Circuit ECG simple et programme de fréquence cardiaque LabVIEW : 6 étapes

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

Un électrocardiogramme, ou encore appelé ECG, est un système de diagnostic et de surveillance extrêmement puissant utilisé dans toutes les pratiques médicales. Les ECG sont utilisés pour observer graphiquement l'activité électrique du cœur afin de vérifier les anomalies de la fréquence cardiaque ou de la signalisation électrique.

À partir d'une lecture ECG, la fréquence cardiaque des patients peut être déterminée par l'espacement entre les complexes QRS. De plus, d'autres conditions médicales peuvent être détectées, telles qu'une crise cardiaque imminente, par une élévation du segment ST. Des lectures comme celle-ci peuvent être cruciales pour diagnostiquer et traiter correctement un patient. L'onde P montre la contraction de l'oreillette du cœur, la courbe QRS est la contraction ventriculaire et l'onde T est la repolarisation du cœur. Connaître même des informations aussi simples que celles-ci peut diagnostiquer rapidement chez les patients une fonction cardiaque anormale.

Un ECG standard utilisé dans la pratique médicale comporte sept électrodes qui sont placées selon un motif semi-circulaire léger autour de la région inférieure du cœur. Ce placement des électrodes permet un bruit minimal lors de l'enregistrement et permet également des mesures plus cohérentes. Pour notre objectif du circuit ECG créé, nous n'utiliserons que trois électrodes. L'électrode d'entrée positive sera placée sur l'intérieur du poignet droit, l'électrode d'entrée négative sera placée sur l'intérieur du poignet gauche et l'électrode de masse sera connectée à la cheville. Cela permettra des lectures à travers le cœur avec une précision relative. Avec ce placement d'électrodes connectées à un amplificateur d'instrumentation, un filtre passe-bas et un filtre coupe-bande, les formes d'onde ECG doivent être facilement distinguables en tant que signal de sortie du circuit créé.

REMARQUE: 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

Étape 1: Construire un amplificateur d'instrumentation

Pour construire une instrumentation à plusieurs étages avec un gain de 1000, ou 60 dB, l'équation suivante doit être appliquée.

Gain=(1+2*R1/Rgain)

R1 est égal à toutes les résistances utilisées dans l'amplificateur d'instrumentation à l'exception de la résistance de gain qui, en un sens, entraînera l'implication de tout le gain dans le premier étage de l'amplificateur. Celui-ci a été choisi à 50,3 kΩ. Pour calculer la résistance de gain, cette valeur est branchée sur l'équation ci-dessus.

1000=(1+2*50300/Rgain)

Rgain=100,7

Une fois cette valeur calculée, l'amplificateur d'instrumentation peut être construit comme le circuit suivant illustré dans cette étape. Les OP/AMP doivent être alimentés en positif et négatif de 15 volts comme indiqué sur le schéma de circuit. Les condensateurs de dérivation pour chaque OP/AMP doivent être placés près de l'OP/AMP en série avec l'alimentation pour amortir tout signal CA provenant de la source d'alimentation à la terre afin d'éviter que les OP/AMP ne soient frits et tout bruit supplémentaire qui pourrait contribuer au signal. De plus, pour tester le gain réel du circuit, le nœud d'électrode positive doit recevoir une onde sinusoïdale d'entrée et le nœud d'électrode négative doit être connecté à la terre. Cela permettra de voir avec précision le gain du circuit avec un signal d'entrée de moins de 15 mV crête à crête.

Étape 2: Construire le filtre passe-bas de 2e ordre

Un filtre passe-bas de 2e ordre a été utilisé pour éliminer le bruit au-dessus de la fréquence d'intérêt pour le signal ECG qui était de 150 Hz.

La valeur K utilisée dans les calculs du filtre passe-bas du 2ème ordre est le gain. Parce que nous ne voulons aucun gain dans notre filtre, nous avons choisi une valeur de gain de 1, ce qui signifie que la tension d'entrée sera égale à la tension de sortie.

