مخطط كهربية القلب القلبية: 7 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:36

الملخص

مخطط كهربية القلب هو جهاز طبي شائع الاستخدام لتسجيل الإشارات الكهربائية للقلب. من السهل صنعها في أبسط أشكالها ، ولكن هناك مجال كبير للنمو. بالنسبة لهذا المشروع ، تم تصميم ومحاكاة مخطط كهربية القلب على LTSpice. يحتوي ECG على ثلاثة مكونات: مضخم للأجهزة ، ومرشح تمرير منخفض ، وأخيراً ، مضخم غير مقلوب. كان هذا لضمان وجود مكاسب كافية قادمة من مصدر ضعيف نسبيًا للإشارة الحيوية ، بالإضافة إلى مرشح لإزالة الضوضاء في الدائرة. أظهرت عمليات المحاكاة أن كل مكون من مكونات الدائرة يعمل بنجاح ، كما فعلت دائرة متكاملة بالكامل مع المكونات الثلاثة. هذا يدل على أن هذه طريقة قابلة للتطبيق لإنشاء دائرة تخطيط القلب. ثم استكشفنا الإمكانات الهائلة لإدخال تحسينات على مخطط كهربية القلب.

الخطوة 1: مقدمة / خلفية

يستخدم مخطط كهربية القلب أو مخطط كهربية القلب لتسجيل الإشارات الكهربائية للقلب. إنه اختبار شائع وغير مؤلم يستخدم للكشف عن مشاكل القلب ومراقبة صحة القلب. يتم إجراؤها في مكاتب الأطباء - سواء في العيادات أو غرف المستشفى وهي آلات قياسية في غرف العمليات وسيارات الإسعاف [1]. يمكنهم إظهار مدى سرعة ضربات القلب ، إذا كان الإيقاع منتظمًا أم لا ، بالإضافة إلى قوة وتوقيت النبضات الكهربائية التي تمر عبر أجزاء القلب المختلفة. يتم توصيل حوالي 12 قطبًا كهربائيًا (أو أقل) بجلد الصدر والذراعين والساقين ويتم توصيلها بجهاز يقرأ النبضات ويرسمها بيانيًا [2]. يحتوي مخطط كهربية القلب المكون من اثني عشر رصاصًا على 10 أقطاب كهربائية (لإعطاء إجمالي 12 منظرًا للقلب). 4-الرصاص يذهب على الأطراف. اثنان على الرسغين واثنان على الكاحلين. آخر 6 خيوط تذهب على الجذع. يمتد V1 على الفضاء الوربي الرابع إلى يمين القص ، بينما يقع V2 على نفس الخط ، ولكن على يسار القص. تم وضع V3 في منتصف الطريق بين V2 و V4 ، بينما يتحرك V5 عند الخط الإبطي الأمامي عند نفس المستوى مثل V4 و V6 على خط منتصف الإبط عند نفس المستوى [3].

الهدف من هذا المشروع هو تصميم ومحاكاة والتحقق من جهاز الحصول على إشارة تناظرية - في هذه الحالة ، مخطط كهربية القلب. نظرًا لأن متوسط معدل ضربات القلب يبلغ 72 ، ولكن أثناء الراحة يمكن أن يصل إلى 90 ، يمكن اعتبار المتوسط عند حوالي 60 نبضة في الدقيقة ، مما يعطي ترددًا أساسيًا قدره 1 هرتز لمعدل ضربات القلب. يمكن أن يتراوح معدل ضربات القلب من حوالي 0.67 إلى 5 هرتز (40 إلى 300 نبضة في الدقيقة). تتكون كل إشارة من موجة يمكن تصنيفها على أنها P ومركب QRS وجزء T للموجة. تعمل الموجة P عند حوالي 0.67 - 5 هرتز ، ومركب QRS عند حوالي 10-50 هرتز ، والموجة T حوالي 1 - 7 هرتز [4]. تتميز أجهزة تخطيط القلب الحالية بالتعلم الآلي [5] ، حيث يمكن تصنيف حالات عدم انتظام ضربات القلب وما شابه ذلك بواسطة الجهاز نفسه. للتبسيط ، سيحتوي مخطط كهربية القلب هذا على قطبين فقط - أحدهما موجب والآخر سالب.

