EKG yang Menyenangkan: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:06

Abstrak

ECG, atau elektrokardiogram, adalah alat perubatan yang biasa digunakan untuk merakam isyarat elektrik jantung. Mereka mudah dibuat dalam bentuk yang paling asas, tetapi ada banyak ruang untuk berkembang. Untuk projek ini, ECG dirancang dan disimulasikan di LTSpice. ECG mempunyai tiga komponen: penguat instrumentasi, penapis lulus rendah, dan akhirnya, penguat bukan pembalik. Ini untuk memastikan terdapat cukup keuntungan yang diperoleh dari sumber biosignal yang agak lemah, dan juga penapis untuk menghilangkan kebisingan di litar. Simulasi menunjukkan bahawa setiap komponen litar berjaya dilakukan, begitu juga dengan keseluruhan litar bersepadu dengan ketiga komponen tersebut. Ini menunjukkan bahawa ini adalah kaedah yang berkesan untuk membuat litar ECG. Kami kemudian meneroka potensi besar untuk peningkatan ECG.

Langkah 1: Pengenalan / Latar Belakang

EKG atau elektrokardiogram digunakan untuk merakam isyarat elektrik jantung. Ia sangat biasa dan ujian tanpa rasa sakit digunakan untuk mengesan masalah jantung dan memantau kesihatan jantung. Ia dilakukan di pejabat doktor - sama ada klinik atau bilik hospital dan merupakan mesin standard di bilik operasi dan ambulans [1]. Mereka dapat menunjukkan seberapa cepat jantung berdegup, jika irama tetap atau tidak, serta kekuatan dan masa impuls elektrik yang melalui bahagian jantung yang berlainan. Kira-kira 12 elektrod (atau kurang) dilekatkan pada kulit di dada, lengan, dan kaki dan disambungkan ke mesin yang membaca impuls dan grafiknya [2]. ECG dua belas plumbum mempunyai 10 elektrod (untuk memberikan 12 pandangan jantung). 4-plumbum di bahagian anggota badan. Dua di pergelangan tangan, dan dua di pergelangan kaki. 6 petunjuk terakhir menggunakan batang tubuh. V1 menuju ruang interkostal ke-4 di sebelah kanan sternum, sementara V2 berada di garisan yang sama, tetapi di sebelah kiri sternum. V3 diletakkan di tengah-tengah antara V2 dan V4, V5 bergerak di garis axillary anterior pada tahap yang sama dengan V4 dan V6 pergi pada garis midaxillary pada tahap yang sama [3].

Objektif projek ini adalah untuk merancang, mensimulasikan, dan mengesahkan peranti pemerolehan isyarat analog - dalam kes ini, elektrokardiogram. Oleh kerana kadar denyutan jantung rata-rata berada pada 72, tetapi ketika berehat, ia boleh mencapai serendah 90, maka median dapat dipertimbangkan pada sekitar 60 bpm, memberikan frekuensi mendasar 1Hz untuk denyut jantung. Denyut jantung boleh berkisar antara 0,67 hingga 5 Hz (40 hingga 300 bpm). Setiap isyarat terdiri daripada gelombang yang dapat dilabel sebagai P, kompleks QRS, dan bahagian T ke gelombang. Gelombang P bergerak pada sekitar 0,67 - 5 Hz, kompleks QRS sekitar 10-50 Hz, dan gelombang T sekitar 1 - 7 Hz [4]. EKG terkini dalam keadaan ini mempunyai pembelajaran mesin [5], di mana aritmia dan seumpamanya dapat dikelaskan oleh mesin itu sendiri. Untuk memudahkan, EKG ini hanya akan mempunyai dua elektrod - positif dan negatif.

Langkah 2: Kaedah dan Bahan

Untuk memulakan reka bentuk, komputer digunakan untuk penyelidikan dan pemodelan. Perisian yang digunakan adalah LTSpice. Pertama, untuk merancang skema untuk ECG analog, kajian dilakukan untuk melihat apakah reka bentuk semasa dan bagaimana menerapkannya dengan sebaiknya ke dalam reka bentuk novel. Hampir semua sumber bermula dengan penguat instrumentasi untuk bermula. Ia memerlukan dua input - dari setiap elektrod. Selepas itu, penapis lulus rendah dipilih untuk mengeluarkan isyarat di atas 50 Hz, kerana bunyi saluran kuasa berada pada sekitar 50-60 Hz [6]. Selepas itu, adalah penguat bukan pembalik untuk menguatkan isyarat, kerana biosignal agak kecil.

