Ürəkli EKQ: 7 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:43

Mücərrəd

EKQ və ya elektrokardioqram, ürəyin elektrik siqnallarını qeyd etmək üçün istifadə edilən çox istifadə edilən bir tibbi cihazdır. Ən sadə formada hazırlamaq asandır, lakin böyümək üçün çox yer var. Bu layihə üçün LTSpice -də EKQ hazırlanmış və simulyasiya edilmişdir. EKQ üç komponentdən ibarət idi: alət gücləndiricisi, aşağı ötürücü filtr və nəhayət, ters çevrilməyən gücləndirici. Bu, nisbətən zəif bir biosignal mənbəyindən və dövrədəki səs -küyü aradan qaldırmaq üçün bir filtrdən kifayət qədər qazanc əldə edilməsini təmin etmək idi. Simulyasiyalar göstərdi ki, hər üç komponentdən ibarət ümumi inteqrasiya edilmiş dövrə kimi, dövrənin hər bir komponenti uğurla yerinə yetirildi. Bu göstərir ki, bu bir EKQ dövrəsi yaratmağın əlverişli bir yoludur. Daha sonra EKQ -nin yaxşılaşdırılması üçün geniş potensialı araşdırdıq.

Addım 1: Giriş/Arxa plan

EKQ və ya elektrokardioqram ürəyin elektrik siqnallarını qeyd etmək üçün istifadə olunur. Kardiyak problemlərin aşkarlanması və ürək sağlamlığının monitorinqi üçün istifadə edilən ağrısız bir test olduqca yaygındır. Həkim kabinetlərində aparılır - ya klinikalarda, ya da xəstəxana otaqlarında və əməliyyat otaqlarında və təcili yardım maşınlarında standart maşınlardır [1]. Ritm nizamlıdırsa və ya olmursa, ürəyin nə qədər sürətli döyündüyünü, ürəyin müxtəlif yerlərindən keçən elektrik impulslarının gücünü və vaxtını göstərə bilərlər. Təxminən 12 elektrod (və ya daha az) sinə, qol və ayaqların dərisinə yapışdırılır və impulsları oxuyan və onları qrafikə salan bir maşına qoşulur [2]. On iki qurğuşun EKQ-də 10 elektrod var (cəmi 12 ürək görünüşü verir). 4-qurğular əzalar üzərində gedir. İkisi biləklərdə, ikisi də ayaq biləyində. Son 6 lider torsoda gedir. V1 sternumun sağındakı 4 -cü qabırğaarası boşluğa gedir, V2 isə eyni xəttdədir, ancaq sternumun solundadır. V3 V2 ilə V4 arasında ortada yerləşdirilir, V5 V4 və V6 eyni səviyyədə orta aksiller xəttdə gedərkən eyni səviyyədə ön aksiller xəttdə gedir [3].

Bu layihənin məqsədi analoq siqnal əldə edən cihazı - bu halda elektrokardioqramı hazırlamaq, simulyasiya etmək və yoxlamaqdır. Ortalama ürək dərəcəsi 72 -də olduğu üçün, istirahət edərkən 90 -a qədər aşağı düşə biləcəyi üçün, medianı ürək dərəcəsi üçün 1Hz əsas bir tezlik verərək təxminən 60 bpm -də hesab etmək olar. Ürək dərəcəsi təxminən 0.67 ilə 5 Hz (40-300 bpm) arasında dəyişə bilər. Hər bir siqnal P, QRS kompleksi və dalğanın T hissəsi olaraq etiketlənə bilən bir dalğadan ibarətdir. P dalğası təxminən 0,67 - 5 Hz, QRS kompleksi təxminən 10-50 Hz, T dalğası isə təxminən 1 - 7 Hz arasındadır [4]. Müasir EKQ -lərdə aritmiya və bənzərlərini maşının özü tərəfindən təsnif edilə bilən maşın öyrənmə [5] var. Sadələşdirmək üçün bu EKQ -də yalnız iki elektrod olacaq - müsbət və mənfi.

