ECG simple et détecteur de fréquence cardiaque : 10 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

Aujourd'hui, nous allons parcourir la conception de base du circuit d'électrocardiographie (ECG) et créer un circuit pour amplifier et filtrer le signal électrique de votre cœur. Ensuite, nous pouvons mesurer la fréquence cardiaque à l'aide du logiciel labVIEW. Tout au long du processus, je donnerai des instructions détaillées sur les éléments de conception de circuits et pourquoi ils se sont produits, ainsi qu'un peu de biologie. L'image du titre représente le signal électrique de mon cœur. À la fin de cette instructable, vous pourrez également mesurer le vôtre. Commençons!

L'ECG est un outil de diagnostic utile pour les professionnels de la santé. Il peut être utilisé pour diagnostiquer une multitude de maladies cardiaques, de la crise cardiaque de base (infarctus du myocarde), jusqu'aux troubles cardiaques plus avancés, tels que la fibrillation auriculaire, que les gens peuvent passer la majorité de leur vie sans s'en rendre compte. À chaque battement de cœur, votre système nerveux autonome travaille dur pour faire battre votre cœur. Il envoie des signaux électriques au cœur, qui voyagent du nœud SA au nœud AV, puis aux ventricules gauche et droit de manière synchrone, et enfin de l'endocarde à l'épicarde et aux fibres de Purkinje, la dernière ligne de défense du cœur. Ce circuit biologique complexe peut avoir des problèmes n'importe où sur son chemin, et l'ECG peut être utilisé pour diagnostiquer ces problèmes. Je pourrais parler biologie toute la journée, mais il existe déjà un livre sur le sujet, alors consultez « Diagnostic ECG en pratique clinique », par Nicholas Peters, Michael Gatzoulis et Romeo Vecht. Ce livre est extrêmement facile à lire et démontre l'incroyable utilité d'un ECG.

Pour créer l'ECG, vous aurez besoin des composants suivants ou des substitutions acceptables.

• Pour la conception de circuits:

  • Planche à pain
  • Amplis OP x 5
  • Résistances
  • Condensateurs
  • Fils
  • Pinces crocodiles ou autres méthodes de stimulation et de mesure
  • Câbles BNC
  • Générateur de fonctions
  • Oscilloscope
  • Alimentation CC, ou piles si vous êtes bricoleur

• Pour la détection de la fréquence cardiaque:

  • LabView
  • Carte DAQ

• Pour la mesure du signal biologique*

  • Électrodes
  • Pinces crocodiles ou fils d'électrode

* J'ai mis une note d'avertissement ci-dessus, et je discuterai un peu plus des dangers des composants électriques pour le corps humain. Ne connectez pas cet ECG à vous-même à moins de vous être assuré que vous utilisez des techniques d'isolation appropriées. La connexion d'appareils alimentés par le secteur tels que des alimentations, des oscilloscopes et des ordinateurs directement au circuit peut provoquer le passage de courants importants dans le circuit en cas de surtension. Veuillez isoler le circuit de l'alimentation principale en utilisant l'alimentation par batterie et d'autres techniques d'isolation.

Ensuite, je parlerai de la partie amusante; Éléments de conception de circuits !

Étape 1: Spécifications de conception de circuit

Je vais maintenant parler de conception de circuits. Je ne discuterai pas des schémas de circuit, car ceux-ci seront donnés après cette section. Cette section est destinée aux personnes qui veulent comprendre pourquoi nous avons choisi les composants que nous avons faits.

L'image ci-dessus, tirée de mon manuel de laboratoire à l'Université Purdue, nous donne presque tout ce que nous devons savoir pour concevoir un circuit ECG de base. Il s'agit de la composition fréquentielle d'un signal ECG non filtré, avec une « amplitude » générique (axe y) se référant à un nombre sans dimension à des fins de comparaison. Parlons maintenant design !

A. Amplificateur d'instrumentation

L'amplificateur d'instrumentation sera le premier étage du circuit. Cet outil polyvalent tamponne le signal, réduit le bruit en mode commun et amplifie le signal.

