Een hartverwarmend ECG: 7 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Abstract

Een ECG of elektrocardiogram is een veelgebruikt medisch apparaat dat wordt gebruikt om de elektrische signalen van het hart vast te leggen. Ze zijn eenvoudig te maken in de meest eenvoudige vorm, maar er is voldoende ruimte voor groei. Voor dit project is een ECG ontworpen en gesimuleerd op LTSpice. Het ECG had drie componenten: een instrumentatieversterker, een laagdoorlaatfilter en ten slotte een niet-inverterende versterker. Dit was om ervoor te zorgen dat er voldoende versterking binnenkwam van een relatief zwakke bron van een biosignaal, evenals een filter om ruis in het circuit te verwijderen. De simulaties toonden aan dat elk onderdeel van de schakeling succesvol presteerde, evenals een totale geïntegreerde schakeling met alle drie de componenten. Dit toont aan dat dit een haalbare manier is om een ECG-circuit te creëren. Vervolgens hebben we het enorme potentieel voor verbeteringen aan het ECG onderzocht.

Stap 1: Inleiding/achtergrond

Een ECG of elektrocardiogram wordt gebruikt om de elektrische signalen van het hart vast te leggen. Het is vrij gebruikelijk en een pijnloze test die wordt gebruikt om hartproblemen op te sporen en de gezondheid van het hart te bewaken. Ze worden uitgevoerd in dokterspraktijken - klinieken of ziekenhuiskamers en zijn standaardmachines in operatiekamers en ambulances [1]. Ze kunnen laten zien hoe snel het hart klopt, of het ritme regelmatig is of niet, evenals de sterkte en timing van de elektrische impulsen die door de verschillende delen van het hart gaan. Ongeveer 12 elektroden (of minder) zijn bevestigd aan de huid op de borst, armen en benen en zijn verbonden met een machine die de impulsen leest en grafieken maakt [2]. Een twaalf-leads ECG heeft 10 elektroden (om in totaal 12 beelden van het hart te geven). De 4-draads gaat op de ledematen. Twee op de polsen en twee op de enkels. De laatste 6 leads gaan op de romp. V1 gaat op de 4e intercostale ruimte rechts van het borstbeen, terwijl V2 zich op dezelfde lijn bevindt, maar aan de linkerkant van het borstbeen. V3 wordt halverwege tussen V2 en V4 geplaatst, V5 gaat op de anterieure oksellijn op hetzelfde niveau als V4 en V6 gaat op de midaxillaire lijn op hetzelfde niveau [3].

Het doel van dit project is het ontwerpen, simuleren en verifiëren van een analoog signaalacquisitieapparaat - in dit geval een elektrocardiogram. Aangezien de gemiddelde hartslag 72 is, maar in rust tot 90 kan dalen, kan de mediaan worden beschouwd als ongeveer 60 bpm, wat een fundamentele frequentie van 1 Hz voor de hartslag oplevert. De hartslag kan variëren van ongeveer 0,67 tot 5 Hz (40 tot 300 bpm). Elk signaal bestaat uit een golf die kan worden aangeduid als P, QRS-complex en een T-gedeelte van de golf. De P-golf loopt op ongeveer 0,67 - 5 Hz, het QRS-complex op ongeveer 10-50 Hz en de T-golf op ongeveer 1 - 7 Hz [4]. De huidige ultramoderne ECG's hebben machine learning [5], waarbij aritmieën en dergelijke door de machine zelf kunnen worden geclassificeerd. Ter vereenvoudiging heeft dit ECG slechts twee elektroden - een positieve en een negatieve.

Stap 2: Methoden en materialen

Om met het ontwerp te beginnen, werd een computer gebruikt voor zowel onderzoek als modellering. De gebruikte software was LTSpice. Om het schema voor het analoge ECG te ontwerpen, is eerst onderzocht wat de huidige ontwerpen zijn en hoe deze het beste kunnen worden geïmplementeerd in een nieuw ontwerp. Vrijwel alle bronnen begonnen met een instrumentatieversterker om te beginnen. Het neemt twee ingangen in - van elk van de elektroden. Daarna is gekozen voor een laagdoorlaatfilter om signalen boven de 50 Hz te verwijderen, aangezien de ruis van het elektriciteitsnet rond de 50-60 Hz ligt [6]. Daarna was er een niet-inverterende versterker om het signaal te versterken, aangezien biosignalen vrij klein zijn.