Addım 2: Metodlar və materiallar

Dizaynı başlamaq üçün həm tədqiqat, həm də modelləşdirmə üçün bir kompüterdən istifadə edildi. İstifadə olunan proqram LTSpice idi. Birincisi, analoq EKQ -nin sxemini tərtib etmək üçün, mövcud dizaynların nə olduğunu və bunları yeni bir dizaynda ən yaxşı şəkildə necə tətbiq edəcəyini öyrənmək üçün tədqiqatlar aparılmışdır. Demək olar ki, bütün mənbələr başlamaq üçün bir alət gücləndiricisi ilə başladı. İki giriş alır - hər elektroddan. Bundan sonra, 50 Hz-dən yuxarı olan siqnalları aradan qaldırmaq üçün aşağı keçid filtri seçildi, çünki elektrik xətti səs-küyü təxminən 50-60 Hz-ə çatır [6]. Bundan sonra, biosignallar olduqca kiçik olduğu üçün siqnalı gücləndirmək üçün çevrilməyən gücləndirici idi.

İlk komponent alət gücləndiricisi idi. İki giriş var, biri pozitiv, biri də mənfi elektrod üçün. Cihaz gücləndiricisi, dövrəni gələn siqnaldan qorumaq üçün xüsusi olaraq istifadə edilmişdir. Üç universal op-amper və 7 rezistor var. R4 (Rgain) istisna olmaqla bütün rezistorlar eyni müqavimətə malikdir. Bir alət gücləndiricisinin qazancı aşağıdakı tənliklə idarə edilə bilər: A = 1 + (2RRgain) [7] Biosignallar çox kiçik olduğu üçün qazanc 50 olaraq seçildi. İstifadənin asan olması üçün rezistorlar daha böyük seçilmişdir. Hesablamalar sonra R = 5000Ω və Rgain = 200Ω vermək üçün bu tənliklər dəstini izləyir. 50 = 1 + (2RRain) 50 2 * 5000200

Növbəti komponent, 50 Hz -dən yuxarı olan tezlikləri aradan qaldırmaq üçün aşağı ötürmə filtri idi ki, bu da yalnız PQRST dalğasını bu tezlik aralığında saxlayacaq və səs -küyü minimuma endirəcəkdir. Aşağı keçid filtri üçün tənlik aşağıda göstərilmişdir: fc = 12RC [8] Seçilmiş kəsmə tezliyi 50 Hz olduğundan və rezistor 1kΩ olaraq seçildiyindən, hesablamalar 0.00000318 F. bir kondansatör dəyəri verir. 50 = 12 * 1000 * C

EKQ-də üçüncü komponent ters çevrilməyən gücləndirici idi. Bu, analoqdan rəqəmsal çeviriciyə keçməzdən əvvəl (potensial olaraq) siqnalın kifayət qədər böyük olmasını təmin etmək üçündür. Dönməyən gücləndiricinin qazancı aşağıda göstərilmişdir: A = 1 + R2R1 [9] Son siqnalın amplitüdünü artırmaq üçün qazancın 50 olaraq seçilməsindən əvvəlki kimi. Rezistorun hesablamaları aşağıdakı kimidir, ikinci müqavimət dəyəri 200Ω olan bir müqavimət 10000Ω olaraq seçilir. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Sxemanı yoxlamaq üçün hər bir komponent üzərində təhlillər aparıldı, sonra yekun ümumi sxemdə. İkinci simulyasiya, AC təhlili, oktavada 100 bal olan və 1 -dən 1000 Hz -ə qədər tezliklərdə işləyən bir oktavalı süpürmə idi.

Addım 3: Nəticələr

Dövrəni sınamaq üçün, 1 Hz tezliyindən başlayaraq 1000 Hz tezliyinə qədər gedən bir oktavada 100 bal olan bir oktavalı süpürmə aparılmışdır. Giriş EKQ dalğasının dövri təbiətini əks etdirmək üçün sinusoidal əyri idi. DC ofset 0, amplituda 1, tezlik 1 Hz, T gecikmə 0, teta (1/s) 0 və phi (deg) 90 idi. Orta hesabla tezlik 1 olaraq təyin edildi. nəbz 1 Hz olan təxminən 60 bpm olaraq təyin edilə bilər.

