Enregistrement de signaux bioélectriques : ECG et moniteur de fréquence cardiaque : 7 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.

Un électrocardiogramme (ECG) est un test dans lequel des électrodes de surface sont placées sur un sujet d'une manière spécifiée pour détecter et mesurer l'activité électrique du cœur du sujet [1]. Un ECG a de nombreuses utilisations et peut fonctionner pour aider au diagnostic des maladies cardiaques, aux tests d'effort et à l'observation pendant la chirurgie. Un ECG peut également détecter des changements dans les battements cardiaques, des arythmies, une crise cardiaque et de nombreuses autres expériences et maladies [1] également décrites dans l'énoncé du problème ci-dessus. Le signal cardiaque mesuré par un ECG produit trois formes d'onde distinctes qui représentent une alimentation en direct du cœur fonctionnel. Celles-ci sont illustrées dans l'image ci-dessus.

L'objectif de ce projet est de créer un appareil capable d'obtenir le signal ECG à partir d'un générateur de sortie ou d'un humain et de reproduire le signal tout en éliminant le bruit. La sortie du système calculera également le BPM.

Commençons!

Étape 1: Rassemblez tous les matériaux

Afin de créer cet ECG, nous allons créer un système composé de deux parties principales, le circuit et le système LabVIEW. Le but du circuit est de s'assurer que nous obtenons le signal que nous voulons. Il y a beaucoup de bruit ambiant qui peut noyer notre signal ECG, nous devons donc amplifier notre signal ainsi que filtrer tout bruit. Une fois le signal filtré et amplifié à travers le circuit, nous pouvons envoyer le signal affiné à un programme LabVIEW qui affichera la forme d'onde et calculera le BPM. Les matériaux suivants sont nécessaires pour ce projet:

-Résistance, condensateur et amplificateur opérationnel (amplificateurs opérationnels - UA741 ont été utilisés) composants électriques

-Breadboard sans soudure pour la construction et les tests

-Alimentation CC pour alimenter les amplis-op

-Générateur de fonction pour fournir un signal bioélectrique

-Oscilloscope pour visualiser le signal d'entrée

-Carte DAQ pour convertir le signal analogique en numérique

-Logiciel LabVIEW pour l'observation du signal de sortie

-Câbles BNC et câbles à extrémité variable

Étape 2: Conception du circuit

Comme nous venons de le dire, il est nécessaire à la fois de filtrer et d'amplifier notre signal. Pour ce faire, nous pouvons mettre en place 3 étapes différentes de notre circuit. Tout d'abord, nous devons amplifier notre signal. Cela peut être fait en utilisant un amplificateur d'instrumentation. De cette façon, notre signal d'entrée peut être mieux vu dans le produit final. Il faut alors avoir un filtre coupe-bande en série avec cet amplificateur d'instrumentation. Le filtre coupe-bande sera utilisé pour éliminer le bruit de notre source d'alimentation. Après cela, nous pouvons avoir un filtre passe-bas. Étant donné que les lectures ECG sont généralement de basse fréquence, nous voulons couper toutes les fréquences qui sont à une fréquence qui est en dehors de nos limites de lecture ECG, nous utilisons donc un filtre passe-bas. Ces étapes sont expliquées plus en détail dans les étapes suivantes.

Si vous rencontrez des problèmes avec votre circuit, il est préférable de simuler votre circuit dans un programme en ligne. De cette façon, vous pouvez vérifier si vos calculs pour les valeurs de résistance et de condensateur sont corrects.

Étape 3: Conception de l'amplificateur d'instrumentation

Pour observer le signal bioélectrique plus efficacement, le signal doit être amplifié. Pour ce projet, le gain à atteindre globalement est de 1000 V/V. Pour atteindre le gain spécifié de l'amplificateur d'instrumentation, les valeurs de résistance du circuit ont été calculées par les équations suivantes:

(Étape 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(Étape 2) K2 = -R4 / R3

Où chacun des étages est multiplié pour calculer le gain global. Les valeurs de résistance choisies afin de créer un gain de 1000 V/V sont R1 = 10 kOhms, R2 = 150 kOhms, R3 = 10 kOhms et R4 = 330 kOhms. Utilisez l'alimentation CC pour donner une plage de tension de +/- 15 V (en maintenant la limite de courant basse) pour alimenter les amplificateurs opérationnels du circuit physique. Si vous souhaitez vérifier les vraies valeurs des résistances, ou si vous souhaitez obtenir ce gain avant la construction, vous pouvez simuler le circuit à l'aide d'un programme comme PSpice ou CircuitLab en ligne, ou utiliser un oscilloscope avec une tension de signal d'entrée donnée et vérifier la vraie gain après la construction d'un amplificateur physique. Connectez le générateur de fonctions et l'oscilloscope à l'amplificateur pour faire fonctionner le circuit.

La photo ci-dessus montre à quoi ressemble le circuit dans le logiciel de simulation PSpice. Pour vérifier que votre circuit fonctionne correctement, fournissez une onde sinusoïdale crête à crête de 1 kHz 10 mV à partir du générateur de fonctions, à travers le circuit et à l'oscilloscope. Une onde sinusoïdale crête à crête de 10 V doit être observée sur l'oscilloscope.

