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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.
1. Acquisition d'un signal ECG
| Valeurs du condensateur disponibles (F ) | ||
| 0.001 | 1 | 100 |
| 0.022 | 2.2 | 220 |
| 0.047 | 4.7 | 470 |
| 0.01 | 10 | 1000 |
| 0.1 | 47 | 2200 |
2. Affichage du signal ECG à l'aide d'un logiciel d'instrumentation
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.
Les électrocardiographes enregistrent l'activité cardiaque du cœur et sont utilisés pour diagnostiquer la maladie, détecter les anomalies et en apprendre davantage sur la fonction cardiaque globale. Les signaux électriques sont produits par des contractions dans les parois cardiaques qui conduisent les courants électriques et créent différents potentiels dans tout le corps. En plaçant des électrodes sur la peau, on peut détecter et enregistrer cette activité électrique dans un ECG. Les ECG ne sont pas invasifs, ce qui en fait un outil utile pour évaluer la performance d'un cœur de patients, par exemple en mesurant la façon dont le sang s'écoule vers l'organe.
Cette vidéo illustrera les principes des ECG et démontrera comment acquérir, traiter et analyser un signal ECG typique à l'aide d'un amplificateur biopotentiel. D'autres applications biomédicales qui utilisent le traitement du signal électrique pour diagnostiquer la maladie seront également discutées.
Pour comprendre les principes d'un ECG, comprenons d'abord comment le cœur produit des signaux électriques. Pour un cœur normal et sain, au repos, un ECG affiche une série d'ondes qui reflètent les différentes phases d'un battement de cœur. L'ECG commence dans le nœud sinoatrial, également connu sous le nom de nœud SA, qui est situé dans l'atrium droit et agit comme un stimulateur cardiaque dans le cœur. Les signaux électriques provoquent une contraction auriculaire forçant le sang dans les ventricules. Cette séquence est enregistrée sous le nom d'onde P sur l'ECG. Ce signal passe ensuite des oreillettes à travers les ventricules, les faisant se contracter et pomper le sang vers le reste du corps. Ceci est enregistré comme le complexe QRS.
Enfin, les ventricules se détendre et cela est enregistré comme la vague T. Le processus recommence alors et se répète pour chaque battement de cœur. Notez que l'onde QRS est beaucoup plus grande que l'onde P, c'est parce que les ventricules sont plus grands que les oreillettes. Ce qui signifie qu'ils masquent la relaxation de l'atria ou de la vague T. D'autres processus dans le corps, comme la respiration ou les contractions musculaires, peuvent interférer avec la mesure ECG. Tout comme les courants des circuits utilisés pour les obtenir. Souvent, les signaux électriques que l'ECG tente d'enregistrer sont assez faibles. Par conséquent, un amplificateur biopotentiel est utilisé pour augmenter leur amplitude qui leur permet d'être traités et enregistrés.
Il y a trois composants principaux à l'amplificateur de biopotentiel, à l'étape de protection patient, à l'amplificateur d'instrumentation, et au filtre de passage élevé. Comme le suggère le principal, le circuit de protection des patients utilise une combinaison de résistances et de diodes pour protéger, à la fois, le patient et la machine et l'équipement. Les résistances limitent le courant qui traverse le patient, où comme les diodes garder le courant qui coule dans la bonne direction.
L'étape suivante est l'amplificateur d'instrumentation, qui amplifie la différence entre les entrées de chaque électrode. Il est composé de trois amplificateurs opérationnels. Deux pour augmenter la résistance de chaque entrée, et le troisième pour amplifier la différence entre les signaux d'entrée.
La dernière étape est le filtre à passage élevé, qui réduit le bruit et filtre les signaux de basse fréquence résultant du mouvement du patient ou de la respiration. Maintenant que vous savez comment un ECG est mesuré, nous allons voir comment construire un amplificateur biopotentiel et traiter les données pour obtenir un signal ECG propre.
Après avoir examiné les principaux principes de l'électrocardiographie, nous allons voir comment construire un amplificateur biopotentiel et d'acquérir un signal ECG. Pour commencer, d'abord recueillir un proto-board, un amplificateur d'instrumentation AD-620, et tous les composants de circuit nécessaires. Ensuite, calculez les valeurs de tous les résistants et condensateurs du circuit à l'aide de l'équation suivante.
Pour le filtre à passage élevé, la fréquence de coupure doit être de 0,5 hertz.
Ensuite, branchez la valeur du condensateur pour déterminer la résistance. Ensuite, construire un amplificateur biopotentiel selon le diagramme fourni. Voici à quoi devrait ressembler le circuit final. Fixez trois fils avec des pinces d'alligator aux poteaux de liaison d'une alimentation DC, puis allumez la source d'alimentation. Ajustez la tension à plus de cinq volts et moins cinq volts, et connectez les fils, en série, au circuit.