Şəkil 5 -də göründüyü kimi, mavi giriş, qırmızı isə çıxış idi. Yuxarıda göründüyü kimi böyük bir qazanc var idi.

Potensial EKQ tətbiqində elektrik xətti səs -küyünü aradan qaldırmaq üçün aşağı keçid filtri 50 Hz olaraq təyin edilmişdir. Siqnalın 1 Hz -də sabit olduğu yerdə bu tətbiq olunmadığından, çıxış girişlə eynidir (Şəkil 6).

Çıxış - mavi rəngdə göstərilir - yaşıl rəngdə göstərilən girişlə müqayisədə aydın şəkildə gücləndirilir. Bundan əlavə, sinus əyrilərinin zirvələri və vadiləri üst-üstə düşdüyündən, bu gücləndiricinin həqiqətən də ters çevrilmədiyini göstərir (Şəkil 7).

Şəkil 8 bütün əyriləri birlikdə göstərir. Kiçik bir siqnaldan çıxan, iki dəfə gücləndirilmiş və süzülmüş siqnalın manipulyasiyasını aydın şəkildə göstərir (filtrasiyanın bu xüsusi siqnala heç bir təsiri yoxdur).

Qazanc və kəsilmə tezliyi [10, 11] üçün tənliklərdən istifadə edərək, eksperimental dəyərlər sahələrdən müəyyən edilmişdir. Aşağı keçid filtrində ən az səhv var idi, hər iki gücləndirici isə təxminən 10% -lik bir səhvlə hərəkət edirdi (Cədvəl 1).

Addım 4: Müzakirə

Göründüyü kimi, sxem nə etməlidirsə onu edir. Verilmiş bir siqnal aldı, gücləndirdi, sonra süzdü və sonra yenidən gücləndirdi. Deyilənə görə, yalnız bir alət gücləndiricisindən, aşağı keçid filtrindən və ters çevrilməyən filtrdən ibarət çox 'kiçik' bir dizayndır. Uyğun bir qaynaq üçün İnternetdə saysız -hesabsız saatlar keçməsinə baxmayaraq, EKQ mənbəyinin dəqiq bir girişi yox idi. Təəssüf ki, bu nəticə verməsə də, günah dalğası siqnalın dövri təbiəti üçün uyğun bir əvəz oldu.

Mənfəət və aşağı keçid filtrinin nəzəri və faktiki dəyərinə gəldikdə səhv mənbəyi seçilmiş komponentlər ola bilər. İstifadə olunan tənliklər 1 -ə əlavə edilmiş müqavimət nisbətinə malik olduğundan, hesablamalar apararkən buna əhəmiyyət verilməmişdir. İstifadə olunan rezistorlar kifayət qədər böyük olduqda bunu etmək olar. Seçilən rezistorlar böyük olsa da, hesablamaların aparılmaması kiçik bir səhv marjası yaradacaq. San Jose CA -dakı San Jose Dövlət Universitetinin tədqiqatçıları ürək -damar xəstəliklərinin diaqnozu üçün xüsusi olaraq EKQ hazırladılar. Bir alət gücləndiricisi, 1-ci dərəcəli aktiv yüksək keçid filtri, 5-ci dərəcəli aktiv Bessel aşağı keçid doldurucusu və ikiqat aktiv çentik filtrindən istifadə etdilər [6]. Bütün bu komponentlərin istifadəsinin bir insan mövzusundan xam bir EKQ dalğasının müvəffəqiyyətlə kondisiyalaşdırılması ilə nəticələndiyi qənaətinə gəldilər. Orlando Hoilett tərəfindən Purdue Universitetində edilən sadə bir EKQ sxeminin başqa bir modeli yalnız bir cihaz gücləndiricisindən ibarət idi. Çıxış aydın və istifadəyə yararlı idi, lakin xüsusi tətbiqlər üçün dəyişikliklərin daha yaxşı olması tövsiyə edildi - gücləndiricilər, bant keçid filtrləri və elektrik xətti səs -küyünü aradan qaldırmaq üçün 60 Hz çentikli bir filtr. Bu göstərir ki, bu EKQ dizaynı hər şeyi əhatə etməsə də, EKQ siqnalının alınmasının ən sadə üsulu deyil.