الخطوة 2: الأساليب والمواد

لبدء التصميم ، تم استخدام الكمبيوتر لكل من البحث والنمذجة. البرنامج المستخدم هو LTSpice. أولاً ، لتصميم مخطط تخطيط القلب التناظري ، تم إجراء بحث لمعرفة ماهية التصميمات الحالية وكيفية تنفيذها بشكل أفضل في تصميم جديد. بدأت جميع المصادر تقريبًا بمكبر للصوت للبدء. يأخذ مدخلين - من كل من الأقطاب الكهربائية. بعد ذلك ، تم اختيار مرشح تمرير منخفض لإزالة الإشارات التي تزيد عن 50 هرتز ، حيث تأتي ضوضاء خط الطاقة عند حوالي 50-60 هرتز [6]. بعد ذلك ، تم استخدام مضخم صوت غير متحول لتضخيم الإشارة ، حيث أن الإشارات الحيوية صغيرة جدًا.

كان المكون الأول هو مضخم الأجهزة. له مدخلين ، أحدهما للقطب الموجب والآخر للقطب السالب. تم استخدام مضخم الأجهزة على وجه التحديد لحماية الدائرة من الإشارة الواردة. هناك ثلاثة مكبرات تشغيل عالمية و 7 مقاومات. جميع المقاومات باستثناء R4 (Rgain) لها نفس المقاومة. يمكن معالجة كسب مكبر للصوت بالمعادلة التالية: A = 1 + (2RRgain) [7] تم اختيار الكسب ليكون 50 نظرًا لأن الإشارات الحيوية صغيرة جدًا. تم اختيار المقاومات لتكون أكبر لسهولة الاستخدام. تتبع الحسابات بعد ذلك مجموعة المعادلات هذه لتعطي R = 5000Ω و Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2Rgain) 50 2 * 5000200

كان المكون التالي المستخدم هو مرشح تمرير منخفض ، لإزالة الترددات فوق 50 هرتز ، والذي سيحافظ فقط على موجة PQRST في نطاق التردد هذا ويقلل من الضوضاء. معادلة مرشح التمرير المنخفض موضحة أدناه: fc = 12RC [8] نظرًا لأن التردد المختار للقطع كان 50 هرتز ، وتم اختيار المقاوم ليكون 1kΩ ، فإن الحسابات تنتج قيمة مكثف تبلغ 0.00000318 F. 50 = 12 * 1000 * ج

كان المكون الثالث في مخطط كهربية القلب عبارة عن مكبر صوت غير مقلوب. هذا للتأكد من أن الإشارة كبيرة بما يكفي قبل (من المحتمل) نقلها إلى محول تناظري إلى رقمي. يظهر كسب مكبر الصوت غير المحول أدناه: A = 1 + R2R1 [9] كما كان قبل اختيار الكسب ليكون 50 ، لزيادة سعة الإشارة النهائية. حسابات المقاوم هي كما يلي ، مع اختيار مقاوم واحد ليكون 10000 ، مما يعطي المقاوم الثاني قيمة 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

لاختبار التخطيطي ، تم إجراء التحليلات على كل مكون ثم على المخطط العام النهائي. كانت المحاكاة الثانية هي تحليل التيار المتردد ، اكتساح أوكتاف ، مع 100 نقطة لكل أوكتاف ، وتعمل من خلال الترددات من 1 إلى 1000 هرتز.

الخطوة الثالثة: النتائج

لاختبار الدائرة ، تم إجراء مسح أوكتاف ، مع 100 نقطة لكل أوكتاف ، بدءًا من تردد 1 هرتز ، وحتى تردد 1000 هرتز. كان الإدخال عبارة عن منحنى جيبي ، ليكون تمثيلًا للطبيعة الدورية لموجة مخطط كهربية القلب. كان لديه إزاحة DC بقيمة 0 ، والسعة 1 ، والتردد 1 هرتز ، وتأخير T 0 ، وثيتا (1 / s) من 0 ، و phi (درجة) 90. تم تعيين التردد ليكون 1 ، منذ المتوسط يمكن ضبط معدل ضربات القلب على حوالي 60 نبضة في الدقيقة ، أي 1 هرتز.

