İçten Bir EKG: 7 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Soyut

Bir EKG veya elektrokardiyogram, kalbin elektrik sinyallerini kaydetmek için kullanılan yaygın olarak kullanılan bir tıbbi cihazdır. En temel formda yapmak kolaydır, ancak büyüme için bolca yer vardır. Bu proje için, LTSpice üzerinde bir EKG tasarlanmış ve simüle edilmiştir. EKG'nin üç bileşeni vardı: bir enstrümantasyon amplifikatörü, bir alçak geçiren filtre ve son olarak, bir ters çevirmeyen amplifikatör. Bu, nispeten zayıf bir biyosinyal kaynağından ve devredeki gürültüyü gidermek için bir filtreden yeterli kazanç gelmesini sağlamaktı. Simülasyonlar, devrenin her bir bileşeninin, üç bileşenin tümü ile toplam bir entegre devrede olduğu gibi başarılı bir şekilde çalıştığını gösterdi. Bu, bunun bir EKG devresi oluşturmanın uygun bir yolu olduğunu gösterir. Daha sonra EKG'deki iyileştirmeler için geniş potansiyeli araştırdık.

1. Adım: Giriş/Arka Plan

Kalbin elektrik sinyallerini kaydetmek için bir EKG veya elektrokardiyogram kullanılır. Kalp problemlerini tespit etmek ve kalp sağlığını izlemek için kullanılan oldukça yaygın ve ağrısız bir testtir. Doktor muayenehanelerinde - kliniklerde veya hastane odalarında yapılırlar ve ameliyathanelerde ve ambulanslarda standart makinelerdir [1]. Kalbin ne kadar hızlı attığını, ritmin düzenli olup olmadığını ve kalbin farklı bölümlerinden geçen elektriksel uyarıların gücünü ve zamanlamasını gösterebilirler. Göğüs, kollar ve bacaklardaki cilde yaklaşık 12 (veya daha az) elektrot takılır ve impulsları okuyan ve grafiklerini çizen bir makineye bağlanır [2]. On iki derivasyonlu bir EKG'de 10 elektrot bulunur (kalbin toplam 12 görüntüsünü vermek için). 4 kurşun uzuvlarda gider. İkisi bileklerde, ikisi bileklerde. Son 6 lider gövdeye gidiyor. V1, sternumun sağındaki 4. interkostal boşluğa giderken, V2 aynı çizgide, ancak sternumun solundadır. V3, V2 ve V4'ün ortasına yerleştirilmiştir [3].

Bu projenin amacı, bir analog sinyal toplama cihazı - bu durumda bir elektrokardiyogram - tasarlamak, simüle etmek ve doğrulamaktır. Ortalama kalp atış hızı 72'de olduğundan, ancak istirahatte 90'a kadar düşebildiğinden, medyan yaklaşık 60 bpm olarak kabul edilebilir ve kalp atış hızı için 1 Hz'lik temel bir frekans verir. Kalp atış hızı yaklaşık 0,67 ila 5 Hz (40 ila 300 bpm) arasında değişebilir. Her sinyal, P olarak etiketlenebilen bir dalga, QRS kompleksi ve dalganın bir T kısmından oluşur. P dalgası yaklaşık 0.67 - 5 Hz'de, QRS kompleksi yaklaşık 10-50 Hz'de ve T dalgası yaklaşık 1 - 7 Hz'de [4]. Son teknoloji ürünü EKG'lerde, aritmilerin ve benzerlerinin makinenin kendisi tarafından sınıflandırılabildiği makine öğrenimi [5] vardır. Basitleştirmek için, bu EKG'de yalnızca iki elektrot bulunacaktır - bir pozitif ve bir negatif.

Adım 2: Yöntemler ve Malzemeler

Tasarıma başlamak için hem araştırma hem de modelleme için bir bilgisayar kullanıldı. Kullanılan yazılım LTSpice idi. İlk olarak, analog EKG'nin şemasını tasarlamak için, mevcut tasarımların ne olduğunu ve bunların yeni bir tasarıma en iyi şekilde nasıl uygulanacağını görmek için araştırma yapıldı. Hemen hemen tüm kaynaklar başlamak için bir enstrümantasyon amplifikatörü ile başladı. Elektrotların her birinden iki giriş alır. Bundan sonra, güç hattı gürültüsü yaklaşık 50-60 Hz'de geldiğinden, 50 Hz'nin üzerindeki sinyalleri kaldırmak için bir alçak geçiren filtre seçilmiştir [6]. Bundan sonra, biyosinyaller oldukça küçük olduğu için sinyali yükseltmek için ters çevirmeyen bir amplifikatör vardı.

