Source : Peiman Shahbeigi-Roodposhti et Sina Shahbazmohamadi, Département de génie biomédical, Université du Connecticut, Storrs, Connecticut

Un électrocardiographe est un graphique enregistré par les changements potentiels électriques se produisant entre les électrodes placées sur le torse d'un patient pour démontrer l'activité cardiaque. Un signal ECG suit le rythme cardiaque et de nombreuses maladies cardiaques, telles que le mauvais flux sanguin vers le cœur et les anomalies structurelles. Le potentiel d'action créé par les contractions de la paroi cardiaque propage les courants électriques du cœur dans tout le corps. Les courants électriques de propagation créent différents potentiels à des points dans le corps, qui peuvent être sentis par des électrodes placées sur la peau. Les électrodes sont des transducteurs biologiques faits de métaux et de sels. En pratique, 10 électrodes sont fixées à différents points sur le corps. Il existe une procédure standard pour l'acquisition et l'analyse des signaux ECG. Une vague ECG typique d'un individu en bonne santé est la suivante:

Figure 1. Vague ECG.

L'onde « P » correspond à une contraction auriculaire et au complexe « QRS » à la contraction des ventricules. Le complexe "QRS" est beaucoup plus grand que l'onde "P" en raison de la dfference relative dans la masse musculaire des oreillettes et des ventricules, qui masque la relaxation des oreillettes. La relaxation des ventricules peut être vu sous la forme de la vague "T".

Il y a trois pistes principales chargées de mesurer la différence de potentiel électrique entre les bras et les jambes, comme le montre la figure 2. Dans cette démonstration, l'une des pistes de membre, le plomb I, sera examinée, et la différence de potentiel électrique entre deux bras sera enregistrée. Comme dans toutes les mesures de plomb ECG, l'électrode reliée à la jambe droite est considérée comme le nœud du sol. Un signal ECG sera acquis à l'aide d'un amplificateur biopotentiel, puis affiché à l'aide d'un logiciel d'instrumentation, où un contrôle de gain sera créé pour ajuster son amplitude. Enfin, l'ECG enregistré sera analysé.

Figure 2. Le membre d'ECG mène.

L'électrocardiographe doit être capable de détecter non seulement des signaux extrêmement faibles allant de 0,5 mV à 5,0 mV, mais aussi un composant DC allant jusqu'à 300 mV (résultant du contact électrode-peau) et un composant en mode commun allant jusqu'à 1,5 V, qui résulte du potentiel entre les électrodes et le sol. La bande passante utile d'un signal ECG dépend de l'application et peut varier de 0,5-100 Hz, atteignant parfois jusqu'à 1 kHz. Il est généralement d'environ 1 mV de pointe à pic en présence de bruit externe à haute fréquence beaucoup plus grand, 50 ou 60 Hz interférence, et d'électrode DC potentiel de compensation. D'autres sources de bruit incluent le mouvement qui affecte l'interface peau-électrode, les contractions musculaires ou les pointes électromyographiques, la respiration (qui peut être rythmique ou sporadique), les interférences électromagnétiques (EMI) et le bruit d'autres appareils électroniques ce couple dans l'entrée.

Tout d'abord, un amplificateur biopotentiel sera produit pour traiter l'ECG. Ensuite, des électrodes seront placées sur le patient pour mesurer la différence potentielle entre deux bras. La fonction principale d'un amplificateur biopotentiel est de prendre un signal électrique faible d'origine biologique et d'augmenter son amplitude afin qu'il puisse être traité, enregistré ou affiché.

Figure 3. Amplificateur ECG.

Pour être utiles biologiquement, tous les amplificateurs biopotentiels doivent répondre à certaines exigences de base :

• Ils doivent avoir une forte impédance d'entrée de sorte qu'ils fournissent une charge minimale du signal mesuré. Les électrodes biopotentielles peuvent être affectées par leur charge, ce qui entraîne une distorsion du signal.
• Le circuit d'entrée d'un amplificateur biopotentiel doit également assurer une protection au sujet étudié. L'amplificateur doit avoir des circuits d'isolement et de protection de sorte que le courant à travers le circuit d'électrode peut être maintenu à des niveaux sûrs.
• Le circuit de sortie conduit la charge, qui est généralement un dispositif d'indication ou d'enregistrement. Pour obtenir une fidélité et une portée maximales dans la lecture, l'amplificateur doit avoir une faible propédance de sortie et être capable de fournir la puissance requise par la charge.
• Les amplificateurs biopotentiels doivent fonctionner dans le spectre de fréquences dans lequel les biopotentiels qu'ils amplifient existent. En raison du faible niveau de ces signaux, il est important de limiter la bande passante de l'amplificateur pour obtenir des rapports signaux/bruit optimaux. Cela peut être fait à l'aide de filtres.