Maintenant, utilisez un tampon de préparation à l'alcool pour essuyer le poignet droit, le poignet gauche et la cheville droite. Ajouter le gel adhésif conducteur aux électrodes avant de les placer sur le patient. Ensuite, connectez les électrodes au circuit à l'aide de fils avec des clips d'alligator. Allumez l'oscilloscope et acquérez le signal ECG. Ajustez les échelles horizontales et verticales au besoin. Avec ces ajustements, vous devriez être en mesure de voir le pic R de la forme d'onde.
Connectez le circuit au châssis PXI, puis ouvrez le logiciel d'instrumentation et, soit, utilisez ou écrivez un programme qui affichera le signal ECG et un graphique de forme d'onde.
Configurer l'interface d'acquisition de données avec les paramètres suivants. Étiquetez l'échelle de l'axe X pour afficher le temps et les secondes, puis affichez le signal ECG sous forme d'onde. Si le signal doit être amplifié, créez un contrôle de gain et configurez-le de sorte que l'amplitude de l'ECG soit deux VP.
Maintenant que nous avons démontré comment acquérir un signal ECG, nous allons voir comment analyser les résultats. Voici un signal ECG représentatif. Les ondes P, QRS et T sont à peine perceptibles parce qu'elles sont obscurcies par le bruit et les fluctuations. Ce signal doit être filtré. Pour transformer ce signal, sélectionnez d'abord Le traitement du signal puis Spectral sur le menu. Un algorithme Fast Fourier Transform calcule et trace le spectre du signal affichant la fréquence sous forme de valeurs discrètes sur l'axe horizontal. La majeure partie de l'énergie dans le signal est à basses fréquences.
Mais, il ya un pic de haute intensité dans la gamme de fréquence moyenne, qui est supposé être le bruit. La fréquence est tracée comme k sur l'axe horizontal et passe de zéro à N moins un sur deux, où N est la longueur de la séquence. Pour cette expérience, N équivaut à 2 000. Calculez la fréquence analogique pour chaque valeur k à l'aide de l'équation suivante, où f s est la fréquence d'échantillonnage et déterminez la fréquence du pic de haute intensité en fonction du graphique FFT.
Ensuite, créez un filtre à faible passage avec une fréquence de coupure de 100 hertz. Utilisez, soit, la fonction Butterworth ou Chebyshev pour filtrer le signal, ce qui devrait atténuer au moins 60 décibels par décennie dans la bande d'arrêt. Connectez le signal de sortie du sous VI des données à l'entrée du filtre passe-bas. Ce filtre élimine les ondes extra-vives de l'ECG. Maintenant, créez un filtre Bandstop et fixez les fréquences de coupure à environ 55 et 70 hertz.
Pour enlever le signal bruyant, environ 60 hertz. Ensuite, connectez la sortie du filtre passe-bas à l'entrée du filtre Bandstop. Essayez les fréquences frontalières qui sont proches de 60 hertz. Cela réduira les interférences sans affecter d'autres fréquences. Le signal ECG doit maintenant être clair avec des complexes P, QRS et T distincts.
Maintenant, nous allons déterminer la fréquence cardiaque en utilisant le signal ECG filtré. Tout d'abord, utilisez le détecteur de pointe sous VI pour trouver les pics du signal. Choisissez la valeur la plus appropriée en fonction de l'amplitude des signaux de l'onde R pour le seuil. Ensuite, utilisez le sous VI index Array pour déterminer l'emplacement des pics.
Soustrayez la position de pointe inférieure de la position supérieure, puis multipliez cette valeur par la période d'échantillonnage, T, qui est égale à une sur f s. Cette valeur est la durée entre deux ondes R. Ajustez les unités pour déterminer les battements par minute.
Dans cette démonstration, la fréquence cardiaque mesurée était d'environ 60 battements par minute.
ECG et le traitement du signal ont des applications importantes dans, à la fois, la médecine et la recherche. En plus d'être non-invasifs, les ECG sont relativement peu coûteux. En faire un outil utile et accessible dans les hôpitaux. Les ECG peuvent même être adaptés à un suivi plus complexe et à long terme des patients traités pour le syndrome coronarien aigu.
Pour cela, 12 fils d'ECG sont utilisés, qui peuvent identifier l'ischémie myocardique transitoire dans les patients asymptomatiques. L'échantillonnage et le traitement des signaux sont également utilisés dans l'électroencéphalographie pour mesurer les signaux électriques du cerveau. Les EEG sont couramment utilisés en conjonction avec l'IRM fonctionnelle comme technique d'imagerie multimodale.
