Circuit d'enregistrement ECG simple et moniteur de fréquence cardiaque LabVIEW : 5 étapes

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

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'un des aspects les plus fondamentaux des soins de santé modernes est la capacité de capturer une onde cardiaque à l'aide d'un ECG ou d'un électrocardiogramme. Cette technique utilise des électrodes de surface pour mesurer les divers schémas électriques émis par le cœur, de sorte que la sortie puisse être utilisée comme outil de diagnostic pour diagnostiquer les affections cardiaques et pulmonaires telles que diverses formes de tachycardie, de bloc de branche et d'hypertrophie. Pour diagnostiquer ces conditions, la forme d'onde de sortie est comparée à un signal ECG normal.

Afin de créer un système capable d'obtenir la forme d'onde ECG, le signal doit d'abord être amplifié, puis filtré de manière appropriée pour éliminer le bruit. Pour ce faire, un circuit à trois étages peut être construit à l'aide d'amplis OP.

Ce Instructable fournira les informations nécessaires pour concevoir puis construire un circuit simple capable d'enregistrer un signal ECG à l'aide d'électrodes de surface, puis de filtrer ce signal pour un traitement et une analyse ultérieurs. En outre, ce Instructable décrira une technique utilisée pour analyser ce signal afin de créer une représentation graphique de la sortie du circuit, ainsi qu'une méthode de calcul de la fréquence cardiaque à partir de la sortie du circuit de forme d'onde ECG.

Remarque: lors de la conception de chaque étage, assurez-vous d'effectuer des balayages CA à la fois expérimentalement et par le biais de simulations pour garantir le comportement souhaité du circuit.

Étape 1: Concevoir et construire l'amplificateur d'instrumentation

Le premier étage de ce circuit ECG est un amplificateur d'instrumentation, qui se compose de trois amplis OP. Les deux premiers amplis OP sont des entrées tamponnées, qui sont ensuite introduites dans un troisième ampli OP qui fonctionne comme un amplificateur différentiel. Les signaux du corps doivent être mis en mémoire tampon, sinon la sortie diminuera car le corps ne peut pas fournir beaucoup de courant. L'ampli différentiel prend la différence entre les deux sources d'entrée pour fournir une différence de potentiel mesurable, tout en annulant simultanément le bruit commun. Cet étage a également un gain de 1000, amplifiant le mV typique à une tension plus lisible.

Le gain du circuit de 1000 pour l'amplificateur d'instrumentation est calculé par les équations indiquées. Le gain de l'étage 1 de l'amplificateur d'instrumentation est calculé par (2), et le gain de l'étage 2 de l'amplificateur d'instrumentation est calculé par (3). K1 et K2 ont été calculés de manière à ne pas différer l'un de l'autre de plus d'une valeur de 15.

Pour un gain de 1000, K1 peut être réglé sur 40 et K2 sur 25. Les valeurs de résistance peuvent toutes être calculées, mais cet amplificateur d'instrumentation particulier a utilisé les valeurs de résistance ci-dessous:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Étape 2: Concevoir et construire le filtre coupe-bande

L'étape suivante est un filtre coupe-bande pour supprimer le signal 60 Hz qui provient de la prise de courant.

Dans le filtre coupe-bande, la valeur de résistance de R1 est calculée par (4), la valeur de R2 par (5) et la valeur de R3 par (6). Le facteur de qualité du circuit, Q, est défini sur 8 car cela donne une marge d'erreur raisonnable tout en étant réaliste. La valeur Q peut être calculée par (7). La dernière équation déterminante du filtre coupe-bande est utilisée pour calculer la bande passante et est décrite par (8). En plus du facteur de qualité de 8, le filtre coupe-bande avait d'autres spécifications de conception présentes. Ce filtre est conçu pour avoir un gain de 1 afin de ne pas altérer le signal, tout en supprimant le signal 60 Hz.

Selon ces équations, R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ et C1 = 15 nF

Étape 3: Concevoir et construire le filtre passe-bas Butterworth de 2e ordre

La dernière étape est un filtre passe-bas pour supprimer tous les signaux qui peuvent se produire au-dessus de la composante de fréquence la plus élevée d'une onde ECG, tels que le bruit WiFi, et d'autres signaux ambiants qui pourraient distraire le signal d'intérêt. Le point -3dB pour cette étape doit se situer autour ou près de 150 Hz, car la plage standard des signaux présents dans une onde ECG va de 0,05 Hz à 150 Hz.

Lors de la conception du filtre passe-bas de Butterworth de second ordre, le circuit est à nouveau réglé pour avoir un gain de 1, ce qui a permis une conception de circuit plus simple. Avant d'effectuer d'autres calculs, il est important de noter que la fréquence de coupure souhaitée du filtre passe-bas est fixée à 150 Hz. Il est plus facile de commencer par calculer la valeur du condensateur 2, C2, car d'autres équations dépendent de cette valeur. C2 peut être calculé par (9). En partant du calcul de C2, C1 peut être calculé par (10). Dans le cas de ce filtre passe-bas, les coefficients a et b sont définis où a = 1,414214 et b = 1. La valeur de résistance de R1 est calculée par (11) et la valeur de résistance de R2 est calculée par (12).

Les valeurs suivantes ont été utilisées:

R1 = 13.842kΩ

R2 = 54,36kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Étape 4: Configuration du programme LabVIEW utilisé pour l'acquisition et l'analyse de données

Ensuite, le programme informatique LabView peut être utilisé pour créer une tâche qui créera une représentation graphique d'un rythme cardiaque à partir d'un signal ECG et calculera la fréquence cardiaque à partir du même signal. Le programme LabView y parvient en acceptant d'abord une entrée analogique d'une carte DAQ, qui agit également comme un convertisseur analogique-numérique. Ce signal numérique est ensuite à la fois analysé et tracé, où le tracé montre la représentation graphique du signal entré dans la carte DAQ. La forme d'onde du signal est analysée en prenant 80% des valeurs maximales du signal numérique accepté, puis utilise une fonction de détection de crête pour détecter ces crêtes du signal. Simultanément, le programme prend la forme d'onde et calcule la différence de temps entre les pics de la forme d'onde. La détection de pic est associée à des valeurs d'accompagnement de 1 ou 0, où 1 représente un pic pour créer un indice de l'emplacement des pics, et cet indice est ensuite utilisé conjointement avec la différence de temps entre les pics pour calculer mathématiquement la fréquence cardiaque en battements par minute (BPM). Le schéma fonctionnel utilisé dans le programme LabView est affiché.

Étape 5: Assemblage complet

Une fois que vous avez construit tous vos circuits et votre programme LabVIEW et vous êtes assuré que tout fonctionne correctement, vous êtes prêt à enregistrer un signal ECG. Sur la photo, un schéma possible de l'ensemble du système de circuit complet.

Connectez l'électrode positive à votre poignet droit et à l'une des entrées d'amplificateur d'instrumentation encerclées, et l'électrode négative à votre poignet gauche et à l'autre entrée d'amplificateur d'instrumentation comme illustré. L'ordre d'entrée des électrodes n'a pas d'importance. Enfin, placez une électrode de masse sur votre cheville et connectez-la à la masse de votre circuit. Félicitations, vous avez terminé toutes les étapes nécessaires à l'enregistrement et au signal ECG.