كما هو موضح في الشكل 5 ، كان اللون الأزرق هو المدخلات واللون الأحمر هو الناتج. من الواضح أن هناك مكاسب هائلة ، كما رأينا أعلاه.

تم ضبط مرشح التمرير المنخفض على 50 هرتز ، لإزالة ضوضاء خط الطاقة في تطبيق تخطيط القلب المحتمل. نظرًا لأن ذلك لا ينطبق هنا حيث تكون الإشارة ثابتة عند 1 هرتز ، يكون الإخراج هو نفسه الإدخال (الشكل 6).

يتم تضخيم الإخراج - الموضح باللون الأزرق - بشكل واضح مقارنةً بالمدخلات الموضحة باللون الأخضر. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن قمم ووديان منحنيات الجيب تتطابق ، فهذا يدل على أن مكبر الصوت كان بالفعل غير مقلوب (الشكل 7).

يوضح الشكل 8 جميع المنحنيات معًا. يُظهر بوضوح التلاعب بالإشارة ، من إشارة صغيرة ، ومضخمة مرتين ، وتصفيتها (على الرغم من أن الترشيح ليس له أي تأثير على هذه الإشارة المحددة).

باستخدام المعادلات لتكرار الكسب والقطع [10 ، 11] ، تم تحديد القيم التجريبية من المؤامرات. كان لمرشح التمرير المنخفض الخطأ الأقل ، بينما تحوم كلتا المكبرات مع خطأ حوالي 10٪ (الجدول 1).

الخطوة 4: المناقشة

يبدو أن التخطيطي يفعل ما يفترض أن يفعله. لقد أخذ إشارة معينة ، وقام بتضخيمها ، ثم تصفيتها ، ثم تضخيمها مرة أخرى. ومع ذلك ، فهو تصميم "صغير جدًا" ، يتكون فقط من مضخم للأجهزة ، ومرشح تمرير منخفض ، ومرشح غير مقلوب. لم يكن هناك مدخلات واضحة لمصدر ECG ، على الرغم من ساعات لا تحصى من تصفح الويب بحثًا عن مصدر مناسب. لسوء الحظ ، بينما لم ينجح ذلك ، كانت موجة الخطيئة بديلاً مناسبًا للطبيعة الدورية للإشارة.

يمكن أن يكون مصدر الخطأ عندما يتعلق الأمر بالقيمة النظرية والفعلية للكسب ومرشح التمرير المنخفض هو المكونات المختارة. نظرًا لأن المعادلات المستخدمة تحتوي على نسبة مقاومات مضافة إلى 1 ، أثناء إجراء الحسابات ، تم إهمال هذه المعادلة. يمكن القيام بذلك إذا كانت المقاومات المستخدمة كبيرة بما يكفي. في حين أن المقاومات المختارة كانت كبيرة ، فإن حقيقة أن المقاومات لم يتم أخذها في الحسابات ستخلق هامشًا صغيرًا من الخطأ. صمم باحثون في جامعة ولاية سان خوسيه في سان خوسيه كاليفورنيا مخطط كهربية القلب خصيصًا لتشخيص أمراض القلب والأوعية الدموية. لقد استخدموا مضخمًا للأجهزة ، ومرشح تمرير عالٍ نشط من الدرجة الأولى ، وحشو تمرير منخفض نشط من الدرجة الخامسة ، ومرشح شق مزدوج نشط [6]. وخلصوا إلى أن استخدام كل هذه المكونات أدى إلى التكييف الناجح لموجة تخطيط كهربية القلب الخام من جسم الإنسان. يتألف نموذج آخر لدائرة تخطيط كهربية القلب البسيطة التي قام بها أورلاندو هوليت في جامعة بوردو من مضخم للأجهزة فقط. كان الإخراج واضحًا وقابل للاستخدام ، ولكن يوصى بأن تكون التغييرات أفضل لتطبيقات معينة - أي مكبرات الصوت ومرشحات تمرير النطاق ومرشح درجة 60 هرتز لإزالة ضوضاء خط الطاقة. يوضح هذا أن تصميم مخطط كهربية القلب هذا ، على الرغم من عدم شموله بالكامل ، ليس الطريقة الأبسط لأخذ إشارة مخطط كهربية القلب.

