N Hartlike EKG: 7 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:23

Abstract

'N EKG, of 'n elektrokardiogram, is 'n algemene mediese toestel wat gebruik word om die elektriese seine van die hart op te teken. Hulle is eenvoudig om in die mees basiese vorm te maak, maar daar is genoeg ruimte vir groei. Vir hierdie projek is 'n EKG ontwerp en gesimuleer op LTSpice. Die EKG het drie komponente: 'n instrumentasieversterker, 'n laagdeurlaatfilter en laastens 'n nie-omkeerversterker. Dit was om te verseker dat daar genoeg wins uit 'n relatief swak bron van 'n biosignaal kom, sowel as 'n filter om geraas in die stroombaan te verwyder. Die simulasies het getoon dat elke komponent van die kring suksesvol presteer, net soos 'n totale geïntegreerde stroombaan met al drie komponente. Dit toon aan dat dit 'n lewensvatbare manier is om 'n EKG -stroombaan te skep. Daarna het ons die groot potensiaal vir verbeterings aan die EKG ondersoek.

Stap 1: Inleiding/agtergrond

'N EKG of elektrokardiogram word gebruik om die elektriese seine van die hart op te teken. Dit is redelik algemeen en 'n pynlose toets word gebruik om hartprobleme op te spoor en die gesondheid van die hart te monitor. Dit word uitgevoer in dokterskantore - klinieke of hospitaalkamers en is standaardmasjiene in operasiekamers en ambulanse [1]. Hulle kan wys hoe vinnig die hart klop, as die ritme gereeld is of nie, asook die krag en tydsberekening van die elektriese impulse wat deur die verskillende dele van die hart gaan. Ongeveer 12 elektrodes (of minder) word aan die vel op die bors, arms en bene vasgemaak en is gekoppel aan 'n masjien wat die impulse lees en dit in grafieke [2]. 'N EKG met twaalf leidings het 10 elektrodes (om 'n totaal van 12 aansigte van die hart te gee). Die 4-lood gaan oor die ledemate. Twee op die polse, en twee op die enkels. Die laaste 6 leidrade gaan oor die bolyf. V1 gaan op die 4de interkostale ruimte regs van die borsbeen, terwyl V2 op dieselfde lyn is, maar aan die linkerkant van die borsbeen. V3 is halfpad tussen V2 en V4 geplaas, V5 gaan op die voorste oksellyn op dieselfde vlak as V4 en V6 gaan op die middelste oksellyn op dieselfde vlak [3].

Die doel van hierdie projek is om 'n analoog seinverkrygingstoestel te ontwerp, te simuleer en te verifieer - in hierdie geval 'n elektrokardiogram. Aangesien die gemiddelde hartklop 72 is, maar in rus kan dit tot 90 styg, kan die mediaan ongeveer 60 bpm oorweeg word, wat 'n fundamentele frekwensie van 1 Hz vir die hartklop gee. Hartklop kan wissel van ongeveer 0,67 tot 5 Hz (40 tot 300 bpm). Elke sein bestaan uit 'n golf wat gemerk kan word as P, QRS -kompleks en 'n T -gedeelte na die golf. Die P -golf loop op ongeveer 0,67 - 5 Hz, die QRS -kompleks is ongeveer 10-50 Hz, en die T -golf is ongeveer 1 - 7 Hz [4]. Die huidige nuutste EKG's het masjienleer [5], waar aritmieë en dies meer deur die masjien self geklassifiseer kan word. Ter vereenvoudiging sal hierdie EKG slegs twee elektrodes hê - 'n positiewe en 'n negatiewe.

Stap 2: Metodes en materiale

Om die ontwerp te begin, is 'n rekenaar vir navorsing en modellering gebruik. Die sagteware wat gebruik is, was LTSpice. Om eers die skema vir die analoog EKG te ontwerp, is ondersoek ingestel om te sien wat die huidige ontwerpe is en hoe om dit die beste in 'n nuwe ontwerp te implementeer. Byna al die bronne het begin met 'n instrumentversterker om te begin. Dit neem twee insette in - van elk van die elektrodes. Daarna is 'n laagdeurlaatfilter gekies om seine bo 50 Hz te verwyder, aangesien die geraas van die kraglyn ongeveer 50-60 Hz [6] bereik. Daarna was 'n nie -omkeerversterker om die sein te versterk, aangesien biosignale redelik klein is.

