ECG ya moyo: Hatua 7

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:48

Kikemikali

ECG, au electrocardiogram, ni kifaa cha matibabu kinachotumiwa sana kurekodi ishara za umeme za moyo. Ni rahisi kutengeneza katika fomu ya msingi zaidi, lakini kuna nafasi nyingi ya ukuaji. Kwa mradi huu, ECG ilitengenezwa na kuigwa kwenye LTSpice. ECG ilikuwa na vifaa vitatu: kifaa cha kuongeza vifaa, kichujio cha kupitisha chini, na mwishowe, kipaza sauti kisichobadilisha. Hii ilikuwa kuhakikisha kuwa kuna faida ya kutosha inayokuja kutoka kwa chanzo dhaifu cha biosignal, na pia kichujio ili kuondoa kelele kwenye mzunguko. Uigaji ulionyesha kuwa kila sehemu ya mzunguko ilifanya vizuri, kama vile mzunguko uliounganishwa na vifaa vyote vitatu. Hii inaonyesha kuwa hii ni njia inayofaa ya kuunda mzunguko wa ECG. Kisha tukachunguza uwezekano mkubwa wa maboresho kwa ECG.

Hatua ya 1: Utangulizi / Usuli

ECG au electrocardiogram hutumiwa kurekodi ishara za umeme za moyo. Ni kawaida sana na jaribio lisilo na uchungu hutumiwa kugundua shida za moyo na kufuatilia afya ya moyo. Zinatekelezwa katika ofisi za daktari - ama zahanati au vyumba vya hospitali na ni mashine za kawaida katika vyumba vya upasuaji na gari za wagonjwa [1]. Wanaweza kuonyesha jinsi moyo unavyopiga kasi, ikiwa densi ni ya kawaida au la, pamoja na nguvu na wakati wa msukumo wa umeme unaopitia sehemu tofauti za moyo. Karibu elektroni 12 (au chache) zimeambatanishwa kwenye ngozi kwenye kifua, mikono, na miguu na zimeunganishwa na mashine inayosoma msukumo na kuziandika [2]. ECG inayoongoza kumi na mbili ina elektroni 10 (kutoa jumla ya maoni 12 ya moyo). Kuongoza 4 huenda kwenye miguu na miguu. Mbili kwenye mikono, na mbili kwenye vifundoni. Mwongozo 6 wa mwisho huenda kwenye kiwiliwili. V1 huenda kwenye nafasi ya 4 ya kati ya kulia kwa sternum, wakati V2 iko kwenye mstari huo huo, lakini kushoto kwa sternum. V3 imewekwa katikati kati ya V2 na V4, V5 huenda kwenye mstari wa axillary wa nje kwa kiwango sawa na V4 na V6 kwenda kwenye mstari wa midaxillary kwa kiwango sawa [3].

Lengo la mradi huu ni kubuni, kuiga, na kudhibitisha kifaa cha upatikanaji wa ishara ya analog - katika kesi hii, elektrokardiogram. Kwa kuwa kiwango cha wastani cha moyo kiko 72, lakini wakati wa kupumzika inaweza kwenda chini kama 90, wastani anaweza kuzingatiwa kwa karibu 60 bpm, ikitoa mzunguko wa msingi wa 1Hz kwa kiwango cha moyo. Kiwango cha moyo kinaweza kuanzia 0.67 hadi 5 Hz (40 hadi 300 bpm). Kila ishara ina wimbi ambalo linaweza kuitwa kama P, tata ya QRS, na sehemu ya T kwa wimbi. Wimbi la P linaendesha karibu 0.67-5 Hz, tata ya QRS iko karibu 10-50 Hz, na wimbi la T ni karibu 1 - 7 Hz [4]. Hali ya sasa ya sanaa ya ECG ina ujifunzaji wa mashine [5], ambapo arrhythmias na zingine zinaweza kuainishwa na mashine yenyewe. Kwa kurahisisha, ECG hii itakuwa na elektroni mbili tu - chanya na hasi.

