Ein herzliches EKG - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Abstrakt

Ein EKG oder Elektrokardiogramm ist ein häufig verwendetes medizinisches Gerät, das verwendet wird, um die elektrischen Signale des Herzens aufzuzeichnen. Sie sind in der einfachsten Form einfach herzustellen, aber es gibt viel Raum für Wachstum. Für dieses Projekt wurde ein EKG entworfen und auf LTSpice simuliert. Das EKG hatte drei Komponenten: einen Instrumentenverstärker, einen Tiefpassfilter und schließlich einen nicht invertierenden Verstärker. Dies sollte sicherstellen, dass von einer relativ schwachen Quelle eines Biosignals genug Verstärkung eingeht, sowie ein Filter, um Rauschen in der Schaltung zu entfernen. Die Simulationen zeigten, dass jede Komponente der Schaltung erfolgreich funktionierte, ebenso wie eine integrierte Gesamtschaltung mit allen drei Komponenten. Dies zeigt, dass dies ein praktikabler Weg ist, um einen EKG-Kreis zu erstellen. Anschließend haben wir das enorme Verbesserungspotenzial des EKGs erkundet.

Schritt 1: Einführung/Hintergrund

Ein EKG oder Elektrokardiogramm wird verwendet, um die elektrischen Signale des Herzens aufzuzeichnen. Es ist ziemlich häufig und ein schmerzloser Test, der verwendet wird, um Herzprobleme zu erkennen und die Herzgesundheit zu überwachen. Sie werden in Arztpraxen – entweder Kliniken oder Krankenzimmern – durchgeführt und sind Standardgeräte in Operationssälen und Krankenwagen [1]. Sie können zeigen, wie schnell das Herz schlägt, ob der Rhythmus regelmäßig ist oder nicht, sowie die Stärke und das Timing der elektrischen Impulse, die durch die verschiedenen Teile des Herzens gehen. Etwa 12 Elektroden (oder weniger) werden an der Haut an Brust, Armen und Beinen angebracht und mit einem Gerät verbunden, das die Impulse liest und grafisch darstellt [2]. Ein EKG mit zwölf Ableitungen hat 10 Elektroden (um insgesamt 12 Ansichten des Herzens zu erhalten). Die 4-Leiter geht auf die Gliedmaßen. Zwei an den Handgelenken und zwei an den Knöcheln. Die letzten 6 Leads gehen auf den Torso. V1 geht auf den 4. Interkostalraum rechts vom Brustbein, während V2 auf derselben Linie liegt, aber links vom Brustbein. V3 wird in der Mitte zwischen V2 und V4 platziert, V5 liegt auf der anterioren Axillarlinie auf gleicher Höhe wie V4 und V6 liegt auf der Midaxillarlinie auf derselben Ebene [3].

Ziel dieses Projekts ist es, ein analoges Signalerfassungsgerät - in diesem Fall ein Elektrokardiogramm - zu entwerfen, zu simulieren und zu verifizieren. Da die durchschnittliche Herzfrequenz bei 72 liegt, aber im Ruhezustand bis auf 90 absinken kann, kann der Median bei etwa 60 Schlägen pro Minute betrachtet werden, was eine Grundfrequenz von 1 Hz für die Herzfrequenz ergibt. Die Herzfrequenz kann von etwa 0,67 bis 5 Hz (40 bis 300 bpm) reichen. Jedes Signal besteht aus einer Welle, die als P, QRS-Komplex und einem T-Anteil der Welle bezeichnet werden kann. Die P-Welle verläuft bei etwa 0,67 – 5 Hz, der QRS-Komplex bei etwa 10-50 Hz und die T-Welle bei etwa 1 – 7 Hz [4]. Der aktuelle Stand der Technik von EKGs verfügt über maschinelles Lernen [5], bei dem Arrhythmien und dergleichen vom Gerät selbst klassifiziert werden können. Zur Vereinfachung hat dieses EKG nur zwei Elektroden - eine positive und eine negative.

Schritt 2: Methoden und Materialien

Zu Beginn des Designs wurde ein Computer sowohl für die Forschung als auch für die Modellierung verwendet. Die verwendete Software war LTSpice. Um den Schaltplan für das analoge EKG zu entwerfen, wurde zunächst untersucht, was die aktuellen Designs sind und wie diese am besten in ein neuartiges Design implementiert werden können. So ziemlich alle Quellen begannen mit einem Instrumentenverstärker. Es nimmt zwei Eingänge auf - von jeder der Elektroden. Danach wurde ein Tiefpassfilter gewählt, um Signale über 50 Hz zu entfernen, da das Netzrauschen bei etwa 50-60 Hz liegt [6]. Danach wurde ein nicht invertierender Verstärker verwendet, um das Signal zu verstärken, da Biosignale recht klein sind.