K=1

Pour un filtre de Butterworth du second ordre qui sera utilisé pour ce circuit, les coefficients a et b sont définis ci-dessous. a=1,414214 b=1

Premièrement, la deuxième valeur de condensateur est choisie pour être un condensateur relativement grand qui est facilement disponible en laboratoire et dans le monde réel.

C2=0.1 F

Pour calculer le premier condensateur, les relations suivantes entre celui-ci et le deuxième condensateur sont utilisées. Les coefficients K, a et b ont été insérés dans l'équation pour calculer quelle devrait être cette valeur.

C1<=C2*[a^2+4b(K-1)]/4b

C1<=(0.1*10^-6[1.414214^2+4*1(1-1)]/4*1

C1<=50 nF

Étant donné que le premier condensateur est calculé pour être inférieur ou égal à 50 nF, la valeur de condensateur suivante a été choisie.

C1=33 nF

Pour calculer la première résistance nécessaire pour ce filtre passe-bas de second ordre avec une fréquence de coupure de 150 Hz, l'équation suivante a été résolue en utilisant à la fois les valeurs de condensateur calculées et les coefficients K, a et b. R1=2/[(fréquence de coupure)*[aC2*sqrt([(a^2+4b(K-1))C2^2-4bC1C2])]

R1=9478 Ohm

Pour calculer la deuxième résistance, l'équation suivante a été utilisée. La fréquence de coupure est à nouveau de 150 Hz et le coefficient b est de 1.

R2=1/[bC1C2R1(fréquence de coupure)^2]

R2=35,99 kOhmAprès avoir calculé les valeurs ci-dessus pour les résistances et les condensateurs nécessaires pour un filtre coupe-bande de second ordre, le circuit suivant a été créé pour montrer le filtre passe-bas actif qui sera utilisé. L'OP/AMP est alimenté en positif et négatif de 15 volts comme indiqué sur le schéma. Les condensateurs de dérivation sont connectés aux sources d'alimentation afin que tout signal CA sortant de la source soit détourné vers la terre pour garantir que l'OP/AMP ne soit pas grillé par ce signal. Pour tester cette étape du circuit ECG, le nœud de signal d'entrée doit être connecté à une onde sinusoïdale et un balayage CA de 1 Hz à 200 Hz doit être effectué pour voir comment fonctionne le filtre.

Étape 3: Construisez le filtre coupe-bande

Le filtre coupe-bande est une partie extrêmement importante de nombreux circuits de mesure de signaux basse fréquence. Aux basses fréquences, le bruit alternatif à 60 Hz est extrêmement courant car il s'agit de la fréquence du courant alternatif qui traverse les bâtiments aux États-Unis. Ce bruit à 60 Hz est gênant car il se situe au milieu de la bande passante de l'ECG, mais un filtre coupe-bande peut supprimer des fréquences spécifiques tout en préservant le reste du signal. Lors de la conception de ce filtre coupe-bande, il est très important d'avoir un facteur de qualité élevé, Q, pour s'assurer que l'atténuation de la coupure est nette autour du point d'intérêt. Ci-dessous détaille les calculs utilisés pour construire un filtre coupe-bande actif qui sera utilisé dans le circuit ECG.

D'abord la fréquence d'intérêt, 60 Hz doit être convertie de Hz en rad/s.

fréquence=2*pi*fréquence

fréquence=376,99 rad/seconde

Ensuite, la bande passante des fréquences coupées doit être calculée. Ces valeurs sont déterminées de manière à garantir que la fréquence principale d'intérêt, 60 Hz, est complètement coupée et que seules quelques fréquences environnantes sont légèrement affectées.

