Isang Makabagong ECG: 7 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:10

Abstract

Ang ECG, o electrocardiogram, ay isang karaniwang ginagamit na kagamitang medikal na ginagamit upang maitala ang mga signal ng kuryente ng puso. Ang mga ito ay simple upang gawin sa pinaka-pangunahing form, ngunit may maraming silid para sa paglaki. Para sa proyektong ito, isang ECG ang dinisenyo at na-simulate sa LTSpice. Ang ECG ay may tatlong mga bahagi: isang instrumentation amplifier, isang low-pass filter, at sa wakas, isang non-inverting amplifier. Ito ay upang matiyak na may sapat na pakinabang na nagmumula sa isang medyo mahina na mapagkukunan ng isang biosignal, pati na rin ang isang filter upang alisin ang ingay sa circuit. Ipinakita ng mga simulation na ang bawat bahagi ng circuit ay matagumpay na gumanap, tulad ng isang kabuuang integrated circuit sa lahat ng tatlong mga bahagi. Ipinapakita nito na ito ay isang mabubuhay na paraan ng paglikha ng isang circuit ng ECG. Pagkatapos ay ginalugad namin ang malawak na potensyal para sa mga pagpapabuti sa ECG.

Hakbang 1: Panimula / Background

Ginagamit ang isang ECG o electrocardiogram upang maitala ang mga de-koryenteng signal ng puso. Ito ay karaniwang at isang walang sakit na pagsubok na ginamit upang makita ang mga problema sa puso at masubaybayan ang kalusugan ng puso. Ginagawa ang mga ito sa mga tanggapan ng doktor - alinman sa mga klinika o silid ng ospital at karaniwang mga makina sa mga operating room at ambulansya [1]. Maaari nilang ipakita kung gaano kabilis ang pintig ng puso, kung ang ritmo ay regular o hindi, pati na rin ang lakas at tiyempo ng mga de-kuryenteng salpok na dumadaan sa iba't ibang bahagi ng puso. Humigit-kumulang 12 mga electrode (o mas kaunti) ang nakakabit sa balat sa dibdib, braso, at mga binti at nakakonekta sa isang makina na binabasa ang mga salpok at sinukat ang mga ito [2]. Ang isang labindalawang humantong ECG ay may 10 electrodes (upang magbigay ng isang kabuuang 12 mga pagtingin sa puso). Ang 4-lead ay napupunta sa mga limbs. Dalawa sa pulso, at dalawa sa bukung-bukong. Ang pangwakas na 6 na humantong pumunta sa katawan ng tao. Ang V1 ay papunta sa 4th intercostal space sa kanan ng sternum, habang ang V2 ay nasa parehong linya, ngunit sa kaliwa ng sternum. Ang V3 ay inilalagay sa gitna sa pagitan ng V2 at V4, ang V5 ay papunta sa linya ng nauunang axillary sa parehong antas tulad ng V4 at V6 na pumunta sa linya ng midaxillary sa parehong antas [3].

Ang layunin ng proyektong ito ay upang magdisenyo, gayahin, at i-verify ang isang aparato ng pagkuha ng analog signal - sa kasong ito, isang electrocardiogram. Dahil ang average na rate ng puso ay nasa 72, ngunit habang nagpapahinga maaari itong bumaba ng 90, ang median ay maaaring isaalang-alang sa halos 60 bpm, na nagbibigay ng isang pangunahing dalas ng 1Hz para sa rate ng puso. Ang rate ng puso ay maaaring saklaw mula sa halos 0.67 hanggang 5 Hz (40 hanggang 300 bpm). Ang bawat signal ay binubuo ng isang alon na maaaring lagyan ng label bilang P, QRS complex, at isang bahagi ng T sa alon. Ang P alon ay tumatakbo sa halos 0.67 - 5 Hz, ang QRS complex ay halos 10-50 Hz, at ang T wave ay halos 1 - 7 Hz [4]. Ang kasalukuyang estado ng art ECGs ay may machine learning [5], kung saan ang mga arrhythmia at mga katulad nito ay maaaring maiuri sa mismong mismong ito. Para sa pagpapagaan, ang ECG na ito ay magkakaroon lamang ng dalawang mga electrode - isang positibo at isang negatibo.