İlk bileşen enstrümantasyon amplifikatörüydü. Biri pozitif diğeri negatif elektrot için olmak üzere iki girişi vardır. Enstrümantasyon amplifikatörü, devreyi gelen sinyalden korumak için özel olarak kullanıldı. Üç evrensel op-amp ve 7 direnç vardır. R4 (Rgain) dışındaki tüm dirençler aynı dirence sahiptir. Bir enstrümantasyon yükselticisinin kazancı aşağıdaki denklem ile manipüle edilebilir: A = 1 + (2RRgain) [7] Biyosinyaller çok küçük olduğundan kazanç 50 olarak seçilmiştir. Dirençler, kullanım kolaylığı için daha büyük olacak şekilde seçilmiştir. Hesaplamalar daha sonra R = 5000Ω ve Rgain = 200Ω vermek için bu denklem setini takip eder. 50 = 1 + (2RRkazanç) 50 2 * 5000200

Kullanılan bir sonraki bileşen, sadece PQRST dalgasını bu frekans aralığında tutacak ve gürültüyü en aza indirecek olan 50 Hz'nin üzerindeki frekansları ortadan kaldırmak için bir alçak geçiren filtreydi. Alçak geçiren bir filtrenin denklemi aşağıda gösterilmiştir: fc= 12RC[8] Kesme için seçilen frekans 50 Hz olduğundan ve direnç 1kΩ olarak seçildiğinden, hesaplamalar 0,00000318 F'lik bir kapasitör değeri verir. 50 = 12 * 1000 * C

EKG'deki üçüncü bileşen, ters çevirmeyen bir amplifikatördü. Bu, sinyalin (potansiyel olarak) bir analogdan dijitale dönüştürücüye aktarılmadan önce yeterince büyük olmasını sağlamak içindir. Tersine çevirmeyen bir yükselticinin kazancı aşağıda gösterilmiştir: A = 1 + R2R1[9] Son sinyalin genliğini arttırmak için kazancın 50 olarak seçilmesinden önceki gibi. Direnç için hesaplamalar aşağıdaki gibidir, bir direnç 10000Ω olarak seçilir ve ikinci bir direnç değeri 200Ω olarak verilir. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Şemayı test etmek için, her bir bileşen üzerinde ve ardından nihai genel şema üzerinde analizler yapıldı. İkinci simülasyon, oktav başına 100 nokta içeren ve 1 ila 1000 Hz frekansları arasında çalışan bir AC analizi, bir oktav taramasıydı.

3. Adım: Sonuçlar

Devreyi test etmek için, 1 Hz'lik bir frekansla başlayan ve 1000 Hz'lik bir frekansa kadar oktav başına 100 nokta ile bir oktav taraması yapıldı. Giriş, EKG dalgasının döngüsel yapısının bir temsili olması için sinüzoidal bir eğriydi. 0 DC kayması, 1 genliği, 1 Hz frekansı, 0 T gecikmesi, 0 teta (1/s) ve phi (derece) 90'a sahipti. Frekans, ortalama olarak 1 olarak ayarlandı. kalp hızı 1 Hz olan yaklaşık 60 bpm'ye ayarlanabilir.

Şekil 5'te görüldüğü gibi, mavi girdi ve kırmızı çıktıydı. Yukarıda görüldüğü gibi, açıkça büyük bir kazanç vardı.

Düşük geçiş filtresi, olası bir EKG uygulamasında güç hattı gürültüsünü ortadan kaldırmak için 50 Hz'e ayarlandı. Sinyalin 1 Hz'de sabit olduğu burada bu geçerli olmadığından, çıkış girişle aynıdır (Şekil 6).

Mavi ile gösterilen çıkış, yeşil ile gösterilen girişe kıyasla net bir şekilde yükseltilir. Ek olarak, sinüs eğrilerinin tepeleri ve vadileri eşleştiğinden, bu, amplifikatörün gerçekten de tersine çevrilmediğini gösterir (Şekil 7).

Şekil 8, tüm eğrileri bir arada göstermektedir. Küçük bir sinyalden giden, iki kez güçlendirilen ve filtrelenen sinyalin manipülasyonunu açıkça gösterir (filtrelemenin bu belirli sinyal üzerinde hiçbir etkisi olmamasına rağmen).

Kazanç ve kesme frekansı [10, 11] denklemleri kullanılarak, grafiklerden deneysel değerler belirlendi. Alçak geçiren filtre en az hataya sahipken, her iki amplifikatör de yaklaşık %10'luk bir hatayla gezindi (Tablo 1).