Komponen pertama adalah penguat instrumentasi. Ia mempunyai dua input, satu untuk positif dan satu untuk elektrod negatif. Penguat instrumentasi digunakan khusus untuk melindungi rangkaian dari isyarat masuk. Terdapat tiga op-amp universal dan 7 perintang. Semua perintang tetapi R4 (Rgain) mempunyai rintangan yang sama. Keuntungan penguat instrumentasi dapat dimanipulasi dengan persamaan berikut: A = 1 + (2RRain) [7] Keuntungan dipilih menjadi 50 kerana biosignal sangat kecil. Perintang dipilih untuk lebih besar untuk kemudahan penggunaan. Pengiraan kemudian mengikuti set persamaan ini untuk memberikan R = 5000Ω dan Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRain) 50 2 * 5000200

Komponen seterusnya yang digunakan adalah penapis lulus rendah, untuk membuang frekuensi di atas 50 Hz, yang hanya akan mengekalkan gelombang PQRST dalam julat frekuensi ini dan meminimumkan kebisingan. Persamaan untuk saringan lulus rendah ditunjukkan di bawah: fc = 12RC [8] Oleh kerana frekuensi yang dipilih untuk pemotongan adalah 50 Hz, dan perintang dipilih menjadi 1kΩ, pengiraan menghasilkan nilai kapasitor 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Komponen ketiga dalam ECG adalah penguat bukan pembalik. Ini untuk memastikan bahawa isyarat cukup besar sebelum (berpotensi) dipindahkan ke penukar analog ke digital. Keuntungan penguat tidak berubah ditunjukkan di bawah: A = 1 + R2R1 [9] Seperti sebelum keuntungan dipilih menjadi 50, untuk meningkatkan amplitud isyarat akhir. Pengiraan untuk perintang adalah seperti berikut, dengan satu perintang dipilih menjadi 10000Ω, memberikan nilai perintang kedua 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Untuk menguji skematik, analisis dijalankan pada setiap komponen dan kemudian pada skema keseluruhan akhir. Simulasi kedua adalah analisis AC, sapuan oktaf, dengan 100 titik per oktaf, dan berjalan melalui frekuensi 1 hingga 1000 Hz.

Langkah 3: Hasil

Untuk menguji rangkaian, sapuan oktaf dilakukan, dengan 100 titik per oktaf, dimulai dengan frekuensi 1 Hz, dan pergi hingga frekuensi 1000 Hz. Inputnya adalah kurva sinusoidal, untuk menjadi gambaran sifat siklik gelombang ECG. Ia mempunyai offset DC 0, amplitud 1, frekuensi 1 Hz, kelewatan T 0, theta (1 / s) 0, dan phi (deg) 90. Kekerapan ditetapkan menjadi 1, sejak rata-rata degupan jantung boleh ditetapkan sekitar 60 bpm, iaitu 1 Hz.

Seperti yang terlihat pada Gambar 5, warna biru adalah input dan warna merah adalah output. Terdapat jelas keuntungan besar, seperti yang dilihat di atas.

Penapis lulus rendah ditetapkan pada 50 Hz, untuk menghilangkan kebisingan saluran kuasa dalam aplikasi ECG yang berpotensi. Oleh kerana itu tidak berlaku di sini apabila isyaratnya tetap pada 1 Hz, outputnya sama dengan input (Gambar 6).

Keluaran - ditunjukkan dengan warna biru - diperkuat dengan jelas dibandingkan dengan input, ditunjukkan dengan warna hijau. Selain itu, sejak puncak dan lembah lengkung sinus sesuai, ini menunjukkan bahawa penguat memang tidak terbalik (Gambar 7).

Rajah 8 menunjukkan semua lengkung bersama. Ini jelas menunjukkan manipulasi isyarat, pergi dari isyarat kecil, diperkuat dua kali, dan disaring (walaupun penapisan tidak berpengaruh pada isyarat khusus ini).

Menggunakan persamaan untuk keuntungan dan frekuensi pemotongan [10, 11], nilai eksperimen ditentukan dari plot. Penapis lulus rendah mempunyai ralat paling sedikit, sementara kedua penguat melayang dengan kesalahan sekitar 10% (Jadual 1).