Die eerste komponent was die instrumentasie versterker. Dit het twee insette, een vir die positiewe en een vir die negatiewe elektrode. Die instrumentasie versterker is spesifiek gebruik om die stroombaan teen die inkomende sein te beskerm. Daar is drie universele versterkers en 7 weerstande. Al die weerstande behalwe R4 (Rgain) het dieselfde weerstand. Die wins van 'n instrumentasie versterker kan gemanipuleer word met die volgende vergelyking: A = 1 + (2RRgain) [7] Die wins is gekies om 50 te wees, aangesien biosignale baie klein is. Die weerstande is gekies om groter te wees vir gebruiksgemak. Die berekeninge volg dan hierdie stel vergelykings om R = 5000Ω en Rgain = 200Ω te gee. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Die volgende komponent wat gebruik is, was 'n laagdeurlaatfilter om frekwensies bo 50 Hz te verwyder, wat net die PQRST -golf in hierdie frekwensiebereik sal behou en geraas verminder. Die vergelyking vir 'n laagdeurlaatfilter word hieronder getoon: fc = 12RC [8] Aangesien die gekose frekwensie vir afsny 50 Hz was en die weerstand gekies is om 1kΩ te wees, lewer die berekeninge 'n kapasitorwaarde van 0.00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Die derde komponent in die EKG was 'n nie-omkeerversterker. Dit is om te verseker dat die sein groot genoeg is voordat dit (moontlik) na 'n analoog na digitale omskakelaar oorgedra word. Die wins van 'n nie -omkeerversterker word hieronder getoon: A = 1 + R2R1 [9] Soos voor die versterking gekies is om 50 te wees, om die amplitude van die eindsein te verhoog. Die berekeninge vir die weerstand is soos volg, met een weerstand gekies om 10000Ω te wees, wat 'n tweede weerstandwaarde van 200Ω gee. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Om die skematiese toets te toets, is ontledings uitgevoer op elke komponent en daarna op die finale algehele skematiese. Die tweede simulasie was 'n WS -analise, 'n oktaaf -sweep, met 100 punte per oktaaf, en wat deur frekwensies 1 tot 1000 Hz loop.

Stap 3: Resultate

Om die stroombaan te toets, is 'n oktaaf -sweep uitgevoer, met 100 punte per oktaaf, begin met 'n frekwensie van 1 Hz en duur tot 'n frekwensie van 1000 Hz. Die invoer was 'n sinusvormige kromme, 'n voorstelling van die sikliese aard van die EKG -golf. Dit het 'n GS -offset van 0, amplitude van 1, frekwensie van 1 Hz, T -vertraging van 0, theta (1/s) van 0 en phi (deg) van 90. Die frekwensie was 1, aangesien 'n gemiddelde hartklop kan ingestel word op ongeveer 60 bpm, wat 1 Hz is.

Soos gesien in figuur 5, was die blou die invoer en die rooi die uitset. Daar was duidelik 'n groot wins, soos hierbo gesien.

Die laagdeurlaatfilter is op 50 Hz gestel om die geraas van die kraglyn in 'n moontlike EKG -toepassing te verwyder. Aangesien dit nie hier van toepassing is nie, waar die sein konstant is by 1 Hz, is die uitset dieselfde as die invoer (figuur 6).

Die uitset - in blou getoon - word duidelik versterk in vergelyking met die insette, in groen getoon. Aangesien die pieke en dale van die sinuskurwes ook bymekaar pas, toon dit dat die versterker inderdaad nie-omkeerbaar was (Figuur 7).

Figuur 8 toon al die krommes saam. Dit toon duidelik die manipulasie van die sein, vanaf 'n klein sein, twee keer versterk en gefiltreer (hoewel die filtrasie geen effek op hierdie spesifieke sein het nie).

Deur die vergelykings vir versterking en afsnyprekwensie [10, 11] te gebruik, is die eksperimentele waardes bepaal uit die grafieke. Die laagdeurlaatfilter het die minste fout gehad, terwyl beide versterkers met 'n fout van ongeveer 10% gesweef het (tabel 1).