Hakbang 2: Mga Paraan at Materyales

Upang simulan ang disenyo, isang computer ang ginamit para sa parehong pagsasaliksik at pagmomodelo. Ang ginamit na software ay LTSpice. Una, upang idisenyo ang eskematiko para sa analog ECG, ang pananaliksik ay ginawa upang makita kung ano ang kasalukuyang mga disenyo at kung paano pinakamahusay na ipatupad ang mga iyon sa isang disenyo ng nobela. Halos lahat ng mga mapagkukunan ay nagsimula sa isang instrumento amplifier upang magsimula. Tumatagal ito ng dalawang mga input - mula sa bawat isa sa mga electrode. Pagkatapos nito, napili ang isang mababang pass filter upang alisin ang mga signal sa itaas ng 50 Hz, dahil ang ingay ng linya ng kuryente ay umabot sa halos 50-60 Hz [6]. Pagkatapos nito, isang noninverting amplifier upang palakasin ang signal, dahil ang mga biosignal ay medyo maliit.

Ang unang sangkap ay ang instrumentation amplifier. Mayroon itong dalawang mga input, isa para sa positibo at isa para sa negatibong elektrod. Ang amplifier ng instrumentation ay partikular na ginamit upang protektahan ang circuit mula sa papasok na signal. Mayroong tatlong unibersal na op-amp at 7 resistors. Ang lahat ng mga resistors ngunit ang R4 (Rgain) ay pareho ng paglaban. Ang pagkakaroon ng isang instrumento amplifier ay maaaring manipulahin sa sumusunod na equation: A = 1 + (2RRgain) [7] Ang nakuha ay napili na 50 dahil ang biosignals ay napakaliit. Ang mga resistor ay pinili upang maging mas malaki para sa madaling paggamit. Sundin ang mga kalkulasyon pagkatapos ng hanay ng mga equation na ito upang mabigyan ang R = 5000Ω at Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Ang susunod na ginamit na sangkap ay isang mababang pass filter, upang alisin ang mga frequency sa itaas ng 50 Hz, na panatilihin lamang ang alon ng PQRST sa saklaw ng dalas na ito at mababawasan ang ingay. Ang equation para sa isang mababang pumasa sa filter ay ipinapakita sa ibaba: * 1000 * C

Ang pangatlong sangkap sa ECG ay isang non-inverting amplifier. Ito ay upang matiyak na ang signal ay sapat na malaki bago (potensyal) na mailipat sa isang analog sa digital converter. Ang pagkakaroon ng isang noninverting amplifier ay ipinapakita sa ibaba: A = 1 + R2R1 [9] Tulad ng bago napili ang nakuha na 50, upang madagdagan ang amplitude ng pangwakas na signal. Ang mga kalkulasyon para sa risistor ay ang mga sumusunod, na may isang risistor na pinili na maging 10000Ω, na nagbibigay ng pangalawang halaga ng risistor na 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Upang subukan ang eskematiko, ang mga pagsusuri ay pinatakbo sa bawat bahagi at pagkatapos ay sa pangwakas na pangkalahatang eskematiko. Ang pangalawang kunwa ay isang pagsusuri sa AC, isang pag-aalis ng oktaba, na may 100 puntos bawat oktaba, at tumatakbo sa mga dalas ng 1 hanggang 1000 Hz.

Hakbang 3: Mga Resulta

Upang subukan ang circuit, isang pag-sweep ng oktaba ang ginampanan, na may 100 puntos bawat oktaba, nagsisimula sa dalas ng 1 Hz, at pupunta hanggang sa dalas ng 1000 Hz. Ang pag-input ay isang sinusoidal curve, upang maging isang representasyon ng cyclic na katangian ng alon ng ECG. Ito ay mayroong offset ng DC na 0, amplitude ng 1, dalas ng 1 Hz, T pagkaantala ng 0, theta (1 / s) ng 0, at phi (deg) ng 90. Ang dalas ay itinakda na 1, dahil sa isang average ang rate ng puso ay maaaring itakda sa halos 60 bpm, na kung saan ay 1 Hz.

