Crédit supplémentaire de projet final ECG-BME 305 automatisé : 7 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Un électrocardiogramme (ECG ou ECG) est utilisé pour mesurer les signaux électriques produits par un cœur qui bat et il joue un rôle important dans le diagnostic et le pronostic des maladies cardiovasculaires. Certaines des informations obtenues à partir d'un ECG incluent le rythme des battements cardiaques du patient ainsi que la force du battement. Chaque forme d'onde ECG est générée par une itération du cycle cardiaque. Les données sont recueillies grâce à une électrode placée sur la peau du patient. Le signal est ensuite amplifié et le bruit est filtré afin d'analyser correctement les données présentes. En utilisant les données collectées, les chercheurs sont en mesure non seulement de diagnostiquer les maladies cardiovasculaires, mais l'ECG a également joué un rôle important dans l'amélioration de la compréhension et de la reconnaissance de maladies plus obscures. La mise en œuvre de l'ECG a considérablement amélioré le traitement d'affections telles que l'arythmie et l'ischémie [1].

Fournitures:

Ce Instructable est pour simuler un appareil ECG virtuel et donc tout ce qui est nécessaire pour mener cette expérience est un ordinateur de travail. Le logiciel utilisé pour les simulations suivantes est LTspice XVII et il peut être téléchargé sur Internet.

Étape 1: Étape 1: Amplificateur d'instrumentation

Le premier composant du circuit est un amplificateur d'instrumentation. Comme son nom l'indique, l'amplificateur d'instrumentation est utilisé pour augmenter l'amplitude du signal. Un signal ECG qui n'est ni amplifié ni filtré a une amplitude d'environ 5 mV. Afin de filtrer le signal, il doit être amplifié. Un gain raisonnable pour ce circuit devrait être important pour que le signal bioélectrique soit filtré de manière appropriée. Par conséquent, le gain de ce circuit sera d'environ 1000. La forme générale d'un amplificateur d'instrumentation est incluse dans les images pour cette étape [2]. En plus des équations pour le gain du circuit, les valeurs qui ont été calculées pour chaque composant sont montrées dans la deuxième image [3].

Le gain est négatif car la tension est fournie à la broche d'inversion de l'amplificateur opérationnel. Les valeurs affichées dans la deuxième image ont été trouvées en définissant les valeurs de R1, R2, R3 et le gain comme valeurs souhaitées, puis en résolvant la valeur finale R4. La troisième image de cette étape est le circuit simulé dans LTspice, avec des valeurs précises.

Afin de tester le circuit, à la fois dans son ensemble et en tant que composants individuels, une analyse du courant alternatif (AC) doit être effectuée. Cette forme d'analyse examine l'amplitude du signal lorsque les fréquences changent. Par conséquent, le type d'analyse du balayage d'analyse AC doit être d'une décennie car il définit l'échelle de l'axe x et est plus propice à la lecture précise des résultats. Par décennie, il devrait y avoir 100 points de données. Cela transmettra avec précision les tendances des données sans surcharger le programme, garantissant ainsi l'efficacité. Les valeurs de fréquence de démarrage et d'arrêt doivent englober les deux fréquences de coupure. Par conséquent, une fréquence de démarrage raisonnable est de 0,01 Hz et une fréquence d'arrêt raisonnable est de 1 kHz. Pour l'amplificateur d'instrumentation, la fonction d'entrée est une onde sinusoïdale d'une magnitude de 5 mV. 5 mV correspond à l'amplitude standard d'un signal ECG [4]. Une onde sinusoïdale imite les aspects changeants d'un signal ECG. Tous ces paramètres d'analyse, à l'exception de la tension d'entrée, sont les mêmes pour chaque composant.

L'image finale est le tracé de la réponse en fréquence de l'amplificateur d'instrumentation. Cela montre que l'amplificateur d'instrumentation est capable d'augmenter l'amplitude du signal d'entrée d'environ 1000. Le gain souhaité pour l'amplificateur d'instrumentation était de 1000. Le gain de l'amplificateur d'instrumentation simulé est de 999,6, obtenu à l'aide de l'équation illustrée sur la deuxième photo. Le pourcentage d'erreur entre le gain souhaité et le gain expérimental est de 0,04 %. Il s'agit d'un pourcentage d'erreur acceptable.

Étape 2: Étape 2: Filtre coupe-bande

Le prochain composant utilisé dans le circuit ECG est un filtre actif. Un filtre actif n'est qu'un filtre qui nécessite de l'énergie pour fonctionner. Pour cette affectation, le meilleur filtre actif à utiliser est un filtre coupe-bande. Un filtre coupe-bande est utilisé pour supprimer le signal à une seule fréquence ou à une plage de fréquences très étroite. Dans le cas de ce circuit, la fréquence à supprimer avec un filtre coupe-bande est de 60 Hz. 60 Hz est la fréquence à laquelle fonctionnent les lignes électriques et constitue donc une source importante de bruit avec les appareils. Le bruit des lignes électriques déforme les signaux biomédicaux et réduit la qualité des données [5]. La forme générale du filtre coupe-bande utilisé pour ce circuit est illustrée sur la première photo de cette étape. Le composant actif du filtre coupe-bande est le tampon qui est attaché. Le tampon est utilisé pour isoler le signal après le filtre coupe-bande. Étant donné que le tampon fait partie du filtre et qu'il a besoin d'énergie pour fonctionner, le filtre coupe-bande est le composant de filtre actif de ce circuit.

