Un ECG ple de cor: 7 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

Resum

Un ECG, o electrocardiograma, és un dispositiu mèdic d’ús habitual que s’utilitza per registrar els senyals elèctrics del cor. Són senzills de fer de la forma més bàsica, però hi ha molt espai per al creixement. Per a aquest projecte, es va dissenyar i simular un ECG a LTSpice. L’ECG tenia tres components: un amplificador d’instrumentació, un filtre de pas baix i, finalment, un amplificador sense inversió. Això era per assegurar que hi havia prou guanys per una font relativament feble de biosinal, així com per un filtre per eliminar el soroll del circuit. Les simulacions van mostrar que cada component del circuit funcionava amb èxit, igual que un circuit integrat total amb els tres components. Això demostra que es tracta d’una manera viable de crear un circuit d’ECG. Després vam explorar el gran potencial de millores de l’ECG.

Pas 1: Introducció / Antecedents

Un ECG o electrocardiograma s’utilitza per registrar els senyals elèctrics del cor. És força comú i es fa una prova indolora per detectar problemes cardíacs i controlar la salut cardíaca. Es realitzen a consultoris mèdics (clíniques o habitacions d’hospital) i són màquines estàndard a quiròfans i ambulàncies [1]. Poden mostrar la velocitat del batec del cor, si el ritme és regular o no, així com la força i el moment dels impulsos elèctrics que passen per les diferents parts del cor. Al voltant de 12 elèctrodes (o menys) s’uneixen a la pell del pit, braços i cames i estan connectats a una màquina que llegeix els impulsos i els representa gràficament [2]. Un ECG de dotze derivacions té 10 elèctrodes (per donar un total de 12 vistes del cor). El 4-avantatge va a les extremitats. Dos als canells i dos als turmells. Les últimes 6 derivacions van sobre el tors. V1 va al quart espai intercostal a la dreta de l’estèrnum, mentre que V2 es troba a la mateixa línia, però a l’esquerra de l’estèrnum. V3 es situa a mig camí entre V2 i V4, V5 va a la línia axil·lar anterior al mateix nivell que V4 i V6 van a la línia midxilar al mateix nivell [3].

L’objectiu d’aquest projecte és dissenyar, simular i verificar un dispositiu d’adquisició de senyal analògic, en aquest cas un electrocardiograma. Atès que la freqüència cardíaca mitjana és de 72, però mentre es reposa pot arribar fins a 90, la mitjana es pot considerar a uns 60 bpm, donant una freqüència fonamental d’1 Hz per a la freqüència cardíaca. La freqüència cardíaca pot oscil·lar entre 0,67 i 5 Hz (40 a 300 bpm). Cada senyal consisteix en una ona que es pot etiquetar com P, complex QRS i una porció T a l'ona. L'ona P funciona a uns 0,67-5 Hz, el complex QRS a uns 10-50 Hz i l'ona T a 1-7 Hz [4]. L'ECGs actuals de l'art té l'aprenentatge automàtic [5], on les arítmies i similars es poden classificar per la mateixa màquina. Per simplificar, aquest ECG només tindrà dos elèctrodes: un positiu i un negatiu.

Pas 2: Mètodes i materials

Per començar el disseny, es va utilitzar un ordinador tant per a la investigació com per al modelatge. El programari utilitzat va ser LTSpice. En primer lloc, per dissenyar l’esquema de l’ECG analògic, es va investigar per veure quins són els dissenys actuals i com implementar-los millor en un disseny nou. Pràcticament totes les fonts van començar amb un amplificador d'instrumentació per començar. Presa dues entrades: de cadascun dels elèctrodes. Després d'això, es va triar un filtre de pas baix per eliminar els senyals superiors a 50 Hz, ja que el soroll de la línia elèctrica arriba als 50-60 Hz [6]. Després d'això, hi havia un amplificador no inversor per amplificar el senyal, ja que els biosignals són bastant petits.

