Жүректің ЭКГ: 7 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:22

Реферат

ЭКГ немесе электрокардиограмма - бұл жүректің электрлік сигналдарын тіркеу үшін жиі қолданылатын медициналық құрылғы. Оларды қарапайым түрде жасауға болады, бірақ өсуге көп орын бар. Бұл жоба үшін LTSpice -де ЭКГ жасалды және модельденді. ЭКГ үш компоненттен тұрды: аспаптық күшейткіш, төмен өткізгішті фильтр және, ақырында, айналмайтын күшейткіш. Бұл биосигналдың салыстырмалы түрде әлсіз көзінен, сондай -ақ тізбектегі шуды кетіруге арналған сүзгіден жеткілікті пайда болатынын қамтамасыз ету үшін болды. Модельдеу көрсеткендей, тізбектің әрбір компоненті барлық компоненттері бар жалпы интегралды схема сәтті орындалды. Бұл ЭКГ схемасын құрудың тиімді әдісі екенін көрсетеді. Содан кейін біз ЭКГ -ны жақсартудың үлкен әлеуетін зерттедік.

1 -қадам: Кіріспе/Фон

Жүректің электрлік сигналдарын жазу үшін ЭКГ немесе электрокардиограмма қолданылады. Бұл өте қарапайым және жүрек ауруларын анықтау және жүрек денсаулығын бақылау үшін қолданылатын ауыртпайтын тест. Олар дәрігерлік кеңселерде - емханаларда немесе аурухана бөлмелерінде орындалады және операциялық және жедел жәрдем машиналарындағы стандартты машиналар болып табылады [1]. Олар жүректің қаншалықты тез соғатынын көрсетеді, егер ырғақ тұрақты болса немесе болмаса, сонымен қатар жүректің әр түрлі бөліктерінен өтетін электрлік импульстардың күші мен уақыты. Шамамен 12 электрод (немесе одан аз) кеудеге, қолға және аяққа теріге бекітілген және импульстарды оқитын және оларды графиктайтын машинаға қосылған [2]. Он екі қорғасынды ЭКГ-да 10 электрод бар (барлығы жүректің 12 көрінісін береді). 4-жетекші аяқ-қолдарда жүреді. Екеуі білекке, екеуі тобыққа. Соңғы 6 көшбасшы торсымен өтеді. V1 төс сүйегінің оң жағындағы 4 -ші қабырғааралықта жүреді, ал V2 сол сызықта, бірақ төс сүйегінің сол жағында. V3 V2 мен V4 ортасында орналасады, V5 алдыңғы қолтық асты сызығында V4 және V6 ортаңғы жақ сызығында бірдей деңгейде өтеді [3].

Бұл жобаның мақсаты - аналогтық сигналды алу құрылғысын - бұл жағдайда электрокардиограмманы құрастыру, модельдеу және тексеру. Орташа жүрек соғу жиілігі 72 -де, бірақ демалыс кезінде ол 90 -ға дейін төмендеуі мүмкін болғандықтан, медиананы минутына 60 минутына есептеуге болады, бұл жүрек соғу жиілігінің 1Гц негізгі жиілігін береді. Жүрек соғу жиілігі шамамен 0,67 -ден 5 Гц -ке дейін болуы мүмкін (40-300 соққы / мин). Әрбір сигнал толқыннан тұрады, оны P, QRS комплексі және толқынға T бөлігі ретінде белгілеуге болады. Р толқыны шамамен 0,67 - 5 Гц, QRS комплексі шамамен 10-50 Гц, ал Т толқыны шамамен 1 - 7 Гц аралығында жұмыс істейді [4]. ЭКГ -ның қазіргі заманғы жағдайында машиналық оқыту бар [5], онда аритмияны және сол сияқтыларды машинаның өзі жіктеуге болады. Оңайлату үшін бұл ЭКГ -да тек екі электрод болады - оң және теріс.

2 -қадам: әдістер мен материалдар

Дизайнды бастау үшін компьютер зерттеуге де, модельдеуге де қолданылды. Қолданылған бағдарлама LTSpice болды. Біріншіден, аналогты ЭКГ -ның схемасын жасау үшін қазіргі конструкциялардың не екенін және оларды жаңа дизайнға қалай жақсы енгізу керектігін зерттеу жүргізілді. Іс жүзінде барлық көздер аспаптық күшейткіштен басталды. Ол екі кірісті қабылдайды - әр электродтан. Осыдан кейін 50 Гц-тен жоғары сигналдарды жою үшін төмен өту сүзгісі таңдалды, себебі электр желісінің шуы шамамен 50-60 Гц-ке жетеді [6]. Осыдан кейін сигналды күшейтетін инвертті емес күшейткіш болды, өйткені биосигналдар өте аз.

