نوار قلب قلب: 7 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:51

خلاصه

نوار قلب یا الکتروکاردیوگرام ، یک دستگاه پزشکی رایج است که برای ثبت سیگنال های الکتریکی قلب استفاده می شود. ساخت آنها در ساده ترین شکل ساده است ، اما فضای زیادی برای رشد وجود دارد. برای این پروژه ، یک ECG در LTSpice طراحی و شبیه سازی شد. ECG دارای سه جزء بود: تقویت کننده ابزار دقیق ، فیلتر کم گذر ، و در نهایت ، تقویت کننده غیر معکوس. این امر به این دلیل انجام می شود که از منبع نسبتاً ضعیف بیوسیگنال و همچنین یک فیلتر برای حذف نویز در مدار ، سود کافی به دست آید. شبیه سازی ها نشان داد که هر یک از اجزای مدار با موفقیت انجام شد ، مانند یک مدار مجتمع کلی با هر سه جزء. این نشان می دهد که این یک روش مناسب برای ایجاد مدار نوار قلب است. سپس ما پتانسیل گسترده ای را برای بهبود نوار قلب بررسی کردیم.

مرحله 1: مقدمه/پیشینه

برای ثبت سیگنالهای الکتریکی قلب از نوار قلب یا الکتروکاردیوگرام استفاده می شود. این یک آزمایش کاملاً رایج و بدون درد است که برای تشخیص مشکلات قلبی و نظارت بر سلامت قلب استفاده می شود. آنها در مطب پزشکان - یا در کلینیک ها یا در بیمارستان ها انجام می شوند و ماشین های استاندارد در اتاق عمل و آمبولانس هستند [1]. آنها می توانند سرعت ضربان قلب را نشان دهند ، اگر ریتم منظم باشد یا نباشد ، و همچنین قدرت و زمان حرکت ضربه های الکتریکی که در قسمت های مختلف قلب می گذرد. حدود 12 الکترود (یا کمتر) به پوست سینه ، بازوها و پاها متصل شده و به دستگاهی متصل می شوند که تکانه ها را می خواند و آنها را ترسیم می کند [2]. ECG دوازده سربی دارای 10 الکترود است (که در مجموع 12 نمای قلب را نشان می دهد). سرب 4 بر روی اندام ها می رود. دو مورد روی مچ دست ، و دو مورد روی مچ پا. 6 لید نهایی روی تنه می رود. V1 در چهارمین فضای بین دنده ای در سمت راست جناغ جناغ حرکت می کند ، در حالی که V2 در یک خط است ، اما در سمت چپ جناغ است. V3 در وسط بین V2 و V4 قرار دارد ، V5 در خط زیر بغل قدامی قرار می گیرد در همان سطح V4 و V6 در خط وسط خلفی در همان سطح قرار می گیرند [3].

هدف این پروژه طراحی ، شبیه سازی و تأیید دستگاه دریافت سیگنال آنالوگ - در این مورد ، الکتروکاردیوگرام است. از آنجا که متوسط ضربان قلب 72 است ، اما در حالت استراحت می تواند به 90 برسد ، میانه را می توان در حدود 60 ضربان در دقیقه در نظر گرفت ، که فرکانس اساسی 1Hz را برای ضربان قلب می دهد. ضربان قلب می تواند بین 0.67 تا 5 هرتز (40 تا 300 ضربه در دقیقه) متغیر باشد. هر سیگنال شامل موجی است که می تواند به عنوان P ، QRS complex و یک قسمت T به موج برچسب گذاری شود. موج P در حدود 0.67 - 5 هرتز ، مجتمع QRS در حدود 10-50 هرتز و موج T در حدود 1-7 هرتز است [4]. وضعیت کنونی نوار قلب ، یادگیری ماشینی دارد [5] ، جایی که آریتمی ها و موارد مشابه را می توان توسط خود دستگاه طبقه بندی کرد. برای ساده سازی ، این نوار قلب فقط دو الکترود دارد - یک الکترود مثبت و منفی.