4. Adım: Tartışma

Görünüşe göre şematik yapması gerekeni yapıyor. Belirli bir sinyali aldı, güçlendirdi, sonra filtreledi ve sonra tekrar güçlendirdi. Bununla birlikte, yalnızca bir enstrümantasyon amplifikatörü, düşük geçiş filtresi ve ters çevirmeyen bir filtreden oluşan çok 'küçük' bir tasarımdır. Uygun bir kaynak için internette saatlerce gezinmeye rağmen, bir EKG kaynağının net bir girişi yoktu. Ne yazık ki, bu işe yaramasa da günah dalgası, sinyalin döngüsel doğası için uygun bir ikameydi.

Kazanç ve alçak geçiren filtrenin teorik ve gerçek değeri söz konusu olduğunda bir hata kaynağı seçilen bileşenler olabilir. Kullanılan denklemler, 1'e eklenen dirençlerin bir oranına sahip olduğundan, hesaplamalar yapılırken bu ihmal edilmiştir. Bu, kullanılan dirençler yeterince büyükse yapılabilir. Seçilen dirençler büyükken birinin hesaba katılmamış olması küçük bir hata payı yaratacaktır. San Jose CA'daki San Jose Eyalet Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, özellikle kardiyovasküler hastalık teşhisi için bir EKG tasarladılar. Bir enstrüman amplifikatörü, 1. dereceden aktif yüksek geçiren filtre, 5. dereceden aktif Bessel alçak geçiren dolgu maddesi ve ikiz-t aktif çentik filtresi kullanmışlardır [6]. Tüm bu bileşenlerin kullanımının, bir insan denekten alınan ham bir EKG dalgasının başarılı bir şekilde koşullandırılmasıyla sonuçlandığı sonucuna varmışlardır. Purdue Üniversitesi'nde Orlando Hoilett tarafından yapılan basit bir EKG devresinin başka bir modeli, yalnızca bir enstrümantasyon amplifikatöründen oluşuyordu. Çıktı net ve kullanılabilirdi, ancak belirli uygulamalar için değişikliklerin daha iyi olacağı önerildi - yani amplifikatörler, bant geçiren filtreler ve güç hattı gürültüsünü gidermek için 60 Hz çentik filtresi. Bu, bir EKG'nin bu tasarımının, her şeyi kapsamasa da, bir EKG sinyali almanın en basit yöntemi olmadığını göstermektedir.

Adım 5: Gelecekteki Çalışma

Bir EKG'nin bu tasarımı, pratik bir cihaza yerleştirilmeden önce birkaç şey daha gerektirecektir. Birincisi, 60 Hz çentik filtresi birkaç kaynak tarafından önerildi ve burada ele alınacak güç hattı gürültüsü olmadığından simülasyona uygulanmadı. Bununla birlikte, bu fiziksel bir cihaza çevrildiğinde, bir çentik filtresi eklemek faydalı olacaktır. Ek olarak, düşük geçiş filtresi yerine, filtrelenen frekanslar üzerinde daha fazla kontrole sahip olmak için bir bant geçiren filtreye sahip olmak daha iyi sonuç verebilir. Yine simülasyonda, bu tür bir sorun ortaya çıkmaz, ancak fiziksel bir cihazda görünür. Bundan sonra, EKG, verileri toplamak ve görüntülemek ve kullanmak için bir bilgisayara aktarmak için bir analogdan dijitale dönüştürücü ve muhtemelen bir ahududu pi'ye benzer bir cihaz gerektirecektir. Daha fazla iyileştirme, belki de 4 uzuv derivasyonu ile başlayıp, kalbin 12 derivasyonlu diyagramı için 10 derivasyonun tümüne geçerek daha fazla lead'in eklenmesi olacaktır. Daha iyi bir kullanıcı arayüzü de faydalı olabilir - belki de tıp uzmanlarının bir EKG çıktısının belirli bölümlerine kolayca erişebilmeleri ve bunlara odaklanabilmeleri için bir dokunmatik ekran ile.

Diğer adımlar, makine öğrenimi ve AI uygulamasını içerecektir. Bilgisayar, tıbbi personeli - ve muhtemelen çevredekileri - bir aritmi veya benzeri meydana geldiğinde uyarabilmelidir. Bu noktada, bir doktor teşhis koymak için bir EKG çıktısını gözden geçirmelidir - teknisyenler bunları okumak için eğitilmiş olsalar da sahada resmi bir teşhis koyamazlar. İlk müdahalede bulunanlar tarafından kullanılan EKG'lerin doğru bir teşhisi varsa, daha hızlı tedaviye izin verebilir. Bu, özellikle helikopterle hastaneye gidemeyen bir hastayı hastaneye götürmenin bir saatten fazla sürebileceği kırsal alanlarda önemlidir. Bir sonraki aşama, EKG makinesinin kendisine bir defibrilatör eklemek olacaktır. Ardından, bir aritmi tespit ettiğinde, bir şok için uygun voltajı bulabilir ve - şok yastıkları yerleştirildiğine göre - hastayı tekrar sinüs ritmine sokmaya çalışabilir. Bu, hastaların zaten çeşitli makinelere bağlı olduğu hastane ortamlarında ve hemen bakım sağlamak için yeterli tıbbi personel yoksa, hepsi bir arada kalp makinesinin bununla ilgilenebileceği ve bir hayat kurtarmak için gereken değerli zamandan tasarruf sağladığı hastane ortamlarında faydalı olacaktır..

