Conception d'un moniteur et d'un circuit numériques ECG : 5 étapes

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

Ce 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'objectif de ce projet est de construire un circuit capable d'amplifier et de filtrer un signal ECG, également connu sous le nom d'électrocardiogramme. Un ECG peut être utilisé pour déterminer la fréquence cardiaque et le rythme cardiaque, car il est capable de détecter les signaux électriques qui traversent différentes parties du cœur au cours des différentes étapes du cycle cardiaque. Ici, nous utilisons un amplificateur d'instrumentation, un filtre coupe-bande et un filtre passe-bas pour amplifier et filtrer l'ECG. Ensuite, à l'aide de LabView, les battements par minute sont calculés et une représentation graphique de l'ECG est affichée. Le produit fini est visible ci-dessus.

Étape 1: Amplificateur d'instrumentation

Le gain nécessaire pour l'amplificateur d'instrumentation est de 1000 V/V. Cela permettrait une amplification suffisante du signal entrant qui est beaucoup plus petit. L'amplificateur d'instrumentation est divisé en deux parties, l'étage 1 et l'étage 2. Le gain de chaque étage (K) doit être similaire, de sorte que lorsqu'il est multiplié, le gain est d'environ 1000. Les équations ci-dessous sont utilisées pour calculer le gain.

K1 = 1 + ((2*R2)/R1)

K2 = -R4/R3

A partir de ces équations, les valeurs de R1, R2, R3 et R4 ont été trouvées. Pour construire le circuit vu dans les images, trois amplificateurs opérationnels et résistances uA741 ont été utilisés. Les amplis op sont alimentés en 15V à partir d'une alimentation CC. L'entrée de l'amplificateur d'instrumentation était connectée à un générateur de fonctions et la sortie était connectée à un oscilloscope. Ensuite, un balayage CA a été effectué et le gain de l'amplificateur d'instrumentation a été trouvé, comme on peut le voir sur le tracé "Gain de l'amplificateur d'instrumentation" ci-dessus. Enfin, le circuit a été recréé dans LabView, où une simulation du gain a été exécutée, comme on peut le voir dans le tracé noir ci-dessus. Les résultats ont confirmé que le circuit fonctionnait correctement.

Étape 2: Filtre coupe-bande

Le filtre coupe-bande est utilisé pour supprimer le bruit qui se produit à 60 Hz. Les valeurs des composants peuvent être calculées à l'aide des équations ci-dessous. Un facteur de qualité (Q) de 8 a été utilisé. C a été choisi compte tenu des condensateurs disponibles.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

R3 = (R1*R2)/(R1+R2)

Les valeurs de résistance et de condensateur ont été trouvées et le circuit ci-dessus a été construit, les valeurs calculées peuvent y être vues. L'amplificateur opérationnel était alimenté par une alimentation en courant continu, l'entrée étant connectée à un générateur de fonctions et la sortie à un oscilloscope. L'exécution d'un balayage CA a donné le tracé "Notch Filter AC Sweep" ci-dessus, montrant qu'une fréquence de 60 Hz avait été supprimée. Pour confirmer cela, une simulation LabView a été exécutée qui a confirmé les résultats.

Étape 3: Filtre passe-bas

Un filtre passe-bas de second ordre Butterworth est utilisé, avec une fréquence de coupure de 250 Hz. Pour résoudre les valeurs de résistance et de condensateur, les équations ci-dessous ont été utilisées. Pour ces équations, la fréquence de coupure en Hz a été modifiée pour être en rad/sec, ce qui s'est avéré être 1570.8. Un gain de K = 1 a été utilisé. Les valeurs pour a et b ont été fournies comme étant respectivement 1,414214 et 1.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt(a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1/ (b C1 C2 R1 wc^2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a^2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

Une fois les valeurs calculées, le circuit a été construit avec les valeurs, qui peuvent être vues dans l'une des images ci-dessus. Il convient de noter que puisqu'un gain de 1 a été utilisé, R3 a été remplacé par un circuit ouvert et R4 a été remplacé par un court-circuit. Une fois le circuit assemblé, l'ampli op était alimenté en 15V à partir d'une alimentation CC. Comme pour les autres composants, l'entrée et la sortie étaient respectivement connectées à un générateur de fonctions et à un oscilloscope. Un tracé du balayage CA a été créé, vu dans le « Balayage CA du filtre passe-bas » ci-dessus. Le tracé en noir dans la simulation LabView du circuit, confirmant nos résultats.

Étape 4: LabVIEW

Le programme LabVIEW montré dans l'image est utilisé pour calculer les battements par minute et pour afficher une représentation visuelle de l'ECG d'entrée. L'assistant DAQ acquiert le signal d'entrée et définit les paramètres d'échantillonnage. Le graphique de forme d'onde trace ensuite l'entrée que le DAQ reçoit sur l'interface utilisateur pour l'afficher à l'utilisateur. De multiples analyses sont effectuées sur les données d'entrée. Les valeurs maximales des données d'entrée sont trouvées à l'aide de l'identifiant Max/Min et les paramètres de détection des pics sont définis à l'aide de la détection de pic. En utilisant un tableau d'index des emplacements des pics, le temps entre les valeurs maximales données par le composant Changement de temps et diverses opérations arithmétiques, le BPM est calculé et affiché en tant que sortie numérique.

Étape 5: Circuit terminé

Une fois tous les composants connectés, le système complet a été testé avec un signal ECG simulé. Ensuite, le circuit a été utilisé pour filtrer et amplifier un ECG humain avec les résultats affichés via le programme LabView susmentionné. Des électrodes étaient fixées au poignet droit, au poignet gauche et à la cheville gauche. Le poignet gauche et le poignet droit étaient connectés aux entrées de l'amplificateur d'instrumentation, tandis que la cheville gauche était connectée à la masse. La sortie du filtre passe-bas a ensuite été connectée à l'assistant DAQ. En utilisant le même diagramme LabView qu'avant, le programme a été exécuté. Avec le passage de l'ECG humain, un signal clair et stable a été observé à partir de la sortie du système complet, qui peut être vu dans l'image ci-dessus.