Бірінші компонент аспаптық күшейткіш болды. Оның екі кірісі бар: біреуі оң, екіншісі теріс электрод үшін. Аспаптық күшейткіш схеманы кіріс сигналынан қорғау үшін арнайы қолданылған. Үш әмбебап оп-ампер және 7 резистор бар. R4 (Rgain) қоспағанда барлық резисторлар бірдей қарсылыққа ие. Аспаптық күшейткіштің пайдасын келесі теңдеумен басқаруға болады: A = 1 + (2RRgain) [7] Биосигналдар өте аз болғандықтан, түсім 50 деп таңдалды. Қолдануға ыңғайлы болу үшін резисторлар үлкенірек болып таңдалды. Содан кейін есептеулер R = 5000Ω және Rgain = 200Ω беру үшін осы теңдеулер жиынтығын ұстанады. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Келесі компонент 50 Гц -тен жоғары жиілікті жою үшін төмен өту сүзгісі болды, ол PQRST толқынын осы жиілік диапазонында сақтайды және шуды азайтады. Төмен өту сүзгісінің теңдеуі төменде көрсетілген: fc = 12RC [8] Кесу үшін таңдалған жиілік 50 Гц болғандықтан және резистор 1 кОм болып таңдалғандықтан, есептеулер конденсатордың мәнін 0.00000318 F. 50 = 12 құрайды. * 1000 * С

ЭКГ-да үшінші компонент инверттелмейтін күшейткіш болды. Бұл аналогты цифрлық түрлендіргішке (ықтимал) дейін сигналдың жеткілікті үлкен болуын қамтамасыз ету үшін қажет. Инверсияланбайтын күшейткіштің пайдасы төменде көрсетілген: A = 1 + R2R1 [9] Соңғы сигналдың амплитудасын жоғарылату үшін күшейту 50 деп таңдалғанға дейін. Резистордың есептеулері келесідей: бір резистор 10000Ω болып таңдалады, екінші резистордың мәні 200 Ом. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Схеманы тексеру үшін әр компонентке талдау жасалды, содан кейін соңғы жалпы схемаға. Екінші модельдеу - айнымалы токты талдау, октавалық сыпыру, бір октаваға 100 балл және 1 -ден 1000 Гц жиілікке дейін.

3 -қадам: Нәтижелер

Схеманы тексеру үшін октавалық тазарту жүргізілді, 1 Гц жиіліктен басталатын және 1000 Гц жиілікке дейін баратын, бір октаваға 100 балл. Кіріс синусоидальды қисық болды, бұл ЭКГ толқынының циклдік сипатын бейнелейді. Тұрақты токтың ығысуы 0, амплитудасы 1, жиілігі 1 Гц, Т кідірісі 0, тета (1/с) 0 және фи (градус) 90 болды. Орташа болғандықтан, жиілік 1 -ге орнатылды. жүрек соғу жиілігін шамамен 60 соққыға орнатуға болады, бұл 1 Гц.

5 -суреттен көрініп тұрғандай, кіріс - көгілдір түс, ал қызыл - шығыс. Жоғарыда көрсетілгендей, үлкен пайда болды.

Потенциалды ЭКГ қосымшасында электр желісінің шуын жою үшін төмен өту сүзгісі 50 Гц -ке орнатылды. Бұл жерде сигнал 1 Гц тұрақты болатын жерде қолданылмайтындықтан, шығыс кіріспен бірдей (6 -сурет).

Шығару - көк түспен көрсетілген - жасыл түспен көрсетілген кіріспен салыстырғанда айқын күшейтіледі. Сонымен қатар, синус қисық сызықтарының шыңдары мен аңғарлары сәйкес келетіндіктен, бұл күшейткіштің шынымен төңкерілмегенін көрсетеді (7-сурет).

8 -суретте барлық қисықтар бірге көрсетілген. Ол сигналдың манипуляциясын көрсетеді, ол кішкене сигналдан шығады, екі есе күшейтіледі және сүзіледі (бірақ бұл нақты сигналға фильтрация әсер етпейді).

Пайда мен шектеу жиілігі үшін [10, 11] теңдеулерді қолдана отырып, эксперименттік мәндер графиктерден анықталды. Төмен өту сүзгісінде ең аз қате болды, ал күшейткіштердің екеуінде де қате шамамен 10% болды (1 -кесте).