Die erste Komponente war der Instrumentenverstärker. Es hat zwei Eingänge, einen für die positive und einen für die negative Elektrode. Der Instrumentenverstärker wurde speziell verwendet, um die Schaltung vor dem eingehenden Signal zu schützen. Es gibt drei universelle Operationsverstärker und 7 Widerstände. Alle Widerstände außer R4 (Rgain) haben den gleichen Widerstandswert. Die Verstärkung eines Instrumentenverstärkers kann mit der folgenden Gleichung manipuliert werden: A = 1 + (2RRgain) [7] Die Verstärkung wurde mit 50 gewählt, da Biosignale sehr klein sind. Die Widerstände wurden aus Gründen der Benutzerfreundlichkeit größer gewählt. Die Berechnungen folgen dann diesem Satz von Gleichungen, um R = 5000Ω und Rgain = 200Ω zu erhalten. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Die nächste verwendete Komponente war ein Tiefpassfilter, um Frequenzen über 50 Hz zu entfernen, die nur die PQRST-Welle in diesem Frequenzbereich halten und das Rauschen minimieren. Die Gleichung für einen Tiefpassfilter ist unten dargestellt: fc= 12RC[8] Da die gewählte Grenzfrequenz 50 Hz und der Widerstand 1kΩ beträgt, ergeben die Berechnungen einen Kondensatorwert von 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Die dritte Komponente im EKG war ein nicht invertierender Verstärker. Dies soll sicherstellen, dass das Signal groß genug ist, bevor es (möglicherweise) an einen Analog-Digital-Wandler übertragen wird. Die Verstärkung eines nichtinvertierenden Verstärkers ist unten dargestellt: A = 1 + R2R1[9] Wie zuvor wurde die Verstärkung mit 50 gewählt, um die Amplitude des Endsignals zu erhöhen. Die Berechnungen für den Widerstand sind wie folgt, wobei ein Widerstand mit 10000 Ω gewählt wird, was einen zweiten Widerstandswert von 200 ergibt. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Um den Schaltplan zu testen, wurden Analysen an jeder Komponente und dann am endgültigen Gesamtschaltplan durchgeführt. Die zweite Simulation war eine AC-Analyse, ein Oktav-Sweep mit 100 Punkten pro Oktave und einem Durchlaufen von Frequenzen von 1 bis 1000 Hz.

Schritt 3: Ergebnisse

Um die Schaltung zu testen, wurde ein Oktav-Sweep mit 100 Punkten pro Oktave durchgeführt, beginnend mit einer Frequenz von 1 Hz bis zu einer Frequenz von 1000 Hz. Die Eingabe war eine sinusförmige Kurve, um die zyklische Natur der EKG-Welle darzustellen. Es hatte einen DC-Offset von 0, eine Amplitude von 1, eine Frequenz von 1 Hz, eine T-Verzögerung von 0, Theta (1/s) von 0 und einen Phi (Grad) von 90. Die Frequenz wurde auf 1 eingestellt, da ein Durchschnitt Die Herzfrequenz kann auf etwa 60 Schläge pro Minute eingestellt werden, was 1 Hz entspricht.

Wie in Abbildung 5 zu sehen, war Blau die Eingabe und Rot die Ausgabe. Es gab eindeutig einen massiven Gewinn, wie oben gesehen.

Der Tiefpassfilter wurde auf 50 Hz eingestellt, um Netzrauschen bei einer möglichen EKG-Anwendung zu entfernen. Da dies hier bei einem konstanten Signal von 1 Hz nicht zutrifft, ist der Ausgang gleich dem Eingang (Bild 6).

Der blau dargestellte Ausgang wird im Vergleich zum grün dargestellten Eingang deutlich verstärkt. Da die Spitzen und Täler der Sinuskurven übereinstimmen, zeigt dies außerdem, dass der Verstärker tatsächlich nicht invertierend war (Abbildung 7).

Abbildung 8 zeigt alle Kurven zusammen. Es zeigt deutlich die Manipulation des Signals, ausgehend von einem kleinen Signal, das zweimal verstärkt und gefiltert wird (obwohl die Filterung keinen Einfluss auf dieses spezifische Signal hat).

Anhand der Gleichungen für Verstärkung und Grenzfrequenz [10, 11] wurden die experimentellen Werte aus den Plots ermittelt. Der Tiefpassfilter hatte den geringsten Fehler, während beide Verstärker mit einem Fehler von etwa 10 % schwebten (Tabelle 1).

