Ett hjärtligt EKG: 7 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:36

Abstrakt

Ett EKG eller elektrokardiogram är en vanlig medicinsk utrustning som används för att registrera hjärtats elektriska signaler. De är enkla att göra i den mest grundläggande formen, men det finns gott om utrymme för tillväxt. För detta projekt designades och simulerades ett EKG på LTSpice. EKG hade tre komponenter: en instrumentförstärkare, ett lågpassfilter och slutligen en icke-inverterande förstärkare. Detta var för att säkerställa att det kom in tillräckligt med vinst från en relativt svag källa till ett biosignal, liksom ett filter för att ta bort brus i kretsen. Simuleringarna visade att varje komponent i kretsen utfördes framgångsrikt, liksom en total integrerad krets med alla tre komponenterna. Detta visar att detta är ett livskraftigt sätt att skapa en EKG -krets. Vi undersökte sedan den stora potentialen för förbättringar av EKG.

Steg 1: Introduktion/bakgrund

Ett EKG eller elektrokardiogram används för att registrera hjärtats elektriska signaler. Det är ganska vanligt och ett smärtfritt test som används för att upptäcka hjärtproblem och övervaka hjärthälsan. De utförs på läkarmottagningar - antingen kliniker eller sjukhusrum och är standardmaskiner i operationsrum och ambulanser [1]. De kan visa hur snabbt hjärtat slår, om rytmen är regelbunden eller inte, liksom styrkan och tidpunkten för de elektriska impulserna som går genom de olika delarna av hjärtat. Cirka 12 elektroder (eller färre) är fästa på huden på bröstet, armarna och benen och är anslutna till en maskin som läser impulserna och visar dem [2]. Ett tolv-avledat EKG har 10 elektroder (för att ge totalt 12 vyer av hjärtat). 4-ledningen går på benen. Två på handlederna och två på anklarna. De sista 6 lederna går på bålen. V1 går på det fjärde interkostalrummet till höger om bröstbenet, medan V2 är på samma linje, men till vänster om bröstbenet. V3 placeras mitt emellan V2 och V4, V5 går vid den främre axillinjen på samma nivå som V4 och V6 går på mittaxillärlinjen på samma nivå [3].

Målet med detta projekt är att designa, simulera och verifiera en analog signalinsamlingsanordning - i detta fall ett elektrokardiogram. Eftersom den genomsnittliga hjärtfrekvensen är 72, men i vila kan den gå så lågt som 90, kan medianen räknas till cirka 60 slag per minut, vilket ger en grundfrekvens på 1 Hz för hjärtfrekvensen. Pulsen kan variera från cirka 0,67 till 5 Hz (40 till 300 slag / minut). Varje signal består av en våg som kan märkas som P, QRS -komplex och en T -del till vågen. P -vågen löper på cirka 0,67 - 5 Hz, QRS -komplexet ligger på cirka 10-50 Hz och T -vågen är cirka 1 - 7 Hz [4]. Nuvarande toppmoderna EKG har maskininlärning [5], där arytmier och liknande kan klassificeras av maskinen själv. För att förenkla kommer detta EKG bara att ha två elektroder - en positiv och en negativ.

Steg 2: Metoder och material

För att påbörja designen användes en dator för både forskning och modellering. Programvaran som användes var LTSpice. För det första, för att utforma schemat för det analoga EKG, undersöktes för att se vad de nuvarande designerna är och hur man bäst implementerar dem till en ny design. Nästan alla källor började med att en instrumentförstärkare började. Den tar in två ingångar - från var och en av elektroderna. Därefter valdes ett lågpassfilter för att ta bort signaler över 50 Hz, eftersom bruset i kraftledningen kommer till cirka 50-60 Hz [6]. Efter det var en icke -inverterande förstärkare för att förstärka signalen, eftersom biosignaler är ganska små.

Den första komponenten var instrumentationsförstärkaren. Den har två ingångar, en för den positiva och en för den negativa elektroden. Instrumenteringsförstärkaren användes specifikt för att skydda kretsen från den inkommande signalen. Det finns tre universella op-förstärkare och 7 motstånd. Alla motstånd utom R4 (Rgain) har samma motstånd. Förstärkningen hos en instrumentförstärkare kan manipuleras med följande ekvation: A = 1 + (2RRgain) [7] Förstärkningen valdes till 50 eftersom biosignaler är mycket små. Motstånden valdes att vara större för enkel användning. Beräkningarna följer sedan denna uppsättning ekvationer för att ge R = 5000Ω och Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Nästa komponent som användes var ett lågpassfilter för att ta bort frekvenser över 50 Hz, vilket kommer att hålla bara PQRST -vågen i detta frekvensområde och minimera brus. Ekvationen för ett lågpassfilter visas nedan: fc = 12RC [8] Eftersom den valda frekvensen för avstängning var 50 Hz och motståndet valdes till 1kΩ ger beräkningarna ett kondensatorvärde på 0.00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Den tredje komponenten i EKG var en icke-inverterande förstärkare. Detta för att säkerställa att signalen är tillräckligt stor innan (potentiellt) överförs till en analog till digital omvandlare. Förstärkningen för en icke -inverterande förstärkare visas nedan: A = 1 + R2R1 [9] Liksom innan förstärkningen valdes till 50, för att öka amplituden för den slutliga signalen. Beräkningarna för motståndet är följande, med ett motstånd valt att vara 10000Ω, vilket ger ett andra motståndsvärde på 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

För att testa schemat, kördes analyser på varje komponent och sedan på det slutliga övergripande schemat. Den andra simuleringen var en AC -analys, en oktavsvepning, med 100 poäng per oktav, och som går genom frekvenser 1 till 1000 Hz.