Hatua ya 2: Mbinu na Vifaa

Kuanza muundo, kompyuta ilitumika kwa utafiti na modeli. Programu iliyotumiwa ilikuwa LTSpice. Kwanza, kubuni muundo wa ECG ya analog, utafiti ulifanywa ili kuona ni nini miundo ya sasa na jinsi ya kutekeleza vizuri hizo katika muundo wa riwaya. Vyanzo vyote vilianza na kifaa cha kuongeza vifaa kuanza. Inachukua pembejeo mbili - kutoka kwa kila elektroni. Baada ya hapo, kichujio cha kupitisha cha chini kilichaguliwa kuondoa ishara juu ya 50 Hz, kwani kelele ya laini ya umeme inakuja karibu 50-60 Hz [6]. Baada ya hapo, kulikuwa na kipaza sauti kisichobadilisha kuongeza ishara, kwani biosignals ni ndogo sana.

Sehemu ya kwanza ilikuwa amplifier ya vifaa. Inayo pembejeo mbili, moja ya chanya na moja ya elektroni hasi. Amplifier ya vifaa ilitumika haswa kulinda mzunguko kutoka kwa ishara inayoingia. Kuna aina tatu za op-amps na vipinga 7. Vipinga vyote lakini R4 (Rgain) ni ya upinzani sawa. Faida ya kipaza sauti cha vifaa inaweza kudanganywa na equation ifuatayo: A = 1 + (2RRain) [7] Faida ilichaguliwa kuwa 50 kwani biosignals ni ndogo sana. Vipinga vilichaguliwa kuwa kubwa kwa urahisi wa matumizi. Hesabu basi hufuata seti hii ya hesabu ili kutoa R = 5000Ω na Pata = 200Ω. 50 = 1 + (2Pata tena) 50 2 * 5000200

Sehemu inayofuata iliyotumiwa ilikuwa kichujio cha kupitisha cha chini, kuondoa masafa zaidi ya 50 Hz, ambayo itaweka wimbi la PQRST katika masafa haya na kupunguza kelele. Mlinganyo wa kichujio cha pasi cha chini umeonyeshwa hapa chini: fc = 12RC [8] Kwa kuwa masafa yaliyochaguliwa kukatwa yalikuwa 50 Hz, na kontena ilichaguliwa kuwa 1kΩ, mahesabu hutoa thamani ya capacitor ya 0.00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Sehemu ya tatu katika ECG ilikuwa kipaza sauti kisichobadilisha. Hii ni kuhakikisha kuwa ishara ni kubwa ya kutosha kabla (ikiwezekana) kuhamishiwa kwa analog kwa kibadilishaji cha dijiti. Faida ya kipaza sauti kisichobadilika imeonyeshwa hapa chini: A = 1 + R2R1 [9] Kama kabla ya faida ilichaguliwa kuwa 50, kuongeza ukubwa wa ishara ya mwisho. Mahesabu ya kontena ni kama ifuatavyo, na kontena moja iliyochaguliwa kuwa 10000Ω, ikitoa thamani ya pili ya kupinga ya 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Ili kujaribu skimu, uchambuzi uliendeshwa kwa kila sehemu na kisha kwenye skimu ya mwisho. Uigaji wa pili ulikuwa uchambuzi wa AC, kufagia octave, na alama 100 kwa octave, na kukimbia kupitia masafa 1 hadi 1000 Hz.

Hatua ya 3: Matokeo

Ili kujaribu mzunguko, kufagia octave kulifanywa, na alama 100 kwa octave, kuanzia na masafa ya 1 Hz, na kwenda hadi masafa ya 1000 Hz. Uingizaji ulikuwa pembe ya sinusoidal, kuwa uwakilishi wa asili ya mzunguko wa wimbi la ECG. Ilikuwa na kukabiliana na DC ya 0, amplitude ya 1, frequency ya 1 Hz, T kuchelewa kwa 0, theta (1 / s) ya 0, na phi (deg) ya 90. Marudio yalikuwa 1, kwani wastani mapigo ya moyo yanaweza kuwekwa kwa karibu 60 bpm, ambayo ni 1 Hz.