مرحله 2: روش ها و مواد

برای شروع طراحی ، از رایانه هم برای تحقیق و هم برای مدل سازی استفاده شد. نرم افزار مورد استفاده LTSpice بود. ابتدا ، برای طراحی شماتیک ECG آنالوگ ، تحقیقاتی انجام شد تا ببینیم طرح های فعلی چیست و چگونه می توان آنها را به بهترین شکل در یک طرح جدید پیاده سازی کرد. تقریباً همه منابع برای شروع با یک تقویت کننده ابزار شروع شده اند. دو ورودی دارد - از هر یک از الکترودها. پس از آن ، یک فیلتر کم گذر برای حذف سیگنالهای بالای 50 هرتز انتخاب شد ، زیرا نویز خط برق در حدود 50-60 هرتز می آید [6]. پس از آن ، یک تقویت کننده غیرقابل تبدیل برای تقویت سیگنال بود ، زیرا سیگنالهای زیستی بسیار کوچک هستند.

اولین جزء تقویت کننده ابزار دقیق بود. دارای دو ورودی ، یکی برای الکترود مثبت و دیگری برای الکترود منفی است. تقویت کننده ابزار دقیقاً برای محافظت از مدار در برابر سیگنال ورودی استفاده شد. سه آپ آمپر جهانی و 7 مقاومت وجود دارد. همه مقاومتها به جز R4 (Rgain) از مقاومت یکسانی برخوردارند. سود یک تقویت کننده ابزار دقیق را می توان با معادله زیر دستکاری کرد: A = 1 + (2RRgain) [7] از آنجایی که سیگنالهای زیستی بسیار کوچک هستند ، سود 50 انتخاب شد. برای سهولت استفاده ، مقاومت ها بزرگتر انتخاب شدند. سپس محاسبات از این مجموعه معادلات پیروی می کند و R = 5000Ω و Rgain = 200Ω را نشان می دهد. 50 = 1 + (2RRagin) 50 2 * 5000200

جزء بعدی مورد استفاده یک فیلتر کم گذر بود ، برای حذف فرکانسهای بالای 50 هرتز ، که فقط موج PQRST را در این محدوده فرکانسی نگه می دارد و نویز را به حداقل می رساند. معادله برای یک فیلتر کم گذر در زیر نشان داده شده است: fc = 12RC [8] از آنجا که فرکانس انتخاب شده برای قطع 50 هرتز بود و مقاومت 1kΩ انتخاب شد ، محاسبات مقدار خازن 0.00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

سومین جزء در نوار قلب یک تقویت کننده غیر معکوس بود. این امر برای اطمینان از این است که سیگنال قبل از انتقال (به طور بالقوه) به مبدل آنالوگ به دیجیتال به اندازه کافی بزرگ است. افزایش تقویت کننده غیرقابل تبدیل در زیر نشان داده شده است: A = 1 + R2R1 [9] مانند قبل از افزایش 50 ، برای افزایش دامنه سیگنال نهایی. محاسبات مربوط به مقاومت به شرح زیر است ، با انتخاب یک مقاومت 10000Ω ، مقدار مقاومت دوم 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

برای آزمایش شماتیک ، تجزیه و تحلیل روی هر جزء و سپس روی شماتیک کلی نهایی انجام شد. شبیه سازی دوم یک تجزیه و تحلیل AC ، یک رفت و برگشت اکتاو ، با 100 امتیاز در هر اکتاو بود و از فرکانس های 1 تا 1000 هرتز عبور می کرد.

مرحله 3: نتایج

برای آزمایش مدار ، یک رفت و برگشت اکتاو با 100 امتیاز در هر اکتاو ، با فرکانس 1 هرتز شروع شد و تا فرکانس 1000 هرتز انجام شد. ورودی یک منحنی سینوسی بود ، تا نمایانگر ماهیت چرخه ای موج نوار قلب باشد. افست DC 0 ، دامنه 1 ، فرکانس 1 هرتز ، تاخیر T 0 ، تتا (1/ثانیه) 0 و phi (درجه) 90 بود. از آنجا که به طور متوسط فرکانس 1 بود ضربان قلب را می توان در حدود 60 ضربان در دقیقه ، یعنی 1 هرتز تنظیم کرد.