Schritt 4: Diskussion

Der Schaltplan scheint das zu tun, was er soll. Es nahm ein gegebenes Signal, verstärkte es, filterte es und verstärkte es dann erneut. Davon abgesehen handelt es sich um ein sehr „kleines“Design, das nur aus einem Instrumentenverstärker, einem Tiefpassfilter und einem nicht invertierenden Filter besteht. Es gab keine eindeutige Eingabe einer EKG-Quelle, obwohl unzählige Stunden im Internet nach einer geeigneten Quelle gesurft wurden. Leider hat das zwar nicht geklappt, aber die Sinuswelle war ein geeigneter Ersatz für die zyklische Natur des Signals.

Eine Fehlerquelle beim theoretischen und tatsächlichen Wert von Verstärkung und Tiefpassfilter könnten die gewählten Komponenten sein. Da die verwendeten Gleichungen ein Verhältnis der Widerstände zu 1 addieren, wurde diese bei den Berechnungen vernachlässigt. Dies ist möglich, wenn die verwendeten Widerstände groß genug sind. Obwohl die Widerstände groß gewählt wurden, führt die Tatsache, dass der eine nicht in die Berechnungen einbezogen wurde, zu einer kleinen Fehlerquote. Forscher der San Jose State University in San Jose, Kalifornien, haben ein EKG speziell für die Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen entwickelt. Sie verwendeten einen Instrumentenverstärker, einen aktiven Hochpassfilter 1. Ordnung, einen aktiven Bessel-Tiefpassfüller 5. Ordnung und einen aktiven Twin-T-Notch-Filter [6]. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Verwendung all dieser Komponenten zur erfolgreichen Konditionierung einer Roh-EKG-Welle eines Menschen führte. Ein anderes Modell einer einfachen EKG-Schaltung von Orlando Hoilett an der Purdue University bestand ausschließlich aus einem Instrumentenverstärker. Die Ausgabe war klar und brauchbar, aber es wurde empfohlen, dass für bestimmte Anwendungen Änderungen besser wären - nämlich Verstärker, Bandpassfilter und ein 60-Hz-Notch-Filter zur Entfernung von Netzrauschen. Dies zeigt, dass dieses Design eines EKGs zwar nicht allumfassend, aber nicht die einfachste Methode zur Aufnahme eines EKG-Signals ist.

Schritt 5: Zukünftige Arbeit

Dieser Aufbau eines EKGs würde einiges mehr erfordern, bevor es in ein praktisches Gerät gesteckt wird. Zum einen wurde das 60-Hz-Notch-Filter von mehreren Quellen empfohlen, und da es hier kein Netzrauschen zu bewältigen gab, wurde es nicht in die Simulation implementiert. Sobald dies jedoch in ein physisches Gerät übersetzt wurde, wäre es von Vorteil, einen Notch-Filter hinzuzufügen. Darüber hinaus kann es besser sein, anstelle des Tiefpassfilters einen Bandpassfilter zu verwenden, um mehr Kontrolle über die herausgefilterten Frequenzen zu haben. Auch in der Simulation tritt diese Art von Problem nicht auf, aber es würde in einem physischen Gerät auftreten. Danach benötigt das EKG einen Analog-Digital-Wandler und wahrscheinlich ein Gerät, das einem Himbeer-Pi ähnelt, um die Daten zu sammeln und sie zur Anzeige und Verwendung an einen Computer zu streamen. Weitere Verbesserungen wären die Hinzufügung weiterer Ableitungen, vielleicht beginnend mit den 4 Extremitätenableitungen bis hin zu allen 10 Ableitungen für ein 12 Ableitungsdiagramm des Herzens. Von Vorteil wäre auch eine bessere Benutzeroberfläche – vielleicht mit einem Touchscreen, damit medizinisches Fachpersonal leicht auf bestimmte Teile einer EKG-Ausgabe zugreifen und sich darauf konzentrieren kann.

