ECG automatisé simple (1 amplificateur, 2 filtres) : 7 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Un électrocardiogramme (ECG) mesure et affiche l'activité électrique du cœur à l'aide de différentes électrodes placées sur la peau. Un ECG peut être créé à l'aide d'un amplificateur d'instrumentation, d'un filtre coupe-bande et d'un filtre passe-bas. Enfin, le signal filtré et amplifié peut être visualisé à l'aide du logiciel LabView. LabView utilise également la fréquence entrante du signal pour calculer le rythme cardiaque du sujet humain. L'amplificateur d'instrumentation construit a réussi à prendre le petit signal du corps et à l'amplifier à 1 V, afin qu'il puisse être visualisé sur l'ordinateur à l'aide de LabView. Les filtres coupe-bande et passe-bas ont réussi à réduire le bruit à 60 Hz des alimentations et les signaux parasites au-dessus de 350 Hz. Le rythme cardiaque au repos a été mesuré à 75 bpm et à 137 bpm après cinq minutes d'exercice intense. L'ECG construit était capable de mesurer les battements cardiaques à des valeurs réalistes et de visualiser les différentes composantes d'une forme d'onde ECG typique. À l'avenir, cet ECG pourrait être amélioré en modifiant les valeurs passives du filtre coupe-bande pour réduire davantage de bruit autour de 60 Hz.

Étape 1: Créer l'amplificateur d'instrumentation

Vous aurez besoin de: LTSpice (ou un autre logiciel de visualisation de circuits)

L'amplificateur d'instrumentation a été créé pour augmenter la taille du signal afin qu'il soit visible et permette l'analyse de la forme d'onde.

En utilisant R1 = 3,3 k ohms, R2 = 33 k ohms, R3 = 1 k ohms, R4 = 48 ohms, un gain de X est obtenu. Gain = - R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k(1-(33k/3.3k)) = -1008

Parce que dans l'ampli op final, le signal passe dans la broche d'inversion, le gain est de 1008. Cette conception a été créée dans LTSpice puis simulée avec un balayage CA de 1 à 1 kHz avec 100 points par décade pour une entrée d'onde sinusoïdale avec une amplitude CA de 1 V.

Nous avons vérifié que notre gain était similaire au gain prévu. D'après le graphique, nous avons trouvé Gain = 10^(60/20) = 1000, ce qui est suffisamment proche de notre gain prévu de 1008.

Étape 2: créer le filtre coupe-bande

Vous aurez besoin de: LTSpice (ou un autre logiciel de visualisation de circuits)

Un filtre coupe-bande est un type spécifique de filtre passe-bas suivi d'un filtre passe-haut pour éliminer une fréquence spécifique. Un filtre coupe-bande est utilisé pour éliminer le bruit produit par tous les appareils électroniques qui est présent à 60 Hz.

Les valeurs passives ont été calculées: C =.1 uF (la valeur a été choisie) 2C =.2 uF (condensateur utilisé.22 uF)

Un facteur AQ de 8 sera utilisé: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3.14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm a été utilisé) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3.14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm était utilisé) Division de tension: Rf = R1*R2/(R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (1,8 kOhm a été utilisé)

Cette conception de filtre a un gain de 1, ce qui signifie qu'il n'y a pas de propriétés d'amplification.

Le branchement des valeurs passives et la simulation sur LTSpice avec un balayage CA et un signal d'entrée d'onde sinusoïdale de 0,1 V avec une fréquence CA de 1 kHz donnent le tracé de Bode ci-joint.

A une fréquence d'environ 60 Hz, le signal atteint sa tension la plus basse. Le filtre réussit à éliminer le bruit de 60 Hz à une tension imperceptible de 0,01 V et à fournir un gain de 1, puisque la tension d'entrée est de 0,1 V.

Étape 3: Créer le filtre passe-bas

Vous aurez besoin de: LTSpice (ou un autre logiciel de visualisation de circuits)

Un filtre passe-bas a été créé pour supprimer les signaux au-dessus du seuil d'intérêt qui contiendrait le signal ECG. Le seuil d'intérêt se situait entre 0 et 350 Hz.

La valeur du condensateur a été choisie à 0,1 uF. La résistance nécessaire est calculée pour une fréquence de coupure élevée de 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (4,7 kOhm ont été utilisés)

Le branchement des valeurs passives et la simulation sur LTSpice avec un balayage CA et un signal d'entrée d'onde sinusoïdale de 0,1 V avec une fréquence CA de 1 kHz donnent le tracé de Bode ci-joint.

Étape 4: Créez le circuit sur une planche à pain

Vous aurez besoin de: des résistances de différentes valeurs, des condensateurs de différentes valeurs, des amplificateurs opérationnels UA 471, des câbles de démarrage, une maquette, des câbles de connexion, une alimentation ou une pile 9 V

Maintenant que vous avez simulé votre circuit, il est temps de le construire sur une maquette. Si vous n'avez pas les valeurs exactes répertoriées, utilisez ce que vous avez ou combinez des résistances et des condensateurs pour obtenir les valeurs dont vous avez besoin. N'oubliez pas d'alimenter votre planche à pain à l'aide d'une batterie de 9 volts ou d'une alimentation CC. Chaque ampli op a besoin d'une source de tension positive et négative.

