Modélisation du signal ECG dans LTspice : 7 étapes

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

Un ECG est une méthode très courante pour mesurer les signaux électriques qui se produisent dans le cœur. L'idée générale de cette procédure est de détecter les problèmes cardiaques, tels que les arythmies, les maladies coronariennes ou les crises cardiaques. Cela peut être nécessaire si le patient présente des symptômes tels que des douleurs thoraciques, des difficultés respiratoires ou des battements cardiaques irréguliers appelés palpitations, mais peut également être utilisé pour s'assurer que les stimulateurs cardiaques et autres dispositifs implantables fonctionnent correctement. Les données de l'Organisation mondiale de la santé montrent que les maladies cardiovasculaires sont les principales causes de décès dans le monde; ces maladies tuent environ 18 millions de personnes chaque année. Par conséquent, les appareils qui peuvent surveiller ou découvrir ces maladies sont extrêmement importants, c'est pourquoi l'ECG a été développé. L'ECG est un test médical totalement non invasif qui ne présente aucun risque pour le patient, à l'exception d'un léger inconfort lors du retrait des électrodes.

Le dispositif complet décrit dans cette instructable se composera de plusieurs composants pour manipuler le signal ECG bruyant afin que des résultats optimaux puissent être obtenus. Les enregistrements ECG se produisent à des tensions généralement basses, ces signaux doivent donc être amplifiés avant que l'analyse puisse avoir lieu, dans ce cas avec un amplificateur d'instrumentation. De plus, le bruit est très important dans les enregistrements ECG, un filtrage doit donc être effectué pour nettoyer ces signaux. Ces interférences peuvent provenir de divers endroits, différentes approches doivent donc être adoptées pour supprimer des bruits spécifiques. Les signaux physiologiques ne se produisent qu'à une plage typique, donc un filtre passe-bande est utilisé pour supprimer toutes les fréquences en dehors de cette plage. Un bruit courant dans un signal ECG est appelé interférence de ligne électrique, qui se produit à environ 60 Hz et est éliminé avec un filtre coupe-bande. Ces trois composants fonctionnent simultanément pour nettoyer un signal ECG et permettre une interprétation et des diagnostics plus faciles et seront modélisés dans LTspice pour tester leur efficacité.

Étape 1: Construire l'amplificateur d'instrumentation (INA)

Le premier composant de l'appareil complet était un amplificateur d'instrumentation (INA), qui peut mesurer de petits signaux trouvés dans des environnements bruyants. Dans ce cas, un INA a été réalisé avec un gain élevé (environ 1 000) pour permettre des résultats optimaux. Un schéma de l'INA avec ses valeurs de résistance respectives est affiché. Le gain de cet INA peut être calculé théoriquement pour confirmer que la configuration était valide et que les valeurs de résistance étaient appropriées. L'équation (1) montre l'équation utilisée pour calculer que le gain théorique était de 1 000, où R1 = R3, R4 = R5 et R6 = R7.

Équation (1): Gain = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Étape 2: Création du filtre passe-bande

Une source principale de bruit comprend les signaux électriques se propageant à travers le corps, de sorte que la norme de l'industrie consiste à inclure un filtre passe-bande avec des fréquences de coupure de 0,5 Hz et 150 Hz pour supprimer les distorsions de l'ECG. Ce filtre utilisait un filtre passe-haut et un filtre passe-bas en série pour éliminer les signaux en dehors de cette plage de fréquences. Le schéma de ce filtre avec ses valeurs respectives de résistance et de condensateur est montré. Les valeurs exactes des résistances et des condensateurs ont été trouvées en utilisant la formule indiquée dans l'équation (2). Cette formule a été utilisée deux fois, une pour la fréquence de coupure passe-haut de 0,5 Hz et une pour la fréquence de coupure passe-bas de 150 Hz. Dans chaque cas, la valeur du condensateur a été fixée à 1 F et la valeur de la résistance a été calculée.