الخطوة الخامسة: العمل المستقبلي

يتطلب تصميم مخطط كهربية القلب هذا بضعة أشياء أخرى قبل وضعها في جهاز عملي. أولاً ، أوصت عدة مصادر بفلتر درجة 60 هرتز ، وبما أنه لا توجد ضوضاء في خط الطاقة للتعامل معها هنا ، لم يتم تنفيذها في المحاكاة. ومع ذلك ، بمجرد ترجمة هذا إلى جهاز مادي ، سيكون من المفيد إضافة مرشح درجة. بالإضافة إلى ذلك ، بدلاً من مرشح الترددات المنخفضة ، قد يكون من الأفضل أن يكون لديك مرشح ممر النطاق ، للحصول على مزيد من التحكم في الترددات التي يتم تصفيتها. مرة أخرى ، في المحاكاة ، لا يظهر هذا النوع من المشكلات ، لكنه سيظهر في جهاز مادي. بعد ذلك ، سيتطلب ECG محولًا تناظريًا إلى رقمي ، ومن المحتمل أن يكون جهازًا مشابهًا لـ raspberry pi لجمع البيانات ودفقها إلى جهاز كمبيوتر لعرضها واستخدامها. قد تكون التحسينات الإضافية هي إضافة المزيد من الخيوط ، ربما بدءًا من خيوط الأطراف الأربعة والتخرج إلى جميع الخيوط العشرة للحصول على مخطط 12 الرصاص للقلب. قد تكون واجهة المستخدم الأفضل مفيدة أيضًا - ربما باستخدام شاشة تعمل باللمس للمهنيين الطبيين ليكونوا قادرين على الوصول بسهولة والتركيز على أجزاء معينة من مخرجات تخطيط القلب.

قد تتضمن الخطوات الإضافية التعلم الآلي وتطبيق الذكاء الاصطناعي. يجب أن يكون الكمبيوتر قادرًا على تنبيه العاملين في المجال الطبي - وربما من حولهم - بحدوث اضطراب نظم القلب أو ما شابه. في هذه المرحلة ، يجب على الطبيب مراجعة مخرجات مخطط كهربية القلب لإجراء التشخيص - بينما يتم تدريب الفنيين على قراءتها ، لا يمكنهم إجراء تشخيص رسمي في هذا المجال. إذا كانت أجهزة تخطيط كهربية القلب التي يستخدمها المستجيبون الأوائل تحتوي على تشخيص دقيق ، فقد تسمح بعلاج أسرع. هذا مهم بشكل خاص في المناطق الريفية ، حيث قد يستغرق الأمر أكثر من ساعة لنقل مريض لا يستطيع تحمل تكلفة رحلة الهليكوبتر إلى المستشفى. ستكون المرحلة التالية هي إضافة مزيل الرجفان إلى جهاز تخطيط القلب نفسه. بعد ذلك ، عندما يكتشف عدم انتظام ضربات القلب ، يمكنه معرفة الجهد المناسب للصدمة - وبالنظر إلى وضع وسادات الصدمة - يمكنه محاولة إعادة المريض إلى إيقاع الجيوب الأنفية. قد يكون هذا مفيدًا في إعدادات المستشفى ، حيث يتم توصيل المرضى بالفعل بأجهزة مختلفة وإذا لم يكن هناك ما يكفي من الطاقم الطبي لتقديم الرعاية على الفور ، يمكن لجهاز القلب الشامل أن يعتني بها ، مما يوفر الوقت الثمين اللازم لإنقاذ الأرواح.

