א.ק.ג לבבי: 7 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

תַקצִיר

א.ק.ג, או אלקטרוקרדיוגרמה, הוא מכשיר רפואי נפוץ המשמש לרישום האותות החשמליים של הלב. הם פשוטים להכנה בצורה הבסיסית ביותר, אך יש הרבה מקום לצמיחה. עבור פרויקט זה תוכנן והדמה א.ק.ג. על LTSpice. לא.ק.ג היו שלושה מרכיבים: מגבר מכשור, מסנן מעבר נמוך, ולבסוף מגבר שאינו הפוך. זה היה כדי להבטיח שיש מספיק רווח שמגיע ממקור חלש יחסית של סיגנל ביולוגי, כמו גם ממסנן להסרת רעש במעגל. הסימולציות הראו כי כל רכיב במעגל בוצע בהצלחה, וכך גם מעגל משולב כולל עם כל שלושת המרכיבים. זה מראה שזו דרך קיימא ליצירת מעגל א.ק.ג. לאחר מכן בחנו את הפוטנציאל העצום לשיפור האק ג.

שלב 1: מבוא/רקע

א.ק.ג או אלקטרוקרדיוגרמה משמשים לרישום האותות החשמליים של הלב. היא די נפוצה ובדיקה ללא כאבים המשמשת לאיתור בעיות לב ומעקב אחר בריאות הלב. הם מבוצעים במשרדי הרופאים - במרפאות או בחדרי בית חולים ומהווים מכונות סטנדרטיות בחדרי ניתוח ובאמבולנסים [1]. הם יכולים להראות כמה מהר הלב פועם, אם הקצב סדיר או לא, כמו גם את העוצמה והתזמון של הדחפים החשמליים העוברים בין חלקי הלב השונים. כ -12 אלקטרודות (או פחות) מחוברות לעור על החזה, הזרועות והרגליים ומחוברות למכונה הקוראת את הדחפים ומשרטטת אותם [2]. לאק"ג עם 12 עופרות יש 10 אלקטרודות (כדי לתת בסך הכל 12 תצוגות של הלב). 4-להוביל הולך על הגפיים. שניים על פרקי הידיים, ושניים על הקרסוליים. 6 ההובלות האחרונות הולכות על פלג גוף עליון. V1 עובר על החלל הבין -צלעי הרביעי מימין לחזה, בעוד V2 נמצא על אותו קו, אך משמאל לחזה. V3 ממוקם באמצע הדרך בין V2 ל- V4, V5 עובר בקו בית השחי הקדמי באותה רמה כמו V4 ו- V6 עולים על קו האקסילרי באותה רמה [3].

מטרת הפרויקט היא לתכנן, לדמות ולאמת מכשיר רכישת אותות אנלוגיים - במקרה זה אלקטרוקרדיוגרמה. מכיוון שקצב הלב הממוצע עומד על 72, אך בזמן מנוחה הוא יכול לרדת עד 90, ניתן לשקול את החציון בסביבות 60 פעימות לדקה, מה שמקנה תדר בסיסי של 1 הרץ לדופק. קצב הלב יכול לנוע בין 0.67 ל -5 הרץ (40 עד 300 פעימות לדקה). כל אות מורכב מגל שניתן לסמן אותו כ- P, קומפלקס QRS וחלק T לגל. גל P פועל בסביבות 0.67 - 5 הרץ, מתחם QRS הוא בערך 10-50 הרץ, וגל T הוא בערך בין 1 - 7 הרץ [4]. המצב הנוכחי באק"ג כולל למידת מכונה [5], שבה ניתן לסווג הפרעות קצב וכדומה על ידי המכונה עצמה. לשם הפשט, לאק"ג זה יהיו שתי אלקטרודות בלבד - חיובית ושלילית.

שלב 2: שיטות וחומרים

כדי להתחיל בעיצוב, מחשב שימש הן למחקר והן לדוגמנות. התוכנה בה נעשה שימוש הייתה LTSpice. ראשית, כדי לעצב את הסכימה של האק"ג האנלוגי, נעשה מחקר כדי לראות מה הם העיצובים הנוכחיים וכיצד ליישם אותם בצורה הטובה ביותר לעיצוב חדש. כמעט כל המקורות התחילו עם מגבר מכשור להתחיל. הוא מקבל שתי כניסות - מכל אחת מהאלקטרודות. לאחר מכן נבחר מסנן מעבר נמוך להסרת אותות מעל 50 הרץ, מכיוון שרעש קו החשמל מגיע בסביבות 50-60 הרץ [6]. לאחר מכן, היה מגבר שאינו הופך להעצמת האות, שכן אותות ביו הם קטנים למדי.