La méthode génère non invasivement des cartes corticales de l'activité cérébrale pour de nombreuses applications de neuroimagerie, comme après l'activation visuelle ou motrice.
Vous venez de regarder l'introduction de Jove à l'acquisition et l'analyse des signaux ECG. Vous devez maintenant comprendre comment un signal ECG est produit et comment créer un amplificateur biopotentiel pour détecter les signaux électriques faibles. Vous avez également vu quelques applications biomédicales du traitement du signal pour le diagnostic médical.
Merci d'avoir regardé.
Les électrocardiographes enregistrent l’activité cardiaque du cœur et sont utilisés pour diagnostiquer les maladies, détecter les anomalies et en savoir plus sur la fonction cardiaque globale. Les signaux électriques sont produits par des contractions des parois cardiaques qui entraînent des courants électriques et créent différents potentiels dans tout le corps. En plaçant des électrodes sur la peau, on peut détecter et enregistrer cette activité électrique dans un ECG. Les ECG sont non invasifs, ce qui en fait un outil utile pour évaluer les performances cardiaques d’un patient, par exemple en mesurant la qualité de la circulation du sang vers l’organe.
Cette vidéo illustre les principes des ECG et montre comment acquérir, traiter et analyser un signal ECG typique à l’aide d’un amplificateur de biopotentiel. D’autres applications biomédicales qui utilisent le traitement du signal électrique pour diagnostiquer les maladies seront également abordées.
Pour comprendre les principes d’un ECG, comprenons d’abord comment le cœur produit des signaux électriques. Pour un cœur normal et en bonne santé, au repos, un ECG affiche une série d’ondes qui reflètent les différentes phases d’un battement cardiaque. L’ECG commence dans le ganglion sino-auriculaire, également connu sous le nom de ganglion SA, qui est situé dans l’oreillette droite et agit comme un stimulateur cardiaque dans le cœur. Les signaux électriques provoquent une contraction auriculaire, forçant le sang dans les ventricules. Cette séquence est enregistrée sous la forme de l’onde P sur l’ECG. Ce signal passe ensuite des oreillettes aux ventricules, les faisant se contracter et pomper le sang vers le reste du corps. C’est ce qu’on appelle le complexe QRS.
Enfin, les ventricules se détendent et cela est enregistré comme l’onde T. Le processus recommence ensuite et est répété pour chaque battement de cœur. Notez que l’onde QRS est beaucoup plus grande que l’onde P, c’est parce que les ventricules sont plus grands que les oreillettes. Cela signifie qu’ils masquent la relaxation des oreillettes ou de l’onde T. D’autres processus dans le corps, comme la respiration ou les contractions musculaires, peuvent interférer avec la mesure de l’ECG. Tout comme les courants des circuits utilisés pour les obtenir. Souvent, les signaux électriques que l’ECG tente d’enregistrer sont assez faibles. Ainsi, un amplificateur de biopotentiel est utilisé pour augmenter leur amplitude, ce qui permet de les traiter et d’les enregistrer ultérieurement.
L’amplificateur de biopotentiel comporte trois composants principaux, l’étage de protection du patient, l’amplificateur d’instrumentation et le filtre passe-haut. Comme le suggère principalement, le circuit de protection du patient utilise une combinaison de résistances et de diodes pour protéger, à la fois, le patient et la machine et l’équipement. Les résistances limitent le courant qui traverse le patient, tandis que les diodes maintiennent le courant dans la bonne direction.
L’étape suivante est l’amplificateur d’instrumentation, qui amplifie la différence entre les entrées de chaque électrode. Il est composé de trois amplificateurs opérationnels. Deux pour augmenter la résistance de chaque entrée, et le troisième pour amplifier la différence entre les signaux d’entrée.
La dernière étape est le filtre passe-haut, qui réduit le bruit et filtre les signaux de basse fréquence provenant du mouvement ou de la respiration du patient. Maintenant que vous savez comment un ECG est mesuré, voyons comment construire un amplificateur de biopotentiel et traiter les données pour obtenir un signal ECG propre.
Après avoir passé en revue les principaux principes de l’électrocardiographie, voyons comment construire un amplificateur de biopotentiel et acquérir un signal ECG. Pour commencer, rassemblez d’abord une proto-carte, un amplificateur d’instrumentation AD-620 et tous les composants de circuit nécessaires. Ensuite, calculez les valeurs de toutes les résistances et condensateurs du circuit à l’aide de l’équation suivante.
Pour le filtre passe-haut, la fréquence de coupure doit être de 0,5 hertz.
