Un ECG pieno di cuore: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Astratto

Un ECG, o elettrocardiogramma, è un dispositivo medico comunemente usato per registrare i segnali elettrici del cuore. Sono semplici da realizzare nella forma più elementare, ma c'è molto spazio per la crescita. Per questo progetto è stato progettato e simulato un ECG su LTSpice. L'ECG aveva tre componenti: un amplificatore per strumentazione, un filtro passa basso e, infine, un amplificatore non invertente. Questo era per garantire che ci fosse abbastanza guadagno proveniente da una sorgente relativamente debole di un segnale biologico, nonché un filtro per rimuovere il rumore nel circuito. Le simulazioni hanno mostrato che ogni componente del circuito ha funzionato con successo, così come un circuito integrato totale con tutti e tre i componenti. Ciò dimostra che questo è un modo praticabile per creare un circuito ECG. Abbiamo quindi esplorato il vasto potenziale di miglioramento dell'ECG.

Passaggio 1: introduzione/sfondo

Un ECG o un elettrocardiogramma viene utilizzato per registrare i segnali elettrici del cuore. È abbastanza comune e un test indolore utilizzato per rilevare problemi cardiaci e monitorare la salute cardiaca. Vengono eseguiti negli studi medici - cliniche o stanze d'ospedale e sono macchine standard nelle sale operatorie e nelle ambulanze [1]. Possono mostrare quanto velocemente sta battendo il cuore, se il ritmo è regolare o meno, così come la forza e la tempistica degli impulsi elettrici che attraversano le diverse parti del cuore. Circa 12 elettrodi (o meno) sono attaccati alla pelle del torace, delle braccia e delle gambe e sono collegati a una macchina che legge gli impulsi e li rappresenta graficamente [2]. Un ECG a dodici derivazioni ha 10 elettrodi (per un totale di 12 visualizzazioni del cuore). Il 4-lead va sugli arti. Due ai polsi e due alle caviglie. Gli ultimi 6 cavi vanno sul busto. V1 va sul 4° spazio intercostale a destra dello sterno, mentre V2 è sulla stessa linea, ma a sinistra dello sterno. V3 è posto a metà tra V2 e V4, V5 va sulla linea ascellare anteriore allo stesso livello di V4 e V6 vanno sulla linea medioascellare allo stesso livello [3].

L'obiettivo di questo progetto è progettare, simulare e verificare un dispositivo di acquisizione del segnale analogico, in questo caso un elettrocardiogramma. Poiché la frequenza cardiaca media è di 72, ma a riposo può scendere fino a 90, la mediana può essere considerata intorno ai 60 bpm, dando una frequenza fondamentale di 1Hz per la frequenza cardiaca. La frequenza cardiaca può variare da circa 0,67 a 5 Hz (da 40 a 300 bpm). Ogni segnale è costituito da un'onda che può essere etichettata come P, complesso QRS e una porzione T dell'onda. L'onda P funziona a circa 0,67 - 5 Hz, il complesso QRS è a circa 10-50 Hz e l'onda T è a circa 1 - 7 Hz [4]. L'attuale stato dell'arte degli ECG ha l'apprendimento automatico [5], in cui aritmie e simili possono essere classificate dalla macchina stessa. Per semplificazione, questo ECG avrà solo due elettrodi: uno positivo e uno negativo.

Passaggio 2: metodi e materiali

Per iniziare la progettazione, è stato utilizzato un computer sia per la ricerca che per la modellazione. Il software utilizzato era LTSpice. Innanzitutto, per progettare lo schema per l'ECG analogico, sono state condotte ricerche per vedere quali sono i progetti attuali e come implementarli al meglio in un nuovo progetto. Praticamente tutte le sorgenti sono iniziate con un amplificatore per strumentazione. Prende due ingressi: da ciascuno degli elettrodi. Successivamente, è stato scelto un filtro passa basso per rimuovere i segnali sopra i 50 Hz, poiché il rumore della linea di alimentazione arriva a circa 50-60 Hz [6]. Successivamente, è stato un amplificatore non invertente ad amplificare il segnale, poiché i biosegnali sono piuttosto piccoli.