Kama inavyoonekana katika Kielelezo 5, bluu ilikuwa pembejeo na nyekundu ilikuwa pato. Kulikuwa na faida kubwa, kama inavyoonekana hapo juu.

Kichujio cha kupitisha cha chini kiliwekwa hadi 50 Hz, ili kuondoa kelele ya laini ya umeme katika programu inayowezekana ya ECG. Kwa kuwa hiyo haitumiki hapa ambapo ishara iko mara kwa mara kwa 1 Hz, pato ni sawa na pembejeo (Kielelezo 6).

Pato - lililoonyeshwa kwa rangi ya samawati - linaonyeshwa wazi ikilinganishwa na pembejeo, iliyoonyeshwa kwa kijani kibichi. Kwa kuongezea, kwa vile vilele na mabonde ya sine curves yanafanana, hii inaonyesha kuwa kipaza sauti hakika haikuwa inverting (Kielelezo 7).

Kielelezo 8 kinaonyesha curve zote pamoja. Inaonyesha wazi ujanja wa ishara, ikitoka kwa ishara ndogo, ikakuzwa mara mbili, na kuchujwa (ingawa uchujaji hauna athari kwenye ishara hii maalum).

Kutumia hesabu kwa faida na masafa ya kukata [10, 11], maadili ya majaribio yalidhamiriwa kutoka kwa viwanja. Kichujio cha kupitisha cha chini kilikuwa na hitilafu ndogo, wakati viboreshaji vyote vilikuwa na hitilafu ya karibu 10% (Jedwali 1).

Hatua ya 4: Majadiliano

Inaonekana kwamba schematic inafanya kile inachotakiwa kufanya. Ilichukua ishara fulani, ikaongeza, kisha ikaichuja, na kisha ikaiongezea tena. Hiyo inasemwa, ni muundo "mdogo" sana, unaojumuisha kipaza sauti tu cha vifaa, kichujio cha pasi cha chini, na kichungi kisichobadilisha. Hakukuwa na maoni wazi ya chanzo cha ECG, licha ya masaa mengi kutumia wavuti kupata chanzo sahihi. Kwa bahati mbaya, wakati hiyo haikufanikiwa, wimbi la dhambi lilikuwa mbadala inayofaa kwa hali ya mzunguko wa ishara.

Chanzo cha makosa linapokuja nadharia na thamani halisi ya faida na kichujio cha kupitisha cha chini inaweza kuwa vifaa vichaguliwa. Kwa kuwa hesabu zinazotumiwa zina uwiano wa upinzani ulioongezwa kwa 1, wakati wa kufanya mahesabu, hii ilipuuzwa. Hii inaweza kufanywa kwa hivyo ikiwa vizuia kutumika ni kubwa vya kutosha. Wakati wapinzani waliochaguliwa walikuwa wakubwa, ukweli kwamba ile haikuchukuliwa kwa mahesabu itaunda kiwango kidogo cha makosa. Watafiti katika Chuo Kikuu cha Jimbo la San Jose huko San Jose CA walitengeneza ECG haswa kwa utambuzi wa ugonjwa wa moyo na mishipa. Walitumia kipaza sauti cha vifaa, 1 kichujio cha kupitisha cha juu cha kufanya kazi, agizo la 5 la Bessel ya chini ya kujaza, na kichujio cha noti cha kazi cha mapacha [6]. Walihitimisha kuwa utumiaji wa vifaa hivi vyote ulisababisha kufanikiwa kwa wimbi mbichi la ECG kutoka kwa somo la mwanadamu. Mfano mwingine wa mzunguko rahisi wa ECG uliofanywa na Orlando Hoilett katika Chuo Kikuu cha Purdue ulikuwa na kipaza sauti tu. Pato lilikuwa wazi na linatumika, lakini ilipendekezwa kuwa kwa matumizi maalum, mabadiliko yatakuwa bora - ambayo ni amplifiers, vichungi vya bandpass, na kichujio cha noti 60 Hz kuondoa kelele ya laini ya umeme. Hii inaonyesha kuwa muundo huu wa ECG, ingawa haujumuishi yote, sio njia rahisi zaidi ya kuchukua ishara ya ECG.