El primer component va ser l'amplificador d'instrumentació. Té dues entrades, una per al positiu i una per a l’elèctrode negatiu. L'amplificador d'instrumentació es va utilitzar específicament per protegir el circuit del senyal entrant. Hi ha tres amplificadors operatius universals i 7 resistències. Tots els resistors menys R4 (Rgain) són de la mateixa resistència. El guany d'un amplificador d'instrumentació es pot manipular amb la següent equació: A = 1 + (2RRgain) [7] El guany es va escollir per ser 50 ja que els biosignals són molt petits. Les resistències van ser escollides per ser més grans per facilitar-ne l'ús. Els càlculs segueixen aquest conjunt d’equacions per donar R = 5000Ω i Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRain) 50 2 * 5000200

El següent component utilitzat va ser un filtre de pas baix, per eliminar freqüències superiors a 50 Hz, que mantindrà només l’ona PQRST en aquest rang de freqüències i minimitzarà el soroll. A continuació es mostra l’equació d’un filtre de pas baix: fc = 12RC [8] Atès que la freqüència escollida per tallar era de 50 Hz i la resistència es va escollir com a 1 kΩ, els càlculs donen un valor de condensador de 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

El tercer component de l’ECG era un amplificador sense inversió. Es tracta d’assegurar-se que el senyal és prou gran abans de ser transferit (potencialment) a un convertidor analògic a digital. El guany d'un amplificador no inversor es mostra a continuació: A = 1 + R2R1 [9] Igual que abans es va escollir que el guany fos 50, per augmentar l'amplitud del senyal final. Els càlculs de la resistència són els següents, amb una resistència escollida per a 10000Ω, donant un segon valor de resistència de 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Per provar l’esquema, s’han executat anàlisis de cada component i després de l’esquema global final. La segona simulació va ser una anàlisi de corrent altern, un escombrat d'octava, amb 100 punts per octava, i amb freqüències d'1 a 1000 Hz.

Pas 3: Resultats

Per provar el circuit, es va realitzar un escombrat d'octava, amb 100 punts per octava, començant amb una freqüència d'1 Hz, i fins a una freqüència de 1000 Hz. L’entrada era una corba sinusoïdal, per representar la naturalesa cíclica de l’ona ECG. Tenia un desplaçament de CC de 0, amplitud d'1, freqüència d'1 Hz, retard T de 0, theta (1 / s) de 0 i phi (graus) de 90. La freqüència es va establir a 1, ja que una mitjana la freqüència cardíaca es pot establir a aproximadament 60 bpm, que és 1 Hz.

Com es veu a la figura 5, el blau era l'entrada i el vermell era la sortida. Hi va haver clarament un guany massiu, com es va veure més amunt.

El filtre de pas baix es va establir a 50 Hz, per eliminar el soroll de la línia elèctrica en una possible aplicació d’ECG. Com que això no s'aplica aquí on el senyal és constant a 1 Hz, la sortida és la mateixa que l'entrada (Figura 6).

La sortida (que es mostra en blau) s’amplifica clarament en comparació amb l’entrada, que es mostra en verd. A més, atès que els pics i les valls de les corbes sinusoïdals coincideixen, això demostra que l’amplificador no era inversor (Figura 7).

La figura 8 mostra totes les corbes juntes. Mostra clarament la manipulació del senyal, passant d’un senyal petit, amplificat dues vegades i filtrat (tot i que la filtració no té cap efecte sobre aquest senyal específic).

Utilitzant les equacions de guany i freqüència de tall [10, 11], es van determinar els valors experimentals a partir de les gràfiques. El filtre de pas baix tenia l’error menor, mentre que ambdós amplificadors planaven amb un error d’aproximadament un 10% (taula 1).

