Faites votre propre électrocardiogramme (ECG) : 6 étapes

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

AVIS:

Ce n'est pas un dispositif médical. Ceci est uniquement à des fins éducatives, en utilisant des signaux simulés. Si vous utilisez ce circuit pour des mesures ECG réelles, assurez-vous que le circuit et les connexions circuit-instrument utilisent l'alimentation par batterie et d'autres techniques d'isolation appropriées.

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Étape 1: Connaissez vos affaires

L'électrocardiogramme (ECG) est un outil important utilisé par les médecins pour surveiller l'activité électrique du cœur. Il est utile pour tout capturer, des rythmes cardiaques anormaux au diagnostic de défaillance thermique. En suivant ce Instructable, vous serez en mesure de construire un appareil qui affiche l'électrocardiogramme d'une personne en utilisant uniquement des compétences de base en maquette et un équipement de laboratoire d'électronique générale. Une fois que vous avez un bon signal de sortie, vous pouvez utiliser ce même signal pour calculer la fréquence cardiaque, ou une autre mesure intéressante à l'aide d'un microcontrôleur.

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Si vous ne savez pas ce qu'est un ECG, il s'agit simplement d'un enregistrement de l'activité cardiaque. En raison de la nature électrique des contractions cardiaques, on peut enregistrer le changement de tension en plaçant des électrodes sur la peau et en traitant le signal. Le tracé de ces tensions au fil du temps s'appelle un électrocardiogramme (ECG en abrégé). Les ECG sont généralement utilisés pour diagnostiquer diverses formes d'insuffisance cardiaque ou surveiller passivement le stress du patient. Un ECG sain a des caractéristiques spécifiques qui sont universelles entre les humains. (Cela inclut une onde P, une onde Q, une onde R, une onde S, une onde T et un complexe QRS.) J'ai fourni un schéma simplifié d'un ECG avec la réaction correspondante du cœur.

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Notez que chaque événement électrique se produisant dans les nerfs du cœur correspond à un événement physique qui se produit par conséquent dans le tissu musculaire, et tandis qu'une partie du cœur se contracte, les autres parties se détendent. De cette façon, la synchronisation des signaux électriques est très importante dans le cœur, ce qui fait d'un ECG un outil très puissant pour mesurer la santé cardiaque.

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Cependant, pour que nous enregistrions un ECG réel, de nombreux problèmes logistiques entrent en jeu, tels que la taille du signal, la quantité de bruit provenant du reste du corps et la quantité de bruit provenant de l'environnement. Pour compenser cela, nous concevons un circuit qui sera composé de 3 parties: un amplificateur différentiel pour augmenter la taille de notre signal, un filtre passe-bas pour éliminer le bruit des signaux haute fréquence, et un filtre coupe-bande pour supprimer le bruit 60 Hz qui est toujours présent dans les bâtiments alimentés en courant alternatif. Je vais vous décrire la surveillance de ces étapes en détail ci-dessous.

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Étape 2: Rassemblez vos fournitures

Pour ce projet, vous aurez besoin de:

- 1 grande planche à pain (en avoir 2 ou plus ce sera quand même mieux)

- 5 amplis op à usage général

(J'ai utilisé le UA741 avec +-15 V, assurez-vous juste que ceux que vous choisissez peuvent supporter du 15 volts sinon vous devrez ajuster les valeurs de vos composants passifs et vous devrez vous contenter de moins d'amplification)

Résistances

o 2x 165 ohms

o 3x 1k ohm

o 2x 15k ohm

o 2x 33k ohm

o 1x 42k ohm

o 2x 60k ohm

Condensateurs

o 2x 22nF

o 2x 1μF

o 1x 2Μf

- Une pléthore ou des cavaliers

- Une source de tension continue capable de fournir +-15 V

- Un générateur de fonctions et un oscilloscope (principalement pour le dépannage)

- Au moins trois électrodes collantes si vous prévoyez d'enregistrer un ECG réel

- Assez de câbles pour connecter toutes ces bêtises

- Une solide compréhension des circuits, des amplificateurs opérationnels et une expérience de la maquette.