Steg 3: Resultat

För att testa kretsen utfördes en oktavsvepning, med 100 poäng per oktav, som började med en frekvens på 1 Hz, och gick till en frekvens på 1000 Hz. Ingången var en sinusformad kurva, för att representera EKG -vågens cykliska natur. Den hade en DC -förskjutning på 0, amplitud på 1, frekvens på 1 Hz, T -fördröjning på 0, theta (1/s) på 0 och phi (deg) på 90. Frekvensen var inställd på 1, eftersom ett genomsnitt pulsen kan ställas in på cirka 60 slag / min, vilket är 1 Hz.

Som framgår av figur 5 var den blå ingången och den röda utgången. Det var helt klart en massiv vinst, som sett ovan.

Lågpassfiltret var inställt på 50 Hz för att avlägsna brus från kraftledningen i en potentiell EKG -applikation. Eftersom det inte gäller här där signalen är konstant vid 1 Hz, är utsignalen densamma som ingången (figur 6).

Utgången - visad i blått - förstärks tydligt jämfört med ingången, visad i grönt. Dessutom, eftersom topparna och dalarna i sinuskurvorna matchar, visar detta att förstärkaren verkligen var icke-inverterande (figur 7).

Figur 8 visar alla kurvor tillsammans. Det visar tydligt manipulering av signalen, som går från en liten signal, förstärks två gånger och filtreras (även om filtreringen inte har någon effekt på denna specifika signal).

Med hjälp av ekvationerna för förstärkning och gränsfrekvens [10, 11] bestämdes experimentvärdena från diagrammen. Lågpassfiltret hade minst fel, medan båda förstärkarna svävade med ett fel på cirka 10% (tabell 1).

Steg 4: Diskussion

Det verkar som att schemat gör vad det ska göra. Den tog en given signal, förstärkte den, filtrerade den sedan och förstärkte den igen. Med detta sagt är det en mycket "liten" design, som endast består av en instrumentförstärkare, lågpassfilter och ett icke-inverterande filter. Det fanns ingen tydlig inmatning av en EKG -källa, trots otaliga timmar att surfa på nätet efter en korrekt källa. Tyvärr, medan det inte fungerade, var syndvågen ett lämpligt substitut för signalens cykliska karaktär.

En felkälla när det gäller det teoretiska och verkliga värdet av förstärknings- och lågpassfiltret kan vara de valda komponenterna. Eftersom de ekvationer som används har ett förhållande av motstånden adderade till 1, under beräkningarna, försummades denna. Detta kan göras så om motstånden som används är tillräckligt stora. Medan de valda motstånden var stora, kommer det faktum att det inte togs med i beräkningarna att skapa en liten felmarginal. Forskare vid San Jose State University i San Jose CA utformade ett EKG specifikt för diagnos av hjärt -kärlsjukdomar. De använde en instrumentförstärkare, första ordningens aktiva högpassfilter, femte ordnings aktiva Bessel lågpassfyllare och ett twin-t aktivt hackfilter [6]. De drog slutsatsen att användningen av alla dessa komponenter resulterade i framgångsrik konditionering av en rå EKG -våg från ett mänskligt subjekt. En annan modell av en enkel EKG -krets utförd av Orlando Hoilett vid Purdue University bestod enbart av en instrumentförstärkare. Utgången var tydlig och användbar, men det rekommenderades att ändringar skulle vara bättre för specifika applikationer - nämligen förstärkare, bandpassfilter och ett 60 Hz hackfilter för att ta bort brus från kraftledningen. Detta visar att denna design av ett EKG, men inte alltomfattande, inte är den enklaste metoden för att ta in en EKG-signal.

Steg 5: Framtidsarbete

Denna design av ett EKG skulle kräva några fler saker innan den sätts in i en praktisk enhet. För det första rekommenderades 60 Hz -skårfiltret av flera källor, och eftersom det inte fanns något brus från kraftledningen att hantera här, implementerades det inte i simuleringen. Med detta sagt, när detta har översatts till en fysisk enhet, skulle det vara fördelaktigt att lägga till ett hackfilter. Dessutom kan det i stället för lågpassfiltret fungera bättre med ett bandpassfilter för att ha mer kontroll över de frekvenser som filtreras bort. Återigen, i simuleringen, kommer den här typen av problem inte upp, men den visas i en fysisk enhet. Efter detta skulle EKG kräva en analog till digital omvandlare och troligen en enhet som liknar en hallon pi för att samla in data och strömma den till en dator för visning och användning. Ytterligare förbättringar skulle vara tillägget av fler avledningar, kanske från och med de fyra lemledarna och gradera till alla tio avledningar för ett 12 -avledningsdiagram av hjärtat. Ett bättre användargränssnitt skulle också vara fördelaktigt - kanske med en pekskärm för att läkare enkelt ska kunna komma åt och fokusera på vissa delar av ett EKG -uttag.