Langkah 4: Perbincangan

Nampaknya skema melakukan apa yang sepatutnya dilakukan. Ia mengambil isyarat yang diberikan, memperkuatnya, kemudian menyaringnya, dan kemudian menguatkannya semula. Yang dikatakan, ini adalah reka bentuk yang sangat 'kecil', yang hanya terdiri daripada penguat instrumentasi, penapis lulus rendah, dan penapis tidak terbalik. Tidak ada input yang jelas dari sumber EKG, walaupun berjam-jam melayari web untuk mencari sumber yang tepat. Malangnya, walaupun itu tidak berjaya, gelombang dosa adalah pengganti yang sesuai untuk sifat isyarat kitaran.

Punca ralat ketika datang ke teoritis dan nilai sebenarnya dari filter gain dan low pass boleh menjadi komponen yang dipilih. Oleh kerana persamaan yang digunakan mempunyai nisbah rintangan yang ditambahkan ke 1, semasa melakukan pengiraan, yang satu ini diabaikan. Ini dapat dilakukan sekiranya perintang yang digunakan cukup besar. Walaupun perintang yang dipilih adalah besar, kenyataan bahawa satu yang tidak diambil kira akan membuat sedikit kesalahan. Penyelidik di San Jose State University di San Jose CA merancang ECG khusus untuk diagnosis penyakit kardiovaskular. Mereka menggunakan alat penguat instrumen, penapis lulus tinggi aktif urutan pertama, pengisi lulus rendah Bessel aktif 5, dan penapis takuk aktif kembar-t [6]. Mereka membuat kesimpulan bahawa penggunaan semua komponen ini berjaya menghasilkan gelombang ECG mentah dari subjek manusia. Model lain dari rangkaian ECG sederhana yang dilakukan oleh Orlando Hoilett di Purdue University hanya terdiri daripada penguat instrumentasi. Keluarannya jelas dan dapat digunakan, tetapi disarankan agar untuk aplikasi tertentu, perubahan akan lebih baik - yakni penguat, penapis jalur lebar, dan saringan takik 60 Hz untuk menghilangkan kebisingan saluran kuasa. Ini menunjukkan bahawa reka bentuk ECG ini, walaupun tidak merangkumi semua, bukanlah kaedah yang paling mudah untuk menggunakan isyarat ECG.

Langkah 5: Kerja Masa Depan

Reka bentuk ECG ini memerlukan beberapa perkara lagi sebelum dimasukkan ke dalam alat praktikal. Pertama, saringan takik 60 Hz disyorkan oleh beberapa sumber, dan kerana tidak ada kebisingan talian kuasa untuk ditangani di sini, ia tidak dilaksanakan ke dalam simulasi. Yang dikatakan, setelah ini diterjemahkan ke peranti fizikal, akan bermanfaat untuk menambahkan penapis takik. Sebagai tambahan, bukannya filter low pass, mungkin berfungsi lebih baik untuk memiliki filter bandpass, untuk memiliki lebih banyak kawalan terhadap frekuensi yang sedang disaring. Sekali lagi, dalam simulasi, masalah seperti ini tidak muncul, tetapi akan muncul dalam peranti fizikal. Selepas ini, ECG memerlukan penukar analog ke digital, dan kemungkinan peranti serupa dengan pi raspberry untuk mengumpulkan data dan mengalirkannya ke komputer untuk dilihat dan digunakan. Penambahbaikan selanjutnya adalah penambahan lebih banyak petunjuk, mungkin bermula dengan 4 petunjuk anggota badan dan lulus ke semua 10 petunjuk untuk gambarajah 12 petunjuk jantung. Antara muka pengguna yang lebih baik juga akan bermanfaat - mungkin dengan skrin sentuh untuk profesional perubatan dapat mengakses dan memfokus dengan mudah pada bahagian tertentu pada keluaran ECG.

Langkah selanjutnya akan melibatkan pembelajaran mesin dan pelaksanaan AI. Komputer harus dapat memberi amaran kepada pegawai perubatan - dan mungkin orang yang berada di sekitar - bahawa aritmia atau sejenisnya telah berlaku. Pada ketika ini, seorang doktor mesti mengkaji output ECG untuk membuat diagnosis - sementara juruteknik dilatih untuk membacanya, mereka tidak dapat membuat diagnosis rasmi di lapangan. Sekiranya ECG yang digunakan oleh responden pertama mempunyai diagnosis yang tepat, ini memungkinkan rawatan lebih cepat. Perkara ini sangat penting di kawasan luar bandar, di mana memerlukan lebih dari satu jam untuk membawa pesakit yang tidak mampu menaiki helikopter ke hospital. Peringkat seterusnya ialah menambahkan defibrilator ke mesin ECG itu sendiri. Kemudian, apabila mengesan aritmia, ia dapat mengetahui voltan yang tepat untuk kejutan dan - memandangkan bantalan kejutan telah diletakkan - dapat berusaha membawa pesakit kembali ke irama sinus. Ini akan berguna di persekitaran hospital, di mana pesakit sudah terpasang dengan pelbagai mesin dan jika tidak ada kakitangan perubatan yang cukup untuk segera memberikan perawatan, mesin jantung satu-satu dapat mengurusnya, menjimatkan masa berharga yang diperlukan untuk menyelamatkan nyawa.