Weitere Schritte wären maschinelles Lernen und KI-Implementierung. Der Computer sollte in der Lage sein, medizinisches Personal - und möglicherweise auch die Umgebung - zu warnen, wenn eine Arrhythmie oder dergleichen aufgetreten ist. An dieser Stelle muss ein Arzt eine EKG-Ausgabe überprüfen, um eine Diagnose zu stellen. Während Techniker darin geschult sind, sie zu lesen, können sie im Außendienst keine offizielle Diagnose stellen. Wenn die von Ersthelfern verwendeten EKGs eine genaue Diagnose haben, könnte dies eine schnellere Behandlung ermöglichen. Dies ist besonders in ländlichen Gebieten wichtig, wo es bis zu einer Stunde dauern kann, bis ein Patient, der sich einen Helikopterflug ins Krankenhaus leisten kann, nicht ins Krankenhaus kommt. Der nächste Schritt wäre das Hinzufügen eines Defibrillators zum EKG-Gerät selbst. Wenn es dann eine Arrhythmie erkennt, kann es die richtige Spannung für einen Schock ermitteln und - vorausgesetzt, die Schockpads wurden platziert - versuchen, den Patienten wieder in den Sinusrhythmus zu bringen. Dies wäre in Krankenhäusern nützlich, in denen Patienten bereits an verschiedene Geräte angeschlossen sind und wenn nicht genügend medizinisches Personal für die sofortige Versorgung zur Verfügung steht, könnte die All-in-One-Herzmaschine dies übernehmen und wertvolle Zeit sparen, die zur Rettung eines Lebens erforderlich ist.

Schritt 6: Fazit

In diesem Projekt wurde erfolgreich eine EKG-Schaltung entworfen und anschließend mit LTSpice simuliert. Es bestand aus einem Instrumentenverstärker, einem Tiefpassfilter und einem nicht invertierenden Verstärker zur Aufbereitung des Signals. Die Simulation zeigte, dass alle drei Komponenten sowohl einzeln als auch zusammen arbeiten, wenn sie zu einer integrierten Gesamtschaltung kombiniert werden. Die Verstärker hatten jeweils eine Verstärkung von 50, was durch die Simulationen auf LTSpice bestätigt wurde. Der Tiefpassfilter hatte eine Grenzfrequenz von 50 Hz, um Rauschen von Stromleitungen und Artefakte von Haut und Bewegung zu reduzieren. Obwohl dies eine sehr kleine EKG-Schaltung ist, gibt es viele Verbesserungen, die vorgenommen werden könnten, angefangen vom Hinzufügen eines oder zweier Filter bis hin zu einem All-in-One-Herzgerät, das das EKG aufnimmt, ausliest und sofortige Behandlung anbieten.

Schritt 7: Referenzen

Verweise

[1] „Elektrokardiogramm (EKG oder EKG),“Mayo Clinic, 09-Apr-2020. [Online]. Verfügbar: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Zugriff: 04. Dez. 2020].

[2] „Elektrokardiogramm“, National Heart Lung and Blood Institute. [Online]. Verfügbar: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Zugriff: 04. Dez. 2020].

[3] A. Randazzo, „Der ultimative Leitfaden zur 12-Kanal-EKG-Platzierung (mit Illustrationen),“Prime Medical Training, 11. November 2019. [Online]. Verfügbar: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Zugriff: 04. Dez. 2020].

[4] C. Watford, „Understanding ECG Filtering“, EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Verfügbar: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Zugriff: 04. Dez. 2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au-Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher und AA Armoundas, „State-of-the-Art Machine Learning Techniques Aiming to Improve Patient Outcomes Pertaining to the Cardiovascular System“, Journal of the American Heart Association, vol. 9, nein. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, „Design einer EKG-Sensorschaltung für die Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen“, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, nein. 4, 2017.

[7] „Instrumentation Amplifier Output Voltage Calculator“, ncalculators.com. [Online]. Verfügbar: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Zugriff: 04. Dez. 2020].

[8] „Tiefpassfilter-Rechner“, ElectronicBase, 01-Apr-2019. [Online]. Verfügbar: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Zugriff: 04. Dez. 2020].

[9] "Nicht invertierender Operationsverstärker - Der nicht invertierende Operationsverstärker", Grundlagen der Elektronik-Tutorials, 06. November 2020. [Online]. Verfügbar: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Zugriff: 04. Dez. 2020].

[10] E. Sengpiel, „Berechnung: Verstärkung (Verstärkung) und Dämpfung (Verlust) als Faktor (Verhältnis) zum Pegel in Dezibel (dB)“, dB-Rechner für Verstärkungsverstärkung und Dämpfungsfaktor (Verlust) einer Audioverstärkerberechnung Dezibel dB Verhältnis - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Online]. Verfügbar: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Zugriff: 04. Dez. 2020].

[11]"Tiefpassfilter - Passives RC-Filter-Tutorial", Grundlagen der Elektronik-Tutorials, 01. Mai 2020. [Online]. Verfügbar: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Zugriff: 04. Dez. 2020].

[12] O. H. Instructables, „Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit“, Instructables, 02-Apr-2018. [Online]. Verfügbar: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Zugriff: 04. Dez. 2020].

[13] Brent Cornell, „Elektrokardiographie“, BioNinja. [Online]. Verfügbar: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Zugriff: 04. Dez. 2020].