Pas 4: debat

Sembla que l'esquema fa el que se suposa que ha de fer. Va prendre un senyal determinat, el va amplificar, després el va filtrar i després el va tornar a amplificar. Dit això, es tracta d’un disseny molt ‘petit’, que consisteix només en un amplificador d’instrumentació, un filtre de pas baix i un filtre que no inverteix. No hi va haver una entrada clara d’una font d’ECG, tot i incomptables hores navegant per la xarxa per obtenir una font adequada. Malauradament, tot i que això no funcionava, l’ona de pecat era un substitut adequat de la naturalesa cíclica del senyal.

Els components escollits podrien ser una font d’error pel que fa al valor teòric i real del filtre de guany i de pas baix. Com que les equacions utilitzades tenen una proporció de resistències afegida a 1, mentre es feien els càlculs, aquesta es va descuidar. Això es pot fer si les resistències utilitzades són prou grans. Tot i que les resistències escollides eren grans, el fet que no es prengués en càlcul crearà un petit marge d'error. Investigadors de la Universitat Estatal de San Jose a San Jose, CA, van dissenyar un ECG específic per al diagnòstic de malalties cardiovasculars. Van utilitzar un amplificador d’instruments, un filtre de pas alt actiu de primer ordre, un farcit de passos baix de Bessel de 5è ordre actiu i un filtre de ranura actiu twin-t [6]. Van concloure que l'ús de tots aquests components va resultar en el condicionament reeixit d'una ona crua d'ECG d'un subjecte humà. Un altre model d'un circuit ECG senzill realitzat per Orlando Hoilett a la Universitat de Purdue consistia únicament en un amplificador d'instrumentació. La sortida era clara i útil, però es va recomanar que per a aplicacions específiques els canvis fossin millors, és a dir, amplificadors, filtres passabanda i un filtre de 60 Hz per eliminar el soroll de la línia elèctrica. Això demostra que aquest disseny d’un ECG, tot i que no ho inclou tot, no és el mètode més senzill d’aconseguir un senyal d’ECG.

Pas 5: Treball futur

Aquest disseny d’un ECG requeriria algunes coses més abans de posar-lo en un dispositiu pràctic. Per una banda, diverses fonts van recomanar el filtre de 60 Hz, i com que aquí no hi havia cap soroll de la línia elèctrica, no es va implementar a la simulació. Dit això, una vegada que es tradueixi a un dispositiu físic, seria beneficiós afegir un filtre de tacs. A més, en lloc del filtre de pas baix, podria funcionar millor tenir un filtre de pas de banda per tenir més control de les freqüències que s’estan filtrant. Una vegada més, a la simulació, aquest tipus de problemes no apareixen, però apareixerien en un dispositiu físic. Després d'això, l'ECG requeriria un convertidor analògic a digital i, probablement, un dispositiu semblant a un raspberry pi per recollir les dades i transmetre-les a un ordinador per a la seva visualització i ús. Millores addicionals serien l’addició de més derivacions, potser començant per les 4 derivacions de les extremitats i graduant-les a les 10 derivacions per obtenir un diagrama del cor de 12 derivacions. Una millor interfície d’usuari també seria beneficiós, potser amb una pantalla tàctil perquè els professionals mèdics puguin accedir i centrar-se fàcilment en determinades parts d’una sortida d’ECG.

Més passos implicarien l'aprenentatge automàtic i la implementació de la IA. L’ordinador hauria de ser capaç d’avisar el personal mèdic i, possiblement, els que l’envolten, que s’ha produït una arítmia o similars. En aquest moment, un metge ha de revisar la producció d’ECG per fer un diagnòstic, mentre que els tècnics estan formats per llegir-los, no poden fer un diagnòstic oficial al camp. Si els ECG que fan servir els primers socorristes tenen un diagnòstic precís, podria permetre un tractament més ràpid. Això és especialment important a les zones rurals, on pot trigar més d’una hora a aconseguir que un pacient que no es pugui permetre un viatge en helicòpter a l’hospital. La següent etapa seria afegir un desfibril·lador a la pròpia màquina ECG. Aleshores, quan detecta una arítmia, pot esbrinar el voltatge adequat per a un xoc i, tenint en compte que s'han col·locat els coixinets de xoc, pot intentar que el pacient torni al ritme sinusal. Això seria útil en entorns hospitalaris, on els pacients ja estan connectats a diverses màquines i, si no hi ha prou personal mèdic per atendre immediatament, la màquina tot en un cor podria fer-ne càrrec, estalviant el temps preciós necessari per salvar una vida.

