Սրտի ԷՍԳ. 7 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:45

Վերացական

ԷՍԳ, կամ էլեկտրասրտագրություն, սովորաբար օգտագործվող բժշկական սարք է, որն օգտագործվում է սրտի էլեկտրական ազդանշանները գրանցելու համար: Դրանք շատ պարզ են պատրաստվում ամենատարրական տեսքով, բայց աճելու համար շատ տեղ կա: Այս նախագծի համար LTSpice- ի վրա նախագծվել և մոդելավորվել է ԷՍԳ: ԷՍԳ-ն ուներ երեք բաղադրիչ ՝ գործիքավորման ուժեղացուցիչ, ցածր անցման ֆիլտր և, վերջապես, ոչ շրջադարձային ուժեղացուցիչ: Սա պետք է երաշխավորեր, որ բիոզինալի համեմատաբար թույլ աղբյուրից, ինչպես նաև ֆիլտրից, աղմուկը հեռացնելու համար բավականաչափ շահույթ է գալիս: Սիմուլյացիաները ցույց տվեցին, որ սխեմայի յուրաքանչյուր բաղադրիչ հաջողությամբ էր գործում, ինչպես և երեք ինտեգրալ միացում բոլոր երեք բաղադրիչներով: Սա ցույց է տալիս, որ սա ԷՍԳ միացում ստեղծելու կենսունակ միջոց է: Այնուհետեւ մենք ուսումնասիրեցինք ԷՍԳ -ի բարելավման հսկայական ներուժը:

Քայլ 1: Ներածություն/նախապատմություն

Սրտի էլեկտրական ազդանշանները գրանցելու համար օգտագործվում է ԷՍԳ կամ էլեկտրասրտագրություն: Դա բավականին տարածված և ցավազուրկ թեստ է, որն օգտագործվում է սրտի խնդիրները հայտնաբերելու և սրտի առողջությունը վերահսկելու համար: Դրանք կատարվում են բժշկի գրասենյակներում `կլինիկաներում կամ հիվանդասենյակներում և ստանդարտ մեքենաներ են վիրահատարաններում և շտապօգնության մեքենաներում [1]: Նրանք կարող են ցույց տալ, թե որքան արագ է բաբախում սիրտը, եթե ռիթմը կանոնավոր է, թե ոչ, ինչպես նաև սրտի տարբեր մասերով անցնող էլեկտրական ազդակների ուժն ու ժամանակը: Մոտ 12 էլեկտրոդ (կամ ավելի քիչ) ամրացված են կրծքավանդակի, ձեռքերի և ոտքերի մաշկի վրա և միացված են իմպուլսներն ընթերցող և գծապատկերող մեքենային [2]: Տասներկու կապար ԷՍԳ-ն ունի 10 էլեկտրոդ (ընդհանուր առմամբ սրտի 12 տեսք տալու համար): 4-կապարը անցնում է վերջույթների վրա: Երկուսը դաստակների վրա, իսկ երկուսը ՝ կոճերի վրա: Վերջնական 6 առաջատարներն անցնում են իրանով: V1- ն անցնում է 4 -րդ միջքաղաքային տարածության վրա ՝ կրծքավանդակի աջ կողմում, մինչդեռ V2- ը նույն գծի վրա է, բայց կրծքավանդակի ձախ կողմում: V3- ը տեղադրվում է V2- ի և V4- ի միջև, V5- ն անցնում է առջևի առանցքային գծի վրա նույն մակարդակի վրա, ինչ V4- ը և V6- ը նույն մակարդակի միջսեռային գծի վրա [3]:

Այս նախագծի նպատակն է նախագծել, մոդելավորել և ստուգել անալոգային ազդանշանի ստացման սարք, այս դեպքում `էլեկտրասրտագրություն: Քանի որ միջին սրտի բաբախյունը 72 է, բայց հանգստանալիս այն կարող է հասնել 90 -ի, միջինը կարելի է համարել մոտ 60 զարկ / րոպե, ինչը սրտի հաճախության համար տալիս է հիմնական հաճախականությունը 1 Հց: Սրտի բաբախյունը կարող է տատանվել 0.67 -ից մինչև 5 Հց (40 -ից 300 հարված / րոպե): Յուրաքանչյուր ազդանշան բաղկացած է ալիքից, որը կարող է պիտակավորվել որպես P, QRS համալիր և ալիքի T հատված: P ալիքը անցնում է մոտ 0.67 - 5 Հց, QRS համալիրը ՝ մոտ 10-50 Հց, իսկ T ալիքը ՝ մոտ 1 - 7 Հց [4]: ԷԿԳ -ների ներկայիս վիճակն ունի մեքենայական ուսուցում [5], որտեղ առիթմիաները և նմանատիպերը կարող են դասակարգվել հենց մեքենայի կողմից: Պարզեցման համար այս ԷՍԳ -ն կունենա ընդամենը երկու էլեկտրոդ `դրական և բացասական:

Քայլ 2: Մեթոդներ և նյութեր

Դիզայնը սկսելու համար համակարգիչը օգտագործվել է ինչպես հետազոտության, այնպես էլ մոդելավորման համար: Օգտագործված ծրագրակազմը LTSpice էր: Նախ, անալոգային ԷՍԳ -ի սխեմատիկ ձևավորման համար հետազոտություն կատարվեց `պարզելու, թե որոնք են ներկայիս նախագծերը և ինչպես դրանք լավագույնս կիրառել նոր դիզայնի մեջ: Գրեթե բոլոր աղբյուրները սկսվել են գործիքավորման ուժեղացուցիչով: Այն տանում է երկու մուտք ՝ յուրաքանչյուր էլեկտրոդից: Դրանից հետո ընտրվեց ցածր անցման զտիչ `50 Հց-ից բարձր ազդանշանները հեռացնելու համար, քանի որ էլեկտրահաղորդման գծի աղմուկը գալիս է մոտ 50-60 Հց [6]: Դրանից հետո ազդանշանը ուժեղացնելու համար չշրջվող ուժեղացուցիչ էր, քանի որ կենսազինալները բավականին փոքր են:

Առաջին բաղադրիչը գործիքավորման ուժեղացուցիչն էր: Այն ունի երկու մուտք ՝ մեկը դրական և մյուսը բացասական էլեկտրոդների համար: Գործիքների ուժեղացուցիչը հատուկ օգտագործվել է սխեման մուտքային ազդանշանից պաշտպանելու համար: Կան երեք ունիվերսալ op-amps և 7 ռեզիստորներ: Բոլոր դիմադրողները, բացի R4- ից (Rgain), ունեն նույն դիմադրությունը: Գործիքային ուժեղացուցիչի շահույթը կարող է շահարկվել հետևյալ բանաձևով. Ռեզիստորներն ընտրվել են ավելի մեծ օգտագործման համար: Հետո հաշվարկները հետևում են այս հավասարումների փաթեթին ՝ R = 5000Ω և Rgain = 200Ω: 50 = 1 + (2RRagin) 50 2 * 5000200

Հաջորդ օգտագործվող բաղադրիչը ցածր անցումային ֆիլտր էր `50 Հց -ից բարձր հաճախականությունները հեռացնելու համար, որը կպահպանի միայն PQRST ալիքը այս հաճախականությունների տիրույթում և նվազագույնի կհասցնի աղմուկը: Passածր անցումային ֆիլտրի հավասարումը ստորև ներկայացված է. Fc = 12RC [8] Քանի որ անջատման համար ընտրված հաճախականությունը 50 Հց էր, իսկ դիմադրիչը ընտրված էր 1kΩ, հաշվարկները տալիս են 0.00000318 F. կոնդենսատորի արժեք 50: 12 * 1000 * C

ԷԿԳ-ի երրորդ բաղադրիչը ոչ շրջվող ուժեղացուցիչն էր: Սա ապահովում է, որ ազդանշանը բավականաչափ մեծ լինի, նախքան (պոտենցիալ) անալոգային թվային փոխարկիչին փոխանցելը: Ոչ փոխարկիչ ուժեղացուցիչի շահույթը ցույց է տրված ստորև. Ռեզիստորի համար հաշվարկները հետևյալն են. Մեկ դիմադրիչի համար ընտրվել է 10000Ω ՝ տալով երկրորդ դիմադրության արժեքը 200Ω: 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Սխեմատիկան ստուգելու համար վերլուծությունները կատարվեցին յուրաքանչյուր բաղադրիչի, այնուհետև վերջնական ընդհանուր սխեմատիկայի վրա: Երկրորդ սիմուլյացիան AC վերլուծություն էր, օկտավայի մաքրում ՝ 100 միավոր մեկ օկտավայի համար և անցնում էր 1 -ից մինչև 1000 Հց հաճախականությունների միջով:

Քայլ 3: Արդյունքներ

Շղթան ստուգելու համար կատարվեց օկտավայի մաքրում ՝ մեկ օկտավայի համար 100 միավորով ՝ սկսած 1 Հց հաճախականությամբ և մինչև 1000 Հց հաճախականությամբ: Մուտքը սինուսոիդ կոր էր, որը պետք է ներկայացներ ԷՍԳ ալիքի ցիկլային բնույթը: Այն ուներ DC օֆսեթ 0, ամպլիտուդ 1, հաճախականություն 1 Հց, T հետաձգում 0, theta (1/վ) 0, և phi (deg) 90. Հաճախականությունը սահմանվել էր 1, քանի որ միջին սրտի բաբախյունը կարող է սահմանվել մոտ 60 հարված / րոպե, ինչը 1 Հց է:

Ինչպես երևում է Նկար 5 -ում, կապույտը մուտքն էր, իսկ կարմիրը ՝ ելքը: Ակնհայտ է, որ հսկայական շահույթ է գրանցվել, ինչպես երևում է վերևում:

Lowածր անցման ֆիլտրը սահմանվել է 50 Հց, էլեկտրահաղորդման գծի աղմուկը հեռացնելու համար ԷԿԳ հնարավոր կիրառման դեպքում: Քանի որ դա չի կիրառվում այստեղ, երբ ազդանշանը հաստատուն է 1 Հց -ով, ելքը նույնն է, ինչ մուտքն է (Նկար 6):

Կապույտ գույնով ցուցադրվող ելքը հստակ ուժեղացված է `կանաչով ցուցադրված մուտքի համեմատ: Բացի այդ, քանի որ սինուս կորերի գագաթներն ու հովիտները համընկնում են, սա ցույց է տալիս, որ ուժեղացուցիչն իսկապես ոչ շրջադարձային էր (Նկար 7):

Նկար 8 -ը ցույց է տալիս բոլոր կորերը միասին: Այն հստակորեն ցույց է տալիս ազդանշանի մանիպուլյացիան ՝ մի փոքր ազդանշանից անցնելը, երկու անգամ ուժեղացնելը և զտելը (չնայած որ զտումը ոչ մի ազդեցություն չունի այս հատուկ ազդանշանի վրա):

Օգտագործելով շահումների և անջատման հաճախականության հավասարումները [10, 11], փորձարարական արժեքները որոշվեցին գծապատկերներից: Lowածր անցման ֆիլտրն ունեցել է ամենաքիչ սխալը, մինչդեռ երկու ուժեղացուցիչներն էլ սավառնում էին մոտ 10% սխալով (Աղյուսակ 1):

Քայլ 4: Քննարկում

Պարզվում է, որ սխեման անում է այն, ինչ ենթադրվում է անել: Այն տևեց որոշակի ազդանշան, ուժեղացրեց այն, այնուհետև զտեց այն և նորից ուժեղացրեց այն: Ասածս այն է, որ դա շատ «փոքր» դիզայն է, որը բաղկացած է միայն գործիքավորման ուժեղացուցիչից, ցածր փոխանցման զտիչից և ոչ շրջող զտիչից: ԷԿԳ աղբյուրի հստակ մուտքագրում չկար, չնայած անհամար ժամեր, երբ համացանցում զբաղվում էի համապատասխան աղբյուրի որոնմամբ: Unfortunatelyավոք, մինչդեռ դա չստացվեց, մեղքի ալիքը համապատասխան փոխարինում էր ազդանշանի ցիկլային բնույթին:

Սխալի աղբյուր, երբ խոսքը վերաբերում է տեսական և շահույթի և ցածր անցման զտիչի իրական արժեքին, կարող են լինել ընտրված բաղադրիչները: Քանի որ օգտագործված հավասարումների դիմադրության հարաբերակցությունը 1 -ին է ավելացված, հաշվարկներն անելիս այս մեկն անտեսվել է: Դա կարելի է անել, եթե օգտագործվող դիմադրիչները բավականաչափ մեծ են: Մինչ ընտրված դիմադրողները մեծ էին, այն փաստը, որ մեկը հաշվի չէր առնվում, կստեղծի սխալի փոքր սահման: Սան Խոսե նահանգի Սան Խոսե պետական համալսարանի հետազոտողները ԷՍԳ են մշակել հատուկ սրտանոթային հիվանդությունների ախտորոշման համար: Նրանք օգտագործել են գործիքների ուժեղացուցիչ, 1-ին կարգի ակտիվ բարձր անցումային ֆիլտր, 5-րդ կարգի ակտիվ Bessel ցածր անցնող լցոնիչ և երկակի t- ի ակտիվ խազ ֆիլտր [6]: Նրանք եզրակացրեցին, որ այս բոլոր բաղադրիչների օգտագործումը հանգեցրել է մարդու առարկայից ստացված ԷԿԳ -ի հումքի հաջող պայմանավորման: Պուրդու համալսարանում Օրլանդո Հոյլետի կողմից կատարված ԷԿԳ պարզ սխեմայի մեկ այլ մոդել բաղկացած էր միայն գործիքավորման ուժեղացուցիչից: Ելքը պարզ և օգտագործելի էր, բայց խորհուրդ էր տրվում, որ կոնկրետ ծրագրերի համար փոփոխություններն ավելի լավն էին `ուժեղացուցիչներ, ժապավեններ և 60 Հց հաճախականությամբ զտիչ` հոսանքի գծի աղմուկը հեռացնելու համար: Սա ցույց է տալիս, որ ԷՍԳ-ի այս նախագիծը, չնայած համապարփակ չէ, սակայն ԷԿԳ ազդանշան ընդունելու ամենապարզ մեթոդը չէ:

Քայլ 5: Ապագա աշխատանք

ԷԿԳ -ի այս ձևավորումը կպահանջի ևս մի քանի բան, նախքան գործնական սարք դնելը: Մեկի համար, 60 Հց խորշ ֆիլտրը առաջարկվել է մի քանի աղբյուրների կողմից, և քանի որ հոսանքի գծի աղմուկ չկար այստեղ զբաղվելու համար, այն չի կիրառվել մոդելավորման մեջ: Ասածս այն է, որ երբ սա թարգմանվի ֆիզիկական սարքի, ձեռնտու կլինի ավելացնել խազ ֆիլտր: Բացի այդ, ցածր անցման զտիչի փոխարեն, ավելի լավ կլինի, որ ունենա ժապավենի անցում, ավելի շատ վերահսկվի այն զտվող հաճախականությունների վրա: Կրկին, սիմուլյացիայի ժամանակ այսպիսի հարց չի առաջանում, բայց այն կհայտնվի ֆիզիկական սարքում: Դրանից հետո ԷՍԳ -ն կպահանջի անալոգային թվային փոխարկիչ, և, հավանաբար, մի միջոց, որը նման է ազնվամորի pi- ի ՝ տվյալները հավաքելու և դրանք համակարգչին հոսելու համար ՝ դիտման և օգտագործման համար: Հետագա բարելավումները կլինեն ավելի շատ կապերի ավելացում, գուցե սկսած 4 վերջույթների կապանքներից և ավարտելով բոլոր 10 կապանքները `սրտի 12 կապարի դիագրամի համար: Ավելի լավ ինտերֆեյսը նույնպես ձեռնտու կլինի. Գուցե դիպչող էկրանով բժշկական մասնագետները կարողանան հեշտությամբ մուտք գործել և կենտրոնանալ ԷՍԳ արդյունքի որոշ մասերի վրա:

Հետագա քայլերը կներառեն մեքենայական ուսուցում և արհեստական ինտելեկտի իրականացում: Համակարգիչը պետք է կարողանա զգուշացնել բժշկական անձնակազմին - և, հնարավոր է, շրջապատի մարդկանց, - որ առիթմիա կամ նման բան է առաջացել: Այս պահին բժիշկը պետք է ստուգի ԷՍԳ արդյունքը ՝ ախտորոշում կատարելու համար, մինչդեռ տեխնիկները պատրաստված են դրանք կարդալու համար, նրանք չեն կարող պաշտոնական ախտորոշում կատարել ոլորտում: Եթե առաջին արձագանքողների կողմից օգտագործվող ԷԿԳ -ները ճշգրիտ ախտորոշում ունեն, դա կարող է թույլ տալ ավելի արագ բուժում: Սա հատկապես կարևոր է գյուղական վայրերում, որտեղ կարող է ավելի քան մեկ ժամ տևել այն հիվանդին, ով չի կարող ուղղաթիռով ուղևորվել հիվանդանոց: Հաջորդ փուլը կլինի ԷՍԳ մեքենայի վրա դեֆիբրիլյատոր ավելացնելը: Հետո, երբ հայտնաբերում է առիթմիա, կարող է պարզել ցնցման համար համապատասխան լարումը և, հաշվի առնելով, որ հարվածային բարձիկները տեղադրված են, կարող է փորձել հիվանդին վերադարձնել սինուսային ռիթմ: Սա օգտակար կլիներ հիվանդանոցային պայմաններում, որտեղ հիվանդներն արդեն կապված են տարբեր մեքենաների հետ, և եթե բժշկական անձնակազմը չլինի անհապաղ բուժօգնություն ցուցաբերելու համար, սրտի բոլոր մեքենաները կարող են հոգ տանել դրա մասին ՝ խնայելով կյանք փրկելու համար անհրաժեշտ թանկարժեք ժամանակը:.