همانطور که در شکل 5 دیده می شود ، رنگ آبی ورودی و قرمز خروجی است. همانطور که در بالا مشاهده شد ، به وضوح سود عظیمی به دست آمد.

فیلتر کم گذر روی 50 هرتز تنظیم شد تا نویز خط برق را در یک برنامه بالقوه ECG حذف کند. از آنجا که این مورد در جایی که سیگنال در 1 هرتز ثابت است اعمال نمی شود ، خروجی همان ورودی است (شکل 6).

خروجی - که به رنگ آبی نشان داده شده است - در مقایسه با ورودی که به رنگ سبز نشان داده شده است ، به وضوح تقویت شده است. علاوه بر این ، از آنجا که قله ها و دره های منحنی سینوسی با یکدیگر مطابقت دارند ، این نشان می دهد که تقویت کننده در واقع غیر وارونه بوده است (شکل 7).

شکل 8 همه منحنی ها را با هم نشان می دهد. این به وضوح دستکاری سیگنال را نشان می دهد ، از یک سیگنال کوچک عبور می کند ، دو بار تقویت می شود و فیلتر می شود (اگرچه فیلتراسیون هیچ تاثیری روی این سیگنال خاص ندارد).

با استفاده از معادلات افزایش و فرکانس قطع [10 ، 11] ، مقادیر تجربی از نمودارها تعیین شد. فیلتر کم گذر کمترین خطا را داشت ، در حالی که هر دو تقویت کننده با خطای حدود 10 overed معلق بودند (جدول 1).

مرحله چهارم: بحث

به نظر می رسد که شماتیک آنچه را که باید انجام دهد انجام می دهد. یک سیگنال معین گرفت ، آن را تقویت کرد ، سپس آن را فیلتر کرد و سپس دوباره آن را تقویت کرد. گفته می شود ، این یک طراحی بسیار "کوچک" است که فقط شامل یک تقویت کننده ابزار ، فیلتر کم گذر و یک فیلتر غیر معکوس است. با وجود ساعتهای بیشماری که در اینترنت برای یافتن منبع مناسب گشت و گذار کرده اید ، هیچ منبع واضحی از منبع ECG وجود ندارد. متأسفانه ، در حالی که این روش جواب نداد ، موج سین جایگزین مناسبی برای چرخه ای بودن سیگنال بود.

یک منبع خطا در مورد نظری و مقدار واقعی فیلتر سود و پایین گذر می تواند اجزای انتخاب شده باشد. از آنجا که در معادلات مورد استفاده نسبت مقاومت به 1 اضافه شده است ، هنگام انجام محاسبات ، از این مورد غفلت شد. اگر مقاومتهای مورد استفاده به اندازه کافی بزرگ باشند ، می توان این کار را انجام داد. در حالی که مقاومتهای انتخاب شده بزرگ بودند ، این واقعیت که مقاومت در محاسبه در نظر گرفته نشد ، یک خطای کوچک ایجاد می کند. محققان دانشگاه ایالتی سن خوزه در سن خوزه CA یک نوار قلب را مخصوص تشخیص بیماری های قلبی عروقی طراحی کردند. آنها از تقویت کننده ابزار ، فیلتر بالا گذر فعال درجه 1 ، پرکننده کم گذر فعال بسل ، و فیلتر ناچ فعال دوقلو استفاده کردند [6]. آنها به این نتیجه رسیدند که استفاده از همه این اجزا منجر به شرطی شدن موفقیت آمیز یک موج نوار قلب از یک انسان می شود. مدل دیگری از مدار ساده ECG که توسط اورلاندو هولت در دانشگاه پردو انجام شد ، تنها شامل تقویت کننده ابزار بود. خروجی واضح و قابل استفاده بود ، اما توصیه می شد که برای برنامه های خاص ، تغییرات بهتر باشد - یعنی تقویت کننده ها ، فیلترهای باند باند ، و فیلتر ناچ 60 هرتز برای حذف نویز خط برق. این نشان می دهد که این طراحی نوار قلب ، اگرچه همه جانبه نیست ، اما ساده ترین روش برای گرفتن سیگنال نوار قلب نیست.