Pas 6: Conclusió

En aquest projecte, es va dissenyar amb èxit un circuit ECG i després es va simular mitjançant LTSpice. Consistia en un amplificador d’instrumentació, un filtre de pas baix i un amplificador sense inversió per condicionar el senyal. La simulació va mostrar que els tres components funcionaven individualment i junts quan es combinaven per obtenir un circuit integrat total. Els amplificadors tenien un guany de 50 cadascun, fet confirmat per les simulacions executades a LTSpice. El filtre de pas baix tenia una freqüència de tall de 50 Hz, per reduir el soroll de les línies elèctriques i els artefactes de la pell i el moviment. Tot i que es tracta d’un circuit d’ECG molt petit, hi ha moltes millores que es podrien fer, des de l’addició d’un filtre o dos fins a una màquina tot en un cor que podria agafar l’ECG, llegir-lo i proporcionar un tractament immediat.

Pas 7: referències

Referències

[1] "Electrocardiograma (ECG o EKG)", Mayo Clinic, 09-abr-2020. [En línia]. Disponible: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Consulta: 04-desembre-2020].

[2] "Electrocardiograma", Institut Nacional de Pulmó i Sang del Cor. [En línia]. Disponible: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Consulta: 04-desembre-2020].

[3] A. Randazzo, "The Ultimate 12-Lead ECG Colocation Guide (With Illustrations)", Prime Medical Training, 11 de novembre de 2019. [En línia]. Disponible: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Consulta: 04-desembre-2020].

[4] C. Watford, "Understanding ECG Filtering", EMS 12 Lead, 2014. [En línia]. Disponible: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Consulta: 04-desembre-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher i AA Armoundas, «Tècniques d’aprenentatge automàtic d’última generació amb l'objectiu de millorar els resultats del pacient relacionats amb el sistema cardiovascular», Journal of the American Heart Association, vol. 9, núm. 4 de 2020.

[6] W. Y. Du, "Disseny d'un circuit de sensor ECG per al diagnòstic de malalties cardiovasculars", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, núm. 4 de 2017.

[7] "Calculadora de tensió de sortida de l'amplificador d'instrumentació", ncalculators.com. [En línia]. Disponible: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Consulta: 04-desembre-2020].

[8] "Calculadora de filtres de pas baix", ElectronicBase, 1-abr-2019. [En línia]. Disponible: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Consulta: 04-desembre-2020].

[9] "Amplificador operacional sense inversió: l'amplificador operatiu sense inversió", Tutorials bàsics d'electrònica, 6 de novembre de 2020. [En línia]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Consulta: 04-desembre-2020].

[10] E. Sengpiel, "Càlcul: amplificació (guany) i amortiment (pèrdua) com a factor (relació) al nivell en decibels (dB)", calculadora dB per al guany d'amplificació i el factor d'amortiment (pèrdua) d'un càlcul de l'amplificador d'àudio relació de decibels dB - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [En línia]. Disponible: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Consulta: 04-desembre-2020].

[11] "Filtre de pas baix - Tutorial de filtre RC passiu", Tutorials bàsics d'electrònica, 1 de maig de 2020. [En línia]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Consulta: 04-desembre-2020].

[12] O. H. Instructables, "Circuit d'electrocardiograma súper simple (ECG)", Instructables, 2-abr-2018. [En línia]. Disponible: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Consulta: 04-desembre-2020].

[13] Brent Cornell, "Electrocardiografia", BioNinja. [En línia]. Disponible: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Consulta: 04-desembre-2020].