Hatua ya 5: Kazi ya Baadaye

Ubunifu huu wa ECG utahitaji vitu vichache zaidi kabla ya kuwekwa kwenye kifaa cha vitendo. Kwa moja, kichungi cha noti cha 60 Hz kilipendekezwa na vyanzo kadhaa, na kwa kuwa hakukuwa na kelele ya laini ya umeme ya kushughulikia hapa, haikutekelezwa katika masimulizi. Hiyo inasemwa, mara tu hii ikitafsiriwa kwa kifaa halisi, itakuwa faida kuongeza kichujio cha notch. Kwa kuongezea, badala ya kichujio cha kupitisha cha chini, inaweza kufanya kazi vizuri kuwa na kichungi cha bandwidth, kuwa na udhibiti zaidi wa masafa ambayo yanachujwa. Tena, katika uigaji, toleo la aina hii haliji, lakini itaonekana kwenye kifaa cha mwili. Baada ya hayo, ECG ingehitaji analog kwa kibadilishaji cha dijiti, na uwezekano wa kifaa sawa na pi ya raspberry kukusanya data na kuirusha kwa kompyuta ili kuitazama na kuitumia. Maboresho zaidi yatakuwa kuongezewa miongozo zaidi, labda kwa kuanzia na viungo 4 vya viungo na kuhitimu kwa risasi zote 10 kwa mchoro 12 wa kuongoza wa moyo. Kiolesura bora cha mtumiaji pia kitakuwa na faida - labda na skrini ya kugusa kwa wataalamu wa matibabu ili kuweza kupata kwa urahisi na kuzingatia sehemu fulani za pato la ECG.

Hatua zaidi zingehusisha ujifunzaji wa mashine na utekelezaji wa AI. Kompyuta inapaswa kuwa na uwezo wa kuarifu wafanyikazi wa matibabu - na labda wale walio karibu - kwamba arrhythmia au kama hiyo imetokea. Kwa wakati huu, daktari lazima apitie pato la ECG ili kufanya uchunguzi - wakati mafundi wamefundishwa kuzisoma, hawawezi kufanya utambuzi rasmi nje ya uwanja. Ikiwa ECGs ambazo hutumiwa na wajibuji wa kwanza wana utambuzi sahihi, inaweza kuruhusu matibabu ya haraka. Hii ni muhimu sana katika maeneo ya vijijini, ambapo inaweza kuchukua zaidi ya saa kupata mgonjwa ambaye hana uwezo wa kusafiri kwa helikopta kwenda hospitalini. Hatua inayofuata itakuwa inaongeza kiboreshaji kwenye mashine ya ECG yenyewe. Halafu, inapogundua arrhythmia, inaweza kugundua voltage inayofaa kwa mshtuko na - ikizingatiwa kuwa pedi za mshtuko zimewekwa - zinaweza kujaribu kumrudisha mgonjwa kwenye densi ya sinus. Hii itakuwa muhimu katika mipangilio ya hospitali, ambapo wagonjwa tayari wameunganishwa na mashine anuwai na ikiwa hakuna wafanyikazi wa matibabu wa kutosha kutoa huduma mara moja, wote katika mashine moja ya moyo wanaweza kuitunza, kuokoa wakati wa thamani unaohitajika kuokoa maisha.

