Circuit d'électrocardiogramme (ECG) : 7 étapes

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

Remarque: 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.

Nous sommes deux étudiants en génie biomédical et après avoir suivi notre premier cours de circuits, nous étions très excités et avons décidé d'utiliser les bases que nous avons apprises pour faire quelque chose d'utile: afficher un ECG et lire la fréquence cardiaque. Ce serait le circuit le plus complexe que nous ayons construit à ce jour !

Quelques informations sur un ECG:

De nombreux appareils électriques sont utilisés pour mesurer et enregistrer l'activité biologique dans le corps humain. Un de ces appareils est l'électrocardiogramme, qui mesure les signaux électriques produits par le cœur. Ces signaux donnent des informations objectives sur la structure et la fonction du cœur. L'ECG a été développé pour la première fois en 1887 et a donné aux médecins une nouvelle façon de diagnostiquer les complications cardiaques. Les ECG peuvent détecter le rythme cardiaque, la fréquence cardiaque, les crises cardiaques, un apport insuffisant de sang et d'oxygène au cœur et des anomalies structurelles. En utilisant une conception de circuit simple, un ECG peut être réalisé pour surveiller toutes ces choses.

Étape 1: Matériaux

Construire le circuit

Les matériaux de base nécessaires à la construction du circuit sont illustrés en images. Ils comprennent:

• Planche à pain

• Des amplificateurs opérationnels

  • Tous les amplis op utilisés dans ce circuit sont des LM741.
  • Pour plus d'informations, consultez la fiche technique:
• Résistances
• Condensateurs
• Fils

• Électrodes adhésives

  Ceux-ci ne sont nécessaires que si vous décidez d'essayer le circuit sur une personne réelle

Le logiciel utilisé comprend:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab ou PSpice pour les simulations de vérification des valeurs

• Exceller

  Ceci est fortement recommandé au cas où vous auriez besoin de modifier des caractéristiques de votre circuit. Vous devrez peut-être également jouer avec les chiffres jusqu'à ce que vous trouviez des valeurs de résistance et de condensateur facilement disponibles. Calculs au stylo et papier déconseillés pour celui-ci ! Nous avons joint nos calculs de feuille de calcul pour donner une idée

Tester le circuit

Vous aurez également besoin d'équipements électroniques plus gros:

• Alimentation CC
• Carte DAQ pour interfacer le circuit avec LabVIEW
• Générateur de fonctions pour tester le circuit
• Oscilloscope pour tester le circuit

Étape 2: Amplificateur d'instrumentation

Pourquoi nous en avons besoin:

Nous allons construire un amplificateur d'instrumentation afin d'amplifier la petite amplitude mesurée à partir du corps. L'utilisation de deux amplificateurs dans notre premier étage nous permettra d'annuler le bruit créé par le corps (qui sera le même aux deux électrodes). Nous utiliserons deux étapes de gain à peu près égal - cela protège l'utilisateur si le système est connecté à une personne en empêchant tout le gain de se produire en un seul endroit. L'amplitude normale d'un signal ECG étant comprise entre 0,1 et 5 mV, nous souhaitons que le gain de l'amplificateur d'instrumentation soit d'environ 100. Une tolérance acceptable sur le gain est de 10 %.

Comment le construire:

En utilisant ces spécifications et les équations vues dans le tableau (images jointes), nous avons trouvé que nos valeurs de résistance étaient R1 = 1,8 kiloOhms, R2 = 8,2 kiloOhms, R3 = 1,5 kiloOhms et R4 = 15 kiloOhms. K1 est le gain du premier étage (OA1 et OA2) et K2 est le gain du deuxième étage (OA3). Des condensateurs de dérivation à capacité égale sont utilisés sur les alimentations des amplificateurs opérationnels pour éliminer le bruit.

Comment le tester:

Tout signal qui est introduit dans l'amplificateur d'instrumentation doit être amplifié de 100. En utilisant dB=20log(Vout/Vin), cela signifie un rapport de 40 dB. Vous pouvez simuler cela dans PSpice ou CircuitLab, ou tester le périphérique physique, ou les deux !

L'image de l'oscilloscope jointe montre un gain de 1000. Pour un vrai ECG, c'est trop élevé !

Étape 3: Filtre coupe-bande

Pourquoi nous en avons besoin:

Nous utiliserons un filtre coupe-bande pour supprimer le bruit 60 Hz présent dans toutes les alimentations aux États-Unis.

Comment le construire:

Nous allons définir le facteur de qualité Q sur 8, ce qui fournira une sortie de filtrage acceptable tout en maintenant les valeurs des composants dans une plage réalisable. Nous avons également défini la valeur du condensateur à 0,1 F afin que les calculs n'affectent que les résistances. Les valeurs de résistance calculées et utilisées peuvent être vues dans le tableau (en images) ou ci-dessous

• Q = w/B

  définissez Q sur 8 (ou choisissez le vôtre en fonction de vos propres besoins)

• w = 2*pi*f

  utiliser f = 60 Hz

• C

  réglé sur 0,1 uF (ou choisissez votre propre valeur parmi les condensateurs disponibles)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Calculer. Notre valeur est de 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Calculer. Notre valeur est de 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Calculer. Notre valeur est de 1,65 kohm

Comment le tester:

Le filtre coupe-bande doit laisser passer toutes les fréquences inchangées, à l'exception de celles autour de 60 Hz. Cela peut être vérifié avec un balayage CA. Un filtre avec un gain de -20 dB à 60 Hz est considéré comme bon. Vous pouvez simuler cela dans PSpice ou CircuitLab, ou tester le périphérique physique, ou les deux !