Addım 5: Gələcək İş

EKQ -nin bu dizaynı praktik bir cihaza qoyulmazdan əvvəl daha bir neçə şeyi tələb edir. Birincisi, 60 Hz çentikli filtr bir neçə qaynaq tərəfindən tövsiyə edildi və burada həll ediləcək elektrik xətti səs -küyü olmadığı üçün simulyasiyaya tətbiq edilmədi. Fiziki bir cihaza çevrildikdən sonra bir çentik filtri əlavə etmək faydalı olar. Əlavə olaraq, aşağı keçid filtri əvəzinə, süzülən tezliklərə daha çox nəzarət etmək üçün bir bandpass filtrinin olması daha yaxşı işləyə bilər. Yenə də simulyasiyada bu cür bir problem ortaya çıxmır, ancaq fiziki bir cihazda görünür. Bundan sonra, EKQ rəqəmsal çeviriciyə və ehtimal ki, məlumat toplamaq və görüntüləmək və istifadə etmək üçün kompüterə ötürmək üçün moruq pi -yə bənzər bir cihaz tələb edir. Əlavə inkişaflar, daha çox potensialın əlavə edilməsi olardı, bəlkə də 4 əza ucundan başlayaraq ürəyin 12 qurğuşun diaqramı üçün bütün 10 aparata keçə bilərik. Daha yaxşı bir istifadəçi interfeysi də faydalı olardı - bəlkə də tibbi mütəxəssislərin EKQ çıxışının müəyyən hissələrinə asanlıqla daxil ola bilmələri üçün bir toxunma ekranı ilə.

Əlavə addımlar maşın öyrənmə və AI tətbiqini əhatə edəcək. Kompüter tibb işçilərini - və bəlkə də ətrafdakıları - aritmiyanın və ya bənzərinin baş verdiyini xəbərdar edə bilməlidir. Bu nöqtədə bir həkim bir diaqnoz qoymaq üçün EKQ çıxışını gözdən keçirməlidir - texniki işçilər onları oxumaq üçün öyrədilsə də, bu sahədə rəsmi bir diaqnoz qoya bilməzlər. İlk müdaxilə edənlər tərəfindən istifadə edilən EKQ -lərin dəqiq bir diaqnozu varsa, daha sürətli müalicəyə imkan verə bilər. Bu, vertolyotla xəstəxanaya gedə bilməyən bir xəstəni bir saatdan çox çəkə biləcəyi kənd yerlərində vacibdir. Növbəti mərhələ EKQ aparatının özünə defibrilator əlavə etməkdir. Aritmiya algıladığında, bir şok üçün uyğun bir gərginliyi təyin edə bilər və şok yastıqlarının qoyulduğunu nəzərə alaraq xəstəni sinus ritminə qaytarmağa cəhd edə bilər. Bu, xəstələrin artıq müxtəlif maşınlara bağlandıqları və dərhal qulluq göstərəcək tibb işçilərinin kifayət qədər olmaması halında, bir ürək maşınının hamısı bir insanın həyatını xilas etmək üçün lazım olan qiymətli vaxta qənaət edərək ona qulluq edə biləcəyi xəstəxana şəraitində faydalı olardı..