Nous prenons un signal du corps humain. Certains circuits vous permettent d'utiliser votre source de mesure comme alimentation, car il y a une charge adéquate disponible sans risque de dommages. Cependant, nous ne voulons pas blesser nos sujets humains, nous devons donc tamponner le signal que nous souhaitons mesurer. Un amplificateur d'instrumentation vous permet de tamponner les signaux biologiques, car les entrées Op Amp ont une impédance théoriquement infinie (ce n'est pas le cas, en pratique, mais l'impédance est généralement suffisamment élevée) ce qui signifie qu'aucun courant (théoriquement) ne peut circuler dans l'entrée bornes.

Le corps humain a du bruit. Les signaux des muscles peuvent provoquer la manifestation de ce bruit dans les signaux ECG. Pour réduire ce bruit, nous pouvons utiliser un amplificateur différentiel pour réduire le bruit de mode commun. Essentiellement, nous voulons soustraire le bruit présent dans les muscles de votre avant-bras à deux emplacements d'électrodes. Un amplificateur d'instrumentation comprend un amplificateur différentiel.

Les signaux dans le corps humain sont faibles. Nous devons amplifier ces signaux afin qu'ils puissent être mesurés à une résolution appropriée à l'aide d'appareils de mesure électriques. Un amplificateur d'instrumentation fournit le gain nécessaire pour ce faire. Voir le lien ci-joint pour plus d'informations sur les amplificateurs d'instrumentation.

www.electronics-tutorial.net/amplifier/instrumentation-amplifier/index.html

B. Filtre coupe-bande

Aux États-Unis, les lignes électriques produisent un « bourdonnement secteur » ou un « bruit de ligne électrique » à exactement 60 Hz. Dans d'autres pays, cela se produit à 50 Hz. Nous pouvons voir ce bruit en regardant l'image ci-dessus. Étant donné que notre signal ECG se situe encore quelque peu dans la bande d'intérêt, nous souhaitons supprimer ce bruit. Pour supprimer ce bruit, un filtre coupe-bande peut être utilisé, ce qui réduit le gain aux fréquences à l'intérieur de la coupe-bande. Certaines personnes peuvent ne pas être intéressées par les fréquences plus élevées du spectre ECG et peuvent choisir de créer un filtre passe-bas avec une coupure inférieure à 60 Hz. Cependant, nous voulions pécher par excès de sécurité et recevoir autant de signal que possible, c'est pourquoi un filtre coupe-bande et un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure plus élevée ont été choisis à la place.

Voir le lien ci-joint pour plus d'informations sur les filtres coupe-bande.

www.electronics-tutorials.ws/filter/band-st…

C. Filtre passe-bas Butterworth VCVS de deuxième ordre

La composition fréquentielle d'un signal ECG ne s'étend que jusqu'à présent. Nous voulons éliminer les signaux à des fréquences plus élevées, car pour nos besoins, ce ne sont que du bruit. Les signaux de votre téléphone portable, de votre appareil Bluetooth ou de votre ordinateur portable sont partout et ces signaux provoqueraient un bruit inacceptable dans le signal ECG. Ils peuvent être éliminés avec un filtre passe-bas Butterworth. La fréquence de coupure que nous avons choisie était de 220 Hz, ce qui, avec le recul, était un peu élevé. Si je devais recréer ce circuit, je choisirais une fréquence de coupure beaucoup plus basse que cela, et peut-être même expérimenterais une fréquence de coupure inférieure à 60 Hz et utiliserais un filtre d'ordre supérieur à la place !

Ce filtre est de second ordre. Cela signifie que le gain « diminue » à un taux de 40 db/décade au lieu de 20 db/décade comme le ferait un filtre de premier ordre. Cette atténuation plus raide offre une plus grande atténuation du signal haute fréquence.

Un filtre Butterworth a été choisi car il est « au maximum plat » dans la bande passante, ce qui signifie qu'il n'y a pas de distorsion dans la bande passante. Si vous êtes intéressé, ce lien contient des informations intéressantes sur la conception de base des filtres de second ordre:

www.electronics-tutorials.ws/filter/second-…

Maintenant que nous avons parlé de conception de circuits, nous pouvons commencer la construction.