Tulad ng nakikita sa Larawan 5, ang asul ang input at ang pula ang output. Mayroong malinaw na isang napakalaking pakinabang, tulad ng nakikita sa itaas.

Ang low pass filter ay itinakda sa 50 Hz, upang alisin ang ingay ng linya ng kuryente sa isang potensyal na aplikasyon ng ECG. Dahil hindi ito nalalapat dito kung saan ang signal ay pare-pareho sa 1 Hz, ang output ay pareho ng input (Larawan 6).

Ang output - ipinapakita sa asul - ay malinaw na pinalakas sa paghahambing sa input, ipinapakita sa berde. Bilang karagdagan, dahil ang mga taluktok at lambak ng mga kurba ng sine ay tumutugma, ipinapakita nito na ang amplifier ay talagang hindi nag-iikot (Larawan 7).

Ipinapakita ng Larawan 8 ang lahat ng mga kurba nang magkakasama. Malinaw na ipinapakita nito ang pagmamanipula ng signal, pagpunta sa isang maliit na signal, pinalakas ng dalawang beses, at na-filter (kahit na ang pagsala ay walang epekto sa tukoy na signal na ito).

Gamit ang mga equation para makakuha at dalas ng cutoff [10, 11], natutukoy ang mga halagang pang-eksperimentong mula sa mga plots. Ang filter ng low pass ay may pinakamaliit na error, habang ang parehong mga amplifier ay na-hover na may isang error na halos 10% (Talahanayan 1).

Hakbang 4: Pagtalakay

Lumilitaw na ang eskematiko ay ginagawa kung ano ang dapat gawin. Kumuha ito ng isang ibinigay na senyas, pinalaki ito, pagkatapos ay sinala ito, at pagkatapos ay muli itong pinalakas. Sinabi na, ito ay isang napaka 'maliit' na disenyo, na binubuo lamang ng isang instrumentation amplifier, low pass filter, at isang non-inverting filter. Walang malinaw na pag-input ng isang mapagkukunan ng ECG, sa kabila ng hindi mabilang na oras sa pag-surf sa web para sa isang tamang mapagkukunan. Sa kasamaang palad, habang hindi iyon nagawa, ang alon ng kasalanan ay isang naaangkop na kapalit para sa siklikong katangian ng signal.

Ang isang mapagkukunan ng error pagdating sa panteorya at ang aktwal na halaga ng pakinabang at mababang pass filter ay maaaring ang napiling mga sangkap. Dahil ang ginamit na mga equation ay may ratio ng mga resistensya na idinagdag sa 1, habang ginagawa ang mga kalkulasyon, ang isang ito ay napabayaan. Maaari itong magawa kung ang ginamit na resistors ay sapat na malaki. Habang ang pinili ng resistors ay malaki, ang katunayan na ang isa ay hindi kinuha sa mga kalkulasyon ay lilikha ng isang maliit na margin ng error. Ang mga mananaliksik sa San Jose State University sa San Jose CA ay nagdisenyo ng isang ECG na partikular para sa diagnosis ng sakit na cardiovascular. Gumamit sila ng isang amplifier ng instrumento, 1st order na aktibong high pass filter, 5th order na aktibong Bessel low pass filler, at isang kambal-t na aktibong filter ng bingaw [6]. Napagpasyahan nila na ang paggamit ng lahat ng mga sangkap na ito ay nagresulta sa matagumpay na pagkondisyon ng isang hilaw na ECG alon mula sa isang paksa ng tao. Ang isa pang modelo ng isang simpleng circuit ng ECG na ginawa ni Orlando Hoilett sa Purdue University ay binubuo lamang ng isang amplifier ng instrumento. Ang output ay malinaw at magagamit, ngunit inirerekumenda na para sa mga tukoy na application, ang mga pagbabago ay magiging mas mahusay - katulad ng amplifiers, bandpass filters, at isang 60 Hz notch filter upang alisin ang ingay ng linya ng kuryente. Ipinapakita nito na ang disenyo ng isang ECG na ito, kahit na hindi nakapaloob sa lahat, ay hindi ang pinaka simpleng pamamaraan ng pagkuha ng isang senyas ng ECG.

