ECG numérique et moniteur de fréquence cardiaque : 8 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 l'alimentation par batterie et d'autres techniques d'isolation appropriées

Un électrocardiogramme (ECG) enregistre les signaux électriques pendant le cycle cardiaque. Chaque fois que le cœur bat, il y a un cycle de dépolarisation et d'hyper polarisation des cellules myocardiques. La dépolarisation et l'hyper polarisation peuvent être enregistrées par des électrodes, et les médecins lisent ces informations pour en savoir plus sur le fonctionnement du cœur. Un ECG peut déterminer un infarctus du myocarde, une fibrillation auriculaire ou ventriculaire, une tachycardie et une bradycardie [1]. Après avoir déterminé quel est le problème à partir de l'ECG, les médecins peuvent diagnostiquer et traiter avec succès le patient. Suivez les étapes ci-dessous pour apprendre à créer votre propre appareil d'enregistrement d'électrocardiogramme !

Étape 1: Matériaux

Composants du circuit:

• Cinq amplificateurs opérationnels UA741
• Résistances
• Condensateurs
• Fils de cavalier
• Carte DAQ
• Logiciel LabVIEW

Test de l'Équipement:

• Générateur de fonctions
• Alimentation CC
• Oscilloscope
• Câbles BNC et séparateur en T
• Câbles de démarrage
• Pinces crocodiles
• Bouchons de banane

Étape 2: Amplificateur d'instrumentation

Le premier étage du circuit est un amplificateur d'instrumentation. Cela amplifie le signal biologique afin que les différents composants de l'ECG puissent être distingués.

Le schéma de circuit de l'amplificateur d'instrumentation est illustré ci-dessus. Le gain du premier étage de ce circuit est défini comme K1 = 1 + 2*R2 / R1. Le gain du deuxième étage du circuit est défini comme K2 = R4 / R3. Le gain global de l'amplificateur d'instrumentation est K1 * K2. Le gain souhaité pour ce projet était d'environ 1000, donc K1 a été choisi à 31 et K2 a été choisi à 33. Les valeurs de résistance pour ces gains sont indiquées ci-dessus dans le schéma de circuit. Vous pouvez utiliser les valeurs de résistance indiquées ci-dessus, ou vous pouvez modifier les valeurs pour répondre au gain souhaité.**

Une fois que vous avez choisi les valeurs de vos composants, le circuit peut être construit sur la maquette. Pour simplifier les connexions de circuit sur la planche à pain, le rail horizontal négatif en haut a été défini comme la masse tandis que les deux rails horizontaux en bas ont été définis à +/- 15V respectivement.

Le premier ampli op a été placé sur le côté gauche de la maquette afin de laisser de la place pour tous les composants restants. Les pièces jointes ont été ajoutées dans l'ordre chronologique des broches. Cela facilite le suivi des pièces qui ont été ajoutées ou non. Une fois que toutes les broches sont terminées pour l'ampli op 1, le prochain ampli op peut être placé. Encore une fois, assurez-vous qu'il est relativement proche afin de laisser de l'espace. Le même processus de broche chronologique a été effectué pour tous les amplificateurs opérationnels jusqu'à ce que l'amplificateur d'instrumentation soit terminé.

Des condensateurs de dérivation ont ensuite été ajoutés en plus du schéma de circuit afin de se débarrasser du couplage AC dans les fils. Ces condensateurs ont été mis en parallèle avec l'alimentation en tension continue et mis à la terre sur le rail négatif horizontal supérieur. Ces condensateurs doivent être compris entre 0,1 et 1 microFarad. Chaque ampli op a deux condensateurs de dérivation, un pour la broche 4 et un pour la broche 7. Les deux condensateurs de chaque ampli op doivent avoir la même valeur, mais peuvent varier d'un ampli op à l'autre.

Afin de tester l'amplification, un générateur de fonction et un oscilloscope ont été connectés respectivement à l'entrée et à la sortie de l'amplificateur. Le signal d'entrée était également connecté à l'oscilloscope. Une simple onde sinusoïdale a été utilisée pour déterminer l'amplification. Entrez la sortie du générateur de fonctions dans les deux bornes d'entrée de l'amplificateur d'instrumentation. Réglez l'oscilloscope pour mesurer le rapport entre le signal de sortie et le signal d'entrée. Le gain d'un circuit en décibels est Gain = 20 * log10(Vout / Vin). Pour un gain de 1000, le gain en décibels est de 60dB. À l'aide de l'oscilloscope, vous pouvez déterminer si le gain de votre circuit construit répond à vos spécifications ou si vous devez modifier certaines valeurs de résistance pour améliorer votre circuit.