Étape 2: Construire l'amplificateur d'instrumentation

Ce circuit tamponnera l'entrée, soustraira le bruit de mode commun et amplifiera le signal à un gain de 100. Le schéma du circuit et les équations de conception qui l'accompagnent sont illustrés ci-dessus. Ceci a été créé à l'aide du concepteur OrCAD Pspice et simulé à l'aide de Pspice. Le schéma est un peu flou lorsqu'il est copié à partir d'OrCAD, alors je m'en excuse. J'ai modifié l'image pour, espérons-le, rendre certaines des valeurs de résistance un peu plus claires.

N'oubliez pas que lors de la création de circuits, des valeurs de résistance et de capacité raisonnables doivent être choisies de telle sorte que l'impédance pratique de la source de tension, l'impédance pratique du dispositif de mesure de tension et la taille physique des résistances et des condensateurs soient prises en compte.

Les équations de conception sont énumérées ci-dessus. Au départ, nous voulions que le gain de l'amplificateur d'instrumentation soit de x1000, et nous avons créé ce circuit pour pouvoir amplifier des signaux simulés. Cependant, lorsque nous l'avons attaché à notre corps, nous avons voulu réduire le gain à 100 pour des raisons de sécurité, car les maquettes ne sont pas exactement les interfaces de circuits les plus stables. Cela a été fait en échangeant à chaud la résistance 4 à réduire d'un facteur dix. Idéalement, votre gain sur chaque étage de l'amplificateur d'instrumentation serait le même, mais à la place, notre gain est devenu 31,6 pour l'étage 1 et 3,16 pour l'étage 2, ce qui donne un gain de 100. J'ai joint le schéma du circuit pour un gain de 100 au lieu de 1000. Vous verrez toujours des signaux simulés et biologiques parfaitement corrects avec ce niveau de gain, mais ce n'est peut-être pas idéal pour les composants numériques avec une faible résolution.

Notez que dans le schéma du circuit, j'ai les mots "entrée de masse" et "entrée positive" dessinés en texte orange. J'ai accidentellement placé l'entrée de fonction là où le sol est censé être. Veuillez mettre la terre où "entrée de terre" est notée et la fonction où "entrée positive" est notée.

• Sommaire

  • Gain de l'étape 1 - 31,6
  • Gain de l'étape 2 - 3,16 pour des raisons de sécurité

Étape 3: Construisez le filtre coupe-bande

Ce filtre coupe-bande élimine le bruit à 60 Hz des lignes électriques américaines. Puisque nous voulons que ce filtre coupe à exactement 60 Hz, il est essentiel d'utiliser les valeurs de résistance correctes.

Les équations de conception sont énumérées ci-dessus. Un facteur de qualité de 8 a été utilisé, ce qui se traduit par un pic plus raide à la fréquence d'atténuation. Une fréquence centrale (f0) de 60 Hz a été utilisée, avec une bande passante (bêta) de 2 rad/s pour fournir une atténuation à des fréquences légèrement différentes de la fréquence centrale. Rappelons que la lettre grecque oméga (w) est en unités de rad/s. Pour convertir de Hz en rad/s, nous devons multiplier notre fréquence centrale, 60 Hz, par 2*pi. Le bêta est également mesuré en rad/s.

• Valeurs des équations de conception

  • w0 = 376,99 rad/s
  • Bêta (B) = 2 rad/s
  • Q = 8
• À partir de là, des valeurs raisonnables de résistance et de capacité ont été choisies pour construire le circuit.

Étape 4: Construire le filtre passe-bas

Un filtre passe-bas est utilisé pour éliminer les hautes fréquences que nous ne souhaitons pas mesurer, telles que les signaux des téléphones portables, la communication Bluetooth et le bruit WiFi. Un filtre VCVS Butterworth actif de second ordre fournit un signal au maximum plat (propre) dans la région de la bande passante avec une atténuation de -40 dB/décade dans la région d'atténuation.

Les équations de conception sont énumérées ci-dessus. Ces équations sont un peu longues, alors n'oubliez pas de vérifier vos calculs ! Notez que les valeurs b et a sont soigneusement choisies pour fournir un signal plat dans la région des basses et une atténuation uniforme dans la région de l'atténuation. Pour plus d'informations sur l'origine de ces valeurs, reportez-vous au lien de l'étape 2, section C, "filtre passe-bas".

