Circuit de collecte ECG : 5 étapes

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

AVIS: Ceci n'est pas un dispositif médical. Ceci est à des fins éducatives uniquement 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 des techniques d'isolation appropriées

L'électrocardiogramme (ECG/EKG) est peut-être la mesure physiologique la plus répandue dans l'industrie de la santé d'aujourd'hui. Il est difficile de traverser un hôpital ou une salle d'urgence sans entendre le traditionnel « bip » d'un moniteur de fréquence cardiaque ou sans voir la forme d'onde de l'ECG défiler sur l'écran dans la chambre d'un patient. Mais quelle est cette mesure qui est devenue si associée aux soins de santé modernes ?

L'électrocardiogramme est souvent confondu avec l'enregistrement de l'activité physique du cœur, cependant, comme son nom l'indique, il s'agit en fait d'un enregistrement de l'activité électrique, de la dépolarisation et de la repolarisation, des muscles cardiaques. En analysant la forme d'onde enregistrée, les médecins sont en mesure de mieux comprendre le comportement du système électrique du cœur. Certains diagnostics courants posés à partir des données ECG comprennent: l'infarctus du myocarde, l'embolie pulmonaire, les arythmies et les blocs AV.

L'Instructable suivant décrira le processus et les principes utilisés pour construire un circuit électrique de base capable de collecter un ECG à l'aide d'électrodes de surface simples, comme cela se fait dans les hôpitaux.

Étape 1: Concevoir un amplificateur d'instrumentation

Le premier élément de circuit requis pour enregistrer le signal ECG est un amplificateur d'instrumentation. Cet amplificateur a deux effets.

1. Il crée un tampon électronique entre les électrodes d'enregistrement et le reste du circuit. Cela réduit la consommation de courant requise des électrodes à pratiquement zéro. Permettant la collecte du signal avec très peu de distorsion causée par l'impédance d'entrée.

2. Il amplifie différentiellement le signal enregistré. Cela signifie que tout signal commun aux deux électrodes d'enregistrement ne sera pas amplifié, tandis que les différences (les parties importantes) le seront.

En règle générale, les enregistrements d'électrodes de surface pour un ECG seront de l'ordre du millivolt. Par conséquent, pour obtenir ce signal dans une plage que nous pouvons travailler avec une amplification (K) de 1000 V/V sera appropriée.

Les équations régissant l'amplificateur illustré ci-dessus sont:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, c'est le gain de l'étage 1

K2 = - R4/R3, c'est le gain de l'étage 2

Notez qu'idéalement, K1 et K2 doivent être approximativement égaux et pour obtenir l'amplification souhaitée K1 * K2 = 1000

Les valeurs finales utilisées dans notre circuit étaient….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Étape 2: Conception d'un filtre coupe-bande

Il est probable dans le monde moderne que la collecte de l'ECG se fera à proximité d'autres appareils électroniques, ou même simplement dans un bâtiment qui est alimenté en électricité par les lignes électriques locales. Malheureusement, la nature haute tension et oscillante de la puissance fournie signifie qu'elle produira une grande quantité de "bruit" électrique dans pratiquement tout matériau conducteur qui se trouve à proximité; cela inclut les fils et les éléments de circuit utilisés pour construire notre circuit de collecte ECG.

Pour lutter contre cela, tout signal avec une fréquence égale à celle du bruit généré par l'alimentation locale (appelé ronflement secteur) peut simplement être filtré et essentiellement supprimé. Aux États-Unis, le réseau électrique fournit du 110-120V avec une fréquence de 60 Hz. Par conséquent, nous devons filtrer toute composante de signal avec une fréquence de 60 Hz. Heureusement, cela a été fait plusieurs fois auparavant et nécessite simplement la conception d'un filtre coupe-bande (photo ci-dessus).

