2020 г.

[6] W. Y. Du, «Дизайн схемы датчика ЭКГ для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний», Международный журнал биосенсоров и биоэлектроники, вып. 2, вып. 4, 2017.

[7] «Калькулятор выходного напряжения инструментального усилителя», ncalculators.com. [Онлайн]. Доступно: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Доступ: 4 декабря 2020 г.].

[8] «Калькулятор фильтра нижних частот», ElectronicBase, 01 апреля 2019 г. [Онлайн]. Доступно: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Доступ: 4 декабря 2020 г.].

[9] «Неинвертирующий операционный усилитель - неинвертирующий операционный усилитель», Учебники по основам электроники, 06 ноября 2020 г. [Онлайн]. Доступно: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Доступ: 4 декабря 2020 г.].

[10] Э. Сенгпил, «Расчет: усиление (усиление) и затухание (потери) как коэффициент (отношение) к уровню в децибелах (дБ)», калькулятор дБ для расчета коэффициента усиления и демпфирования (потерь) усилителя звука. децибел в дБ - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Онлайн]. Доступно: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Доступ: 4 декабря 2020 г.].

[11] «Фильтр низких частот - Учебное пособие по пассивному RC-фильтру», Учебники по основам электроники, 01 мая 2020 г. [Онлайн]. Доступно: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Доступ: 4 декабря 2020 г.].

[12] O. H. Instructables, «Супер-простая схема электрокардиограммы (ЭКГ)», Instructables, 2 апреля 2018 г. [Онлайн]. Доступно: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Доступ: 4 декабря 2020 г.].

[13] Брент Корнелл, «Электрокардиография», BioNinja. [Онлайн]. Доступно: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Доступ: 4 декабря 2020 г.].