Bande passante=Cutoff2-Cutoff1

Bande passante=37,699 Le facteur de qualité doit être déterminé ensuite. Le facteur de qualité détermine la netteté de l'entaille et l'étroitesse de la coupe. Ceci est calculé en utilisant la bande passante et la fréquence d'intérêt. Q=fréquence/largeur de bande

Q = 10

Une valeur de condensateur facilement disponible est choisie pour ce filtre. Le condensateur n'a pas besoin d'être grand et ne doit certainement pas être trop petit.

C=100 nF

Pour calculer la première résistance utilisée dans ce filtre coupe-bande actif, la relation suivante a été utilisée impliquant le facteur de qualité, la fréquence d'intérêt et le condensateur choisi.

R1=1/[2QC*fréquence]

R1=1326.29 Ohm

La deuxième résistance utilisée dans ce filtre est calculée à l'aide de la relation suivante.

R2=2Q/[fréquence*C]

R2=530516 Ohm

La résistance finale de ce filtre est calculée en utilisant les deux valeurs de résistance précédentes. Il devrait être très similaire à la première résistance calculée.

R3=R1*R2/[R1+R2]

R3=1323 Ohm

Une fois que toutes les valeurs des composants ont été calculées à l'aide des équations décrites ci-dessus, le filtre coupe-bande suivant doit être construit pour filtrer avec précision le bruit alternatif à 60 Hz qui perturbera le signal ECG. L'OP/AMP doit être alimenté avec 15 volts positifs et négatifs comme indiqué dans le circuit ci-dessous. Les condensateurs de dérivation sont connectés à partir des sources d'alimentation sur l'OP/AMP afin que tout signal CA provenant de la source d'alimentation soit détourné vers la terre pour garantir que l'OP/AMP ne soit pas grillé. Pour tester cette partie du circuit, le signal d'entrée doit être connecté à une onde sinusoïdale et un balayage CA doit être effectué de 40 Hz à 80 Hz pour voir le filtrage du signal 60 Hz.

Étape 4: Créer un programme LabVIEW pour calculer la fréquence cardiaque

LabVIEW est un outil utile pour exécuter des instruments ainsi que pour collecter des données. Pour collecter les données ECG, une carte DAQ est utilisée qui lira les tensions d'entrée à une fréquence d'échantillonnage de 1 kHz. Ces tensions d'entrée sont ensuite transmises à un tracé qui est utilisé pour afficher l'enregistrement ECG. Les données collectées passent ensuite par un max finder qui affiche les valeurs maximales lues. Ces valeurs permettent de calculer un seuil de crête à 98 % de la sortie maximale. Ensuite, un détecteur de crête est utilisé pour déterminer quand les données sont supérieures à ce seuil. Ces données ainsi que le temps entre les pics peuvent être utilisés pour déterminer la fréquence cardiaque. Ce simple calcul déterminera avec précision la fréquence cardiaque à partir des tensions d'entrée lues par la carte DAQ.

Étape 5: Testez

Après avoir construit vos circuits, vous êtes prêt à les mettre en œuvre ! Tout d'abord, chaque étage doit être testé avec un balayage alternatif de fréquences de 0,05 Hz à 200 Hz. La tension d'entrée ne doit pas dépasser 15 mV crête à crête afin que le signal ne soit pas soumis aux limitations OP/AMP. Ensuite, connectez tous les circuits et exécutez à nouveau un balayage CA complet pour vous assurer que tout fonctionne correctement. Une fois que vous êtes satisfait de la sortie de votre circuit complet, il est temps de vous y connecter. Placez l'électrode positive sur votre poignet droit et l'électrode négative sur votre poignet gauche. Placez l'électrode de masse sur votre cheville. Connectez la sortie du circuit complet à votre carte DAQ et exécutez le programme LabVIEW. Votre signal ECG devrait maintenant être visible sur le graphique de forme d'onde sur l'ordinateur. Si ce n'est pas le cas ou si ce n'est pas le cas, essayez de réduire le gain du circuit à environ 10 en modifiant la résistance de gain en conséquence. Cela devrait permettre la lecture du signal par le programme LabVIEW.