Si vous venez de recevoir une planche à pain pour votre anniversaire et que vous cherchez à essayer de faire quelque chose de cool avec, faites au moins quelques constructions plus simples avant de l'essayer.

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Étape 3: Construire l'amplificateur différentiel

L'amplificateur différentiel est ce qui va amplifier notre signal enregistré à un niveau utilisable pour être affiché sur un oscilloscope ou un écran. Cette conception de circuit prendra la différence de tension des deux électrodes d'entrée et l'amplifiera. Ceci est fait pour réduire le bruit, car le bruit commun entre les électrodes sera éliminé. Le signal ECG variera en amplitude en fonction du placement des électrodes d'enregistrement et de l'individu, mais est généralement de l'ordre de quelques millivolts lors de l'enregistrement à partir des poignets. (Bien que cela ne soit pas nécessaire pour cette configuration, l'amplitude du signal peut être augmentée en plaçant des électrodes sur la poitrine, mais le compromis est le bruit du mouvement pulmonaire.)

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J'ai inclus un schéma de l'installation. Le circuit sur l'image devrait amplifier votre signal d'environ 1000 fois. Vous devrez peut-être ajuster cela en fonction du type d'ampli-op que vous avez décidé d'utiliser. Un moyen rapide d'ajuster cela est de changer la valeur de R1. En coupant la valeur de R1 de moitié, vous doublerez le gain de sortie et vice versa.

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Je suppose que la plupart d'entre vous peuvent traduire ce circuit sur la maquette, néanmoins j'ai inclus un schéma de la configuration de la maquette pour rationaliser le processus et, espérons-le, réduire votre temps de dépannage. J'ai également inclus une photo du brochage UA741 (ou LM741) pour votre commodité. (pour vos besoins, vous n'aurez pas besoin des broches 1, 5 ou 8) Les broches V+ et V- de l'ampli-op seront respectivement connectées à votre alimentation +15 V et -15 V. -15V n'est pas la même chose que la terre! Vous pouvez ignorer les condensateurs sur ma maquette. Ce sont des condensateurs de dérivation destinés à éliminer le bruit CA, mais rétrospectivement, cela n'en valait pas la peine.

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Je recommande de tester chaque étape au fur et à mesure que vous la terminez pour dépanner. Comme le montre le circuit, vous pouvez connecter l'une des entrées à la terre et l'autre à une petite source CC pour vérifier l'amplification. (assurez-vous d'entrer <15 mV sinon vous saturerez les amplis-op). Si vous devez réduire votre gain pour les tests, ne vous en faites pas, tout gain supérieur à 500 fois sera suffisant pour nos besoins. De plus, si vous avez construit votre circuit pour avoir un gain de 1000 et qu'il n'affiche qu'un gain de 800, ce n'est pas la fin du monde, le nombre exact n'est pas critique.

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Étape 4: Construisez le filtre coupe-bande

Maintenant que nous pouvons amplifier notre signal, regardons le nettoyer. Si vous raccordez des électrodes à notre circuit maintenant, il y aurait probablement une tonne de bruit à 60 Hz. Cela parce que la plupart des bâtiments sont câblés avec un courant alternatif de 60 Hz provoquant inévitablement des signaux de bruit importants. Pour y remédier, nous allons construire un filtre coupe-bande 60 Hz. Un filtre coupe-bande est conçu pour atténuer des fréquences très spécifiques et laisser les autres fréquences intactes; parfait pour se débarrasser du bruit 60 Hz.