4 -қадам: талқылау

Схема не істеу керектігін жасайды. Ол берілген сигналды алды, оны күшейтіп, содан кейін сүзгіден өткізді, содан кейін оны қайтадан күшейтті. Бұл өте кішкентай дизайн, ол тек аспаптық күшейткіштен, төмен өту сүзгісінен және инверттелмейтін сүзгіден тұрады. ЭКГ көзінің нақты енгізілімі болмады, керісінше, Интернетте дұрыс көзді іздеу үшін сансыз сағаттар болғанына қарамастан. Өкінішке орай, бұл нәтиже бермесе де, күнә толқыны сигналдың циклдік сипатын алмастырды.

Кіріс пен төмен өту сүзгісінің теориялық және нақты мәніне қатысты қате көзі таңдалған компоненттер болуы мүмкін. Қолданылатын теңдеулерде қарсылықтардың 1 -ге қатынасы болғандықтан, есептеулер жүргізілгенде, ол ескерілмеді. Егер резисторлар жеткілікті үлкен болса, мұны жасауға болады. Таңдалған резисторлар үлкен болғанымен, олардың есептелмеуі қателікке әкеледі. Сан -Хосе қаласындағы Сан -Хосе мемлекеттік университетінің зерттеушілері жүрек -қан тамырлары ауруларын диагностикалау үшін арнайы ЭКГ жасады. Олар аспаптық күшейткішті, 1-ретті белсенді жоғары өту сүзгісін, 5-ші дәрежелі белсенді Bessel төмен өтімді толтырғышты және қосарлы-белсенді тісті сүзгіні қолданды [6]. Олар барлық осы компоненттерді қолдану нәтижесінде адамнан алынған ЭКГ толқыны сәтті кондицияланды деген қорытындыға келді. Орландо Хоулетт Purdue университетінде жасаған қарапайым ЭКГ схемасының тағы бір моделі тек аспаптық күшейткіштен тұрды. Шығару анық және қолдануға жарамды болды, бірақ нақты қосымшалар үшін өзгерістерді жақсарту ұсынылады - күшейткіштер, жолақ өткізгіш сүзгілер және электр желісінің шуын жою үшін 60 Гц тісті сүзгі. Бұл ЭКГ-ның бұл конструкциясы барлығын қамтымаса да ЭКГ сигналын қабылдаудың ең қарапайым әдісі емес екенін көрсетеді.

5 -қадам: Болашақ жұмыс

ЭКГ -ның бұл конструкциясы практикалық құрылғыға қоймас бұрын тағы бірнеше нәрсені қажет етеді. Біріншісі, 60 Гц тілік сүзгісін бірнеше көздер ұсынды, және мұнда электр желісінің шуы болмағандықтан, ол модельдеуге енгізілмеді. Айтуынша, бұл физикалық құрылғыға аударылғаннан кейін, фильтрді қосу пайдалы болар еді. Сонымен қатар, төмен өту сүзгісінің орнына, өткізіп жіберілетін жиіліктерді көбірек бақылау үшін, өткізу жолағының сүзгісі болуы жақсы болар еді. Тағы да, модельдеуде мұндай мәселе туындамайды, бірақ ол физикалық құрылғыда пайда болады. Осыдан кейін ЭКГ аналогты цифрлық түрлендіргішті қажет етуі мүмкін, және, мүмкін, таңқурай пиіне ұқсас құрылғы деректерді жинап, оны көру және пайдалану үшін компьютерге жібереді. Әрі қарай жетілдірулерге 4 аяқтың сымынан басталып, жүректің 12 диаграммасының барлық 10 сымына дейін аяқталатын қосымша сымдар қосылады. Жақсы қолданушы интерфейсі де пайдалы болар еді - мүмкін, сенсорлық экраны бар медициналық мамандар ЭКГ шығысының белгілі бір бөліктеріне оңай қол жеткізе алады.

Әрі қарайғы қадамдар машиналық оқыту мен АИ -ді енгізуді қамтиды. Компьютер медициналық қызметкерлерді - және, мүмкін, айналасындағыларға - аритмия немесе соған ұқсас жағдай туралы хабарлауы керек. Бұл кезде дәрігер диагноз қою үшін ЭКГ нәтижесін қарап шығуы керек - техниктер оларды оқуға үйретілгенімен, олар бұл жерде ресми диагноз қоя алмайды. Егер бірінші респонденттер қолданатын ЭКГ -да дәл диагноз қойылса, бұл тезірек емдеуге мүмкіндік береді. Бұл әсіресе ауылдық жерлерде өте маңызды, онда ауруханаға тікұшақпен бара алмайтын науқасты алу үшін бір сағаттан астам уақыт кетуі мүмкін. Келесі кезең ЭКГ аппаратына дефибрилляторды қосады. Содан кейін, ол аритмияны анықтаған кезде, ол соққының кернеуін анықтай алады және соққы жастықшалары қойылғанын ескере отырып, науқасты синус ырғағына қайтаруға тырысады. Бұл пациенттер әр түрлі машиналарға қосылған және аурухана жағдайында пайдалы болар еді, егер медициналық көмек көрсетуге медициналық қызметкерлер жеткіліксіз болса, барлығы бір жүрекке қондырылатын аппарат оны күтіп, өмірді құтқару үшін қажет уақытты үнемдей алады..