L'équation des composants résistifs et capacitifs du filtre coupe-bande est illustrée sur la deuxième photo [6]. Dans l'équation, fN est la fréquence à supprimer, qui est de 60 Hz. Tout comme l'amplificateur d'instrumentation, la valeur de la résistance ou du condensateur peut être réglée sur n'importe quelle valeur et l'autre valeur calculée par l'équation indiquée sur la deuxième photo. Pour ce filtre, C a reçu une valeur de 1 µF et les autres valeurs ont été trouvées sur la base de cette valeur. La valeur du condensateur a été décidée en fonction de la commodité. Le tableau de la deuxième photo affiche les valeurs de 2R, R, 2C et C qui ont été utilisées.

La troisième image de cette étape est le circuit de filtre coupe-bande final avec des valeurs précises. En utilisant ce circuit, l'analyse AC Sweep a été exécutée en utilisant 5V. 5V correspond à la tension après amplification. Le reste des paramètres d'analyse sont les mêmes que ce qui a été indiqué dans l'étape de l'amplificateur d'instrumentation. Le tracé de la réponse en fréquence est montré sur la photo finale. En utilisant les valeurs et les équations de la deuxième photo, la fréquence réelle du filtre coupe-bande est de 61,2 Hz. La valeur souhaitée pour le filtre coupe-bande était de 60 Hz. En utilisant l'équation du pourcentage d'erreur, il existe une erreur de 2 % entre le filtre simulé et le filtre théorique. Il s'agit d'une erreur acceptable.

Étape 3: Étape 3: Filtre passe-bas

Le dernier type de pièce utilisé dans ce circuit est le filtre passif. Comme mentionné précédemment, un filtre passif est un filtre qui ne nécessite pas de source d'alimentation pour être opérationnel. Pour un ECG, un filtre passe-haut et un filtre passe-bas sont nécessaires pour éliminer correctement le bruit du signal. Le premier type de filtre passif à ajouter au circuit est un filtre passe-bas. Comme son nom l'indique, cela permet d'abord au signal inférieur à la fréquence de coupure de passer [7]. Pour le filtre passe-bas, la fréquence de coupure doit être la limite supérieure de la plage de signal. Comme mentionné précédemment, la plage supérieure du signal ECG est de 150 Hz [2]. En fixant une limite supérieure, le bruit provenant d'autres signaux n'est pas utilisé dans l'acquisition du signal.

L'équation de la fréquence de coupure est f = 1 / (2 * pi * R * C). Comme pour les composants de circuit précédents, les valeurs de R et C peuvent être trouvées en branchant la fréquence et en définissant l'une des valeurs de composant [7]. Pour le filtre passe-bas, le condensateur a été réglé à 1 µF et la fréquence de coupure souhaitée est de 150 Hz. En utilisant l'équation de fréquence de coupure, la valeur de la composante de résistance est calculée à 1 kΩ. La première image de cette étape est un schéma complet du filtre passe-bas.

Les mêmes paramètres définis pour le filtre coupe-bande sont utilisés pour l'analyse de balayage CA du filtre passe-bas, illustré dans la deuxième image. Pour ce composant, la fréquence de coupure souhaitée est de 150 Hz et en utilisant l'équation 3, la fréquence de coupure simulée est de 159 Hz. Cela a un pourcentage d'erreur de 6%. Le pourcentage d'erreur pour ce composant est plus élevé que préféré, mais les composants ont été choisis pour faciliter la traduction vers un circuit physique. Il s'agit clairement d'un filtre passe-bas, basé sur le tracé de la réponse en fréquence de la deuxième image, car seul le signal en dessous de la fréquence de coupure est capable de passer à 5 V, et à mesure que la fréquence s'approche de la fréquence de coupure, la tension diminue.

Étape 4: Étape 4: Filtre passe-haut

Le deuxième composant passif du circuit ECG est le filtre passe-haut. Un filtre passe-haut est un filtre qui laisse passer toute fréquence supérieure à la fréquence de coupure. Pour ce composant, la fréquence de coupure sera de 0,05 Hz. Encore une fois, 0,05 Hz est l'extrémité inférieure de la plage des signaux ECG [2]. Même si la valeur est si petite, il doit toujours y avoir un filtre passe-haut afin de filtrer tout décalage de tension dans le signal. Par conséquent, le filtre passe-haut est toujours nécessaire dans la conception du circuit, même si la fréquence de coupure est si petite.