Il primo componente era l'amplificatore della strumentazione. Ha due ingressi, uno per l'elettrodo positivo e uno per l'elettrodo negativo. L'amplificatore della strumentazione è stato utilizzato specificamente per proteggere il circuito dal segnale in ingresso. Ci sono tre amplificatori operazionali universali e 7 resistori. Tutti i resistori tranne R4 (Rgain) hanno la stessa resistenza. Il guadagno di un amplificatore per strumentazione può essere manipolato con la seguente equazione: A = 1 + (2RRgain) [7] Il guadagno è stato scelto pari a 50 poiché i biosegnali sono molto piccoli. I resistori sono stati scelti per essere più grandi per facilità d'uso. I calcoli seguono quindi questo insieme di equazioni per dare R = 5000Ω e Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRguadagno) 50 2 * 5000200

Il componente successivo utilizzato è stato un filtro passa basso, per rimuovere le frequenze superiori a 50 Hz, che manterrà solo l'onda PQRST in questa gamma di frequenza e riduce al minimo il rumore. L'equazione per un filtro passa basso è mostrata di seguito: fc= 12RC[8] Poiché la frequenza scelta per il taglio era 50 Hz e il resistore è stato scelto per essere 1kΩ, i calcoli producono un valore del condensatore di 0.00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Il terzo componente nell'ECG era un amplificatore non invertente. Questo per garantire che il segnale sia sufficientemente grande prima (potenzialmente) di essere trasferito a un convertitore analogico-digitale. Il guadagno di un amplificatore non invertente è mostrato di seguito: A = 1 + R2R1[9] Come prima, il guadagno è stato scelto pari a 50, per aumentare l'ampiezza del segnale finale. I calcoli per il resistore sono i seguenti, con un resistore scelto per essere 10000Ω, dando un secondo valore di resistenza di 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Per testare lo schema, sono state eseguite analisi su ciascun componente e quindi sullo schema complessivo finale. La seconda simulazione era un'analisi AC, uno sweep di ottava, con 100 punti per ottava e che attraversava le frequenze da 1 a 1000 Hz.

Passaggio 3: risultati

Per testare il circuito, è stata eseguita una scansione di ottava, con 100 punti per ottava, partendo da una frequenza di 1 Hz e arrivando fino a una frequenza di 1000 Hz. L'input era una curva sinusoidale, per essere una rappresentazione della natura ciclica dell'onda ECG. Aveva un offset DC di 0, ampiezza di 1, frequenza di 1 Hz, ritardo T di 0, theta (1/s) di 0 e phi (deg) di 90. La frequenza è stata impostata su 1, poiché una media la frequenza cardiaca può essere impostata su circa 60 bpm, ovvero 1 Hz.

Come si vede nella Figura 5, il blu era l'input e il rosso era l'output. C'è stato chiaramente un enorme guadagno, come visto sopra.

Il filtro passa basso è stato impostato su 50 Hz, per rimuovere il rumore della linea di alimentazione in una potenziale applicazione ECG. Poiché ciò non si applica qui dove il segnale è costante a 1 Hz, l'uscita è la stessa dell'ingresso (Figura 6).

L'uscita - mostrata in blu - è chiaramente amplificata rispetto all'ingresso, mostrato in verde. Inoltre, poiché i picchi e le valli delle curve sinusoidali coincidono, ciò mostra che l'amplificatore era effettivamente non invertente (Figura 7).

La Figura 8 mostra tutte le curve insieme. Mostra chiaramente la manipolazione del segnale, passando da un piccolo segnale, amplificato due volte e filtrato (sebbene la filtrazione non abbia effetto su questo segnale specifico).

Utilizzando le equazioni per il guadagno e la frequenza di taglio [10, 11], i valori sperimentali sono stati determinati dai grafici. Il filtro passa basso ha avuto l'errore minimo, mentre entrambi gli amplificatori hanno oscillato con un errore di circa il 10% (Tabella 1).