La spécification de C1 est assez ambiguë, car elle est simplement inférieure à une valeur basée sur C2. J'ai calculé qu'il était inférieur ou égal à 22 nF, j'ai donc choisi 10 nF. Le circuit fonctionnait bien et le point -3 db était très proche de 220 Hz, donc je ne m'inquiéterais pas trop à ce sujet. Rappelons à nouveau que la fréquence angulaire (wc) en rad/s est égale à la fréquence de coupure en Hz (fc) * 2pi.

• Contraintes de conception

  • K (gain) = 1
  • b = 1
  • a = 1,4142
  • Fréquence de coupure - 220 Hz

La fréquence de coupure de 220 Hz semblait un peu élevée. Si je devais le refaire, je le rapprocherais probablement de 100 Hz, ou même je dérangerais avec un passe-bas d'ordre supérieur avec une coupure de 50 Hz. Je vous encourage à essayer différentes valeurs et schémas !

Étape 5: connectez l'amplificateur d'instrumentation, le filtre coupe-bande et le filtre passe-bas

Maintenant, connectez simplement la sortie de l'amplificateur d'instrumentation à l'entrée du filtre coupe-bande. Connectez ensuite la sortie du filtre coupe-bande à l'entrée du filtre passe-bas.

J'ai également ajouté des condensateurs de dérivation de l'alimentation CC à la terre pour éliminer certains bruits. Ces condensateurs doivent avoir la même valeur pour chaque amplificateur opérationnel et au moins 0,1 uF, mais à part cela, n'hésitez pas à utiliser n'importe quelle valeur raisonnable.

J'ai essayé d'utiliser un petit circuit d'enveloppe pour "lisser" le signal bruyant, mais cela ne fonctionnait pas comme prévu, et j'étais à court de temps, alors j'ai abandonné cette idée et j'ai utilisé le traitement numérique à la place. Ce serait une étape supplémentaire intéressante si vous êtes curieux !

Étape 6: Mettez le circuit sous tension, entrez une forme d'onde et mesurez

Instructions pour alimenter le circuit et prendre des mesures. Étant donné que l'équipement de chacun est différent, il n'y a pas de moyen simple pour que je puisse vous dire comment saisir et mesurer. J'ai donné des instructions de base ici. Reportez-vous au schéma précédent pour un exemple de configuration.

1. Connectez le générateur de fonctions à l'amplificateur d'instrumentation.

   • Clip positif à l'amplificateur opérationnel inférieur dans le schéma de l'amplificateur d'instrumentation
   • Clip négatif à la terre.
   • Court-circuitez l'entrée de l'amplificateur opérationnel supérieur dans le schéma de l'amplificateur d'instrumentation à la terre. Cela fournira une référence pour le signal entrant. (Dans les signaux biologiques, cette entrée sera une électrode avec l'intention de réduire le bruit de mode commun.)

2. Connectez le clip positif de l'oscilloscope à la sortie de l'étage final (sortie du filtre passe-bas).

   • clip positif à la sortie à l'étape finale
   • clip négatif à la terre
3. Connectez votre alimentation CC aux rails, en vous assurant que chaque entrée d'alimentation Op-Amp est en court-circuit avec le rail auquel elle correspond.

4. Connectez la terre de votre alimentation CC au rail inférieur restant, fournissant une référence pour votre signal.

   court-circuitez la masse du rail inférieur à la masse du rail supérieur, ce qui devrait vous permettre de nettoyer le circuit

Commencez à entrer une onde et utilisez l'oscilloscope pour prendre des mesures ! Si votre circuit fonctionne comme prévu, vous devriez voir un gain de 100. Cela signifierait que la tension crête à crête devrait être de 2 V pour un signal de 20 mV. Si vous utilisez un générateur de fonctions en tant que forme d'onde cardiaque sophistiquée, essayez de l'entrer.

