Điện tâm đồ nhịp tim: 7 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

trừu tượng

Điện tâm đồ, hay điện tâm đồ, là một thiết bị y tế thường được sử dụng để ghi lại các tín hiệu điện của tim. Chúng rất đơn giản để tạo ra ở dạng cơ bản nhất, nhưng có rất nhiều chỗ để phát triển. Đối với dự án này, một ECG đã được thiết kế và mô phỏng trên LTSpice. Điện tâm đồ có ba thành phần: một bộ khuếch đại thiết bị đo, một bộ lọc thông thấp và cuối cùng, một bộ khuếch đại không đảo. Điều này nhằm đảm bảo có đủ độ lợi phát ra từ một nguồn tương đối yếu của một tín hiệu sinh học, cũng như một bộ lọc để loại bỏ nhiễu trong mạch. Các mô phỏng cho thấy rằng mỗi thành phần của mạch hoạt động thành công, cũng như một mạch tích hợp tổng thể với cả ba thành phần. Điều này cho thấy đây là một cách khả thi để tạo ra một mạch điện tâm đồ. Sau đó, chúng tôi khám phá tiềm năng to lớn để cải tiến điện tâm đồ.

Bước 1: Giới thiệu / Cơ sở

Điện tâm đồ hoặc điện tâm đồ được sử dụng để ghi lại các tín hiệu điện của tim. Đây là một xét nghiệm khá phổ biến và được sử dụng để phát hiện các vấn đề về tim và theo dõi sức khỏe của tim. Chúng được thực hiện trong văn phòng bác sĩ - phòng khám hoặc phòng bệnh và là máy tiêu chuẩn trong phòng mổ và xe cứu thương [1]. Chúng có thể cho biết tim đập nhanh như thế nào, nhịp có đều đặn hay không, cũng như cường độ và thời gian của các xung điện đi qua các bộ phận khác nhau của tim. Khoảng 12 điện cực (hoặc ít hơn) được gắn vào da trên ngực, cánh tay và chân và được kết nối với một máy đọc các xung động và vẽ biểu đồ của chúng [2]. Điện tâm đồ mười hai đạo trình có 10 điện cực (để cung cấp tổng số 12 hình ảnh của tim). 4-chì đi vào các chi. Hai cái ở cổ tay, và hai cái ở mắt cá chân. 6 dây dẫn cuối cùng đi trên thân. V1 đi trên khoang liên sườn thứ 4 ở bên phải của xương ức, trong khi V2 nằm trên cùng một đường thẳng, nhưng ở bên trái của xương ức. V3 được đặt ở giữa V2 và V4, V5 đi ở đường trước nách cùng mức với V4 và V6 đi trên đường giữa ở cùng mức [3].

Mục tiêu của dự án này là thiết kế, mô phỏng và xác minh một thiết bị thu nhận tín hiệu tương tự - trong trường hợp này là điện tâm đồ. Vì nhịp tim trung bình là 72, nhưng khi nghỉ ngơi, nó có thể xuống thấp đến 90, mức trung bình có thể được coi là khoảng 60 bpm, cho tần số cơ bản là 1Hz cho nhịp tim. Nhịp tim có thể dao động từ khoảng 0,67 đến 5 Hz (40 đến 300 bpm). Mỗi tín hiệu bao gồm một sóng có thể được gọi là P, phức bộ QRS, và một phần T của sóng. Sóng P chạy ở khoảng 0,67 - 5 Hz, phức bộ QRS ở khoảng 10-50 Hz, và sóng T ở khoảng 1 - 7 Hz [4]. Máy điện tâm đồ hiện đại có công nghệ máy học [5], trong đó các rối loạn nhịp tim và những thứ tương tự có thể được phân loại bởi chính máy móc. Để đơn giản hóa, ECG này sẽ chỉ có hai điện cực - một điện cực dương và một điện cực âm.

Bước 2: Phương pháp và Vật liệu

Để bắt đầu thiết kế, một máy tính đã được sử dụng cho cả nghiên cứu và mô hình hóa. Phần mềm được sử dụng là LTSpice. Đầu tiên, để thiết kế giản đồ cho ECG tương tự, nghiên cứu đã được thực hiện để xem các thiết kế hiện tại là gì và làm thế nào để triển khai tốt nhất những thiết kế đó thành một thiết kế mới. Hầu hết tất cả các nguồn đều bắt đầu với một bộ khuếch đại thiết bị đo để bắt đầu. Nó có hai đầu vào - từ mỗi điện cực. Sau đó, một bộ lọc thông thấp đã được chọn để loại bỏ các tín hiệu trên 50 Hz, vì nhiễu đường dây điện vào khoảng 50-60 Hz [6]. Sau đó, là một bộ khuếch đại không đảo để khuếch đại tín hiệu, vì các ký hiệu sinh học khá nhỏ.