Het eerste onderdeel was de instrumentatieversterker. Het heeft twee ingangen, een voor de positieve en een voor de negatieve elektrode. De instrumentatieversterker werd specifiek gebruikt om het circuit te beschermen tegen het binnenkomende signaal. Er zijn drie universele op-amps en 7 weerstanden. Alle weerstanden behalve R4 (Rgain) hebben dezelfde weerstand. De versterking van een instrumentatieversterker kan worden gemanipuleerd met de volgende vergelijking: A = 1 + (2RRgain) [7] De versterking werd gekozen op 50 omdat biosignalen erg klein zijn. De weerstanden zijn groter gekozen vanwege het gebruiksgemak. De berekeningen volgen dan deze reeks vergelijkingen om R = 5000Ω en Rgain = 200Ω te geven. 50 = 1 + (2RRversterking) 50 2 * 5000200

De volgende component die werd gebruikt, was een laagdoorlaatfilter, om frequenties boven 50 Hz te verwijderen, waardoor alleen de PQRST-golf in dit frequentiebereik blijft en ruis wordt geminimaliseerd. De vergelijking voor een laagdoorlaatfilter wordt hieronder weergegeven: fc= 12RC[8] Aangezien de gekozen afsnijfrequentie 50 Hz was en de weerstand werd gekozen op 1kΩ, leveren de berekeningen een condensatorwaarde op van 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

De derde component in het ECG was een niet-inverterende versterker. Dit is om ervoor te zorgen dat het signaal groot genoeg is voordat het (mogelijk) wordt overgebracht naar een analoog naar digitaal omzetter. De versterking van een niet-inverterende versterker wordt hieronder weergegeven: A = 1 + R2R1[9] Zoals eerder werd de versterking gekozen op 50, om de amplitude van het uiteindelijke signaal te vergroten. De berekeningen voor de weerstand zijn als volgt, waarbij één weerstand is gekozen op 10000Ω, wat een tweede weerstandswaarde van 200Ω oplevert. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Om het schema te testen, werden analyses uitgevoerd op elk onderdeel en vervolgens op het uiteindelijke algemene schema. De tweede simulatie was een AC-analyse, een octaafzwaai, met 100 punten per octaaf, en liep door frequenties 1 tot en met 1000 Hz.

Stap 3: Resultaten

Om de schakeling te testen, werd een octaafzwaai uitgevoerd, met 100 punten per octaaf, beginnend met een frequentie van 1 Hz tot een frequentie van 1000 Hz. De invoer was een sinusvormige curve, om een weergave te zijn van de cyclische aard van de ECG-golf. Het had een DC-offset van 0, amplitude van 1, frequentie van 1 Hz, T-vertraging van 0, theta (1/s) van 0 en phi (deg) van 90. De frequentie was ingesteld op 1, aangezien een gemiddelde hartslag kan worden ingesteld op ongeveer 60 bpm, wat 1 Hz is.

Zoals te zien is in figuur 5, was de blauwe de invoer en de rode de uitvoer. Er was duidelijk een enorme winst, zoals hierboven te zien is.

Het laagdoorlaatfilter was ingesteld op 50 Hz om ruis van de stroomleiding in een mogelijke ECG-toepassing te verwijderen. Aangezien dat hier niet van toepassing is waar het signaal constant is op 1 Hz, is de uitgang hetzelfde als de ingang (Figuur 6).

De output - weergegeven in blauw - wordt duidelijk versterkt in vergelijking met de ingang, weergegeven in groen. Bovendien, aangezien de pieken en dalen van de sinuscurven overeenkomen, toont dit aan dat de versterker inderdaad niet-inverterend was (Figuur 7).

Figuur 8 toont alle curven samen. Het toont duidelijk de manipulatie van het signaal, gaande van een klein signaal, twee keer versterkt en gefilterd (hoewel de filtratie geen effect heeft op dit specifieke signaal).

Met behulp van de vergelijkingen voor versterking en afsnijfrequentie [10, 11] werden de experimentele waarden bepaald uit de plots. Het laagdoorlaatfilter had de minste fout, terwijl beide versterkers zweefden met een fout van ongeveer 10% (tabel 1).