Hakbang 5: Gawain sa Hinaharap

Ang disenyo ng isang ECG na ito ay mangangailangan ng ilang mga bagay bago ilagay sa isang praktikal na aparato. Para sa isa, ang 60 Hz notch filter ay inirerekomenda ng maraming mga mapagkukunan, at dahil walang ingay sa linya ng kuryente upang makitungo dito, hindi ito ipinatupad sa simulation. Sinabi na, sa sandaling ito ay isinalin sa isang pisikal na aparato, kapaki-pakinabang na magdagdag ng isang filter ng bingaw. Bilang karagdagan, sa halip na ang mababang pass filter, maaari itong gumana nang mas mahusay na magkaroon ng isang bandpass filter, upang magkaroon ng higit na kontrol sa mga frequency na nai-filter. Muli, sa simulation, ang ganitong uri ng isyu ay hindi darating, ngunit lilitaw ito sa isang pisikal na aparato. Pagkatapos nito, mangangailangan ang ECG ng isang analog sa digital converter, at malamang isang aparato na katulad ng isang raspberry pi upang makolekta ang data at mai-stream ito sa isang computer para sa pagtingin at paggamit. Ang karagdagang mga pagpapabuti ay magiging karagdagan ng maraming mga lead, marahil ay nagsisimula sa 4 na mga lead ng limb at nagtatapos sa lahat ng 10 mga lead para sa isang 12 lead diagram ng puso. Ang isang mas mahusay na interface ng gumagamit ay magiging kapaki-pakinabang din - marahil sa isang touchscreen para sa mga medikal na propesyonal upang madaling ma-access at makapag-focus sa ilang mga bahagi ng isang output ng ECG.

Ang mga karagdagang hakbang ay kasangkot sa pag-aaral ng makina at pagpapatupad ng AI. Dapat na maalerto ng computer ang mga tauhang medikal - at posibleng ang mga nasa paligid - na isang arrhythmia o mga katulad nito ang naganap. Sa puntong ito, dapat suriin ng isang doktor ang isang output ng ECG upang makagawa ng diagnosis - habang ang mga technician ay sinanay na basahin ang mga ito, hindi sila makakagawa ng isang opisyal na pagsusuri sa larangan. Kung ang mga ECG na ginamit ng mga unang tagatugon ay may tumpak na pagsusuri, maaari itong payagan para sa mas mabilis na paggamot. Lalo na ito ay mahalaga sa mga lugar sa kanayunan, kung saan maaaring tumagal ng hanggang isang oras upang makakuha ng pasyente na hindi kayang bayaran ang isang pagsakay sa helikoptero patungo sa ospital. Ang susunod na yugto ay pagdaragdag ng isang defibrillator sa mismong ECG. Pagkatapos, kapag nakakita ito ng arrhythmia, maaari nitong malaman ang tamang boltahe para sa isang pagkabigla at - ibinigay na inilagay ang mga shock pad - maaaring subukang ibalik ang pasyente sa sinus ritmo. Ito ay magiging kapaki-pakinabang sa mga setting ng ospital, kung saan ang mga pasyente ay nai-hook up sa iba't ibang mga machine at kung walang sapat na mga tauhang medikal upang agad na magbigay ng pangangalaga, ang lahat sa isang machine sa puso ay maaaring alagaan ito, makatipid ng mahalagang oras na kinakailangan upang makatipid ng isang buhay..