6. Adım: Sonuç

Bu projede, bir EKG devresi başarıyla tasarlanmış ve ardından LTSpice kullanılarak simüle edilmiştir. Sinyali koşullandırmak için bir enstrümantasyon amplifikatörü, bir alçak geçiren filtre ve bir ters çevirmeyen amplifikatörden oluşuyordu. Simülasyon, toplam bir entegre devre için birleştirildiğinde üç bileşenin de ayrı ayrı ve birlikte çalıştığını gösterdi. Amplifikatörlerin her birinin kazancı 50'dir; bu, LTSpice üzerinde yürütülen simülasyonlar tarafından onaylanmıştır. Düşük geçiş filtresi, güç hatlarından gelen gürültüyü ve cilt ve hareketten kaynaklanan artefaktları azaltmak için 50 Hz'lik bir kesme frekansına sahipti. Bu çok küçük bir EKG devresi olsa da, bir veya iki filtrenin eklenmesinden EKG'yi alıp okuyabilen ve okuyabilen hepsi bir arada bir kalp makinesine kadar yapılabilecek pek çok iyileştirme var. acil tedavi sağlayın.

7. Adım: Referanslar

Referanslar

[1] “Elektrokardiyogram (EKG veya EKG),” Mayo Clinic, 09-Nisan-2020. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Erişim tarihi: 04-Aralık-2020].

[2] “Elektrokardiyogram” Ulusal Kalp Akciğer ve Kan Enstitüsü. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Erişim tarihi: 04-Aralık-2020].

[3] A. Randazzo, “The Ultimate 12-Lead EKG Yerleştirme Rehberi (Resimlerle),” Prime Medical Training, 11-Kas-2019. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Erişim tarihi: 04-Aralık-2020].

[4] C. Watford, “EKG Filtrelemeyi Anlamak”, EMS 12 Lead, 2014. [Çevrimiçi]. Mevcut: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Erişim tarihi: 04-Aralık-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au‐Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher ve AA Armoundas, “Kardiyovasküler Sisteme İlişkin Hasta Sonuçlarını İyileştirmeyi Amaçlayan Son Teknoloji Makine Öğrenimi Teknikleri”, Journal of the Amerikan Kalp Derneği, cilt. 9, hayır. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, “Kardiyovasküler Hastalık Teşhisi için bir EKG Sensör Devresinin Tasarımı”, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, cilt. 2, hayır. 4, 2017.

[7] “Enstrümantasyon Amplifikatörü Çıkış Gerilimi Hesaplayıcı”, ncalculators.com. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Erişim tarihi: 04-Aralık-2020].

[8] “Düşük Geçişli Filtre Hesaplayıcı,” ElectronicBase, 01-Nisan-2019. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Erişim tarihi: 04-Aralık-2020].

[9] “Ters Çevirmeyen İşlemsel Amplifikatör - Çevirmeyen Op-amp,” Temel Elektronik Eğitimleri, 06-Kas-2020. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Erişim tarihi: 04-Aralık-2020].

[10] E. Sengpiel, “Hesaplama: Amplifikasyon (kazanç) ve sönümleme (kayıp), faktör (oran) olarak desibel (dB) cinsinden seviyeye,” dB hesaplayıcı, bir ses yükseltici hesaplamasının amplifikasyon kazancı ve sönümleme (kayıp) faktörü desibel dB oranı - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Erişim tarihi: 04-Aralık-2020].

[11]“Düşük Geçişli Filtre - Pasif RC Filtre Eğitimi,” Temel Elektronik Eğitimleri, 01-Mayıs-2020. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Erişim tarihi: 04-Aralık-2020].

[12] O. H. Instructables, “Süper Basit Elektrokardiyogram (EKG) Devresi” Instructables, 02-Nisan-2018. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Erişim tarihi: 04-Aralık-2020].

[13] Brent Cornell, “Elektrokardiyografi”, BioNinja. [İnternet üzerinden]. Mevcut: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physicology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Erişim tarihi: 04-Aralık-2020].