Stap 4: Discussie

Het lijkt erop dat het schema doet wat het moet doen. Het nam een bepaald signaal, versterkte het, filterde het en versterkte het weer. Dat gezegd hebbende, het is een heel 'klein' ontwerp, bestaande uit alleen een instrumentatieversterker, laagdoorlaatfilter en een niet-inverterend filter. Er was geen duidelijke invoer van een ECG-bron, ondanks talloze uren surfen op het web naar een goede bron. Helaas, hoewel dat niet werkte, was de zondegolf een geschikte vervanging voor de cyclische aard van het signaal.

Een bron van fouten als het gaat om de theoretische en de werkelijke waarde van het versterkings- en laagdoorlaatfilter zouden de gekozen componenten kunnen zijn. Omdat de gebruikte vergelijkingen een verhouding van de weerstanden hebben die bij de berekeningen zijn opgeteld, werd deze verwaarloosd. Dit kan dus als de gebruikte weerstanden groot genoeg zijn. Hoewel de gekozen weerstanden groot waren, zal het feit dat deze niet in de berekeningen is meegenomen, een kleine foutenmarge opleveren. Onderzoekers van de San Jose State University in San Jose CA ontwierpen een ECG speciaal voor de diagnose van hart- en vaatziekten. Ze gebruikten een instrumentversterker, 1e orde actieve hoogdoorlaatfilter, 5e orde actieve Bessel laagdoorlaatvuller en een twin-t actieve inkepingsfilter [6]. Ze concludeerden dat het gebruik van al deze componenten resulteerde in de succesvolle conditionering van een onbewerkte ECG-golf van een menselijke proefpersoon. Een ander model van een eenvoudig ECG-circuit, gemaakt door Orlando Hoilett van de Purdue University, bestond uitsluitend uit een instrumentatieversterker. De output was duidelijk en bruikbaar, maar er werd aanbevolen dat voor specifieke toepassingen veranderingen beter zouden zijn - namelijk versterkers, banddoorlaatfilters en een 60 Hz notch-filter om ruis van de stroomkabel te verwijderen. Dit toont aan dat dit ontwerp van een ECG, hoewel niet allesomvattend, niet de meest eenvoudige methode is om een ECG-signaal op te nemen.

Stap 5: Toekomstig werk

Voor dit ontwerp van een ECG zijn nog een paar dingen nodig voordat het in een praktisch apparaat kan worden verwerkt. Ten eerste werd het 60 Hz notch-filter aanbevolen door verschillende bronnen, en aangezien er hier geen stroomkabelruis was, werd het niet in de simulatie geïmplementeerd. Dat gezegd hebbende, als dit eenmaal is vertaald naar een fysiek apparaat, zou het nuttig zijn om een notch-filter toe te voegen. Bovendien kan het in plaats van het laagdoorlaatfilter beter werken om een banddoorlaatfilter te hebben, om meer controle te hebben over de frequenties die worden uitgefilterd. Nogmaals, in de simulatie komt dit soort problemen niet naar voren, maar het zou op een fysiek apparaat verschijnen. Hierna zou het ECG een analoog-naar-digitaal-omzetter nodig hebben, en waarschijnlijk een apparaat dat lijkt op een Raspberry Pi om de gegevens te verzamelen en naar een computer te streamen om ze te bekijken en te gebruiken. Verdere verbeteringen zouden de toevoeging van meer afleidingen zijn, misschien beginnend met de 4 ledematenafleidingen en oplopend tot alle 10 afleidingen voor een 12-afleidingendiagram van het hart. Een betere gebruikersinterface zou ook nuttig zijn - misschien met een touchscreen voor medische professionals om gemakkelijk toegang te krijgen tot en zich te concentreren op bepaalde delen van een ECG-uitvoer.