Hakbang 6: Konklusyon

Sa proyektong ito, matagumpay na dinisenyo ang isang circuit ng ECG at pagkatapos ay gayahin gamit ang LTSpice. Ito ay binubuo ng isang instrumentation amplifier, isang mababang pass filter, at isang non-inverting amplifier upang ma-kondisyon ang signal. Ipinakita ng simulation na ang lahat ng tatlong mga sangkap ay gumana nang isa-isa pati na rin nang magkasama kapag pinagsama para sa isang kabuuang integrated circuit. Ang mga amplifier ay bawat isa ay nakakuha ng 50, isang katotohanang nakumpirma ng mga simulasi na tumatakbo sa LTSpice. Ang low pass filter ay may cutoff frequency na 50 Hz, upang mabawasan ang ingay mula sa mga linya ng kuryente at mga artifact mula sa balat at paggalaw. Habang ito ay isang napakaliit na circuit ng ECG, maraming mga pagpapabuti na maaaring magawa, ang pagpunta sa lahat ng paraan mula sa pagdaragdag ng isang filter o dalawa, hanggang sa isang all in one heart machine na maaaring kunin ang ECG, basahin ito, at magbigay ng agarang paggamot.

Hakbang 7: Mga Sanggunian

Mga Sanggunian

[1] "Electrocardiogram (ECG o EKG)," Mayo Clinic, 09-Abr-2020. [Online]. Magagamit: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Na-access: 04-Dis-2020].

[2] "Electrocardiogram," National Heart Lung and Blood Institute. [Online]. Magagamit: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Na-access: 04-Dis-2020].

[3] A. Randazzo, "Ang Ultimate 12-Lead ECG Placed Guide (With Illustrations)," Punong Medikal na Pagsasanay, 11-Nob-2019. [Online]. Magagamit: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placed/. [Na-access: 04-Dis-2020].

[4] C. Watford, "Pag-unawa sa Pagsala ng ECG," EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Magagamit: https://ems12lead.com/2014/03/10/ Understanding-ecg-filtering/. [Na-access: 04-Dis-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher, at AA Armoundas, "Estado ng State-the-‐ Art Machine Learning Techniques na naglalayong Mapabuti ang Mga Resulta ng Pasyente na Nauugnay sa Cardiovascular System," Journal of the American Heart Association, vol. 9, hindi. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, "Disenyo ng isang ECG Sensor Circuitry para sa Cardiovascular Disease Diagnosis," International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, hindi. 4, 2017.

[7] "Calculator ng Output Voltage Output na Tagapagbigay ng Instrumentasyon," ncalculator.com. [Online]. Magagamit: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Na-access: 04-Dis-2020].

[8] "Mababang Pass Calculator ng Filter," ElectronicBase, 01-Abr-2019. [Online]. Magagamit: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Na-access: 04-Dis-2020].

[9] "Non-inverting Operational Amplifier - The Non-inverting Op-amp," Pangunahing Mga Tutorial sa Elektronika, 06-Nob-2020. [Online]. Magagamit: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Na-access: 04-Dis-2020].

[10] E. Sengpiel, "Pagkalkula: Paglaki (pakinabang) at pamamasa (pagkawala) bilang kadahilanan (ratio) sa antas sa mga decibel (dB)," calculator ng dB para sa nakakakuha ng amplification at damping (pagkawala) na kadahilanan ng isang pagkalkula ng audio amplifier decibel dB ratio - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Online]. Magagamit: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Na-access: 04-Dis-2020].

[11] "Low Pass Filter - Passive RC Filter Tutorial," Pangunahing Mga Tutorial sa Elektronika, 01-May-2020. [Online]. Magagamit: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Na-access: 04-Dis-2020].

[12] O. H. Instructables, "Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit," Instructables, 02-Abr-2018. [Online]. Magagamit: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Na-access: 04-Dis-2020].

[13] Brent Cornell, "Electrocardiography," BioNinja. [Online]. Magagamit: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Na-access: 04-Dis-2020].