Քայլ 6: Եզրակացություն

Այս նախագծում ԷՍԳ -ի սխեման հաջողությամբ նախագծվեց, այնուհետև մոդելավորվեց LTSpice- ի միջոցով: Այն բաղկացած էր գործիքավորման ուժեղացուցիչից, ցածր անցման ֆիլտրից և ազդանշանը պայմանավորող ոչ շրջադարձային ուժեղացուցիչից: Սիմուլյացիան ցույց տվեց, որ բոլոր երեք բաղադրիչներն աշխատել են անհատապես, ինչպես նաև միասին, երբ համակցված են ընդհանուր ինտեգրալ սխեմայի համար: Ուժեղացուցիչներից յուրաքանչյուրն ունեցել է 50 շահույթ, փաստ, որը հաստատվել է LTSpice- ով աշխատող մոդելավորումներով: Passածր անցուղու ֆիլտրն ուներ 50 Հց հաճախականություն `էլեկտրահաղորդման գծերից աղմուկը և մաշկից և շարժումից արտեֆակտները նվազեցնելու համար: Թեև սա շատ փոքր ԷՍԳ -ի միացում է, կան բազմաթիվ բարելավումներ, որոնք կարող են կատարվել ՝ ընդհուպ մինչև մեկ -երկու ֆիլտրի ավելացումից մինչև սրտի մի ամբողջ մեքենա, որը կարող է վերցնել ԷՍԳ -ն, կարդալ այն և տրամադրել անհապաղ բուժում:

Քայլ 7: Հղումներ

Հղումներ

[1] «Էլեկտրասրտագրություն (ԷՍԳ կամ ԷԿԳ)», Մայո կլինիկա, 09-ապրիլ -2020: [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983: [Հասանելի է ՝ 04-դեկ -2020]:

[2] «Էլեկտրասրտագրություն», Սրտի թոքերի և արյան ազգային ինստիտուտ: [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram: [Հասանելի է ՝ 04-դեկ -2020]:

[3] A. Randazzo, «The Ultimate 12-Lead ECG Placement Guide (With Illustrations)», Prime Medical Training, 11-Nov-2019. [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/: [Հասանելի է ՝ 04-դեկ -2020]:

[4] C. Watford, «Understanding ECG Filtering», EMS 12 Lead, 2014. [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/: [Հասանելի է ՝ 04-դեկ -2020]:

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher և AA Armoundas, «State ‐ of the ‐ the Art of Machine Learning Techniques Teching to բարելավել հիվանդների արդյունքները, որոնք վերաբերում են սրտանոթային համակարգին», Journal of the Journal American Heart Association, vol. 9, ոչ 4, 2020 թ.

[6] W. Y. Du, «Սրտանոթային հիվանդությունների ախտորոշման համար ԷՍԳ սենսորային շղթայի ձևավորում», International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, ոչ 4, 2017 թ.

[7] «Գործիքների ուժեղացուցիչի ելքային լարման հաշվիչ», ncalculators.com. [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm: [Հասանելի է ՝ 04-դեկ -2020]:

[8] «Low Pass Filter Calculator», ElectronicBase, 01-Apr-2019. [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/: [Հասանելի է ՝ 04-դեկ -2020]:

[9] «Ոչ-շրջող գործառնական ուժեղացուցիչ. [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html: [Հասանելի է ՝ 04-դեկ -2020]:

[10] E. Sengpiel, «Հաշվարկ. Ուժեղացում (շահույթ) և թուլացում (կորուստ) որպես գործոն (հարաբերակցություն) դեցիբելներում մակարդակի (դԲ)», dB հաշվիչ `աուդիո ուժեղացուցիչի հաշվարկի ուժեղացման և թուլացման (կորստի) գործոնի համար դեցիբել դԲ հարաբերակցություն - sengpielaudio Sengpiel Berlin: [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm: [Հասանելի է ՝ 04-դեկ -2020]:

[11] «Low Pass Filter-Passive RC Filter Tutorial», Basic Electronics Tutorials, 01-May-2020. [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html: [Հասանելի է ՝ 04-դեկ -2020]:

[12] O. H. Instructables, “Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit,” Instructables, 02-Apr-2018. [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/: [Հասանելի է ՝ 04-դեկ -2020]:

[13] Բրենթ Քորնել, «Էլեկտրասրտագրություն», ԲիոՆինջա: [Առցանց]: Հասանելի է ՝ https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html: [Հասանելի է ՝ 04-դեկ -2020]: