Un ECG plein de cœur : 7 étapes

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

Résumé

Un ECG, ou électrocardiogramme, est un appareil médical couramment utilisé pour enregistrer les signaux électriques du cœur. Ils sont simples à fabriquer dans la forme la plus basique, mais il y a beaucoup de place pour la croissance. Pour ce projet, un ECG a été conçu et simulé sur LTSpice. L'ECG avait trois composants: un amplificateur d'instrumentation, un filtre passe-bas et enfin, un amplificateur non inverseur. Cela visait à s'assurer qu'il y avait suffisamment de gain provenant d'une source relativement faible de biosignal, ainsi qu'un filtre pour éliminer le bruit dans le circuit. Les simulations ont montré que chaque composant du circuit fonctionnait avec succès, tout comme un circuit intégré total avec les trois composants. Cela montre qu'il s'agit d'un moyen viable de créer un circuit ECG. Nous avons ensuite exploré le vaste potentiel d'amélioration de l'ECG.

Étape 1: Introduction/Contexte

Un ECG ou un électrocardiogramme est utilisé pour enregistrer les signaux électriques du cœur. C'est assez courant et c'est un test indolore utilisé pour détecter les problèmes cardiaques et surveiller la santé cardiaque. Ils sont effectués dans des cabinets médicaux - soit des cliniques, soit des chambres d'hôpital et sont des machines standard dans les salles d'opération et les ambulances [1]. Ils peuvent montrer à quelle vitesse le cœur bat, si le rythme est régulier ou non, ainsi que la force et la synchronisation des impulsions électriques traversant les différentes parties du cœur. Environ 12 électrodes (ou moins) sont fixées sur la peau de la poitrine, des bras et des jambes et sont connectées à une machine qui lit les impulsions et les trace sur un graphique [2]. Un ECG à douze dérivations comporte 10 électrodes (pour donner un total de 12 vues du cœur). Le 4-plomb va sur les membres. Deux aux poignets et deux aux chevilles. Les 6 dernières pistes vont sur le torse. V1 va sur le 4e espace intercostal à droite du sternum, tandis que V2 est sur la même ligne, mais à gauche du sternum. V3 est placé à mi-chemin entre V2 et V4, V5 va sur la ligne axillaire antérieure au même niveau que V4 et V6 vont sur la ligne médio-axillaire au même niveau [3].

L'objectif de ce projet est de concevoir, simuler et vérifier un dispositif d'acquisition de signaux analogiques - dans ce cas, un électrocardiogramme. Étant donné que la fréquence cardiaque moyenne est de 72, mais qu'au repos elle peut descendre jusqu'à 90, la médiane peut être considérée à environ 60 bpm, ce qui donne une fréquence fondamentale de 1 Hz pour la fréquence cardiaque. La fréquence cardiaque peut aller d'environ 0,67 à 5 Hz (40 à 300 bpm). Chaque signal se compose d'une onde qui peut être étiquetée comme P, complexe QRS et une partie T de l'onde. L'onde P fonctionne à environ 0,67 - 5 Hz, le complexe QRS est à environ 10-50 Hz et l'onde T est à environ 1 - 7 Hz [4]. L'état actuel des ECG de pointe a un apprentissage automatique [5], où les arythmies et autres peuvent être classées par la machine elle-même. Pour simplifier, cet ECG n'aura que deux électrodes - une positive et une négative.

Étape 2: Méthodes et matériels

Pour commencer la conception, un ordinateur a été utilisé à la fois pour la recherche et la modélisation. Le logiciel utilisé était LTSpice. Tout d'abord, pour concevoir le schéma de l'ECG analogique, des recherches ont été menées pour voir quelles sont les conceptions actuelles et comment les mettre en œuvre au mieux dans une nouvelle conception. Presque toutes les sources ont commencé avec un amplificateur d'instrumentation pour commencer. Il prend deux entrées - de chacune des électrodes. Après cela, un filtre passe-bas a été choisi pour supprimer les signaux supérieurs à 50 Hz, car le bruit de la ligne électrique se situe à environ 50-60 Hz [6]. Après cela, il y avait un amplificateur non inverseur pour amplifier le signal, car les biosignaux sont assez petits.

Le premier composant était l'amplificateur d'instrumentation. Il a deux entrées, une pour l'électrode positive et une pour l'électrode négative. L'amplificateur d'instrumentation a été utilisé spécifiquement pour protéger le circuit du signal entrant. Il y a trois amplificateurs opérationnels universels et 7 résistances. Toutes les résistances sauf R4 (Rgain) sont de la même résistance. Le gain d'un amplificateur d'instrumentation peut être manipulé avec l'équation suivante: A = 1 + (2RRgain) [7] Le gain a été choisi à 50 car les biosignaux sont très faibles. Les résistances ont été choisies pour être plus grandes pour une facilité d'utilisation. Les calculs suivent ensuite cet ensemble d'équations pour donner R = 5000Ω et Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

Le composant suivant utilisé était un filtre passe-bas, pour supprimer les fréquences au-dessus de 50 Hz, ce qui ne gardera que l'onde PQRST dans cette gamme de fréquences et minimisera le bruit. L'équation d'un filtre passe-bas est illustrée ci-dessous: fc = 12RC[8] Étant donné que la fréquence choisie pour la coupure était de 50 Hz et que la résistance a été choisie à 1 kΩ, les calculs donnent une valeur de condensateur de 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

Le troisième composant de l'ECG était un amplificateur non inverseur. Cela permet de s'assurer que le signal est suffisamment grand avant d'être (potentiellement) transféré vers un convertisseur analogique-numérique. Le gain d'un amplificateur non inverseur est indiqué ci-dessous: A = 1 + R2R1[9] Comme avant, le gain a été choisi à 50, pour augmenter l'amplitude du signal final. Les calculs pour la résistance sont les suivants, avec une résistance choisie pour être 10000Ω, donnant une deuxième valeur de résistance de 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Pour tester le schéma, des analyses ont été effectuées sur chaque composant, puis sur le schéma global final. La deuxième simulation était une analyse AC, un balayage d'octave, avec 100 points par octave, et passant par des fréquences de 1 à 1000 Hz.

Étape 3: Résultats

Pour tester le circuit, un balayage d'octave a été effectué, avec 100 points par octave, en commençant par une fréquence de 1 Hz, et allant jusqu'à une fréquence de 1000 Hz. L'entrée était une courbe sinusoïdale, pour être une représentation de la nature cyclique de l'onde ECG. Il avait un décalage CC de 0, une amplitude de 1, une fréquence de 1 Hz, un retard T de 0, un thêta (1/s) de 0 et un phi (deg) de 90. La fréquence a été fixée à 1, car une moyenne la fréquence cardiaque peut être réglée à environ 60 bpm, soit 1 Hz.

Comme le montre la figure 5, le bleu était l'entrée et le rouge était la sortie. Il y a eu clairement un gain massif, comme on l'a vu ci-dessus.

Le filtre passe-bas a été réglé sur 50 Hz, pour supprimer le bruit de la ligne électrique dans une application ECG potentielle. Comme cela ne s'applique pas ici où le signal est constant à 1 Hz, la sortie est la même que l'entrée (Figure 6).

La sortie - représentée en bleu - est clairement amplifiée par rapport à l'entrée, représentée en vert. De plus, étant donné que les pics et les creux des courbes sinusoïdales correspondent, cela montre que l'amplificateur était en effet non inverseur (Figure 7).

La figure 8 montre toutes les courbes ensemble. Il montre clairement la manipulation du signal, partant d'un petit signal, amplifié deux fois, et filtré (bien que la filtration n'ait aucun effet sur ce signal spécifique).

En utilisant les équations pour le gain et la fréquence de coupure [10, 11], les valeurs expérimentales ont été déterminées à partir des tracés. Le filtre passe-bas présentait le moins d'erreurs, tandis que les deux amplificateurs planaient avec une erreur d'environ 10 % (tableau 1).

Étape 4: Discussion

Il semble que le schéma fasse ce qu'il est censé faire. Il a pris un signal donné, l'a amplifié, puis l'a filtré, puis l'a amplifié à nouveau. Cela étant dit, il s'agit d'une conception très «petite», composée uniquement d'un amplificateur d'instrumentation, d'un filtre passe-bas et d'un filtre non inverseur. Il n'y avait pas d'entrée claire d'une source ECG, malgré d'innombrables heures à surfer sur le Web pour une source appropriée. Malheureusement, bien que cela n'ait pas fonctionné, l'onde de péché était un substitut approprié à la nature cyclique du signal.

Une source d'erreur en ce qui concerne la valeur théorique et la valeur réelle du gain et du filtre passe-bas pourraient être les composants choisis. Comme les équations utilisées ont un rapport des résistances ajouté à 1, en faisant les calculs, celui-ci a été négligé. Cela peut être fait si les résistances utilisées sont suffisamment grandes. Alors que les résistances choisies étaient grandes, le fait que celle-ci n'ait pas été prise en compte dans les calculs créera une petite marge d'erreur. Des chercheurs de l'Université d'État de San Jose à San Jose en Californie ont conçu un ECG spécifiquement pour le diagnostic des maladies cardiovasculaires. Ils ont utilisé un amplificateur d'instrument, un filtre passe-haut actif de 1er ordre, un filtre passe-bas Bessel actif de 5e ordre et un filtre coupe-bande actif twin-t [6]. Ils ont conclu que l'utilisation de tous ces composants a permis de conditionner avec succès une onde ECG brute d'un sujet humain. Un autre modèle d'un circuit ECG simple réalisé par Orlando Hoilett à l'Université Purdue consistait uniquement en un amplificateur d'instrumentation. La sortie était claire et utilisable, mais il a été recommandé que pour des applications spécifiques, les changements seraient meilleurs - à savoir des amplificateurs, des filtres passe-bande et un filtre coupe-bande 60 Hz pour éliminer le bruit de la ligne électrique. Cela montre que cette conception d'un ECG, bien qu'elle ne soit pas exhaustive, n'est pas la méthode la plus simple pour capter un signal ECG.

Étape 5: Travaux futurs

Cette conception d'un ECG nécessiterait quelques éléments supplémentaires avant d'être intégrée à un appareil pratique. D'une part, le filtre coupe-bande 60 Hz a été recommandé par plusieurs sources, et comme il n'y avait pas de bruit de ligne électrique à traiter ici, il n'a pas été implémenté dans la simulation. Cela étant dit, une fois que cela est traduit en un périphérique physique, il serait avantageux d'ajouter un filtre coupe-bande. De plus, au lieu du filtre passe-bas, il peut être préférable d'avoir un filtre passe-bande, pour avoir plus de contrôle sur les fréquences qui sont filtrées. Encore une fois, dans la simulation, ce genre de problème ne se pose pas, mais il apparaîtrait dans un appareil physique. Après cela, l'ECG nécessiterait un convertisseur analogique-numérique, et probablement un appareil semblable à un Raspberry Pi pour collecter les données et les diffuser sur un ordinateur pour les visualiser et les utiliser. D'autres améliorations seraient l'ajout de plus de dérivations, peut-être en commençant par les 4 dérivations des membres et en passant aux 10 dérivations pour un diagramme à 12 dérivations du cœur. Une meilleure interface utilisateur serait également bénéfique - peut-être avec un écran tactile pour que les professionnels de la santé puissent facilement accéder et se concentrer sur certaines parties d'une sortie ECG.