Thành phần đầu tiên là bộ khuếch đại thiết bị đo đạc. Nó có hai đầu vào, một cho cực dương và một cho điện cực âm. Bộ khuếch đại thiết bị được sử dụng đặc biệt để bảo vệ mạch khỏi tín hiệu đến. Có ba op-amps phổ quát và 7 điện trở. Tất cả các điện trở trừ R4 (Rgain) có cùng điện trở. Độ lợi của một bộ khuếch đại thiết bị đo có thể được điều khiển theo phương trình sau: A = 1 + (2RRgain) [7] Độ lợi được chọn là 50 vì các ký hiệu sinh học rất nhỏ. Các điện trở được chọn lớn hơn để dễ sử dụng. Các tính toán sau đó tuân theo bộ phương trình này để cho R = 5000Ω và Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2Rgain) 50 2 * 5000200

Thành phần tiếp theo được sử dụng là một bộ lọc thông thấp, để loại bỏ các tần số trên 50 Hz, sẽ chỉ giữ lại sóng PQRST trong dải tần này và giảm thiểu tiếng ồn. Phương trình cho bộ lọc thông thấp được hiển thị bên dưới: fc = 12RC [8] Vì tần số được chọn để cắt là 50 Hz và điện trở được chọn là 1kΩ, các tính toán mang lại giá trị tụ điện là 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Thành phần thứ ba trong ECG là một bộ khuếch đại không đảo ngược. Điều này là để đảm bảo rằng tín hiệu đủ lớn trước khi (có khả năng) được chuyển đến một bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số. Độ lợi của bộ khuếch đại không đảo được thể hiện dưới đây: A = 1 + R2R1 [9] Giống như trước khi độ lợi được chọn là 50, để tăng biên độ của tín hiệu cuối cùng. Các tính toán cho điện trở như sau, với một điện trở được chọn là 10000Ω, cho giá trị điện trở thứ hai là 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Để kiểm tra giản đồ, các phân tích được chạy trên từng thành phần và sau đó trên giản đồ tổng thể cuối cùng. Mô phỏng thứ hai là phân tích AC, quét quãng tám, với 100 điểm mỗi quãng tám và chạy qua các tần số từ 1 đến 1000 Hz.

Bước 3: Kết quả

Để kiểm tra mạch, thực hiện quét quãng tám, với 100 điểm mỗi quãng tám, bắt đầu với tần số 1 Hz và tiếp tục cho đến tần số 1000 Hz. Đầu vào là một đường cong hình sin, để thể hiện tính chất chu kỳ của sóng điện tâm đồ. Nó có độ lệch DC là 0, biên độ 1, tần số 1 Hz, độ trễ T là 0, theta (1 / s) là 0 và phi (deg) là 90. Tần số được đặt là 1, vì mức trung bình nhịp tim có thể được đặt thành khoảng 60 bpm, tức là 1 Hz.

Như đã thấy trong Hình 5, màu xanh lam là đầu vào và màu đỏ là đầu ra. Rõ ràng là đã có một khoản thu lớn, như đã thấy ở trên.

Bộ lọc thông thấp được đặt thành 50 Hz, để loại bỏ nhiễu đường dây điện trong một ứng dụng điện tâm đồ tiềm năng. Vì điều đó không áp dụng ở đây khi tín hiệu không đổi ở tần số 1 Hz, đầu ra giống với đầu vào (Hình 6).

Đầu ra - được hiển thị bằng màu xanh lam - được khuếch đại rõ ràng so với đầu vào, được hiển thị bằng màu xanh lá cây. Ngoài ra, vì các đỉnh và thung lũng của các đường cong sin khớp với nhau, điều này cho thấy bộ khuếch đại thực sự không đảo ngược (Hình 7).

Hình 8 cho thấy tất cả các đường cong với nhau. Nó cho thấy rõ ràng các thao tác của tín hiệu, đi từ một tín hiệu nhỏ, được khuếch đại hai lần và được lọc (mặc dù việc lọc không ảnh hưởng đến tín hiệu cụ thể này).

Sử dụng các phương trình cho độ lợi và tần số cắt [10, 11], các giá trị thực nghiệm được xác định từ các đồ thị. Bộ lọc thông thấp có ít lỗi nhất, trong khi cả hai bộ khuếch đại đều lơ lửng với sai số khoảng 10% (Bảng 1).