الخطوة السادسة: الخاتمة

في هذا المشروع ، تم تصميم دائرة تخطيط القلب بنجاح ثم محاكاة باستخدام LTSpice. يتألف من مضخم للأجهزة ، ومرشح تمرير منخفض ، ومضخم غير مقلوب لتكييف الإشارة. أظهرت المحاكاة أن المكونات الثلاثة تعمل بشكل فردي وكذلك معًا عند دمجها في دائرة متكاملة كاملة. حققت كل من مكبرات الصوت ربحًا قدره 50 ، وهي حقيقة أكدتها عمليات المحاكاة التي أجريت على LTSpice. كان لمرشح التمرير المنخفض تردد قطع يبلغ 50 هرتز ، لتقليل الضوضاء من خطوط الطاقة والتحف من الجلد والحركة. في حين أن هذه دائرة صغيرة جدًا لتخطيط القلب ، إلا أن هناك الكثير من التحسينات التي يمكن إجراؤها ، بدءًا من إضافة مرشح أو اثنين ، وصولاً إلى جهاز القلب الكل في واحد الذي يمكنه أخذ ECG وقراءته و تقديم العلاج الفوري.

الخطوة 7: المراجع

مراجع

[1] "مخطط كهربية القلب (ECG أو EKG)" ، مايو كلينك ، 09-أبريل -2020. [متصل]. متاح: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [تم الوصول إليه: 04-ديسمبر -2020].

[2] "مخطط كهربية القلب" المعهد القومي للقلب والرئة والدم. [متصل]. متاح: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [تم الوصول إليه: 04-ديسمبر -2020].

[3] أ. راندازو ، "الدليل النهائي لتخطيط مخطط كهربية القلب (12-Lead) (مع الرسوم التوضيحية) ،" Prime Medical Training ، 11-Nov-2019. [متصل]. متاح: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [تم الوصول إليه: 04-ديسمبر -2020].

[4] جيم واتفورد ، "فهم تصفية ECG ،" EMS 12 Lead ، 2014. [عبر الإنترنت]. متاح: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [تم الوصول إليه: 04-ديسمبر -2020].

[5] RK Sevakula و WTM Au ‐ Yeung و JP Singh و EK Heist و EM Isselbacher و AA Armoundas ، "أحدث تقنيات التعلم الآلي التي تهدف إلى تحسين نتائج المرضى المتعلقة بنظام القلب والأوعية الدموية" ، مجلة جمعية القلب الأمريكية ، المجلد. 9 ، لا. 4 ، 2020.

[6] دبليو واي دو ، "تصميم دوائر استشعار ECG لتشخيص أمراض القلب والأوعية الدموية ،" المجلة الدولية للمستشعرات الحيوية والبيولوجية الإلكترونية ، المجلد. 2 ، لا. 4 ، 2017.

[7] "آلة حاسبة لجهد خرج مضخم الأجهزة" ncalculators.com. [متصل]. متاح: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [تم الوصول إليه: 04-ديسمبر -2020].

[8] "آلة حاسبة لفلتر الترددات المنخفضة" ElectronicBase ، 01-أبريل -2019. [متصل]. متاح: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [تم الوصول إليه: 04-ديسمبر -2020].

[9] "مضخم تشغيلي غير مقلوب - مكبر الصوت غير المقلوب" ، دروس إلكترونيات أساسية ، 06-نوفمبر -2020. [متصل]. متاح: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [تم الوصول إليه: 04-ديسمبر -2020].

[10] E. Sengpiel ، "الحساب: التضخيم (الكسب) والتخميد (الخسارة) كعامل (نسبة) إلى المستوى بالديسيبل (ديسيبل) ،" آلة حاسبة ديسيبل لكسب التضخيم وعامل التخميد (الخسارة) لحساب مكبر الصوت نسبة ديسيبل ديسيبل - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [متصل]. متاح: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [تم الوصول إليه: 04-ديسمبر -2020].

[11] "مرشح الترددات المنخفضة - برنامج تعليمي لمرشح RC السلبي" ، دروس إلكترونيات أساسية ، 01 مايو 2020. [متصل]. متاح: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [تم الوصول إليه: 04-ديسمبر -2020].

[12] O. H. Instructables، “Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit،” Instructables، 02-Apr-2018. [متصل]. متاح: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [تم الوصول إليه: 04-ديسمبر -2020].

[13] برنت كورنيل ، "تخطيط كهربية القلب" ، BioNinja. [متصل]. متاح: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [تم الوصول إليه: 04-ديسمبر -2020].