Addım 6: Nəticə

Bu layihədə LTSpice istifadə edərək bir EKQ dövrəsi uğurla dizayn edildi və sonra simulyasiya edildi. Siqnalı tənzimləmək üçün alət gücləndiricisi, aşağı keçid filtri və ters çevrilməyən gücləndiricidən ibarət idi. Simulyasiya, bütün üç komponentin ümumi inteqrasiya edilmiş dövrə üçün birləşdirildikdə həm fərdi, həm də birlikdə işlədiyini göstərdi. Gücləndiricilərin hər birinin qazancı 50 idi, bu fakt LTSpice -də işləyən simulyasiyalarla təsdiqləndi. Aşağı keçid filtri, elektrik xətlərindən gələn səsləri və dəridən və hərəkətdən gələn artefaktları azaltmaq üçün 50 Hz kəsmə tezliyinə malik idi. Bu çox kiçik bir EKQ dövrəsi olsa da, bir və ya iki filtrin əlavə edilməsindən tutmuş, EKQ -ni götürə biləcək, oxuya bilən və bir ürəkli bir maşına qədər gedə biləcək bir çox təkmilləşdirmə var. dərhal müalicə olun.

Addım 7: İstinadlar

İstinadlar

[1] "Elektrokardioqram (EKQ və ya EKG)", Mayo Klinikası, 09-Apr-2020. [Onlayn]. Mövcud: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Erişildi: 04-Dekabr-2020].

[2] "Elektrokardioqram", Milli Ürək Ağciyəri və Qan İnstitutu. [Onlayn]. Mövcud: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Erişildi: 04-Dekabr-2020].

[3] A. Randazzo, "Ultimate 12-Lead EKG Yerləşdirmə Kılavuzu (İllüstrasiyalarla)" Prime Medical Training, 11-Nov-2019. [Onlayn]. Mövcud: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Erişildi: 04-Dekabr-2020].

[4] C. Watford, "EKQ Süzgəcini Anlamaq", EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Mövcud: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Erişildi: 04-Dekabr-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au -Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher və AA Armoundas, "Ürək -damar sisteminə aid xəstələrin nəticələrini yaxşılaşdırmağı hədəfləyən ən son texnologiyalı maşın öyrənmə texnikaları" jurnalı. Amerika Ürək Dərnəyi, cild. 9, yox. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, "Kardiyovasküler Xəstəliklərin Diaqnozu üçün EKQ Sensor Devrinin Dizaynı", Beynəlxalq Biosensorlar və Bioelektronik Jurnalı, cild. 2, yox. 4, 2017.

[7] "Cihaz Gücləndiricisi Çıxış Gərginliyi Kalkulyatoru" ncalculators.com. [Onlayn]. Mövcud: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Erişildi: 04-Dekabr-2020].

[8] "Aşağı keçid filtri kalkulyatoru", ElectronicBase, 01-Apr-2019. [Onlayn]. Mövcuddur: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Erişildi: 04-Dekabr-2020].

[9] "Ters çevrilməyən Əməliyyat Gücləndiricisi-Ters çevrilməyən Op-amp," Əsas Elektronika Dərsləri, 06-Nov-2020. [Onlayn]. Mövcud: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Erişildi: 04-Dekabr-2020].

[10] E. Sengpiel, "Hesablama: desibel (dB) səviyyəsinə faktor (nisbət) olaraq gücləndirmə (qazanc) və söndürmə (itki)", səs gücləndirici hesablamasının gücləndirmə mənfəəti və söndürmə (itkisi) faktoru üçün dB kalkulyatoru desibel dB nisbəti - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Onlayn]. Mövcuddur: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Erişildi: 04-Dekabr-2020].

[11] "Aşağı Keçid Filtri-Pasif RC Filtr Dərsliyi", Əsas Elektronika Dərsləri, 01-May-2020. [Onlayn]. Mövcud: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Erişildi: 04-Dekabr-2020].

[12] O. H. Təlimatlar, "Super Sadə Elektrokardioqram (EKQ) Dövrü", Təlimatlar, 02-Apr-2018. [Onlayn]. Mövcuddur: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Erişildi: 04-Dekabr-2020].

[13] Brent Cornell, "Elektrokardioqrafiya", BioNinja. [Onlayn]. Mövcud: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Erişildi: 04-Dekabr-2020].