Bước 4: Thảo luận

Dường như giản đồ thực hiện những gì nó được cho là phải làm. Nó lấy một tín hiệu nhất định, khuếch đại nó, sau đó lọc nó, và sau đó khuếch đại lại. Nói như vậy, nó là một thiết kế rất "nhỏ", chỉ bao gồm một bộ khuếch đại thiết bị đo, bộ lọc thông thấp và một bộ lọc không đảo. Không có đầu vào rõ ràng của nguồn điện tâm đồ, mặc dù đã vô số giờ lướt web để tìm nguồn thích hợp. Thật không may, trong khi điều đó không thành công, sóng sin là một sự thay thế thích hợp cho tính chất chu kỳ của tín hiệu.

Một nguồn lỗi khi nói đến giá trị lý thuyết và thực tế của bộ lọc khuếch đại và thông thấp có thể là các thành phần được chọn. Vì các phương trình được sử dụng có tỷ lệ của các điện trở được thêm vào 1, trong khi thực hiện các phép tính, phương trình này đã bị bỏ qua. Điều này có thể được thực hiện nếu điện trở được sử dụng đủ lớn. Trong khi các điện trở được chọn là lớn, thực tế là điện trở không được đưa vào tính toán sẽ tạo ra một biên độ sai số nhỏ. Các nhà nghiên cứu tại Đại học San Jose State ở San Jose CA đã thiết kế một ECG đặc biệt để chẩn đoán bệnh tim mạch. Họ đã sử dụng một bộ khuếch đại công cụ, bộ lọc thông cao tích cực bậc 1, bộ nạp thông thấp Bessel hoạt động bậc 5 và bộ lọc rãnh hoạt động kép [6]. Họ kết luận rằng việc sử dụng tất cả các thành phần này dẫn đến việc điều hòa thành công sóng ECG thô từ đối tượng là người. Một mô hình khác của mạch điện tâm đồ đơn giản được thực hiện bởi Orlando Hoilett tại Đại học Purdue chỉ bao gồm một bộ khuếch đại thiết bị đo. Đầu ra rõ ràng và có thể sử dụng được, nhưng đối với các ứng dụng cụ thể, các thay đổi sẽ tốt hơn - cụ thể là bộ khuếch đại, bộ lọc thông dải và bộ lọc notch 60 Hz để loại bỏ nhiễu đường dây điện. Điều này cho thấy rằng thiết kế ECG này, mặc dù không bao gồm tất cả, nhưng không phải là phương pháp đơn giản nhất để thu tín hiệu ECG.

Bước 5: Công việc trong tương lai

Thiết kế này của máy đo điện tâm đồ sẽ yêu cầu thêm một số thứ trước khi được đưa vào một thiết bị thực tế. Đối với một, bộ lọc rãnh 60 Hz được một số nguồn khuyến nghị và vì không có nhiễu đường dây điện để xử lý ở đây, nên nó không được triển khai vào mô phỏng. Điều đó đang được nói, một khi điều này được dịch sang một thiết bị vật lý, sẽ có lợi nếu thêm một bộ lọc notch. Ngoài ra, thay vì bộ lọc thông thấp, nó có thể hoạt động tốt hơn nếu có bộ lọc thông dải, để kiểm soát nhiều hơn các tần số đang được lọc ra. Một lần nữa, trong mô phỏng, loại vấn đề này không xuất hiện, nhưng nó sẽ xuất hiện trong một thiết bị vật lý. Sau đó, ECG sẽ yêu cầu một bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số và có khả năng là một thiết bị tương tự như một quả mâm xôi pi để thu thập dữ liệu và truyền trực tuyến đến máy tính để xem và sử dụng. Những cải tiến hơn nữa sẽ là việc bổ sung nhiều đạo trình hơn, có lẽ bắt đầu với 4 đạo trình chi và chuyển thành tất cả 10 đạo trình cho sơ đồ 12 đạo trình của tim. Giao diện người dùng tốt hơn cũng sẽ có lợi - có lẽ với màn hình cảm ứng để các chuyên gia y tế có thể dễ dàng truy cập và tập trung vào các phần nhất định của đầu ra ECG.

Các bước tiếp theo sẽ liên quan đến học máy và triển khai AI. Máy tính phải có thể cảnh báo cho nhân viên y tế - và có thể cả những người xung quanh - rằng đã xảy ra rối loạn nhịp tim hoặc tương tự. Tại thời điểm này, bác sĩ phải xem xét kết quả điện tâm đồ để đưa ra chẩn đoán - trong khi các kỹ thuật viên được đào tạo để đọc chúng, họ không thể đưa ra chẩn đoán chính thức tại hiện trường. Nếu điện tâm đồ được sử dụng bởi những người phản ứng đầu tiên có chẩn đoán chính xác, nó có thể cho phép điều trị nhanh hơn. Điều này đặc biệt quan trọng ở các vùng nông thôn, nơi có thể mất tới một giờ để đưa một bệnh nhân không đủ tiền đi trực thăng đến bệnh viện. Giai đoạn tiếp theo sẽ là thêm một máy khử rung tim vào chính máy ECG. Sau đó, khi phát hiện rối loạn nhịp tim, nó có thể tìm ra điện áp thích hợp cho một cú sốc và - với điều kiện là các miếng đệm chống sốc đã được đặt - có thể cố gắng đưa bệnh nhân trở lại nhịp xoang. Điều này sẽ hữu ích trong môi trường bệnh viện, nơi bệnh nhân đã được nối với nhiều máy khác nhau và nếu không có đủ nhân viên y tế để chăm sóc ngay lập tức, máy tim tất cả trong một có thể đảm nhiệm việc đó, tiết kiệm thời gian quý báu cần thiết để cứu một mạng người..