D'autres étapes impliqueraient l'apprentissage automatique et la mise en œuvre de l'IA. L'ordinateur doit être capable d'alerter le personnel médical - et éventuellement ceux qui l'entourent - qu'une arythmie ou similaire s'est produite. À ce stade, un médecin doit examiner une sortie ECG pour établir un diagnostic - bien que les techniciens soient formés pour les lire, ils ne peuvent pas établir de diagnostic officiel sur le terrain. Si les ECG utilisés par les premiers intervenants ont un diagnostic précis, cela pourrait permettre un traitement plus rapide. Ceci est particulièrement important dans les zones rurales, où cela peut prendre jusqu'à une heure pour amener un patient qui ne peut pas se permettre un trajet en hélicoptère à l'hôpital. La prochaine étape consisterait à ajouter un défibrillateur à l'électrocardiogramme lui-même. Ensuite, lorsqu'il détecte une arythmie, il peut déterminer la tension appropriée pour un choc et - étant donné que les coussinets de choc ont été placés - peut tenter de remettre le patient en rythme sinusal. Cela serait utile en milieu hospitalier, où les patients sont déjà connectés à diverses machines et s'il n'y a pas assez de personnel médical pour prodiguer des soins immédiatement, la machine cardiaque tout-en-un pourrait s'en occuper, économisant ainsi un temps précieux nécessaire pour sauver une vie..

Étape 6: Conclusion

Dans ce projet, un circuit ECG a été conçu avec succès puis simulé à l'aide de LTSpice. Il se composait d'un amplificateur d'instrumentation, d'un filtre passe-bas et d'un amplificateur non inverseur pour conditionner le signal. La simulation a montré que les trois composants fonctionnaient individuellement ainsi qu'ensemble lorsqu'ils étaient combinés pour un circuit intégré total. Les amplificateurs avaient chacun un gain de 50, un fait confirmé par les simulations exécutées sur LTSpice. Le filtre passe-bas avait une fréquence de coupure de 50 Hz, pour réduire le bruit des lignes électriques et les artefacts de la peau et des mouvements. Bien qu'il s'agisse d'un très petit circuit ECG, de nombreuses améliorations pourraient être apportées, allant de l'ajout d'un filtre ou deux à une machine cardiaque tout-en-un qui pourrait prendre l'ECG, le lire et fournir un traitement immédiat.

Étape 7: Références

Les références

[1] « Électrocardiogramme (ECG ou ECG), » Clinique Mayo, 09-Avr-2020. [En ligne]. Disponible: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Consulté: 04-Dec-2020].

[2] « Électrocardiogramme », Institut national du cœur, du poumon et du sang. [En ligne]. Disponible: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Consulté: 04-Dec-2020].

[3] A. Randazzo, « Le guide ultime de placement d'ECG à 12 dérivations (avec illustrations), » Prime Medical Training, 11-Nov-2019. [En ligne]. Disponible: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Consulté: 04-déc-2020].

[4] C. Watford, « Comprendre le filtrage ECG », EMS 12 Lead, 2014. [En ligne]. Disponible: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Consulté: 04-Dec-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au‐Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher et AA Armoundas, « Techniques d'apprentissage automatique de pointe visant à améliorer les résultats des patients concernant le système cardiovasculaire », Journal of the Association américaine de coeur, vol. 9, non. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, « Conception d'un circuit de capteur ECG pour le diagnostic des maladies cardiovasculaires », International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, non. 4, 2017.

[7] « Calculateur de tension de sortie de l'amplificateur d'instruments », ncalculators.com. [En ligne]. Disponible: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Consulté: 04-Dec-2020].

[8] « Calculateur de filtre passe-bas », ElectronicBase, 01-avril-2019. [En ligne]. Disponible: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Consulté: 04-Dec-2020].

[9] "Amplificateur opérationnel non inverseur - L'amplificateur opérationnel non inverseur", Didacticiels électroniques de base, 06-Nov-2020. [En ligne]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Consulté: 04-Dec-2020].

[10] E. Sengpiel, « Calcul: Amplification (gain) et amortissement (perte) comme facteur (rapport) au niveau en décibels (dB) », calculateur de dB pour le gain d'amplification et le facteur d'amortissement (perte) d'un calcul d'amplificateur audio rapport décibel dB - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [En ligne]. Disponible: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Consulté: 04-déc-2020].

[11] "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/filter_2.html. [Consulté: 04-déc-2020].

[12] O. H. Instructables, « Circuit d'électrocardiogramme (ECG) super simple », Instructables, 02-avril-2018. [En ligne]. Disponible: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Consulté: 04-Dec-2020].

[13] Brent Cornell, « électrocardiographie », BioNinja. [En ligne]. Disponible: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Consulté: 04-déc-2020].