Étape 5: Configurer l'environnement LabView

Vous aurez besoin: du logiciel LabView, d'un ordinateur

Afin d'automatiser l'affichage de la forme d'onde et le calcul de la fréquence cardiaque, LabView a été utilisé. LabView est un programme utilisé pour visualiser et analyser des données. La sortie du circuit ECG est l'entrée pour LabView. Les données sont saisies, représentées graphiquement et analysées sur la base du schéma fonctionnel conçu ci-dessous.

Tout d'abord, l'assistant DAQ récupère le signal analogique du circuit. Les instructions d'échantillonnage sont définies ici. Le taux d'échantillonnage était de 1k échantillons par seconde et l'intervalle était de 3k ms, donc l'intervalle de temps vu dans le graphique de forme d'onde est de 3 secondes. Le graphe de forme d'onde a reçu des données de l'assistant DAQ, puis les trace dans la fenêtre du panneau avant. La partie inférieure du schéma fonctionnel comprend le calcul de la fréquence cardiaque. D'abord, le maximum et le minimum de l'onde sont mesurés. Ensuite, ces mesures d'amplitude sont utilisées pour déterminer si des pics se produisent qui sont définis comme 95% de l'amplitude maximale, et si c'est le cas, le moment est enregistré. Une fois les pics détectés, l'amplitude et le point temporel sont stockés dans des tableaux. Ensuite, le nombre de pics/secondes est converti en minutes et affiché sur le panneau avant. Le panneau avant affiche la forme d'onde et les battements par minute.

Le circuit a été connecté à LabVIEW via un ADC National Instruments comme le montre la figure ci-dessus. Le générateur de fonctions a produit le signal ECG simulé qui a été entré dans l'ADC qui a transféré les données à LabView pour la représentation graphique et l'analyse. De plus, une fois le BPM calculé dans LabVIEW, l'indicateur numérique a été utilisé pour imprimer cette valeur sur le panneau avant de l'application à côté du graphique de forme d'onde, comme le montre la figure 2.

Étape 6: Testez le circuit à l'aide du générateur de fonctions

Vous aurez besoin: d'un circuit sur maquette, de câbles de connexion, d'une alimentation ou d'une pile 9 V, de National Instruments ADC, du logiciel LabView, d'un ordinateur

Pour tester l'instrumentation LabView, un ECG simulé a été entré dans le circuit et la sortie du circuit a été connectée à LabView via le National Instruments ADC. Tout d'abord, un signal de 20 mVpp à 1 Hz a été entré dans le circuit pour simuler les battements cardiaques au repos. Le panneau avant de LabView est illustré dans l'image ci-dessous. Les ondes P, T, U et QRS sont toutes visibles. Le BMP est correctement calculé et affiché dans l'indicateur numérique. Il y a un gain d'environ 8 V/0,02 V = 400 à travers le circuit, ce qui est similaire à ce que nous avons vu lorsque le circuit a été connecté à l'oscilloscope. Une image du résultat dans LabView est jointe. Ensuite, pour simuler un rythme cardiaque élevé par exemple pendant l'exercice, un signal de 20 mVpp à 2 Hz a été entré dans le circuit. Il y avait un gain comparable au test à la fréquence cardiaque au repos. En dessous, la forme d'onde a toutes les mêmes parties qu'avant, juste à un rythme plus rapide. La fréquence cardiaque est calculée et affichée dans l'indicateur numérique et nous voyons les 120 BPM attendus.

Étape 7: Testez le circuit à l'aide d'un sujet humain

Vous aurez besoin: d'un circuit sur maquette, de câbles de connexion, d'une alimentation ou d'une pile 9 V, de National Instruments ADC, du logiciel LabView, d'un ordinateur, d'électrodes (au moins trois), d'un sujet humain

Enfin, le circuit a été testé avec un sujet humain ECG conduit l'entrée dans le circuit et la sortie du circuit entrant dans LabView. Trois électrodes ont été placées sur un sujet pour obtenir un signal réel. Des électrodes ont été placées sur les deux poignets et la cheville droite. Le poignet droit était l'entrée positive, le poignet gauche était négatif et la cheville était rectifiée. Encore une fois, les données ont été saisies dans LabView pour traitement. La configuration des électrodes est jointe sous forme d'image.

Tout d'abord, le signal ECG au repos du sujet a été affiché et analysé. Au repos, le sujet avait une fréquence cardiaque d'environ 75 bpm. Le sujet a ensuite participé à une activité physique intense pendant 5 minutes. Le sujet a été reconnecté et le signal élevé a été enregistré. La fréquence cardiaque était d'environ 137 bpm après l'activité. Ce signal était plus petit et avait plus de bruit. Des électrodes ont été placées sur les deux poignets et la cheville droite. Le poignet droit était l'entrée positive, le poignet gauche était négatif et la cheville était rectifiée. Encore une fois, les données ont été saisies dans LabView pour traitement.

Une personne moyenne a un signal ECG d'environ 1 mV. Notre gain attendu était d'environ 1000, donc nous nous attendrions à une tension de sortie de 1V. D'après l'enregistrement au repos vu sur l'image XX, l'amplitude du complexe QRS est d'environ (-0,7) - (-1,6) = 0,9 V. Cela produit une erreur de 10 %. (1-0.9)/1*100 = 10% La fréquence cardiaque au repos d'un humain standard est de 60, la mesure était d'environ 75, cela produit |60-75|*100/60 = 25% d'erreur. La fréquence cardiaque élevée d'un humain standard est de 120, la mesure était d'environ 137, cela produit |120-137|*100/120 = 15 % d'erreur.

Félicitations! Vous avez maintenant construit votre propre ECG automatisé.