ECG et moniteur de fréquence cardiaque : 6 étapes

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

L'électrocardiogramme, également appelé ECG, est un test qui détecte et enregistre l'activité électrique du cœur humain. Il détecte la fréquence cardiaque et la force et la synchronisation des impulsions électriques traversant chaque partie d'un cœur, ce qui est capable d'identifier les problèmes cardiaques tels que les crises cardiaques et l'arythmie. Les ECG dans les hôpitaux impliquent douze électrodes sur la peau de la poitrine, des bras et des jambes. Dans cet intraitable, nous n'utilisons que trois électrodes, une pour chaque poignet comme deux sites d'enregistrement et une pour la cheville droite comme sol. Il est important de noter qu'il ne s'agit pas d'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.

Pour acquérir et analyser un signal ECG humain, nous avons besoin d'un amplificateur d'instrumentation qui amplifie le signal d'entrée de 1000, d'un filtre coupe-bande qui supprime le bruit du courant alternatif (60 Hz) et d'un filtre passe-bas qui filtre les autres bruits au-dessus de 250 Hz. Une coupure de 250 Hz est utilisée car la plage de fréquences d'un ECG humain est comprise entre 0 et 250 Hz

Étape 1: Matériaux

Générateur de fonctions, Alimentation, Oscilloscope, Breadboard.

Résistances: 1k - 500k ohm

Condensateurs: 20 - 100 nF

Amplificateur opérationnel x5 (UA741)

Étape 2: Construire l'amplificateur d'instrumentation

Se référant au circuit et aux équations de l'amplificateur d'instrumentation. Nous devons d'abord calculer les valeurs de résistance correctes. Puisque l'amplificateur d'instrumentation a 2 étages, il y a deux gains séparés, k1 et k2. Puisque nous avons besoin d'un gain de 1000, k1 multiplié par k2 devrait être égal à mille. Dans ce tutoriel, nous avons utilisé les valeurs suivantes, n'hésitez pas à modifier ces valeurs si vous n'avez pas une large gamme de résistances.

R1=1000Ω, R2=1500 donc, K1=1+(2*1500)/1000=31R3=1000Ω, R4=32000Ω donc, K2=32000/1000=32

Maintenant que vous savez de quelles valeurs de résistance vous avez besoin, allez-y et faites le circuit.

Pour tester l'amplificateur d'instrumentation, vous pouvez utiliser un générateur de fonctions pour générer une onde sinusoïdale d'amplitude connue, la connecter à l'entrée du circuit et connecter la sortie de l'amplificateur à un oscilloscope, vous devriez voir une onde sinusoïdale d'amplitude un 1000 fois plus grand que l'onde sinusoïdale d'entrée

Étape 3: Créer un filtre coupe-bande

Semblable à l'amplificateur d'instrumentation, reportez-vous au circuit et aux équations pour trouver les valeurs de composant appropriées. On sait que dans ce filtre coupe-bande, il faut couper les fréquences de 60Hz donc f0 vaut 60Hz, on va aussi utiliser un facteur de qualité de 8 qui nous donnerait une bonne précision. En utilisant ces valeurs, nous pouvons maintenant trouver les valeurs de composants appropriées:

C=100 nF, Q = 8, w0=2ℼf =2*pi*60 =120pi

R1=1/(2*8*120*pi*100*10^-9)=1658Ω

R2=(2*8)/(120*pi*100*10^-9)=424kΩ

R3=(1658*424000)/(1658+424000)=1651Ω

Maintenant que vous connaissez les valeurs des composants dont vous avez besoin, construisez le circuit. Non pas que vous puissiez utiliser des résistances en parallèle ou en série afin d'obtenir des valeurs aussi proches que possible des valeurs nécessaires.

Pour tester le filtre coupe-bande, vous pouvez effectuer un balayage de fréquence. Entrez une onde sinusoïdale avec une amplitude de 0,5 V et faites varier la fréquence. Regardez comment l'amplitude de la sortie connectée à un oscilloscope change lorsque vous vous approchez de 60 Hz. Par exemple, lorsque votre fréquence est inférieure à 50 ou supérieure à 70, vous devriez voir un signal de sortie similaire à l'entrée, mais plus vous vous rapprochez de 60 Hz, plus l'amplitude devrait diminuer. Si cela ne se produit pas, vérifiez votre circuit et assurez-vous que vous avez utilisé des valeurs de résistance correctes.

Étape 4: Créer un filtre Butterworth de deuxième ordre

Le type de filtre passe-bas que nous avons utilisé est actif de second ordre. Ce filtre est utilisé car il nous donne une assez bonne précision et bien qu'il nécessite de la puissance mais les performances sont meilleures. Le filtre est conçu pour couper les fréquences supérieures à 250 Hz. En effet, un signal ECG a une composante de fréquence différente comprise entre zéro et 250 Hz et tout signal d'une fréquence supérieure à 250 Hz serait considéré comme du bruit. La première image montre le schéma du filtre passe-bas avec toutes les valeurs de résistance correctes. (Notez que R7 devrait être de 25632Ω au lieu de 4kΩ). La deuxième image comprend toutes les équations que vous pouvez utiliser pour calculer vous-même les valeurs des composants.

Pour tester le filtre passe-bas, utilisez le générateur de fonctions pour générer une onde sinusoïdale d'une amplitude de 0,5V. Lors de la saisie de fréquences inférieures à 250 Hz, vous devriez voir une sortie similaire à l'entrée, mais plus vous obtenez une fréquence élevée après 250 Hz, plus la sortie devrait devenir plus petite et finalement devenir très proche de zéro.

Étape 5: assemblez le tout

Une fois que vous avez fini de construire les trois étages, assemblez-les tous en mettant un amplificateur d'instrumentation, suivi d'un filtre coupe-bande, puis d'un filtre passe-bas. Votre circuit devrait ressembler à cette image.

Étape 6: Tester l'ensemble du circuit

À l'aide d'un générateur de fonctions, entrez un signal ECG arbitraire avec une amplitude ne dépassant pas 15 mV à l'entrée de l'amplificateur d'instrumentation. Connectez la sortie du filtre passe-bas à un oscilloscope. Vous devriez obtenir une sortie similaire à cette image. Le signal vert est la sortie de la carte et le signal jaune est le signal d'entrée du circuit. Vous pouvez également mesurer la fréquence cardiaque en acquérant la fréquence à l'aide de l'oscilloscope et en multipliant ce nombre par 60.

Notez que si vous souhaitez mesurer votre propre signal ECG, vous pouvez le faire en connectant les deux entrées de l'amplificateur d'instrumentation à chacun de vos poignets à l'aide d'une électrode et en mettant votre jambe à la terre. Restez juste au milieu avant de faire cela, assurez-vous que le circuit et les connexions circuit-instrument utilisent des techniques d'isolation appropriées.