Passaggio 4: discussione

Sembra che lo schema faccia quello che dovrebbe fare. Prendeva un dato segnale, lo amplificava, poi lo filtrava e poi lo amplificava di nuovo. Detto questo, è un design molto "piccolo", composto solo da un amplificatore per strumentazione, un filtro passa basso e un filtro non invertente. Non c'era un chiaro input di una fonte ECG, nonostante innumerevoli ore di navigazione sul web per una fonte adeguata. Sfortunatamente, anche se ciò non ha funzionato, l'onda sinusoidale era un sostituto appropriato per la natura ciclica del segnale.

Una fonte di errore quando si tratta del valore teorico e reale del guadagno e del filtro passa basso potrebbero essere i componenti scelti. Poiché le equazioni utilizzate hanno un rapporto delle resistenze sommato a 1, durante i calcoli, questa è stata trascurata. Questo può essere fatto se i resistori utilizzati sono abbastanza grandi. Sebbene i resistori scelti fossero grandi, il fatto che uno non sia stato preso in considerazione creerà un piccolo margine di errore. I ricercatori della San Jose State University di San Jose, in California, hanno progettato un ECG specifico per la diagnosi delle malattie cardiovascolari. Hanno usato un amplificatore per strumenti, un filtro passa-alto attivo del 1° ordine, un riempitivo passa-basso Bessel attivo del 5° ordine e un filtro notch attivo a doppia T [6]. Hanno concluso che l'uso di tutti questi componenti ha portato al condizionamento di successo di un'onda ECG grezza da un soggetto umano. Un altro modello di un semplice circuito ECG realizzato da Orlando Hoilett alla Purdue University consisteva esclusivamente in un amplificatore per strumentazione. L'uscita era chiara e utilizzabile, ma si raccomandava che per applicazioni specifiche, le modifiche sarebbero state migliori, vale a dire amplificatori, filtri passa-banda e un filtro notch a 60 Hz per rimuovere il rumore della linea di alimentazione. Ciò dimostra che questo design di un ECG, sebbene non onnicomprensivo, non è il metodo più semplice per ricevere un segnale ECG.

Passaggio 5: lavoro futuro

Questo design di un ECG richiederebbe alcune cose in più prima di essere inserito in un dispositivo pratico. Per uno, il filtro notch a 60 Hz è stato consigliato da diverse fonti e, poiché non c'era rumore della linea elettrica da affrontare qui, non è stato implementato nella simulazione. Detto questo, una volta tradotto in un dispositivo fisico, sarebbe utile aggiungere un filtro notch. Inoltre, al posto del filtro passa basso, potrebbe funzionare meglio avere un filtro passa banda, per avere un maggiore controllo delle frequenze che vengono filtrate. Anche in questo caso, nella simulazione, questo tipo di problema non si presenta, ma apparirebbe in un dispositivo fisico. Successivamente, l'ECG richiederebbe un convertitore da analogico a digitale e probabilmente un dispositivo simile a un Raspberry Pi per raccogliere i dati e trasmetterli in streaming a un computer per la visualizzazione e l'uso. Ulteriori miglioramenti sarebbero l'aggiunta di più derivazioni, magari iniziando dalle 4 derivazioni degli arti e passando a tutte le 10 derivazioni per un diagramma a 12 derivazioni del cuore. Sarebbe anche utile una migliore interfaccia utente, magari con un touchscreen per consentire ai professionisti medici di accedere facilmente e concentrarsi su alcune parti di un output ECG.

Ulteriori passaggi comporteranno l'apprendimento automatico e l'implementazione dell'IA. Il computer dovrebbe essere in grado di avvisare il personale medico - e possibilmente quelli intorno - che si è verificata un'aritmia o simili. A questo punto, un medico deve rivedere un output ECG per fare una diagnosi - mentre i tecnici sono addestrati a leggerli, non possono fare una diagnosi ufficiale sul campo. Se gli ECG utilizzati dai primi soccorritori hanno una diagnosi accurata, potrebbero consentire un trattamento più rapido. Questo è particolarmente importante nelle zone rurali, dove potrebbe volerci più di un'ora per portare in ospedale un paziente che non può permettersi un giro in elicottero. La fase successiva sarebbe l'aggiunta di un defibrillatore alla macchina ECG stessa. Quindi, quando rileva un'aritmia, può determinare la tensione corretta per uno shock e, dato che gli shock pad sono stati posizionati, può tentare di riportare il paziente al ritmo sinusale. Ciò sarebbe utile negli ambienti ospedalieri, dove i pazienti sono già collegati a varie macchine e se non c'è abbastanza personale medico per fornire immediatamente assistenza, la macchina per il cuore all in one potrebbe occuparsene, risparmiando tempo prezioso necessario per salvare una vita.