Bước 6: Kết luận

Trong dự án này, một mạch điện tâm đồ đã được thiết kế thành công và sau đó được mô phỏng bằng LTSpice. Nó bao gồm một bộ khuếch đại thiết bị đo, một bộ lọc thông thấp và một bộ khuếch đại không đảo để điều chỉnh tín hiệu. Mô phỏng cho thấy cả ba thành phần hoạt động riêng lẻ cũng như cùng nhau khi được kết hợp để tạo thành một mạch tích hợp tổng thể. Mỗi bộ khuếch đại có mức tăng 50, một thực tế được xác nhận bởi các mô phỏng chạy trên LTSpice. Bộ lọc thông thấp có tần số cắt là 50 Hz, để giảm tiếng ồn từ đường dây điện và các tác nhân tạo ra từ da và chuyển động. Mặc dù đây là một mạch điện tâm đồ rất nhỏ, có rất nhiều cải tiến có thể được thực hiện, từ việc bổ sung một hoặc hai bộ lọc, cho đến một máy tim tất cả trong một có thể lấy điện tâm đồ, đọc nó và cung cấp phương pháp điều trị ngay lập tức.

Bước 7: Tham khảo

Người giới thiệu

[1] “Điện tâm đồ (ECG hoặc EKG),” Mayo Clinic, 09-04-2020. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Truy cập: 04-12-2020].

[2] “Electrocardiogram,” Viện Tim Phổi và Máu Quốc gia. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Truy cập: 04-12-2020].

[3] A. Randazzo, “Hướng dẫn đặt điện tâm đồ 12 đạo trình cuối cùng (Có minh họa),” Prime Medical Training, 11-11-2019. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Truy cập: 04-12-2020].

[4] C. Watford, “Tìm hiểu về lọc điện tâm đồ,” EMS 12 Lead, 2014. [Trực tuyến]. Có tại: https://ems12lead.com/2014/03/10/undilities-ecg-filtering/. [Truy cập: 04-12-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher và AA Armoundas, “State ‐ of ‐ the ‐ Art Machine Learning Techniques nhằm mục đích cải thiện kết quả của bệnh nhân liên quan đến hệ thống tim mạch,” Tạp chí của Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ, tập. 9, không. 4 năm 2020.

[6] W. Y. Du, “Thiết kế mạch cảm biến điện tâm đồ để chẩn đoán bệnh tim mạch,” Tạp chí quốc tế về cảm biến sinh học & điện tử sinh học, tập. 2, không. 4 năm 2017.

[7] “Máy tính điện áp đầu ra của bộ khuếch đại thiết bị,” ncalculators.com. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Truy cập: 04-12-2020].

[8] “Máy tính bộ lọc thông qua thấp,” ElectronicBase, 01-04-2019. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Truy cập: 04-12-2020].

[9] “Bộ khuếch đại hoạt động không đảo - Op-amp không đảo,” Hướng dẫn về Điện tử Cơ bản, 06-tháng 11 năm 2020. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Truy cập: 04-12-2020].

[10] E. Sengpiel, “Tính toán: Độ khuếch đại (độ lợi) và độ suy giảm (độ suy giảm) dưới dạng hệ số (tỷ lệ) với mức tính bằng decibel (dB)”, máy tính dB để tính hệ số khuếch đại và độ giảm độ (tổn hao) của phép tính bộ khuếch đại âm thanh tỷ lệ decibel dB - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Truy cập: 04-12-2020].

[11] “Bộ lọc thông thấp - Hướng dẫn bộ lọc RC thụ động,” Hướng dẫn về Điện tử Cơ bản, 01-05-2020. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Truy cập: 04-12-2020].

[12] O. H. Sách hướng dẫn, “Mạch điện tâm đồ (ECG) siêu đơn giản”, Sách hướng dẫn, 02-04-2018. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Truy cập: 04-12-2020].

[13] Brent Cornell, “Điện tim”, BioNinja. [Trực tuyến]. Có sẵn: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Truy cập: 04-12-2020].