Ytterligare steg skulle innebära maskininlärning och AI -implementering. Datorn ska kunna varna sjukvårdspersonal - och möjligen de som finns - att arytmi eller liknande har inträffat. Vid denna tidpunkt måste en läkare granska en EKG -utgång för att ställa en diagnos - medan tekniker är utbildade för att läsa dem, kan de inte ställa en officiell diagnos ute på fältet. Om de EKG som används av första respondenter har en korrekt diagnos kan det möjliggöra snabbare behandling. Detta är särskilt viktigt på landsbygden, där det kan ta upp till en timme att få en patient som inte har råd med en helikoptertur till sjukhuset. Nästa steg skulle vara att lägga till en defibrillator till själva EKG -maskinen. När den sedan upptäcker en arytmi kan den räkna ut rätt spänning för en chock och - med tanke på att stötdynorna har placerats - kan den försöka få tillbaka patienten till sinusrytm. Detta skulle vara användbart i sjukhusmiljöer, där patienter redan är anslutna till olika maskiner och om det inte finns tillräckligt med medicinsk personal för att omedelbart ge vård, kan allt i ett -hjärtat ta hand om det, vilket sparar dyrbar tid som behövs för att rädda ett liv.

Steg 6: Slutsats

I detta projekt konstruerades en EKG -krets framgångsrikt och simulerades sedan med LTSpice. Den bestod av en instrumentförstärkare, ett lågpassfilter och en icke-inverterande förstärkare för att konditionera signalen. Simuleringen visade att alla tre komponenterna fungerade individuellt och tillsammans när de kombinerades för en total integrerad krets. Förstärkarna hade vardera en förstärkning på 50, vilket bekräftades av simuleringarna som kördes på LTSpice. Lågpassfiltret hade en gränsfrekvens på 50 Hz för att minska brus från kraftledningar och artefakter från huden och rörelse. Även om detta är en mycket liten EKG -krets, finns det många förbättringar som kan göras, allt från tillsats av ett eller två filter, upp till en allt -i -ett -hjärtmaskin som kan ta EKG, läsa det och ge omedelbar behandling.

Steg 7: Referenser

Referenser

[1]”Elektrokardiogram (EKG eller EKG)”, Mayo Clinic, 09-apr-2020. [Uppkopplad]. Tillgänglig: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Åtkomst: 04-dec-2020].

[2]”Elektrokardiogram”, National Heart Lung and Blood Institute. [Uppkopplad]. Tillgänglig: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Åtkomst: 04-dec-2020].

[3] A. Randazzo,”The Ultimate 12-Lead ECG Placement Guide (With Illustrations),” Prime Medical Training, 11-nov-2019. [Uppkopplad]. Tillgänglig: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Åtkomst: 04-dec-2020].

[4] C. Watford, "Förstå EKG -filtrering", EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Tillgänglig: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Åtkomst: 04-dec-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher och AA Armoundas,”Toppmoderna maskininlärningstekniker som syftar till att förbättra patientresultaten avseende det kardiovaskulära systemet”, Journal of the American Heart Association, vol. 9, nej. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, "Design of a ECG Sensor Circuitry for Cardiovascular Disease Diagnosis", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, nej. 4, 2017.

[7] "Instrumentförstärkarens utgångsspänningskalkylator", ncalculators.com. [Uppkopplad]. Tillgänglig: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Åtkomst: 04-dec-2020].

[8]”Lågpassfilterkalkylator”, ElectronicBase, 01-apr-2019. [Uppkopplad]. Tillgänglig: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Åtkomst: 04-dec-2020].

[9] "Icke-inverterande operationsförstärkare-Den icke-inverterande op-förstärkaren", Grundläggande elektronikstudier, 06-nov-2020. [Uppkopplad]. Tillgänglig: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Åtkomst: 04-dec-2020].

[10] E. Sengpiel, "Beräkning: Amplifiering (förstärkning) och dämpning (förlust) som faktor (förhållande) till nivån i decibel (dB)," dB -kalkylator för förstärkningsförstärkning och dämpningsfaktor (förlust) för en ljudförstärkarberäkning decibel dB -förhållande - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Uppkopplad]. Tillgänglig: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Åtkomst: 04-dec-2020].

[11]”Lågpassfilter-Handledning för passivt RC-filter,” Grundläggande elektronikhandledning, 01-maj-2020. [Uppkopplad]. Tillgänglig: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Åtkomst: 04-dec-2020].

[12] O. H. Instructables, "Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit", Instructables, 02-apr-2018. [Uppkopplad]. Tillgänglig: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Åtkomst: 04-dec-2020].

[13] Brent Cornell, "Elektrokardiografi", BioNinja. [Uppkopplad]. Tillgänglig: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Åtkomst: 04-dec-2020].