6 -қадам: Қорытынды

Бұл жобада ЭКГ схемасы сәтті құрастырылды, содан кейін LTSpice көмегімен имитацияланды. Ол аспапты күшейткіштен, төмен өту сүзгісінен және сигналды реттейтін инверторлы емес күшейткіштен тұрды. Модельдеу көрсеткендей, барлық үш компонент жеке интегралды схема үшін біріктірілген кезде жеке жұмыс жасады. Күшейткіштердің әрқайсысының 50 ұпайы болды, бұл факт LTSpice модельдеуімен расталады. Төменгі өту сүзгісі 50 Гц жиілікке ие болды, бұл электр желілерінен шығатын шуды азайту үшін, терінің және қозғалыстың артефактілерін азайтады. Бұл өте кішкентай ЭКГ схемасы болса да, көптеген жақсартуларды жасауға болады, олар бір -екі сүзгіні қосудан бастап, ЭКГ қабылдай алатын, оны оқитын және бір жүрек машинасына дейін барады. дереу емдеуді қамтамасыз ету.

7 -қадам: Әдебиеттер

Әдебиеттер

[1] «Электрокардиограмма (ЭКГ немесе ЭКГ)», Майо клиникасы, 09-сәуір-2020 ж. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Қол жетімді: 04-желтоқсан-2020].

[2] «Электрокардиограмма», Ұлттық өкпе және қан институты. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Қол жетімді: 04-желтоқсан-2020].

[3] А. Рандаццо, «ЭКГ-ны орналастырудың соңғы 12 нұсқаулығы (суреттермен)», Prime Medical Training, 11-қараша-2019 ж. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Қол жетімді: 04-желтоқсан-2020].

[4] C. Уотфорд, «ЭКГ сүзгісін түсіну», EMS 12 Lead, 2014. [Онлайн]. Қол жетімді: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Қол жетімді: 04-желтоқсан-2020].

[5] ҚР Севакула, WTM Au -Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher және AA Armoundas, «Жүрек -қантамырлық жүйеге қатысты пациенттердің нәтижелерін жақсартуға бағытталған заманауи техниканы үйрену техникасы» журналы. Американдық жүрек қауымдастығы, т. 9, жоқ. 4, 2020 ж.

[6] W. Y. Du, «Жүрек -қан тамырлары ауруларының диагностикасы үшін ЭКГ сенсорлық схемасының дизайны», Халықаралық биосенсорлар мен биоэлектроника журналы, т. 2, жоқ. 4, 2017 ж.

[7] «Аспаптық күшейткіштің шығыс кернеу калькуляторы», ncalculators.com. [Желіде]. Қол жетімді: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Қол жетімді: 04-желтоқсан-2020].

[8] «Төмен өту сүзгісі калькуляторы», ElectronicBase, 01-сәуір-2019 ж. [Желіде]. Қол жетімді: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Қол жетімді: 04-желтоқсан-2020].

[9] «Инвертивті емес операциялық күшейткіш-инверттелмейтін оп-амп», Электрониканың негізгі оқулықтары, 06-қараша-2020 ж. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Қол жетімді: 04-желтоқсан-2020].

[10] Э. Сенгпиель, «Есеп: дыбыс күшейткішті есептеудің күшейту мен өшіру (жоғалту) коэффициенті үшін дБ калькуляторы (ДБ), децибелдегі деңгейге (коэффициент ретінде) күшейту (пайда) және демпфикация (жоғалту). децибел дБ коэффициенті - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Қол жетімді: 04-желтоқсан-2020].

[11] «Low Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial», Электрониканың негізгі оқулықтары, 01-мамыр-2020 ж. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Қол жетімді: 04-желтоқсан-2020].

[12] O. H. Нұсқаулықтар, «Супер қарапайым электрокардиограмма (ЭКГ) схемасы», Нұсқаулықтар, 02-сәуір-2018 ж. [Желіде]. Қол жетімді: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Қол жетімді: 04-желтоқсан-2020].

[13] Брент Корнелл, «Электрокардиография», BioNinja. [Желіде]. Қол жетімді: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Қол жетімді: 04-желтоқсан-2020].