L'équation de la fréquence de coupure est la même que celle du filtre de coupure passe-bas, f = 1 / (2 * pi * R * C). La valeur de la résistance a été fixée à 50 kΩ et la fréquence de coupure souhaitée est de 0,05 Hz [8]. En utilisant ces informations, la valeur du condensateur a été calculée à 63 µF. La première image pour cette étape est le filtre passe-haut avec les valeurs appropriées.

L'analyse de balayage AC est le deuxième filtre. Comme le filtre passe-bas, à mesure que la fréquence du signal approche de la fréquence de coupure, la tension de sortie diminue. Pour le filtre passe-haut, la fréquence de coupure souhaitée est de 0,05 Hz et la fréquence de coupure simulée est de 0,0505 Hz. Cette valeur a été calculée en utilisant l'équation de fréquence de coupure passe-bas. Le pourcentage d'erreur pour ce composant est de 1 %. Il s'agit d'un pourcentage d'erreur acceptable.

Étape 5: Étape 5: Circuit complet

L'ensemble du circuit est construit en connectant les quatre composants, l'amplificateur d'instrumentation, le filtre coupe-bande, le filtre passe-bas et le filtre passe-haut, en série. Le schéma de circuit complet est montré dans la première image pour cette étape.

La réponse simulée montrée dans la deuxième figure agit comme on s'attendait à ce qu'elle soit basée sur les types de composants utilisés pour ce circuit. Le circuit conçu filtre le bruit aux limites inférieure et supérieure du signal ECG et filtre avec succès le bruit des lignes électriques. Le filtre passe-bas supprime avec succès le signal en dessous de la fréquence de coupure. Comme le montre le tracé de la réponse en fréquence, à 0,01 Hz, le signal est transmis à 1 V, une valeur 5 fois inférieure à la sortie souhaitée. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, la tension de sortie augmente également jusqu'à atteindre ses pics à 0,1 Hz. Le pic est d'environ 5 V, ce qui est aligné avec un gain de 1000 pour l'amplificateur d'instrumentation. Le signal décroît de 5 V à partir de 10 Hz. Au moment où la fréquence est de 60 Hz, aucun signal n'est émis par le circuit. C'était le but du filtre coupe-bande et il visait à contrer les interférences des lignes électriques. Une fois que la fréquence dépasse 60 Hz, la tension recommence à augmenter avec la fréquence. Enfin, une fois que la fréquence atteint 110 Hz, le signal atteint un pic secondaire d'environ 2 V. À partir de là, la sortie diminue à cause du filtre passe-bas.

Étape 6: Conclusion

Le but de cette mission était de simuler un ECG automatisé capable d'enregistrer avec précision le cycle cardiaque. Pour ce faire, le signal analogique qui aurait été prélevé sur un patient devait être amplifié puis filtré pour n'inclure que le signal ECG. Cela a été accompli en utilisant d'abord un amplificateur d'instrumentation pour augmenter l'amplitude du signal environ 1000 fois. Ensuite, le bruit des lignes électriques devait être supprimé du signal ainsi que le bruit au-dessus et au-dessous de la plage de fréquences désignée d'un ECG. Cela impliquait d'incorporer un filtre coupe-bande actif ainsi que des filtres passe-haut et passe-bas passifs. Même si le produit final de cette mission était un circuit simulé, il y avait encore une erreur acceptable, compte tenu des valeurs standard pour les composants résistifs et capacitifs normalement disponibles. Dans l'ensemble, le système a fonctionné comme prévu et pourrait être transformé assez facilement en un circuit physique.

Étape 7: Ressources

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang et S.-H. Tan, « L'histoire, les points chauds et les tendances de l'électrocardiogramme », Journal de cardiologie gériatrique: JGC, juillet-2015. [En ligne]. Disponible: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Consulté: 01-Dec-2020].

[2] L. G. Tereshchenko et M. E. Josephson, « Contenu fréquentiel et caractéristiques de la conduction ventriculaire », Journal of electrocardiology, 2015. [En ligne]. Disponible: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Consulté: 01-Dec-2020].

[3] "Amplificateur différentiel - Le soustracteur de tension", Tutoriels d'électronique de base, 17-mars-2020. [En ligne]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Consulté: 01-Dec-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan et P. Kinget, « Système de mesure ECG », Columbia University.

[5] S. Akwei-Sekyere, « Élimination du bruit des lignes électriques dans les signaux biomédicaux via une séparation de source aveugle et une analyse par ondelettes », PeerJ, 02-Jul-2015. [En ligne]. Disponible: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Consulté: 01-Dec-2020].

[6] « Les filtres d'arrêt de bande sont appelés filtres de rejet », Didacticiels électroniques de base, 29 juin 2020. [En ligne]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Consulté: 01-Dec-2020].

[7] "Filtre passe-bas - Tutoriel sur le filtre RC passif", Tutoriels d'électronique de base, 01-mai-2020. [En ligne]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Consulté: 01-Dec-2020].

[8] "Filtre passe-haut - Tutoriel sur le filtre RC passif", Tutoriels d'électronique de base, 05-mars-2019. [En ligne]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Consulté: 01-déc-2020].