Verdere stappen zijn onder meer machine learning en AI-implementatie. De computer moet medisch personeel - en mogelijk de omgeving - kunnen waarschuwen dat er een aritmie of iets dergelijks is opgetreden. Op dit punt moet een arts een ECG-uitvoer beoordelen om een diagnose te stellen - terwijl technici zijn opgeleid om ze te lezen, kunnen ze in het veld geen officiële diagnose stellen. Als de ECG's die worden gebruikt door first responders een nauwkeurige diagnose hebben, kan dit een snellere behandeling mogelijk maken. Dit is vooral belangrijk in landelijke gebieden, waar het meer dan een uur kan duren om een patiënt die zich geen helikoptervlucht kan veroorloven naar het ziekenhuis te krijgen. De volgende stap is het toevoegen van een defibrillator aan het ECG-apparaat zelf. Wanneer het vervolgens een aritmie detecteert, kan het de juiste spanning voor een schok bepalen en - gegeven het feit dat de schokkussens zijn geplaatst - proberen de patiënt weer in het sinusritme te krijgen. Dit zou handig zijn in ziekenhuisomgevingen, waar patiënten al zijn aangesloten op verschillende machines en als er niet genoeg medisch personeel is om onmiddellijk zorg te verlenen, kan de alles-in-één hartmachine ervoor zorgen, waardoor kostbare tijd wordt bespaard die nodig is om een leven te redden.

Stap 6: Conclusie

In dit project is met succes een ECG-circuit ontworpen en vervolgens gesimuleerd met LTSpice. Het bestond uit een instrumentatieversterker, een laagdoorlaatfilter en een niet-inverterende versterker om het signaal te conditioneren. De simulatie toonde aan dat alle drie de componenten zowel afzonderlijk als samen werkten wanneer ze werden gecombineerd voor een totale geïntegreerde schakeling. De versterkers hadden elk een versterking van 50, een feit dat bevestigd werd door de simulaties die op LTSpice werden uitgevoerd. Het laagdoorlaatfilter had een afsnijfrequentie van 50 Hz, om ruis van hoogspanningsleidingen en artefacten van de huid en beweging te verminderen. Hoewel dit een heel klein ECG-circuit is, zijn er tal van verbeteringen die kunnen worden aangebracht, gaande van de toevoeging van een of twee filters tot een alles-in-één hartmachine die het ECG kan opnemen, lezen en onmiddellijke behandeling geven.

Stap 7: Referenties

Referenties

[1] "Elektrocardiogram (ECG of ECG), " Mayo Clinic, 09-apr-2020. [Online]. Beschikbaar: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Betreden: 04-dec-2020].

[2] "Elektrocardiogram", National Heart Lung and Blood Institute. [Online]. Beschikbaar: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Betreden: 04-dec-2020].

[3] A. Randazzo, "The Ultimate 12-lead ECG Placement Guide (met illustraties), " Prime Medical Training, 11-nov-2019. [Online]. Beschikbaar: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Betreden: 04-dec-2020].

[4] C. Watford, "ECG-filtering begrijpen", EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Beschikbaar: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Betreden: 04-dec-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au‐Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher en AA Armoundas, "State-of-the-Art Machine Learning Techniques gericht op het verbeteren van patiëntresultaten met betrekking tot het cardiovasculaire systeem", Journal of the American Heart Association, vol. 9, nee. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, "Ontwerp van een ECG-sensorschakeling voor de diagnose van hart- en vaatziekten", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, nee. 4, 2017.

[7] "Instrumentatieversterker uitgangsspanningscalculator", ncalculators.com. [Online]. Beschikbaar: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Betreden: 04-dec-2020].

[8] "Laagdoorlaatfiltercalculator", ElectronicBase, 01-apr-2019. [Online]. Beschikbaar: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Betreden: 04-dec-2020].

[9] "Niet-inverterende operationele versterker - de niet-inverterende op-amp", Basic Electronics Tutorials, 06-nov-2020. [Online]. Beschikbaar: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Betreden: 04-dec-2020].

[10] E. Sengpiel, "Berekening: versterking (versterking) en demping (verlies) als factor (verhouding) tot het niveau in decibel (dB)", dB-calculator voor versterkingsversterking en dempingsfactor (verlies) van een berekening van een audioversterker decibel dB-verhouding - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Online]. Beschikbaar: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Betreden: 04-dec-2020].

[11]“Low Pass Filter - Passieve RC Filter Tutorial,” Basis Elektronica Tutorials, 01-mei-2020. [Online]. Beschikbaar: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Betreden: 04-dec-2020].

[12] O. H. Instructables, "Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit", Instructables, 02-apr-2018. [Online]. Beschikbaar: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Betreden: 04-dec-2020].

[13] Brent Cornell, "Elektrocardiografie", BioNinja. [Online]. Beschikbaar: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Betreden: 04-dec-2020].