مرحله 5: کار آینده

این طراحی نوار قلب قبل از قرار دادن در یک وسیله کاربردی به چند مورد دیگر نیاز دارد. برای اولین بار ، فیلتر ناچ 60 هرتز توسط چندین منبع توصیه شد ، و از آنجا که هیچ نویز خط برق برای رسیدگی در اینجا وجود نداشت ، در شبیه سازی اجرا نشد. با این وجود ، وقتی این دستگاه به یک دستگاه فیزیکی ترجمه می شود ، افزودن فیلتر ناچ مفید خواهد بود. علاوه بر این ، به جای فیلتر کم گذر ، بهتر است فیلتر باند باند داشته باشید ، تا فرکانس هایی که در حال فیلتر شدن هستند کنترل بیشتری داشته باشید. دوباره ، در شبیه سازی ، این نوع مسئله مطرح نمی شود ، اما در یک دستگاه فیزیکی ظاهر می شود. پس از این ، ECG به مبدل آنالوگ به دیجیتال و احتمالاً دستگاهی شبیه به تمشک pi نیاز دارد تا داده ها را جمع آوری کرده و برای مشاهده و استفاده به رایانه منتقل کند. بهبودهای بیشتر می تواند افزودن سرنخ های بیشتر باشد ، شاید با سرنخ های 4 پا شروع شود و برای نمودار 12 سربی قلب به هر 10 سرنخ برسد. یک رابط کاربری بهتر نیز مفید خواهد بود - شاید با یک صفحه لمسی برای متخصصان پزشکی بتوانند به راحتی به قسمتهای خاصی از خروجی نوار قلب مراجعه کرده و بر روی آنها تمرکز کنند.

مراحل بعدی شامل یادگیری ماشین و پیاده سازی هوش مصنوعی است. رایانه باید بتواند به پرسنل پزشکی - و احتمالاً اطرافیان - هشدار دهد که آریتمی یا موارد مشابه رخ داده است. در این مرحله ، یک پزشک باید یک خروجی نوار قلب را برای تشخیص تشخیص دهد - در حالی که تکنسین ها برای خواندن آنها آموزش دیده اند ، نمی توانند تشخیص رسمی را در این زمینه انجام دهند. اگر نوار قلب که توسط پاسخ دهندگان اولیه استفاده می شود دارای تشخیص دقیق باشد ، می تواند درمان سریع تری را امکان پذیر کند. این امر به ویژه در مناطق روستایی اهمیت دارد ، جایی که ممکن است یک ساعت طول بکشد تا مریضی را که توانایی پرداخت هلیکوپتر را ندارد به بیمارستان برساند. مرحله بعدی افزودن یک دفیبریلاتور به خود دستگاه نوار قلب است. سپس ، هنگامی که آریتمی را تشخیص می دهد ، می تواند ولتاژ مناسب برای شوک را تشخیص دهد و - با توجه به اینکه پد شوک قرار داده شده است - می تواند سعی کند بیمار را به ریتم سینوسی بازگرداند. این در محیط های بیمارستانی مفید است ، جایی که بیماران قبلاً به دستگاه های مختلف متصل شده اند و اگر پرسنل پزشکی کافی برای مراقبت فوری وجود نداشته باشد ، دستگاه قلب یکپارچه می تواند از آن مراقبت کند و در وقت گرانبها برای نجات جان صرفه جویی کند. به