Hatua ya 6: Hitimisho

Katika mradi huu, mzunguko wa ECG ulibuniwa kwa mafanikio na kisha kuigwa kwa kutumia LTSpice. Ilikuwa na kipaza sauti cha vifaa, kichujio cha kupitisha cha chini, na kipaza sauti kisichoingiza ili kuweka ishara. Uigaji ulionyesha kuwa vifaa vyote vitatu vilifanya kazi kivyake na pia kwa pamoja wakati vimejumuishwa kwa jumla ya mzunguko uliounganishwa. Amplifiers kila mmoja alikuwa na faida ya 50, ukweli uliothibitishwa na uigaji unaoendeshwa na LTSpice. Kichujio cha kupitisha cha chini kilikuwa na mzunguko wa cutoff wa 50 Hz, ili kupunguza kelele kutoka kwa laini za umeme na mabaki kutoka kwa ngozi na harakati. Ingawa huu ni mzunguko mdogo sana wa ECG, kuna maboresho mengi ambayo yanaweza kufanywa, kwenda mbali kutoka kwa kichungi au mbili, hadi kwa mashine moja ya moyo inayoweza kuchukua ECG, kuisoma, na kutoa matibabu ya haraka.

Hatua ya 7: Marejeleo

Marejeo

[1] "Electrocardiogram (ECG au EKG)," Kliniki ya Mayo, 09-Apr-2020. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Iliyopatikana: 04-Des-2020].

[2] "Electrocardiogram," Mapafu ya Kitaifa ya Moyo na Taasisi ya Damu. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Iliyopatikana: 04-Des-2020].

[3] A. Randazzo, "Mwongozo wa Mwisho wa Kuongoza kwa ECG 12 (Pamoja na Vielelezo)," Mafunzo ya Tiba Kuu, 11-Nov-2019. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Iliyopatikana: 04-Des-2020].

[4] C. Watford, "Kuelewa Kuchuja kwa ECG," Kiongozi wa EMS 12, 2014. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Iliyopatikana: 04-Des-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher, na AA Armoundas, "Jimbo ‐ la Tech Mbinu za Kujifunza Mashine za Sanaa Zinazolenga Kuboresha Matokeo ya Wagonjwa Yanayohusu Mfumo wa Moyo na Mishipa," Jarida la Jumuiya ya Moyo ya Amerika, vol. 9, hapana. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, "Ubunifu wa Mzunguko wa Sensorer ya ECG ya Utambuzi wa Magonjwa ya Mishipa ya Moyo," Jarida la Kimataifa la Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, hapana. 4, 2017.

[7] "Kifaa cha Amplifier Amplifier Calculator ya Pato," ncalculators.com. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Iliyopatikana: 04-Des-2020].

[8] "Mahesabu ya Kichujio cha Pasaka cha Chini," ElectronicBase, 01-Apr-2019. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Iliyopatikana: 04-Des-2020].

[9] "Amplifier ya Utendaji isiyobadilisha - Op-amp isiyobadilisha," Mafunzo ya Msingi ya Elektroniki, 06-Nov-2020. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Iliyopatikana: 04-Des-2020].

[10] E. Sengpiel, "Hesabu: Kuongeza (faida) na kupunguza unyevu (upotezaji) kama sababu (uwiano) kwa kiwango cha decibel (dB)," kikokotoo cha dB cha faida ya kukuza na kupunguza (kupoteza) sababu ya hesabu ya kipaza sauti uwiano wa db decibel - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Iliyopatikana: 04-Des-2020].

[11] "Kichujio cha Pass Pass - Mafunzo ya Kichujio cha Passive RC," Mafunzo ya Msingi ya Elektroniki, 01-Mei-2020. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Iliyopatikana: 04-Des-2020].

[12] O. H. Instructables, "Mzunguko Mzuri wa Electrocardiogram (ECG)," Maagizo, 02-Apr-2018. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Iliyopatikana: 04-Des-2020].

[13] Brent Cornell, "Electrocardiography," BioNinja. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Iliyopatikana: 04-Des-2020].