Passaggio 6: conclusione

In questo progetto, un circuito ECG è stato progettato con successo e quindi simulato utilizzando LTSpice. Consisteva in un amplificatore per strumentazione, un filtro passa basso e un amplificatore non invertente per condizionare il segnale. La simulazione ha mostrato che tutti e tre i componenti hanno funzionato individualmente e insieme quando combinati per un circuito integrato totale. Gli amplificatori avevano ciascuno un guadagno di 50, fatto confermato dalle simulazioni eseguite su LTSpice. Il filtro passa basso aveva una frequenza di taglio di 50 Hz, per ridurre il rumore delle linee elettriche e gli artefatti della pelle e del movimento. Anche se questo è un circuito ECG molto piccolo, ci sono molti miglioramenti che potrebbero essere fatti, andando dall'aggiunta di un filtro o due, fino a una macchina per il cuore tutto in uno che potrebbe prendere l'ECG, leggerlo e fornire un trattamento immediato.

Passaggio 7: riferimenti

Riferimenti

[1] "Elettrocardiogramma (ECG o ECG)," Mayo Clinic, 09-Apr-2020. [In linea]. Disponibile: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Accesso: 04-dic-2020].

[2] "Elettrocardiogramma", National Heart Lung and Blood Institute. [In linea]. Disponibile: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Accesso: 04-dic-2020].

[3] A. Randazzo, "La guida definitiva al posizionamento dell'ECG a 12 derivazioni (con illustrazioni)," Prime Medical Training, 11-nov-2019. [In linea]. Disponibile: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Accesso: 04-dic-2020].

[4] C. Watford, "Comprensione del filtraggio ECG", EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Disponibile: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Accesso: 04-dic-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au-Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher e AA Armoundas, "Tecniche di apprendimento automatico allo stato dell'arte volte a migliorare i risultati dei pazienti relativi al sistema cardiovascolare", Journal of the Associazione americana del cuore, vol. 9, nr. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, "Progettazione di un circuito del sensore ECG per la diagnosi delle malattie cardiovascolari", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, nr. 4, 2017.

[7] "Calcolatore della tensione di uscita dell'amplificatore della strumentazione", ncalculators.com. [In linea]. Disponibile: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Accesso: 04-dic-2020].

[8] "Calcolatore filtro passa basso", ElectronicBase, 01-apr-2019. [In linea]. Disponibile: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Accesso: 04-dic-2020].

[9] "Amplificatore operazionale non invertente - L'amplificatore operazionale non invertente", Tutorial di elettronica di base, 06-nov-2020. [In linea]. Disponibile: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Accesso: 04-dic-2020].

[10] E. Sengpiel, “Calcolo: Amplificazione (guadagno) e smorzamento (perdita) come fattore (rapporto) al livello in decibel (dB)”,” Calcolatore dB per il calcolo del guadagno di amplificazione e del fattore di smorzamento (perdita) di un amplificatore audio rapporto decibel dB - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [In linea]. Disponibile: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Accesso: 04-dic-2020].

[11] "Filtro passa basso - Esercitazione filtro RC passivo", Esercitazioni di base sull'elettronica, 01-maggio-2020. [In linea]. Disponibile: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Accesso: 04-dic-2020].

[12] O. H. Instructables, "Circuito elettrocardiogramma super semplice (ECG)," Instructables, 02-apr-2018. [In linea]. Disponibile: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Accesso: 04-dic-2020].

[13] Brent Cornell, "Elettrocardiografia", BioNinja. [In linea]. Disponibile: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Accesso: 04-dic-2020].