המרכיב הראשון היה מגבר האבזור. יש לו שתי כניסות, אחת לחיובית ואחת לאלקטרודה השלילית. מגבר המכשור שימש במיוחד להגנה על המעגל מפני האות הנכנס. ישנם שלושה מגברי אופ-אוניברסליים ו -7 נגדים. כל הנגדים מלבד R4 (Rgain) הם בעלי אותה התנגדות. ניתן לתפעל את הרווח של מגבר מכשור באמצעות המשוואה הבאה: A = 1 + (2RRgain) [7] הרווח נבחר להיות 50 מכיוון שסימני ביו קטנים מאוד. הנגדים נבחרו להיות גדולים יותר לנוחות השימוש. החישובים עוקבים אחר כך אחר מערך המשוואות כדי לתת R = 5000Ω ו- Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

הרכיב הבא בשימוש היה מסנן מעבר נמוך, להסרת תדרים מעל 50 הרץ, מה שישאיר רק את גל ה- PQRST בטווח תדרים זה וימזער את הרעש. המשוואה למסנן מעבר נמוך מוצגת להלן: fc = 12RC [8] מכיוון שהתדר שנבחר לניתוק היה 50 הרץ, והנגד נבחר להיות 1kΩ, החישובים מניבים ערך קבלים של 0.00000318 F. 50 = 12 * 1000 * ג

המרכיב השלישי בא.ק.ג היה מגבר לא הפוך. זאת כדי להבטיח שהאות יהיה גדול מספיק לפני העברת (פוטנציאל) לממיר אנלוגי לדיגיטלי. הרווח של מגבר שאינו הופך מוצג להלן: A = 1 + R2R1 [9] כמו לפני שהרווח נבחר להיות 50, כדי להגדיל את משרעת האות הסופי. החישובים של הנגד הם כדלקמן, כאשר נגד אחד נבחר להיות 10000Ω, ונותן ערך הנגד שני של 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

כדי לבדוק את הסכימה, ניתוחים בוצעו על כל רכיב ולאחר מכן על הסכימה הכוללת הסופית. הסימולציה השנייה הייתה ניתוח AC, טאטת אוקטבה, עם 100 נקודות לאוקטבה, ועוברת בתדרים 1 עד 1000 הרץ.

שלב 3: תוצאות

לבדיקת המעגל בוצעה טאטת אוקטבה, עם 100 נקודות לאוקטבה, המתחילה בתדר של 1 הרץ, ונמשכת עד לתדר של 1000 הרץ. הקלט היה עקומה סינוסואידית, כדי לייצג את האופי המחזורי של גל הא.ק.ג. היה לו קיזוז DC של 0, משרעת של 1, תדר של 1 הרץ, עיכוב T של 0, תטא (1/s) של 0 ו- phi (deg) של 90. התדירות נקבעה ל -1, שכן ממוצע ניתן להגדיר את קצב הלב בסביבות 60 פעימות לדקה, כלומר 1 הרץ.

כפי שניתן לראות באיור 5, הכחול היה הקלט והאדום היה הפלט. היה בבירור רווח עצום, כפי שנראה לעיל.

מסנן המעבר הנמוך הוגדר ל 50 הרץ, כדי להסיר רעשי קווי מתח ביישום פוטנציאלי של א.ק.ג. מכיוון שזה לא חל כאן כאשר האות קבוע ב- 1 הרץ, הפלט זהה לקלט (איור 6).

הפלט - המוצג בכחול - מוגבר בבירור בהשוואה לקלט, המוצג בירוק. בנוסף, מכיוון שהפסגות והעמקים של עקומות הסינוס תואמות, זה מראה שהמגבר אכן לא היה הפוך (איור 7).

איור 8 מציג את כל הקימורים יחד. הוא מראה בבירור את המניפולציה של האות, היוצא מאות קטן, מוגבר פעמיים ומסנן (אם כי לסינון אין השפעה על האות הספציפי הזה).

באמצעות המשוואות לרווח ולתדירות החיתוך [10, 11], ערכי הניסוי נקבעו מן המגרשים. במסנן המעבר הנמוך הייתה השגיאה הכי קטנה, בעוד ששני המגברים ריחפו עם שגיאה של כ -10% (טבלה 1).