Équation 2: R = 1 / (2 * pi * Fréquence de coupure * C)

Étape 3: Construire le filtre coupe-bande

Une autre source courante de bruit associée à l'ECG est causée par les lignes électriques et autres équipements électroniques, mais a été éliminée avec un filtre coupe-bande. Cette technique de filtrage utilisait un filtre passe-haut et un filtre passe-bas en parallèle pour éliminer le bruit spécifiquement à 60 Hz. Le schéma du filtre coupe-bande avec ses valeurs respectives de résistance et de condensateur est affiché. Les valeurs exactes de la résistance et du condensateur ont été déterminées de telle sorte que R1 = R2 = 2R3 et C1 = 2C2 = 2C3. Ensuite, pour garantir une fréquence de coupure de 60 Hz, R1 a été réglé sur 1 kΩ et l'équation (3) a été utilisée pour trouver la valeur de C1.

Équation 3: C = 1 / (4 * pi * Fréquence de coupure * R)

Étape 4: Construire le système complet

Enfin, les trois composants ont été testés combinés pour s'assurer que l'ensemble du dispositif complet fonctionnait correctement. Les valeurs des composants spécifiques n'ont pas changé lorsque le système complet a été mis en œuvre, et les paramètres de simulation sont inclus dans la Figure 4. Chaque partie a été connectée en série les unes aux autres dans l'ordre suivant: INA, filtre passe-bande et filtre coupe-bande. Bien que les filtres puissent être échangés, l'adaptateur INA doit rester le premier composant, de sorte que l'amplification puisse se produire avant qu'un filtrage n'ait lieu.

Étape 5: Test de chaque composant

Pour tester la validité de ce système, chaque composant a d'abord été testé séparément, puis l'ensemble du système a été testé. Pour chaque test, le signal d'entrée a été réglé pour se situer dans une plage typique de signaux physiologiques (5 mV et 1 kHz), afin que le système puisse être aussi précis que possible. Un balayage CA et une analyse transitoire ont été effectués pour l'INA, afin que le gain puisse être déterminé à l'aide de deux méthodes (équations (4) et (5)). Les filtres ont tous deux été testés à l'aide d'un balayage CA pour s'assurer que les fréquences de coupure se produisent aux valeurs souhaitées.

Équation 4: Gain = 10 ^ (dB/20)Équation 5: Gain = Tension de sortie / Tension d'entrée

La première image affichée est le balayage CA de l'INA, les deuxième et troisième sont l'analyse transitoire de l'INA pour les tensions d'entrée et de sortie. Le quatrième est le balayage CA du filtre passe-bande et le cinquième est le balayage CA du filtre coupe-bande.

Étape 6: Test du système complet

Enfin, le système complet a été testé avec un balayage CA et une analyse des transitoires; cependant, l'entrée de ce système était un signal ECG réel. La première image ci-dessus montre les résultats du balayage AC, tandis que la seconde montre les résultats de l'analyse transitoire. Chaque ligne correspond à une mesure prise après chaque composante: vert - INA, bleu - filtre passe-bande et rouge - filtre coupe-bande. L'image finale zoome sur une onde ECG particulière pour une analyse plus facile.

Étape 7: Réflexions finales

Dans l'ensemble, ce système a été conçu pour capter un signal ECG, l'amplifier et supprimer tout bruit indésirable afin qu'il puisse être facilement interprété. Pour le système complet, un amplificateur d'instrumentation, un filtre passe-bande et un filtre coupe-bande ont été conçus en fonction de spécifications de conception particulières pour atteindre l'objectif. Après avoir conçu ces composants dans LTspice, une combinaison de balayage AC et d'analyses transitoires a été réalisée pour tester la validité de chaque composant et de l'ensemble du système. Ces tests ont montré que la conception globale du système était valide et que chaque composant fonctionnait comme prévu.

À l'avenir, ce système peut être converti en un circuit physique pour tester les données ECG en direct. Ces tests seraient la dernière étape pour déterminer si la conception est valide. Une fois terminé, le système peut être adapté pour être utilisé dans divers établissements de santé et être utilisé pour aider les cliniciens à diagnostiquer et à traiter les maladies cardiaques.