Étape 4: Conception du filtre coupe-bande

Un problème spécifique lorsqu'il s'agit de ce circuit est le fait qu'un signal de bruit de 60 Hz est produit par les lignes d'alimentation aux États-Unis. Pour supprimer ce bruit, le signal d'entrée dans le circuit doit être filtré à 60 Hz, et quelle meilleure façon de le faire qu'avec un filtre coupe-bande !

Un filtre coupe-bande (le circuit décrit ci-dessus) est un certain type de filtre électrique qui peut être utilisé pour supprimer une fréquence spécifique d'un signal. Pour supprimer le signal 60 Hz, nous avons calculé les équations suivantes:

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Utilisation d'un facteur de qualité (Q) de 8 pour concevoir un filtre assez précis, une capacité (C) de 0,033 uFarads pour un assemblage plus facile et une fréquence centrale (w) de 2 * pi * 60 Hz. Cela a réussi à calculer les valeurs des résistances R1 = 5,024 kOhms, R2 = 1,2861 MOhms et R3 = 5,004 kOhms, et a réussi à créer un filtre pour supprimer une fréquence de 60 Hz du signal bioélectrique d'entrée. Si vous souhaitez vérifier le filtre, vous pouvez simuler le circuit à l'aide d'un programme tel que PSpice ou CircuitLab en ligne, ou utiliser un oscilloscope avec une tension de signal d'entrée donnée et vérifier le signal supprimé après avoir construit un amplificateur physique. Connectez le générateur de fonctions et l'oscilloscope à l'amplificateur pour faire fonctionner le circuit.

Effectuer un balayage CA avec ce circuit sur une plage de fréquences de 1 Hz à 1 kHz à un signal crête à crête de 1 V devrait produire une caractéristique de type « encoche » à 60 Hz dans le tracé de sortie, qui est supprimé de l'entrée signal.

Étape 5: Conception du filtre passe-bas

L'étage final du circuit est le filtre passe-bas, en particulier un filtre passe-bas Butterworth de second ordre. Ceci est utilisé pour isoler notre signal ECG. Les formes d'onde ECG se situent généralement dans les limites de fréquence de 0 à ~ 100 Hz. Ainsi, nous calculons nos valeurs de résistance et de condensateur en fonction de la fréquence de coupure de 100 Hz et d'un facteur de qualité de 8, ce qui nous donnerait un filtre relativement précis.

R1=2/(w[aC2+sqrt(a2+4b(K-1))

C2^2-4b*C1*C2) R2=1/(b*C1*C2*R1*w^2)

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

Les valeurs que nous avons calculées ont fini par être R1 = 81,723 kOhms, R2 = 120,92 kOHms, C1 = 0,1 microFarads et C2 = 0,045 microFarads. Alimentez les amplis-op avec une tension continue de + et - 15V. Si vous souhaitez vérifier le filtre, vous pouvez simuler le circuit à l'aide d'un programme tel que PSpice ou CircuitLab en ligne, ou utiliser un oscilloscope avec une tension de signal d'entrée donnée et vérifier le signal supprimé après avoir construit un amplificateur physique. Connectez le générateur de fonctions et l'oscilloscope à l'amplificateur pour faire fonctionner le circuit. A la fréquence de coupure, vous devriez voir une magnitude de -3 dB. Cela indique que votre circuit fonctionne correctement.

Étape 6: Configuration de LabVIEW

Maintenant que le circuit est créé, nous voulons pouvoir interpréter notre signal. Pour ce faire, nous pouvons utiliser LabVIEW. Un assistant DAQ peut être utilisé pour acquérir le signal du circuit. Après avoir ouvert LabVIEW, configurez le circuit comme indiqué dans le schéma ci-dessus. L'assistant DAQ prendra cette lecture d'entrée du circuit et le signal ira au graphique de forme d'onde. Cela vous permettra de voir la forme d'onde ECG !

Ensuite, nous voulons calculer le BPM. La configuration ci-dessus le fera pour vous. Le programme fonctionne en prenant d'abord les valeurs maximales du signal ECG entrant. La valeur seuil nous permet de détecter toutes les nouvelles valeurs qui arrivent et qui atteignent un pourcentage de notre valeur maximale (dans ce cas, 90 %). Les emplacements de ces valeurs sont ensuite envoyés au tableau d'indexation. Puisque l'indexation commence à 0, nous voulons prendre le 0e et le 1er point et calculer le changement de temps entre eux. Cela nous donne le temps entre les battements. Nous extrapolons ensuite ces données pour trouver le BPM. Plus précisément, cela se fait en multipliant la sortie de l'élément dt et la sortie de la soustraction entre les deux valeurs dans les tableaux d'indexation, puis en divisant par 60 (puisque nous convertissons en minutes).

Étape 7: connectez tout et testez-le

Connectez le circuit à l'entrée de la carte DAQ. Maintenant, le signal que vous entrez passera par le circuit jusqu'à la carte DAQ et le programme LabVIEW produira la forme d'onde et le BPM calculé.

Félicitations!