Modifiez les fréquences et les entrées pour vous assurer que votre filtre fonctionne correctement. Essayez de tester chaque étape individuellement, puis testez le circuit dans son ensemble. J'ai joint un exemple d'expérience où j'ai analysé la fonction du filtre coupe-bande. J'ai remarqué une atténuation suffisante de 59,5 Hz à 60,5 Hz, mais j'aurais préféré avoir un peu plus d'atténuation aux points 59,5 et 60,5 Hz. Néanmoins, le temps était compté, alors je suis passé à autre chose et j'ai pensé que je pourrais supprimer le bruit numériquement plus tard. Voici quelques questions que vous souhaitez considérer pour votre circuit:

• Le gain est-il de 100 ?
• Vérifiez le gain à 220 Hz. Est-ce -3 db ou proche de cela ?
• Vérifiez l'atténuation à 60 Hz. Est-il suffisamment élevé ? Fournit-il toujours une certaine atténuation à 60,5 et 59,5 Hz ?
• À quelle vitesse votre filtre s'écoule-t-il à partir de 220 Hz ? Est-ce -40 db/décade ?
• Y a-t-il du courant dans l'une ou l'autre des entrées ? Si tel est le cas, ce circuit n'est pas adapté à la mesure humaine, et quelque chose ne va probablement pas avec votre conception ou vos composants.

Si votre circuit fonctionne comme prévu, alors vous êtes prêt à passer à autre chose ! Sinon, vous avez du dépannage à faire. Vérifiez la sortie de chaque étage individuellement. Assurez-vous que vos amplificateurs opérationnels sont alimentés et fonctionnels. Examinez la tension à chaque nœud jusqu'à ce que vous ayez trouvé le problème avec le circuit.

Étape 7: Mesure de la fréquence cardiaque LabVIEW

LabVIEW nous permettra de mesurer la fréquence cardiaque à l'aide d'un diagramme logique. Avec plus de temps, j'aurais préféré numériser les données moi-même et créer un code qui déterminerait la fréquence cardiaque, car cela ne nécessiterait pas d'ordinateurs avec labVIEW installé et une grosse carte DAQ. De plus, les valeurs numériques dans labVIEW ne sont pas venues intuitivement. Néanmoins, l'apprentissage de labVIEW a été une expérience précieuse, car l'utilisation de la logique du diagramme est beaucoup plus facile que d'avoir à coder en dur votre propre logique.

Il n'y a pas grand chose à dire sur cette section. Connectez la sortie de votre circuit à la carte DAQ et connectez la carte DAQ à l'ordinateur. Créez le circuit affiché dans l'image suivante, appuyez sur « exécuter » et commencez à collecter des données ! Assurez-vous que votre circuit reçoit une forme d'onde.

Certains paramètres importants à cet égard sont:

• un taux d'échantillonnage de 500 Hz et une taille de fenêtre de 2500 unités signifie que nous capturons 5 secondes de données à l'intérieur de la fenêtre. Cela devrait être suffisant pour voir 4 à 5 battements cardiaques au repos, et plus pendant l'exercice.
• Un pic détecté de 0,9 était suffisant pour détecter la fréquence cardiaque. Bien que cela ressemble à une vérification graphique, il a en fait fallu un certain temps pour arriver à cette valeur. Vous devriez jouer avec cela jusqu'à ce que vous calculiez avec précision le rythme cardiaque.
• Une largeur de "5" semblait être suffisante. Encore une fois, cette valeur a été bricolée et ne semblait pas avoir de sens intuitif.
• L'entrée numérique pour calculer la fréquence cardiaque utilise une valeur de 60. Chaque fois qu'un battement cardiaque est indiqué, il passe par le circuit de niveau inférieur et renvoie un 1 à chaque fois que le cœur bat. Si nous divisons ce nombre par 60, nous disons essentiellement "diviser 60 par le nombre de battements calculés dans la fenêtre". Cela renverra votre fréquence cardiaque, en battements/min.

L'image ci-jointe est celle de mon propre rythme cardiaque dans labVIEW. Il a déterminé que mon cœur battait à 82 BPM. J'étais assez excité de pouvoir enfin faire fonctionner ce circuit!