שלב 4: דיון

נראה כי הסכמטי עושה את מה שהוא אמור לעשות. הוא לקח אות נתון, הגביר אותו, ואז סינן אותו ולאחר מכן הגביר אותו שוב. עם זאת, זהו עיצוב "קטן" מאוד, המורכב ממגבר מכשור בלבד, מסנן נמוך לעבור ומסנן שאינו הפוך. לא היה קלט ברור של מקור א.ק.ג ', למרות אינספור שעות גלישה באינטרנט אחר מקור מתאים. לרוע המזל, למרות שזה לא הצליח, גל החטא היה תחליף הולם לאופיו המחזורי של האות.

מקור טעויות בכל הנוגע לערך התיאורטי והערך האמיתי של מסנן הרווח והמעבר הנמוך יכול להיות המרכיבים הנבחרים. מכיוון שלמשוואות שבהן נעשה שימוש יש יחס של ההתנגדויות המתווספות ל- 1, תוך ביצוע החישובים, זו נזנחה. ניתן לעשות זאת אם הנגדים המשמשים גדולים מספיק. בעוד שהנגדים שנבחרו היו גדולים, העובדה שהאחד לא נלקח לחישובים תיצור מרווח טעויות קטן. חוקרים מאוניברסיטת סן חוזה בסן חוזה קליפורניה תכננו א.ק.ג במיוחד לאבחון מחלות לב וכלי דם. הם השתמשו במגבר מכשיר, מסנן גבוה לעבור מסדר ראשון, מילוי נמוך מסוג Bessel פעיל מסדר חמישי, ומסנן חריץ פעיל מסוג Twin-t [6]. הם הגיעו למסקנה כי השימוש בכל המרכיבים הללו הביא להתניות מוצלחות של גל א.ק.ג גולמי מנבדק אנושי. דגם נוסף של מעגל א.ק.ג פשוט שעשה אורלנדו הולט באוניברסיטת פרדו כלל אך ורק מגבר מכשור. הפלט היה ברור ושמיש, אך הומלץ כי עבור יישומים ספציפיים, השינויים יהיו טובים יותר - כלומר מגברים, מסנני פס פס ומסנן חריץ של 60 הרץ להסרת רעשי קווי החשמל. זה מראה שעיצוב של א.ק.ג., למרות שהוא אינו מקיף, אינו השיטה הפשוטה ביותר לקלוט אות א.ק.ג.

שלב 5: עבודה עתידית

עיצוב זה של א.ק.ג ידרוש עוד כמה דברים לפני הכנסתו למכשיר מעשי. ראשית, מסנן החריץ של 60 הרץ הומלץ על ידי מספר מקורות, ומכיוון שלא היה כאן רעש של קו חשמל, הוא לא יושם בסימולציה. עם זאת, ברגע שזה מתורגם למכשיר פיזי, יהיה מועיל להוסיף מסנן חריץ. בנוסף, במקום מסנן ה- low -pass, אולי יעבוד טוב יותר אם יש מסנן פס פס, שיהיה לו שליטה רבה יותר על התדרים שמסננים החוצה. שוב, בסימולציה, סוגיה מסוג זה אינה עולה, אך היא תופיע במכשיר פיזי. לאחר מכן, הא.ק.ג ידרוש ממיר אנלוגי לדיגיטלי, וככל הנראה מכשיר הדומה לפאי פטל כדי לאסוף את הנתונים ולהזרים אותם למחשב לצפייה ושימוש. שיפורים נוספים יהיו הוספה של עוד לידים, אולי החל מ -4 הלידים של האיברים ותסיים את כל 10 הפניות לדיאגרמה של 12 ליבות של הלב. ממשק משתמש טוב יותר יהיה גם מועיל - אולי עם מסך מגע כדי שאנשי מקצוע רפואיים יוכלו לגשת בקלות ולהתמקד בחלקים מסוימים של פלט א.ק.ג.

צעדים נוספים יכללו למידת מכונה והטמעת AI. המחשב אמור להיות מסוגל להזהיר את הצוות הרפואי - ואולי גם את מי שנמצא בסביבה - כי אירעה הפרעת קצב וכדומה. בשלב זה, רופא חייב לבדוק את פלט הא.ק.ג כדי לבצע אבחנה - בעוד טכנאים מאומנים לקרוא אותם, הם אינם יכולים לבצע אבחנה רשמית בשטח. אם לאק ג המשמש את המגיבים הראשונים יש אבחנה מדויקת, זה יכול לאפשר טיפול מהיר יותר. זה חשוב במיוחד באזורים הכפריים, שבהם זה יכול לקחת יותר משעה להגיע לחולה שאינו יכול להרשות לעצמו נסיעה במסוק לבית החולים. השלב הבא יהיה הוספת דפיברילטור למכשיר הא.ק.ג עצמו. לאחר מכן, כאשר הוא מזהה הפרעת קצב, הוא יכול להבין את המתח המתאים להלם ו - בהתחשב בכך שכפות ההלם הונחו - יכול לנסות להחזיר את המטופל לקצב הסינוסים. זה יהיה שימושי במסגרות בית חולים, שבהן המטופלים כבר מחוברים למכונות שונות ואם אין מספיק צוות רפואי כדי לתת טיפול מיידי, מכשיר הלב הכל אחד יכול לדאוג לזה ולחסוך זמן יקר הדרוש להצלת חיים..