La figure 3 est un exemple d'amplificateur ECG, et la figure 4 est le circuit de l'amplificateur ECG qui est construit lors de cette démonstration. Il comporte trois étapes principales : le circuit de protection, l'amplificateur d'instrumentation et le filtre à col élevé.

Figure 4. Amplificateur biopotentiel.

La première étape est les circuits de protection des patients. Une diode est un dispositif semi-conducteur qui conduit le courant dans une direction. Lorsqu'une diode est orientée vers l'avant, la diode agit comme un court-circuit et conduit l'électricité. Lorsqu'une diode est inversée, elle agit comme un circuit ouvert et ne conduit pas d'électricité, je_r 0.

Lorsque les diodes sont dans la configuration orientée vers l'avant, il y a une tension connue sous le nom de tension de seuil (VT - environ 0,7 V) qui doit être dépassée pour que la diode puisse conduire le courant. Une fois que le VT a été dépassé, la chute de tension à travers la diode restera constante à VT indépendamment de ce que V_est.

Lorsque la diode est inversée, la diode agira comme sur le circuit ouvert et la chute de tension à travers la diode sera égale à V_en.

La figure 5 est un exemple d'un circuit de protection simple basé sur des diodes qui seront utilisées dans cette démonstration. La résistance est utilisée pour limiter le courant qui circule à travers le patient. Si une défaillance dans l'amplificateur d'instrumentation ou les diodes court-circuite la connexion du patient avec l'un des rails électriques, le courant serait inférieur à 0,11 mA. Les diodes à faible fuite FDH333 sont utilisées pour protéger les entrées de l'amplificateur d'instrumentation. Chaque fois que la tension dans le circuit dépasse 0,8 V de magnitude, les diodes changent pour leur région active ou état " ON "; le courant circule à travers eux et protège à la fois le patient et les composants électroniques.

Figure 5. Circuit de protection.

La deuxième étape est l'amplificateur d'instrumentation, IA, qui utilise trois amplificateurs opérationnels (op-ampli). Il y a un op-amp attaché à chaque entrée pour augmenter la résistance d'entrée. Le troisième op-amplis est un amplificateur différentiel. Cette configuration a la capacité de rejeter les interférences référées au sol et ne fait qu'amplifier la différence entre les signaux d'entrée.

Figure 6. Amplificateur d'instrumentation.

La troisième étape est le filtre à passage élevé, qui est utilisé pour amplifier une petite tension AC qui monte sur le dessus d'une grande tension DC. L'ECG est affecté par des signaux de basse fréquence qui proviennent du mouvement du patient et de la respiration. Un filtre à col élevé réduit ce bruit.

Des filtres de passage élevé peuvent être réalisés avec des circuits RC de premier ordre. La figure 7 montre un exemple de filtre de premier ordre et sa fonction de transfert. La fréquence de coupure est donnée par la formule suivante :

,
  

Figure 7. Filtre de passage élevé.

1. Acquisition d'un signal ECG

1. Ajustez la tension des sources à 5 V et -5 V et connectez-les en série.
2. Construire le circuit indiqué dans la figure 4. Calculez les valeurs des résistances et des condensateurs. Pour le filtre à passage élevé, la fréquence de coupure doit être de 0,5 Hz. La valeur du condensateur doit être choisie à partir du tableau ci-dessous (selon la disponibilité).

3. Placez les électrodes sur le bras droit, le bras gauche et la jambe droite (c'est la référence) du patient, et connectez-les au circuit.
4. Utilisez l'oscilloscope pour afficher le signal ECG (V_o). Appuyez sur L'ensemble automatique et ajustez les échelles horizontales et verticales au besoin. Vous devriez être en mesure de voir les pics R malgré le bruit dans le signal.

2. Affichage du signal ECG à l'aide d'un logiciel d'instrumentation

1. Dans cette démonstration, nous avons utilisé LabVIEW. Écrivez un programme qui affiche le signal ECG à l'aide d'une interface graphique pour configurer des mesures et un graphique de forme d'onde. Une fois qu'une entrée analogique a été sélectionnée, configurez le programme avec les paramètres suivants :

• Gamme d'entrée de signal 'gt; Max '0.5; Min -0,5
• Configuration du terminal
• Mode d'acquisition en continu
• Échantillons à lire en 2000
• Taux d'échantillonnage 1000

2. Acquérez le signal ECG et observez la forme d'onde. Vous verrez un signal similaire à la figure 1.
3. Ajuster l'échelle de l'axe X pour afficher le temps en quelques secondes.
4. Il est souvent nécessaire dans l'instrumentation d'amplifier le signal d'intérêt à une amplitude spécifique. Créez un contrôle de gain et configurez-le de sorte que l'amplitude de l'ECG soit 2 Vp.

3. Analyse du signal ECG

Dans cette section, un signal ECG sera filtré et analysé pour déterminer la fréquence cardiaque. Le diagramme de bloc suivant montre les composants du programme.

1. Utilisez un graphique de forme d'onde pour afficher le signal.
2. Évaluer le spectre du signal à l'aide du sous-vi d'Amplitude et du spectre de phase (dans le traitement du signal et spectral) et afficher son ampleur à l'aide d'un graphique de forme d'onde. L'axe horizontal correspond à la fréquence. Il est discret parce que l'ordinateur utilise un algorithme Fast Fourier Transform (FFT) pour calculer le spectre du signal. La fréquence va de k 0 à k (N-1)/2, où N est la longueur de la séquence, dans ce cas 4000. Pour calculer la fréquence analogique correspondante, utilisez la formule suivante :
   
   où fs est la fréquence d'échantillonnage. Notez que la majeure partie de l'énergie du signal est dans la gamme de basse fréquence et aussi qu'il ya un pic de haute intensité dans la gamme de fréquence moyenne. Calculez la fréquence de ce pic à l'aide de la formule ci-dessus.
3. Implémenter un filtre à faible passage à l'aide des fonctions Butterworth of Chebyshev. Choisissez une fréquence de coupure égale à 100 Hz. Assurez-vous que le filtre fournit une atténuation d'au moins -60 dB/décennie dans le bandeau.
4. Connectez le signal de sortie de la lecture de la feuille de calcul subvi à l'entrée du filtre à faible passage.
5. Implémenter un filtre à bande stop à l'aide des fonctions Butterworth ou Chebyshev. L'objectif est de réduire les 60 Hz interférence sans modifier les autres fréquences. Essayez les fréquences limites proches de 60 Hz.
6. Connectez la sortie du filtre lowpass à l'entrée du filtre à bande d'arrêt.
7. Trouver les pics à l'aide du détecteur de pic subvi (il est situé dans le traitement du signal - Opération Sig). Pour le seuil, regardez l'amplitude du signal et choisissez la valeur la plus appropriée.
8. Extraire l'emplacement des pics à l'aide du sous-vi de tableau d'index (dans Programmation et tableau).
9. Soustrayez la position inférieure de la position supérieure, puis, multipliez par la période d'échantillonnage T 1/fs pour obtenir l'intervalle RR.
10. Calculez les unités réciproques et ajustez et placez un indicateur pour afficher le BPM.

Dans cette démonstration, trois électrodes ont été reliées à un individu, et la sortie est passée par un amplificateur biopotentiel. Un exemple de graphique ECG avant le filtrage numérique est affiché ci-dessous (Figure 8).

Figure 8. Signal ECG sans filtrage numérique.

Après avoir conçu les filtres et transmis les données à l'algorithme développé, les pics du graphique ont été détectés et utilisés pour calculer la fréquence des battements cardiaques (BPM). Figure 9 affiche les données brutes d'un signal ECG (avant tout filtrage) dans le domaine du temps et de la fréquence. La figure 10 montre le résultat du filtrage de ce signal.

Figure 9. Signal ECG avant le filtrage.

Figure 10. Signal ECG filtré.

L'intrigue originale d'ECG avait des complexes P, QRS et T légèrement visibles qui présentaient de nombreuses fluctuations du bruit. Le spectre du signal ECG a également montré un pic clair à 65 Hz, qui a été supposé être le bruit. Lorsque le signal a été traité à l'aide d'un filtre à faible passage pour supprimer les parties à haute fréquence extra-terrestres, puis un filtre à bande-arrêt pour supprimer le composant de signal 65 Hz, la sortie est apparue nettement plus propre. L'ECG montre clairement chaque composant du signal avec tout le bruit enlevé.

En outre, la fréquence cardiaque mesurée était d'environ 61.8609 battements par minute.

La contraction du muscle cardiaque pendant le cycle cardiaque produit des courants électriques dans le thorax. Les gouttes de tension à travers le tissu résitol sont détectées par des électrodes placées sur la peau et enregistrées par un électrocardiographe. Étant donné que la tension est faible, dans la gamme de 0,5 mV, et faible par rapport à l'ampleur du bruit, le traitement et le filtrage du signal est nécessaire. Dans cette expérience, un dispositif électrocardiographe composé d'un circuit de traitement du signal analogique et numérique en deux parties a été conçu pour analyser le signal ECG résultant et calculer le rythme cardiaque.

Cette démonstration a introduit les principes fondamentaux des circuits électroniques et du filtrage des signaux ECG. Ici, des techniques pratiques de traitement du signal ont été utilisées pour extraire un signal faible d'un fond bruyant. Ces techniques peuvent être utilisées dans d'autres applications similaires où l'amplification du signal et la réduction du bruit sont nécessaires.

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