مرحله 6: نتیجه گیری

در این پروژه ، یک مدار ECG با موفقیت طراحی و سپس با استفاده از LTSpice شبیه سازی شد. این دستگاه شامل یک تقویت کننده ابزار دقیق ، یک فیلتر کم گذر و یک تقویت کننده غیر معکوس برای تنظیم سیگنال بود. شبیه سازی نشان داد که هر سه م componentsلفه به صورت جداگانه و همچنین در کنار هم در یک مدار مجتمع کلی کار می کنند. هر کدام از تقویت کننده ها 50 افزایش داشتند ، واقعیتی که با شبیه سازی های اجرا شده بر روی LTSpice تأیید شد. فیلتر کم گذر دارای فرکانس قطع 50 هرتز بود تا نویز خطوط برق و مصنوعات ناشی از پوست و حرکت را کاهش دهد. در حالی که این یک مدار ECG بسیار کوچک است ، پیشرفت های زیادی می توان انجام داد ، از جمله افزودن یک یا دو فیلتر ، تا یک دستگاه قلب همه کاره که می تواند نوار قلب را انجام دهد ، آن را بخواند و ارائه درمان فوری

مرحله 7: منابع

منابع

[1] «الکتروکاردیوگرام (ECG یا EKG)» ، کلینیک مایو ، 09 آوریل -2020. [برخط]. در دسترس: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [دسترسی: 04-دسامبر -2020].

[2] "الکتروکاردیوگرام" ، موسسه ملی ریه و خون قلب. [برخط]. قابل دسترسی: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [دسترسی: 04-دسامبر -2020].

[3] A. Randazzo ، "The Ultimate 12-Lead ECG Placement Guide (With Illustrations) ،" Prime Medical Training، 11-Nov-2019. [برخط]. موجود: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [دسترسی: 04-دسامبر -2020].

[4] سی واتفورد ، "درک فیلترینگ نوار قلب ،" EMS 12 Lead، 2014. [آنلاین]. موجود: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [دسترسی: 04-دسامبر -2020].

[5] RK Sevakula ، WTM Au ‐ Yeung ، JP Singh ، EK Heist ، EM Isselbacher و AA Armoundas ، "State ‐ of" the Mach the Mach the "Machine Learning Techniques Teching to Purpating the Results of Patients Searment to the Heart -cardiovascular System" ، Journal of the انجمن قلب آمریکا ، جلد. 9 ، نه 4 ، 2020.

[6] W. Y. Du، "Design of a ECG Sensor Circuit for Diagnise Disease Disease"، International Journal of Biosensors & Bioelectronics، vol. 2 ، نه 4 ، 2017.

[7] «ماشین حساب ولتاژ خروجی تقویت کننده ابزار» ، ncalculators.com. [برخط]. موجود: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [دسترسی: 04-دسامبر -2020].

[8] «ماشین حساب فیلتر کم گذر» ، ElectronicBase ، 01-آوریل -2019. [برخط]. موجود: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [دسترسی: 04-دسامبر -2020].

[9] "تقویت کننده عملیاتی غیر معکوس-Op-amp غیر معکوس ،" آموزش های الکترونیکی پایه ، 06 نوامبر -2020. [برخط]. موجود: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [دسترسی: 04-دسامبر -2020].

[10] E. Sengpiel ، "محاسبه: تقویت (افزایش) و میرایی (از دست دادن) به عنوان عامل (نسبت) به سطح در دسی بل (dB) ،" ماشین حساب dB برای افزایش تقویت و ضریب میرایی (از دست دادن) محاسبه تقویت کننده صوتی نسبت دسی بل dB - sengpielaudio Sengpiel برلین. [برخط]. موجود: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [دسترسی: 04-دسامبر -2020].

[11] «فیلتر کم گذر-آموزش فیلتر RC غیرفعال» ، آموزش های الکترونیکی پایه ، 01 مه -2020. [برخط]. موجود: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [دسترسی: 04-دسامبر -2020].

[12] O. H. Instructables، "Super Simple Electrocardiogram Circuit (ECG) Circuit"، Instructables، 02-Apr-2018. [برخط]. موجود: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [دسترسی: 04-دسامبر -2020].

[13] برنت کرنل ، "الکتروکاردیوگرافی ،" بیو نینجا. [برخط]. موجود: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [دسترسی: 04-دسامبر -2020].