Langkah 6: Kesimpulannya

Dalam projek ini, litar ECG berjaya dirancang dan kemudian disimulasikan menggunakan LTSpice. Ini terdiri dari penguat instrumentasi, penapis lulus rendah, dan penguat bukan pembalik untuk mengkondisikan isyarat. Simulasi menunjukkan bahawa ketiga-tiga komponen berfungsi secara individu dan bersama ketika digabungkan untuk litar bersepadu total. Penguat masing-masing memperoleh keuntungan 50, fakta yang disahkan oleh simulasi yang dijalankan di LTSpice. Penapis lulus rendah mempunyai frekuensi pemotongan 50 Hz, untuk mengurangkan bunyi dari saluran kuasa dan artifak dari kulit dan pergerakan. Walaupun ini adalah rangkaian ECG yang sangat kecil, terdapat banyak penambahbaikan yang dapat dilakukan, bermula dari penambahan satu atau dua penapis, hingga mesin jantung satu-satu yang boleh mengambil ECG, membacanya, dan memberi rawatan segera.

Langkah 7: Rujukan

Rujukan

[1] "Elektrokardiogram (ECG atau EKG)," Mayo Clinic, 09-Apr-2020. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Diakses: 04-Dis-2020].

[2] "Elektrokardiogram," National Heart Lung and Blood Institute. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Diakses: 04-Dis-2020].

[3] A. Randazzo, “Panduan Penempatan ECG 12-Lead Terbaik (Dengan Ilustrasi),” Latihan Perubatan Perdana, 11-Nov-2019. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Diakses: 04-Dis-2020].

[4] C. Watford, "Memahami Penapisan EKG," EMS 12 Lead, 2014. [Dalam talian]. Terdapat: https://ems12lead.com/2014/03/10/fahaman-ecg-filtering/. [Diakses: 04-Dis-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher, dan AA Armoundas, “State ‐ of ‐ the ‐ Teknik Pembelajaran Mesin Seni yang Bertujuan untuk Meningkatkan Hasil Pesakit yang Berkaitan dengan Sistem Kardiovaskular,” Jurnal Persatuan Jantung Amerika, vol. 9, tidak. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, "Reka Bentuk Litar Sensor ECG untuk Diagnosis Penyakit Kardiovaskular," International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, tidak. 4, 2017.

[7] "Kalkulator Voltan Keluaran Penguat Instrumentasi," ncalculators.com. [Dalam talian]. Terdapat: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Diakses: 04-Dis-2020].

[8] "Kalkulator Penapis Lulus Rendah," Pangkalan Elektronik, 01-Apr-2019. [Dalam talian]. Terdapat: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Diakses: 04-Dis-2020].

[9] "Penguat Operasi Tidak Membalikkan - Op-amp Bukan Pembalik," Tutorial Elektronik Asas, 06-Nov-2020. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Diakses: 04-Dis-2020].

[10] E. Sengpiel, "Pengiraan: Amplifikasi (keuntungan) dan redaman (kerugian) sebagai faktor (nisbah) ke tahap dalam desibel (dB)," kalkulator dB untuk keuntungan penguatan dan faktor redaman (kerugian) pengiraan penguat audio nisbah decibel dB - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Diakses: 04-Dis-2020].

[11] "Penapis Lulus Rendah - Tutorial Penapis RC Pasif," Tutorial Elektronik Asas, 01-Mei-2020. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Diakses: 04-Dis-2020].

[12] O. H. Instructables, "Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit," Instructables, 02-Apr-2018. [Dalam talian]. Terdapat: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Diakses: 04-Dis-2020].

[13] Brent Cornell, "Elektrokardiografi," BioNinja. [Dalam talian]. Terdapat: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Diakses: 04-Dis-2020].