Stap 4: Bespreking

Dit blyk dat die skematika doen wat hy veronderstel is om te doen. Dit neem 'n gegewe sein, versterk dit, filtreer dit en versterk dit dan weer. Dit gesê, dit is 'n baie 'klein' ontwerp, wat slegs bestaan uit 'n instrumentasieversterker, 'n laagdeurlaatfilter en 'n nie-omkeerbare filter. Daar was geen duidelike invoer van 'n EKG -bron nie, ondanks ontelbare ure om op die internet te soek vir 'n behoorlike bron. Ongelukkig, hoewel dit nie uitgewerk het nie, was die sondegolf 'n geskikte plaasvervanger vir die sikliese aard van die sein.

Die gekose komponente kan 'n bron van fout wees as dit kom by die teoretiese en werklike waarde van die versterkings- en laagdeurlaatfilter. Aangesien die vergelykings wat gebruik word 'n verhouding het van die weerstande wat by 1 gevoeg word, is hierdie een verwaarloos tydens die berekeninge. Dit kan gedoen word as die weerstande wat gebruik word groot genoeg is. Alhoewel die gekose weerstande groot was, sal die feit dat die een nie in berekeninge geneem is nie, 'n klein foutmarge veroorsaak. Navorsers aan die San Jose State University in San Jose CA het 'n EKG spesifiek ontwerp vir die diagnose van kardiovaskulêre siektes. Hulle gebruik 'n instrumentversterker, 1ste orde aktiewe hoëpasfilter, 5de orde aktiewe Bessel laagpasvuller en 'n tweeling-t aktiewe kerffilter [6]. Hulle het tot die gevolgtrekking gekom dat die gebruik van al hierdie komponente gelei het tot die suksesvolle kondisionering van 'n rou EKG -golf van 'n menslike onderwerp. 'N Ander model van 'n eenvoudige EKG -stroombaan wat deur Orlando Hoilett aan die Purdue -universiteit gedoen is, bestaan slegs uit 'n instrumentversterker. Die uitset was duidelik en bruikbaar, maar dit word aanbeveel dat veranderinge vir spesifieke toepassings beter sou wees - naamlik versterkers, bandpassfilters en 'n 60 Hz -kerffilter om die geraas van die kraglyn te verwyder. Dit toon aan dat hierdie ontwerp van 'n EKG, hoewel dit nie allesomvattend is nie, nie die eenvoudigste metode is om 'n EKG-sein in te neem nie.

Stap 5: Toekomstige werk

Hierdie ontwerp van 'n EKG sal nog 'n paar dinge verg voordat dit in 'n praktiese toestel geplaas word. In die eerste plek is die kerffilter van 60 Hz deur verskeie bronne aanbeveel, en aangesien daar geen geraas in die kraglyn was nie, is dit nie in die simulasie geïmplementeer nie. Dit gesê, as dit eers na 'n fisiese toestel vertaal is, sal dit voordelig wees om 'n kerffilter by te voeg. Boonop kan dit in plaas van die laagdeurlaatfilter beter werk om 'n banddeurlaatfilter te hê om meer beheer te hê oor die frekwensies wat uitgefiltreer word. Weereens, in die simulasie kom hierdie soort probleem nie ter sprake nie, maar dit verskyn op 'n fisiese toestel. Hierna benodig die EKG 'n analoog na digitale omskakelaar, en waarskynlik 'n toestel wat soos 'n framboospi lyk, om die data te versamel en na 'n rekenaar te stroom om dit te sien en te gebruik. Verdere verbeterings is die toevoeging van meer leidrade, miskien begin met die 4 ledemate en tot al 10 leidrade vir 'n 12 -leidingsdiagram van die hart. 'N Beter gebruikerskoppelvlak sal ook voordelig wees - miskien met 'n raakskerm sodat mediese persone maklik toegang tot sekere dele van 'n EKG -uitset kan kry en kan fokus.

