Conception du circuit d'acquisition, d'amplification et de filtrage d'un électrocardiogramme de base : 6 étapes

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

Afin de compléter cette instructable, les seules choses nécessaires sont un ordinateur, un accès Internet et certains logiciels de simulation. Aux fins de cette conception, tous les circuits et simulations seront exécutés sur LTspice XVII. Ce logiciel de simulation contient des bibliothèques de plus de 1 000 composants, ce qui facilite la création de circuits. Parce que ces circuits seront généralisés, le "UniversalOpAmp2" sera utilisé pour chaque cas où un ampli-op est nécessaire. De plus, chaque ampli-op était alimenté par une alimentation +15V et -15V. Ces alimentations alimentent non seulement l'ampli-op, mais écrêtent également la tension de sortie si elle devait atteindre l'un de ces deux extrêmes.

Étape 1: Conception d'amplificateur d'instrumentation

Une fois le signal acquis, il doit être amplifié pour effectuer des calculs et un filtrage sur celui-ci. Pour les électrocardiogrammes, la méthode d'amplification la plus courante est l'amplificateur d'instrumentation. Comme mentionné précédemment, l'amplificateur d'instrumentation présente de nombreux avantages en ce qui concerne les circuits d'amplification, le plus important étant la haute impédance entre les tensions d'entrée. Pour construire ce circuit, 3 amplificateurs opérationnels ont été utilisés en conjonction avec sept résistances, six des résistances étant équivalentes en amplitude. Le gain de la plupart des électrocardiogrammes est d'environ 1000 fois le signal d'entrée [1]. L'équation du gain d'un amplificateur d'instrumentation est la suivante: Gain = 1 + (2*R1/R2) * (R7/R6). Pour plus de simplicité, chaque résistance a été supposée être de 1 000 ohms, à l'exception de R2, qui a été déterminée à 2 ohms. Ces valeurs donnent un gain 1001 fois supérieur à la tension d'entrée. Ce gain est suffisant pour amplifier les signaux acquis pour une analyse ultérieure. Cependant, en utilisant l'équation, le gain peut être ce que l'on veut pour la conception de leur circuit.

Étape 2: Conception du filtre passe-bande

Un filtre passe-bande est un filtre passe-haut et un filtre passe-bas fonctionnant généralement en coordination avec un ampli-op pour fournir ce qu'on appelle une bande passante. Une bande passante est une gamme de fréquences qui peuvent passer tandis que toutes les autres, au-dessus et au-dessous, sont rejetées. Les normes de l'industrie stipulent qu'un électrocardiogramme standard doit avoir une bande passante de 0,5 Hz à 150 Hz [2]. Cette large bande passante garantit que tout le signal électrique du cœur est enregistré et qu'aucun d'entre eux n'est filtré. De même, cette bande passante rejette tout décalage DC qui pourrait interférer avec le signal. Pour concevoir cela, des résistances et des condensateurs spécifiques doivent être choisis de sorte que la fréquence de coupure passe-haut soit à 0,5 Hz et la fréquence de coupure passe-bas soit à 150 Hz. L'équation de fréquence de coupure pour le filtre passe-haut et le filtre passe-bas est la suivante: Fc = 1/(2*pi*RC). Pour mes calculs, une résistance arbitraire a été choisie, puis en utilisant l'équation 4, une valeur de condensateur a été calculée. Par conséquent, le filtre passe-haut aura une valeur de résistance de 100 000 ohms et une valeur de condensateur de 3,1831 microfarads. De même, le filtre passe-bas aura une valeur de résistance de 100 000 ohms et une valeur de condensateur de 10,61 nano-farads. Un diagramme du filtre passe-bande avec les valeurs ajustées est affiché.

Étape 3: Conception du filtre coupe-bande

Un filtre coupe-bande est essentiellement l'opposé d'un filtre passe-bande. Au lieu d'avoir un passe-haut suivi d'un passe-bas, c'est un passe-bas suivi d'un passe-haut, donc on peut essentiellement éliminer une petite bande de bruit. Pour le filtre coupe-bande de l'électrocardiogramme, une conception de filtre coupe-bande Twin-T a été utilisée. Cette conception permet de filtrer une fréquence centrale et fournit un facteur de qualité important. Dans ce cas, la fréquence centrale à éliminer était à 60 Hz. En utilisant l'équation 4, les valeurs de résistance ont été calculées en utilisant une valeur de condensateur donnée de 0,1 microfarad. Les valeurs de résistance calculées pour une bande d'arrêt de 60 Hz étaient de 26 525 ohms. Ensuite, R5 a été calculé comme étant la moitié de R3 et R4. C3 a également été calculé comme le double de la valeur choisie pour C1 et C2 [3]. Des résistances arbitraires ont été choisies pour R1 et R2.

Étape 4: Circuit combiné

À l'aide de filets, ces composants ont été placés en série et l'image du circuit terminé est représentée. Selon un article publié par Springer Science, un gain acceptable du circuit ECG devrait être d'environ 70 dB lorsque l'ensemble du circuit est configuré [4].

Étape 5: Test de l'ensemble du circuit

Lorsque tous les composants ont été placés en série, la validation de la conception était nécessaire. En testant ce circuit, un balayage transitoire et un balayage CA ont été effectués pour déterminer si tous les composants fonctionnaient à l'unisson. Si tel était le cas, la tension de sortie transitoire serait toujours d'environ 1000 fois la tension d'entrée. De même, lorsque le balayage CA a été effectué, un tracé de bode de filtre passe-bande serait attendu avec une encoche à 60 Hz. En regardant les images illustrées, ce circuit a réussi à atteindre ces deux objectifs. Un autre test consistait à voir l'efficacité du filtre coupe-bande. Pour tester cela, un signal de 60 Hz a été transmis à travers le circuit. Comme illustré, l'amplitude de cette sortie n'était que 5 fois supérieure à celle de l'entrée, par rapport à 1 000 fois lorsque la fréquence se situe dans la bande passante.

Étape 6: Ressources:

[1] « ECG Measurement System », Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (consulté le 1er décembre 2020).

[2] L. G. Tereshchenko et M. E. Josephson, « Contenu fréquentiel et caractéristiques de la conduction ventriculaire », Journal of electrocardiology, vol. 48, non. 6, pp. 933-937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] « Les filtres d'arrêt de bande sont appelés filtres de rejet », Didacticiels électroniques de base, 22 mai 2018.

[4] N. Guler et U. Fidan, « Transmission sans fil du signal ECG », Springer Science, vol. 30 avril 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.