Étape 8: Mesure humaine

Si vous vous êtes prouvé que votre circuit est sûr et fonctionnel, alors vous pouvez mesurer votre propre rythme cardiaque. À l'aide des électrodes de mesure 3M, placez-les aux emplacements suivants et connectez-les au circuit. Les cordons de poignet vont à l'intérieur de votre poignet, de préférence là où il y a peu ou pas de cheveux. L'électrode de terre va sur la partie osseuse de votre cheville. À l'aide de pinces crocodiles, connectez le fil positif à l'entrée positive, le fil négatif à l'entrée négative et l'électrode de terre au rail de terre (faites bien attention que ce n'est pas le rail d'alimentation négatif).

Une dernière répétition Remarque: « Ceci n'est pas un appareil 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. Vous assumez le risque de tout dommage subi."

Assurez-vous que votre oscilloscope est correctement connecté. Assurez-vous qu'aucun courant ne circule dans l'amplificateur opérationnel et que l'électrode de terre est reliée à la terre. Assurez-vous que les tailles de fenêtre de votre oscilloscope sont correctes. J'ai observé un complexe QRS d'environ 60 mV et utilisé une fenêtre de 5 s. Fixez les pinces crocodile à leurs électrodes positive, négative et de masse respectives. Vous devriez commencer à voir une forme d'onde ECG après quelques secondes. Relaxer; ne faites aucun mouvement car le filtre peut toujours capter les signaux musculaires.

Avec une configuration de circuit appropriée, vous devriez voir quelque chose comme cette sortie à l'étape précédente ! Il s'agit de votre propre signal ECG. Ensuite, j'aborderai le traitement.

REMARQUE: vous verrez différentes configurations d'ECG à 3 électrodes en ligne. Ceux-ci fonctionneraient aussi, mais ils peuvent donner des formes d'onde inversées. Avec la façon dont l'amplificateur différentiel est configuré dans ce circuit, cette configuration d'électrode fournit une forme d'onde complexe traditionnelle à QRS positif.

Étape 9: Traitement du signal

Vous vous êtes donc connecté à l'oscilloscope et vous pouvez voir le complexe QRS, mais le signal semble toujours bruyant. Probablement quelque chose comme la première image de cette section. C'est normal. Nous utilisons un circuit sur une maquette ouverte, avec un tas de composants électriques qui agissent essentiellement comme de petites antennes. Les alimentations CC sont notoirement bruyantes et aucun blindage RF n'est présent. Bien sûr, le signal sera bruyant. J'ai fait une brève tentative d'utilisation d'un circuit de traçage d'enveloppe, mais j'ai manqué de temps. C'est facile de le faire numériquement, cependant! Prenez simplement une moyenne mobile. La seule différence entre le graphique gris/bleu et le graphique noir/vert est que le graphique noir/vert utilise une moyenne mobile de tension dans une fenêtre de 3 ms. C'est une si petite fenêtre par rapport au temps entre les battements, mais cela rend le signal beaucoup plus fluide.

Étape 10: prochaines étapes ?

Ce projet était cool, mais quelque chose peut toujours être mieux fait. Voici quelques-unes de mes réflexions. N'hésitez pas à laisser le vôtre ci-dessous !

• Utilisez une fréquence de coupure inférieure. Cela devrait éliminer une partie du bruit présent dans le circuit. Peut-être même jouer avec l'utilisation d'un simple filtre passe-bas avec une forte atténuation.
• Soudez les composants et créez quelque chose de permanent. Cela devrait réduire le bruit, c'est plus frais et c'est plus sûr.
• Numérisez le signal et produisez-le vous-même, éliminant ainsi le besoin d'une carte DAQ et vous permettant d'écrire du code qui déterminera le rythme cardiaque pour vous au lieu d'avoir besoin d'utiliser LabVIEW. Cela permettra à l'utilisateur de tous les jours de détecter les battements cardiaques sans avoir besoin d'un programme puissant.

Projets d'avenir?

• Créez un appareil qui affichera l'entrée directement sur un écran (hmmmm raspberry pi et screen project ?)
• Utilisez des composants qui rendront le circuit plus petit.
• Créez un ECG portable tout-en-un avec affichage et détection de la fréquence cardiaque.

Ceci conclut l'instructable ! Merci pour la lecture. S'il vous plaît laissez vos pensées ou suggestions ci-dessous.