Verdere stappe behels masjienleer en AI -implementering. Die rekenaar moet mediese personeel - en moontlik diegene in die omgewing - kan waarsku dat 'n aritmie of dies meer voorkom. Op hierdie stadium moet 'n dokter 'n EKG -uitset hersien om 'n diagnose te maak - terwyl tegnici opgelei is om dit te lees, kan hulle nie 'n amptelike diagnose in die veld stel nie. As die EKG's wat die eerste respondente gebruik, 'n akkurate diagnose het, kan dit vinniger behandel word. Dit is veral belangrik in landelike gebiede, waar dit meer as 'n uur kan neem om 'n pasiënt wat nie 'n helikopterrit kan bekostig nie, by die hospitaal te kry. Die volgende fase is om 'n defibrillator by die EKG -masjien self te voeg. As dit dan 'n aritmie opspoor, kan dit die regte spanning vir 'n skok uitvind en, aangesien die skokblokkies geplaas is, kan dit probeer om die pasiënt weer in 'n sinusritme te kry. Dit sal handig wees in hospitaalinstellings, waar pasiënte reeds by verskillende masjiene aangeskakel is en as daar nie genoeg mediese personeel is om onmiddellik hulp te verleen nie, kan die alles in een hartmasjien dit regkry, wat kosbare tyd bespaar om lewens te red.

Stap 6: Gevolgtrekking

In hierdie projek is 'n EKG -kring suksesvol ontwerp en daarna gesimuleer met behulp van LTSpice. Dit het bestaan uit 'n instrumentasieversterker, 'n laagdeurlaatfilter en 'n nie-omkeerversterker om die sein te kondisioneer. Die simulasie het getoon dat al drie komponente afsonderlik sowel as saam werk as dit gekombineer word vir 'n totale geïntegreerde stroombaan. Die versterkers het elk 'n wins van 50 gehad, 'n feit wat bevestig is deur die simulasies wat op LTSpice uitgevoer is. Die laagdeurlaatfilter het 'n afsnyfrekwensie van 50 Hz om geraas van kragdrade en artefakte van die vel en beweging te verminder. Alhoewel dit 'n baie klein EKG -stroombaan is, kan daar baie verbeterings aangebring word, van die byvoeging van 'n filter of twee tot 'n alles in een hartmasjien wat die EKG kan neem, dit kan lees en onmiddellike behandeling te gee.

Stap 7: Verwysings

Verwysings

[1] "Elektrokardiogram (EKG of EKG)," Mayo Clinic, 09-Apr-2020. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Toegang verkry: 04-Des-2020].

[2] "Elektrokardiogram," National Heart Lung and Blood Institute. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Toegang verkry: 04-Des-2020].

[3] A. Randazzo, "The Ultimate 12-Lead ECG Placement Guide (With Illustrations)," Prime Medical Training, 11-Nov-2019. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Toegang verkry: 04-Des-2020].

[4] C. Watford, "Understanding ECG Filtering," EMS 12 Lead, 2014. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Toegang verkry: 04-Des-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher, en AA Armoundas, "Moderne tegnieke vir masjienleer om pasiëntuitkomste met betrekking tot die kardiovaskulêre stelsel te verbeter," Journal of the American Heart Association, vol. 9, nee. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, "Ontwerp van 'n EKG -sensorbaan vir diagnose van kardiovaskulêre siektes," International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, nee. 4, 2017.

[7] “Instrumentasieversterker se uitgangsspanningsrekenaar,” ncalculators.com. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Toegang verkry: 04-Des-2020].

[8] 'Laagpasfilterrekenaar', ElectronicBase, 01-Apr-2019. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Toegang verkry: 04-Des-2020].

[9] "Nie-omkerende operasionele versterker-die nie-omkeerbare versterker," Basiese elektroniese tutoriale, 06-Nov-2020. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Toegang verkry: 04-Des-2020].

[10] E. Sengpiel, "Berekening: versterking (versterking) en demping (verlies) as faktor (verhouding) tot die vlak in desibel (dB)," dB -sakrekenaar vir versterkingsversterking en demping (verlies) faktor van 'n klankversterkerberekening desibel dB verhouding - sengpielaudio Sengpiel Berlyn. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Toegang verkry: 04-Des-2020].

[11] "Laagpasfilter-Passiewe RC-filterstudie," Basiese elektroniese tutoriale, 01-Mei-2020. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Toegang verkry: 04-Des-2020].

[12] O. H. Instructables, "Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit," Instructables, 02-Apr-2018. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Toegang verkry: 04-Des-2020].

[13] Brent Cornell, "Elektrokardiografie," BioNinja. [Aanlyn]. Beskikbaar: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Toegang verkry: 04-Des-2020].