Ce type de filtre coupe-bande peut générer une bonne encoche dans le balayage CA simulé, mais un test physique a montré que nos valeurs d'origine généraient une encoche à une fréquence plus basse que prévu. Pour résoudre ce problème, nous avons augmenté R2 d'environ 25 kohms.

L'image de l'oscilloscope montre que le filtre réduit considérablement l'amplitude du signal d'entrée à 60 Hz. Le graphique montre un balayage CA pour un filtre coupe-bande de haute qualité.

Étape 4: Filtre passe-bas

Pourquoi nous en avons besoin:

Le dernier étage de l'appareil est un filtre passe-bas actif. Le signal ECG est composé de nombreuses formes d'onde différentes, qui ont chacune leur propre fréquence. Nous voulons capturer tout cela, sans aucun bruit à haute fréquence. La fréquence de coupure standard pour les moniteurs ECG de 150 Hz est sélectionnée. (Des seuils plus élevés sont parfois choisis pour surveiller des problèmes cardiaques spécifiques, mais pour notre projet, nous utiliserons un seuil normal.)

Si vous souhaitez faire un circuit plus simple, vous pouvez également utiliser un filtre passe-bas passif. Cela n'inclura pas d'ampli op et consistera simplement en une résistance en série avec un condensateur. La tension de sortie sera mesurée aux bornes du condensateur.

Comment le construire:

Nous allons le concevoir comme un filtre de Butterworth du second ordre, qui a des coefficients a et b égaux à 1,414214 et 1, respectivement. Le réglage du gain à 1 fait de l'amplificateur opérationnel un suiveur de tension. Les équations et les valeurs choisies sont indiquées dans le tableau (en images) et ci-dessous.

• w=2*pi*f

  régler f = 150 Hz

• C2 = 10/f

  Calculer. Notre valeur est de 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Calculer. Notre valeur est de 0,033 uF

• R1 = 2/(w*(aC2+sqrt(a^2*C2^2-4b*C1*C2)))

  Calculer. Notre valeur est de 18,836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Calculer. Notre valeur est de 26,634 kohm

Comment le tester:

Le filtre doit laisser passer les fréquences inférieures à la fréquence de coupure inchangées. Cela peut être testé à l'aide d'un balayage CA. Vous pouvez simuler cela dans PSpice ou CircuitLab, ou tester le périphérique physique, ou les deux !

L'image de l'oscilloscope montre la réponse du filtre à 100 Hz, 150 Hz et 155 Hz. Notre circuit physique avait une coupure plus proche de 155 Hz, illustrée par le rapport -3 dB.

Étape 5: Filtre passe-haut

Pourquoi nous en avons besoin:

Le filtre passe-haut est utilisé pour que les fréquences inférieures à une certaine valeur de coupure ne soient pas enregistrées, ce qui permet de faire passer un signal propre. La fréquence de coupure est choisie à 0,5 Hz (une valeur standard pour les moniteurs ECG).

Comment le construire:

Les valeurs de résistance et de condensateur nécessaires pour y parvenir sont présentées ci-dessous. Notre résistance réelle utilisée était de 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • régler f = 0,5 Hz et C = 1 uF
  • Calculez R. Notre valeur est de 318.310 kohm

Comment le tester:

Le filtre doit laisser passer les fréquences au-dessus de la fréquence de coupure inchangées. Cela peut être testé à l'aide d'un balayage CA. Vous pouvez simuler cela dans PSpice ou CircuitLab, ou tester le périphérique physique, ou les deux !

Étape 6: Configuration de LabVIEW

L'organigramme présente le concept de conception de la partie LabVIEW du projet qui enregistre le signal à une fréquence d'échantillonnage élevée et affiche la fréquence cardiaque (BPM) et l'ECG. Notre circuit LabView contient les composants suivants: assistant DAQ, tableau d'index, opérateurs arithmétiques, détection de pic, indicateurs numériques, graphique de forme d'onde, changement dans le temps, identifiant max/min et constantes numériques. L'assistant DAQ est configuré pour prélever des échantillons en continu à une fréquence de 1 kHz, le nombre d'échantillons variant entre 3 000 et 5 000 échantillons à des fins de détection des pics et de clarté du signal.

Passez la souris sur les différents composants du schéma de circuit pour savoir où les trouver dans LabVIEW !

Étape 7: Collecte de données

Maintenant que le circuit a été assemblé, des données peuvent être collectées pour voir si cela fonctionne ! Envoyez un ECG simulé à travers le circuit à 1 Hz. Le résultat devrait être un signal ECG propre où le complexe QRS, l'onde P et l'onde T peuvent être clairement vus. La fréquence cardiaque devrait également afficher 60 battements par minute (bpm). Pour tester davantage le circuit et la configuration LabVIEW, changez la fréquence à 1,5 Hz et 0,5 Hz. La fréquence cardiaque devrait changer pour être respectivement de 90 bpm et 30 bpm.

Pour que les fréquences cardiaques plus lentes soient affichées avec précision, vous devrez peut-être ajuster les paramètres DAQ pour afficher plus de vagues par graphique. Cela peut être fait en augmentant le nombre d'échantillons.

Si vous choisissez de tester l'appareil sur un humain, assurez-vous que l'alimentation que vous utilisez pour les amplis op limite le courant à 0,015 mA ! Il existe plusieurs configurations de sondes acceptables, mais nous avons choisi de placer l'électrode positive sur la cheville gauche, l'électrode négative sur le poignet droit et l'électrode de masse sur la cheville droite, comme illustré sur la photo ci-jointe.

En utilisant quelques concepts de circuits de base et notre connaissance du cœur humain, nous vous avons montré comment créer un appareil amusant et utile. Nous espérons que vous avez apprécié notre tutoriel !