Une fois l'amplificateur d'instrumentation correctement assemblé et fonctionnel, vous pouvez passer au filtre coupe-bande.

** Dans le schéma de circuit ci-dessus, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Étape 3: Filtre coupe-bande

Le filtre coupe-bande a pour but de supprimer le bruit de l'alimentation murale 60 Hz. Un filtre coupe-bande atténue le signal à la fréquence de coupure et laisse passer les fréquences supérieures et inférieures. Pour ce circuit, la fréquence de coupure souhaitée est de 60 Hz.

Les équations régissant le schéma de circuit illustré ci-dessus sont R1 = 1 /(2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) et R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), où Q est le facteur de qualité et w est 2 * pi * (fréquence de coupure). Un facteur de qualité de 8 donne des valeurs de résistance et de condensateur dans une plage raisonnable. Les valeurs des condensateurs peuvent être supposées toutes identiques. Ainsi, vous pouvez choisir une valeur de condensateur disponible dans vos kits. Les valeurs de résistance indiquées dans le circuit ci-dessus sont pour une fréquence de coupure de 60 Hz, un facteur de qualité de 8 et une valeur de condensateur de 0,22 uF.

Puisque les condensateurs s'ajoutent en parallèle, deux condensateurs de la valeur choisie C ont été placés en parallèle pour atteindre une valeur de 2C. En outre, des condensateurs de dérivation ont été ajoutés à l'ampli op.

Pour tester le filtre coupe-bande, connectez la sortie du générateur de fonctions à l'entrée du filtre coupe-bande. Observez l'entrée et la sortie du circuit sur un oscilloscope. Pour avoir un filtre coupe-bande efficace, vous devez avoir un gain inférieur ou égal à -20dB à la fréquence de coupure. Étant donné que les composants ne sont pas idéaux, cela peut être difficile à réaliser. Les valeurs calculées de la résistance et du condensateur peuvent ne pas vous donner le gain souhaité. Cela vous obligera à modifier les valeurs de la résistance et du condensateur.

Pour ce faire, concentrez-vous sur un composant à la fois. Augmentez et diminuez la valeur d'un seul composant sans en modifier les autres. Observez les effets que cela a sur le gain du circuit. Cela peut demander beaucoup de patience pour obtenir le gain souhaité. N'oubliez pas que vous pouvez ajouter des résistances en série pour augmenter ou diminuer les valeurs de résistance. Le changement qui a le plus amélioré notre gain a été d'augmenter l'un des condensateurs à 0,33 uF.

Étape 4: Filtre passe-bas

Le filtre passe-bas supprime le bruit de fréquence plus élevée qui peut interférer avec le signal ECG. Une coupure passe-bas de 40 Hz est suffisante pour capturer les informations de forme d'onde ECG. Cependant, certains composants de l'ECG dépassent 40 Hz. Une coupure de 100 Hz ou 150 Hz pourrait également être utilisée [2].

Le filtre passe-bas construit est un filtre Butterworth du second ordre. Puisque le gain de notre circuit est déterminé par l'amplificateur d'instrumentation, nous voulons un gain de 1 dans la bande pour le filtre passe-bas. Pour un gain de 1, RA est en court-circuit et RB est en circuit ouvert dans le schéma ci-dessus [3]. Dans le circuit, C1 = 10 / (fc) uF, où fc est la fréquence de coupure. C1 doit être inférieur ou égal à C2 * a^2 / (4 * b). Pour un filtre de Butterworth du second ordre, a = sqrt(2) et b = 1. En insérant les valeurs de a et b, l'équation de C2 se simplifie en une équation inférieure ou égale à C1 / 2. Alors R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt(a^2 *C2 ^2 - 4 *b * C1 * C2))] et R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), où w = 2 *pi * fc. Les calculs pour ce circuit ont été effectués afin de fournir une coupure de 40 Hz. Les valeurs de résistance et de condensateur qui répondent à ces spécifications sont indiquées dans le schéma de circuit ci-dessus.

L'ampli op a été placé sur le côté le plus à droite de la maquette car aucun autre composant ne sera ajouté après. Des résistances et des condensateurs ont été ajoutés à l'ampli op afin de compléter le circuit. Des condensateurs de dérivation ont également été ajoutés à l'ampli op. La borne d'entrée a été laissée vide car l'entrée proviendra du signal de sortie du filtre coupe-bande. Cependant, à des fins de test, un fil a été placé au niveau de la broche d'entrée afin de pouvoir isoler le filtre passe-bas et de le tester individuellement.