שלב 6: מסקנה

בפרויקט זה, מעגל א.ק.ג תוכנן בהצלחה ולאחר מכן הדומה באמצעות LTSpice. הוא כלל מגבר מכשור, מסנן מעבר נמוך ומגבר לא הפוך להתנת האות. הסימולציה הראתה שכל שלושת המרכיבים עובדים בנפרד וגם יחד בשילוב עבור מעגל משולב כולל. למגברים כל רווח של 50, עובדה שאושרה על ידי ההדמיות המופעלות על LTSpice. למסנן המעבר הנמוך היה תדר ניתוק של 50 הרץ, להפחתת רעש מקווי מתח וממצאים מהעור והתנועה. למרות שמדובר במעגל א.ק.ג קטן מאוד, יש הרבה שיפורים שניתן לבצע, עד לתוספת של פילטר או שניים, עד למכשיר לב אחד, שיכול לקחת את הא.ק.ג, לקרוא אותו ו לתת טיפול מיידי.

שלב 7: הפניות

הפניות

[1] "אלקטרוקרדיוגרמה (א.ק.ג או א.ק.ג.)", מרפאת מאיו, 09 באפריל 2020. [באינטרנט]. זמין: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [גישה: 04-דצמבר 2020].

[2] "אלקטרוקרדיוגרמה", המכון הלאומי לריאות הלב ודם. [באינטרנט]. זמין: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [גישה: 04-דצמבר 2020].

[3] א. רנדצו, "המדריך האולטימטיבי למיקום א.ק.ג. (עם איורים)", הכשרה רפואית ראשונית, 11 בנובמבר 2019. [באינטרנט]. זמין: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [גישה: 04-דצמבר 2020].

[4] ג 'ווטפורד, "הבנת סינון א.ק.ג.", EMS 12 Lead, 2014. [Online]. זמין: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [גישה: 04-דצמבר 2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au -Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher ו- AA Armoundas, "טכניקות למידה מכונות חדישות במטרה לשפר את תוצאות המטופל הקשורות למערכת הלב וכלי הדם", כתב העת של איגוד הלב האמריקאי, כרך 9, לא. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, "עיצוב מעגל חיישן א.ק.ג לאבחון מחלות לב וכלי דם", Journal of Biosensors & Bioelectronics, כרך. 2, לא. 4, 2017.

[7] "מחשבון מתח יציאת מגבר מכשור," ncalculators.com. [באינטרנט]. זמין: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [גישה: 04-דצמבר 2020].

[8] "מחשבון מסנני מעבר נמוך", ElectronicBase, 01 באפריל 2019. [באינטרנט]. זמין: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [גישה: 04-דצמבר 2020].

[9] "מגבר תפעולי שאינו הופך-המגבר האופטי הבלתי הפיך", הדרכות בסיסיות לאלקטרוניקה, 06 בנובמבר 2020. [באינטרנט]. זמין: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [גישה: 04-דצמבר 2020].

[10] א 'סנגפיל, "חישוב: הגברה (רווח) ושיכוך (הפסד) כגורם (יחס) לרמה בדציבלים (dB)", מחשבון dB לרווח הגברה וגורם דעיכה (הפסד) של חישוב מגבר אודיו יחס דציבלים dB - sengpielaudio Sengpiel ברלין. [באינטרנט]. זמין: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [גישה: 04-דצמבר 2020].

[11] "מסנן Low Pass-הדרכה מסננת RC פסיבית", הדרכות בסיסיות לאלקטרוניקה, 01-מאי-2020. [באינטרנט]. זמין: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [גישה: 04-דצמבר 2020].

[12] O. H. Instructables, "מעגל אלקטרוקרדיוגרם סופר פשוט (ECG)", הוראות, 02-Apr-2018. [באינטרנט]. זמין: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [גישה: 04-דצמבר 2020].

[13] ברנט קורנל, "אלקטרוקרדיוגרפיה", ביונינג'ה. [באינטרנט]. זמין: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [גישה: 04-דצמבר 2020].