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Comme auparavant, j'ai inclus une image du schéma du circuit, de la configuration de la maquette et de mon propre circuit. Pour rappel, bien que le filtre coupe-bande soit une étape relativement facile à construire, il m'a fallu le plus de temps pour travailler. Mon entrée était bien atténuée, mais à 63 Hz au lieu de 60 Hz, ce qui ne le coupera pas. Si vous rencontrez le même problème, je vous recommande de modifier votre valeur de R14. (L'augmentation de la résistance de R14 abaissera votre fréquence d'atténuation et vice versa). Si vous avez une boîte à résistance variable, utilisez-la pour remplacer R14, puis jouez avec des valeurs de résistance pour savoir exactement ce qui fonctionne le mieux, car elle sera sensible aux changements de l'ordre d'un seul ohm. Je me suis retrouvé avec un R14 de 175 ohms, mais en théorie, cela fonctionne mieux pour correspondre à R12.

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Encore une fois, vous pouvez tester cette étape en utilisant un générateur de fonctions pour entrer une onde sinusoïdale de 60 Hz et enregistrer votre sortie sur un oscilloscope. Votre sortie doit être d'environ -20 dB ou 10% de l'amplitude de l'entrée. Comme je l'ai déjà dit, vous pouvez vérifier les fréquences à proximité pour l'optimisation.

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Étape 5: Construire le filtre passe-bas

Comme mentionné précédemment, un autre facteur important est la réduction du bruit de votre corps et de tout ce qui zappe la pièce dans laquelle vous vous trouvez. Un filtre passe-bas est bon pour cela car, en ce qui concerne les signaux, votre rythme cardiaque est assez lent. Notre objectif avec le filtre passe-bas est d'éliminer tous les signaux qui contiennent des fréquences supérieures à votre ECG. Pour ce faire, nous devons désigner une « fréquence de coupure ». Dans notre cas, tout ce qui est au-dessus de cette fréquence, nous voulons éliminer, et tout ce qui est en dessous de cette fréquence, nous voulons le conserver. Alors qu'un rythme cardiaque se produit de l'ordre de 1 à 3 Hertz, les formes d'onde individuelles qui composent notre ECG sont composées de fréquences beaucoup plus élevées que cela; près de 1 à 50 Hertz. Pour cette raison, j'ai choisi une fréquence de coupure de 80 Hz. Il est suffisamment élevé pour conserver tous les composants utiles dans le signal, mais coupe toujours le bruit de la radio HAM que vous avez dans la pièce voisine.

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Je n'ai pas de conseils avisés sur le filtre passe-bas, c'est très simple par rapport aux autres étages. Comme pour l'amplificateur, ne vous inquiétez pas pour obtenir une coupure précise à 80 Hz; ce n'est pas crucial et cela ne se produira pas de manière réaliste. Néanmoins, vous devriez vérifier sa sortie en utilisant un générateur de fonctions. En règle générale, une onde sinusoïdale doit traverser le filtre sans être touchée à 10 Hz et doit être réduite de moitié à 130 Hz.

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Étape 6: Branchez-le

Si vous êtes arrivé jusqu'ici, félicitations ! Vous avez tous les composants d'un ECG. Tout ce que vous avez à faire est de les connecter ensemble, d'appliquer les électrodes et de connecter la sortie à l'oscilloscope pour voir votre ECG !

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Au cas où vous ne savez pas comment mettre les électrodes, je vous recommande de coller les électrodes d'entrée sur vos poignets (une sur chaque poignet) et de connecter une électrode de masse à votre jambe (l'image peut aider.) Pour rappel, chaque électrode d'entrée doit aller une entrée positive sur les amplis-op dans l'amplificateur. (Il est uniquement mis à la terre dans le schéma de circuit à des fins de simulation)

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Une fois connecté, branchez la sortie du filtre passe-bas à un oscilloscope et soyez fier de vous ! Faites venir tous vos enfants mettre des électrodes et regarder leurs battements de cœur. Bon sang, faites venir vos voisins l'essayer. Si vous vous sentez très motivé, connectez la sortie à un microcontrôleur pour calculer la fréquence cardiaque à partir du single. (Vous voudrez probablement baisser l'amplification avant de faire cela, cela pourrait faire griller la carte que vous utilisez). Quoi qu'il en soit, félicitations pour la construction et bonne fabrication!

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