Une onde sinusoïdale du générateur de fonction a été utilisée comme signal d'entrée et observée à différentes fréquences. Observez les signaux d'entrée et de sortie sur un oscilloscope et déterminez le gain du circuit à différentes fréquences. Pour un filtre passe-bas, le gain à la fréquence de coupure doit être de -3db. Pour ce circuit, la coupure doit se produire à 40 Hz. Les fréquences inférieures à 40 Hz devraient avoir peu ou pas d'atténuation dans leur forme d'onde, mais à mesure que la fréquence augmente au-dessus de 40 Hz, le gain devrait continuer à diminuer.

Étape 5: Assemblage des étapes du circuit

Une fois que vous avez construit chaque étage du circuit et que vous les avez testés indépendamment, vous pouvez tous les connecter. La sortie de l'amplificateur d'instrumentation doit être connectée à l'entrée du filtre coupe-bande. La sortie du filtre coupe-bande doit être connectée à l'entrée du filtre passe-bas.

Pour tester le circuit, connectez l'entrée du générateur de fonctions à l'entrée de l'étage amplificateur d'instrumentation. Observez l'entrée et la sortie du circuit sur un oscilloscope. Vous pouvez tester avec une onde ECG préprogrammée du générateur de fonctions, ou avec une onde sinusoïdale et observer les effets de votre circuit. Dans l'image de l'oscilloscope ci-dessus, la courbe jaune est la forme d'onde d'entrée et la courbe verte est la sortie.

Une fois que vous avez connecté tous les étages de votre circuit et démontré qu'il fonctionne correctement, vous pouvez connecter la sortie de votre circuit à la carte DAQ et commencer à programmer dans LabVIEW.

Étape 6: programme LabVIEW

Le code LabVIEW consiste à détecter les battements par mètre à partir d'une onde ECG simulée à différentes fréquences. Pour programmer dans LabVIEW, vous devez d'abord identifier tous les composants. Un convertisseur analogique-numérique, également appelé carte d'acquisition de données (DAQ), doit être configuré et configuré pour fonctionner en continu. Le signal de sortie du circuit est connecté à l'entrée de la carte DAQ. Le graphe de forme d'onde du programme LabVIEW est connecté directement à la sortie de l'assistant DAQ. La sortie des données DAQ va également à l'identifiant max/min. Le signal passe ensuite par un opérateur arithmétique de multiplication. L'indicateur numérique de 0,8 est utilisé pour calculer la valeur seuil. Lorsque le signal dépasse 0,8*Maximum, un pic est détecté. Chaque fois que cette valeur était trouvée, elle était stockée dans le tableau d'index. Les deux points de données sont stockés dans le tableau d'index et sont entrés dans l'opérateur arithmétique de soustraction. Le changement dans le temps a été trouvé entre ces deux valeurs. Ensuite, pour calculer la fréquence cardiaque, 60 est divisé par la différence de temps. Un indicateur numérique, affiché à côté du graphique de sortie, affiche la fréquence cardiaque en battements par minute (bpm) du signal d'entrée. Une fois le programme configuré, tout doit être placé dans une boucle while continue. Différentes entrées de fréquence donnent différentes valeurs de bpm.

Étape 7: Collectez les données ECG

Vous pouvez maintenant entrer un signal ECG simulé dans votre circuit et enregistrer des données dans votre programme LabVIEW ! Modifiez la fréquence et l'amplitude de l'ECG simulé pour voir comment cela affecte vos données enregistrées. Lorsque vous changez de fréquence, vous devriez voir un changement dans la fréquence cardiaque calculée. Vous avez conçu avec succès un ECG et un moniteur de fréquence cardiaque !

Étape 8: Autres améliorations

L'appareil construit fonctionnera bien pour acquérir des signaux ECG simulés. Cependant, si vous souhaitez enregistrer des signaux biologiques (assurez-vous de suivre les précautions de sécurité appropriées), d'autres modifications doivent être apportées aux circuits pour améliorer la lecture du signal. Un filtre passe-haut doit être ajouté pour supprimer le décalage CC et les artefacts de mouvement à basse fréquence. Le gain de l'amplificateur d'instrumentation doit également être divisé par dix pour rester dans la plage utilisable pour LabVIEW et les amplis opérationnels.

Sources

[1] S. Meek et F. Morris, « Introduction. II--terminologie de base.,” BMJ, vol. 324, non. 7335, p. 470-3, février 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Fonctionnalités du domaine fréquentiel pour la discrimination des battements ECG à l'aide d'un classificateur basé sur l'analyse relationnelle grise, In Computers & Mathematics with Applications, Volume 55, Issue 4, 2008, Pages 680-690, ISSN 0898-1221, [3] « Filtre de deuxième ordre | Conception de filtre passe-bas de deuxième ordre. Tutoriels d'électronique de base, 9 septembre 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…