Les équations régissant ce filtre sont….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Q = w / B

où wc2 est la fréquence de coupure haute, w2 la fréquence de coupure basse, w la fréquence de coupure en rad/sec, et Q un facteur de qualité

Notez que C est une valeur qui peut être librement choisie. Les valeurs suivantes utilisées dans notre circuit étaient:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/sec

Étape 3: Filtre passe-bas

Les signaux ECG ont une fréquence d'environ 0 à 150 Hz. Afin d'empêcher plus de bruit de se coupler sur le signal à partir de choses avec une fréquence plus élevée que cette plage, un filtre passe-bas ButterWorth de second ordre avec une coupure de 150 Hz a été mis en œuvre afin de permettre uniquement au signal ECG de traverser le circuit. Au lieu de choisir immédiatement une valeur de condensateur facilement disponible, comme les composants précédents, la première valeur de condensateur, C2, a été choisie en fonction de la formule trouvée ci-dessous. À partir de cette valeur, toutes les autres valeurs des composants pourraient être calculées puis ajoutées au circuit tout en maintenant le gain à nouveau à 1V/V.

C2 10/fc uf, où fc est la fréquence de coupure (150 Hz dans ce cas).

Ensuite, les valeurs restantes peuvent être calculées comme indiqué dans le tableau inclus comme deuxième image dans cette étape.

Les valeurs finales utilisées pour être placées dans le schéma ci-dessus sont:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Étape 4: Préparation de LabVIEW

Le seul matériel requis pour cette section de la collection ECG est un ordinateur Windows équipé d'une copie 64 bits de LabVIEW et d'une carte de conditionnement de signal National Instruments () avec un seul module d'entrée. Le diagramme fonctionnel dans LabVIEW doit alors être construit de la manière suivante. Commencez par ouvrir un diagramme fonctionnel vierge.

Insérez un bloc Assistant DAQ et ajustez les paramètres comme suit:

Mesure: Analogique → Tension

Mode: RSE

Échantillonnage: Échantillonnage continu

Échantillons collectés: 2500

Taux d'échantillonnage: 1000/sec

Sortez la forme d'onde collectée dans un graphique de forme d'onde. De plus, calculez la valeur maximale des données de forme d'onde actuelles. Multipliez la valeur maximale de l'onde par une valeur telle que 0,8 pour créer un seuil de détection de crête, cette valeur peut être ajustée en fonction du niveau de bruit dans le signal. Introduisez le produit de l'étape précédente en tant que seuil et le tableau de tension brute en tant que données pour la fonction « Détection de crête ». Ensuite, prenez la sortie « Emplacement » du réseau de détection de pics et soustrayez les première et deuxième valeurs. Cela représente la différence des valeurs d'indice des deux pics dans le réseau initial. Cela peut ensuite être converti en une différence de temps en divisant la valeur par la fréquence d'échantillonnage, pour l'exemple, c'est 1000 /sec. Enfin, prenez l'inverse de cette valeur (donc Hz) et multipliez par 60 pour obtenir la fréquence cardiaque en battements par minute BPM. Le schéma fonctionnel final pour cela doit ressembler à l'image d'en-tête pour cette étape.

Étape 5: Intégration du système complet

Maintenant que tous les composants ont été construits individuellement, il est temps d'assembler le centre commercial. Cela peut être fait en câblant simplement la sortie d'une section à l'entrée du segment suivant. Les étapes doivent être câblées dans le même ordre qu'elles apparaissent dans ce Instructable. Pour le dernier étage, le filtre ButterWorth, son entrée doit être connectée à l'un des deux fils du module d'entrée de la carte de conditionnement de signal. L'autre fil de ce module doit être relié à la terre commune du circuit.

Pour l'amplificateur d'instrumentation, ses deux fils doivent chacun être reliés à une électrode ECG/EKG. Cela se fait facilement à l'aide de deux pinces crocodiles. Ensuite, placez une électrode sur chaque poignet. Assurez-vous que tous les segments du circuit sont connectés et que le VI LabVIEW est en cours d'exécution et que le système doit sortir un graphe de forme d'onde dans la fenêtre LabVIEW.

La sortie doit ressembler à la deuxième image fournie dans cette étape. Si ce n'est pas similaire, les valeurs de votre circuit devront peut-être être ajustées. Un problème courant est que le filtre coupe-bande ne sera pas centré directement à 60 Hz et peut être légèrement trop haut/bas. Cela peut être testé en créant un tracé de Bode pour le filtre. Idéalement, le filtre coupe-bande aura une atténuation d'au moins 20 dB à 60 Hz. Il peut également être utile de vérifier que votre alimentation locale est fournie à 60 Hz. Il n'est pas rare que certaines zones aient des alimentations AC 50 Hz, cela nécessiterait de centrer le filtre coupe-bande autour de cette valeur.