Ensuite, branchez la valeur du condensateur pour déterminer la résistance. Ensuite, construisez un amplificateur de biopotentiel selon le schéma fourni. Voici à quoi devrait ressembler le circuit final. Fixez trois fils avec des pinces crocodiles aux bornes de liaison d’une alimentation CC, puis allumez la source d’alimentation. Ajustez la tension à plus cinq volts et moins cinq volts, et connectez les fils, en série, au circuit.
Maintenant, utilisez un tampon de préparation à l’alcool pour essuyer le poignet droit, le poignet gauche et la cheville droite du patient. Ajoutez du gel adhésif conducteur aux électrodes avant de les placer sur le patient. Ensuite, connectez les électrodes au circuit à l’aide de fils avec des pinces crocodiles. Allumez l’oscilloscope et acquérez le signal ECG. Ajustez les échelles horizontales et verticales selon vos besoins. Avec ces ajustements, vous devriez être en mesure de voir le pic R de la forme d’onde.
Connectez le circuit au châssis PXI, puis ouvrez le logiciel d’instrumentation et, utilisez ou écrivez un programme qui affichera le signal ECG et un graphique de forme d’onde.
Configurez l’interface d’acquisition de données avec les paramètres suivants. Étiquetez l’échelle de l’axe des x pour afficher le temps et les secondes, puis affichez le signal ECG sous forme d’onde. Si le signal doit être amplifié, créez une commande de gain et réglez-la de manière à ce que l’amplitude de l’ECG soit de deux VP.
Maintenant que nous avons montré comment acquérir un signal ECG, voyons comment analyser les résultats. Voici un signal ECG représentatif. Les ondes P, QRS et T sont à peine discernables car elles sont obscurcies par le bruit et les fluctuations. Ce signal doit être filtré. Pour transformer ce signal, sélectionnez d’abord Traitement du signal puis Spectral dans le menu. Un algorithme de transformée de Fourier rapide calcule et trace le spectre du signal en affichant la fréquence sous forme de valeurs discrètes sur l’axe horizontal. La majeure partie de l’énergie du signal se trouve dans les basses fréquences.
Mais, il y a un pic de haute intensité dans la gamme de fréquences moyennes, qui est supposé être du bruit. La fréquence est représentée par k sur l’axe horizontal et va de zéro à N moins un sur deux, où N est la longueur de la séquence. Pour cette expérience, N est égal à 2 000. Calculez la fréquence analogique pour chaque valeur k à l’aide de l’équation suivante, où f s est la fréquence d’échantillonnage et déterminez la fréquence du pic de haute intensité sur la base du graphique FFT.
Ensuite, créez un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure de 100 hertz. Utilisez la fonction de Butterworth ou de Tchebychev pour filtrer le signal, ce qui devrait atténuer d’au moins 60 décibels par décennie dans la bande d’arrêt. Connectez le signal de sortie du sub VI de données à l’entrée du filtre passe-bas. Ce filtre élimine les ondes hautes fréquences étrangères de l’ECG. Maintenant, créez un filtre d’arrêt de bande et réglez les fréquences de coupure à environ 55 et 70 hertz.
Pour supprimer le signal bruyant, environ 60 hertz. Ensuite, connectez la sortie du filtre passe-bas à l’entrée du filtre Bandstop. Essayez des fréquences de bordure proches de 60 hertz. Cela réduira les interférences sans affecter les autres fréquences. Le signal ECG devrait maintenant être clair avec des complexes P, QRS et T distincts.
Maintenant, déterminons la fréquence cardiaque à l’aide du signal ECG filtré. Tout d’abord, utilisez le détecteur de crête sub VI pour trouver les crêtes du signal. Choisissez la valeur la plus appropriée en fonction de l’amplitude des signaux de l’onde R pour le seuil. Ensuite, utilisez le sous-VI Index Array pour déterminer l’emplacement des pics.
Soustrayez la position du pic inférieur de la position supérieure, puis multipliez cette valeur par la période d’échantillonnage, T, qui est égale à un sur f s. Cette valeur est la durée entre deux ondes R. Ajustez les unités pour déterminer les battements par minute.
Dans cette démonstration, la fréquence cardiaque mesurée était d’environ 60 battements par minute.
L’ECG et le traitement du signal ont des applications importantes, tant en médecine qu’en recherche. En plus d’être non invasifs, les ECG sont relativement peu coûteux. Ce qui en fait un outil utile et accessible dans les hôpitaux. Les ECG peuvent même être adaptés à un suivi plus complexe et à long terme des patients traités pour un syndrome coronarien aigu.
Pour cela, 12 dérivations ECG sont utilisées, qui peuvent identifier l’ischémie myocardique transitoire chez les patients asymptomatiques. L’échantillonnage et le traitement des signaux sont également utilisés en électroencéphalographie pour mesurer les signaux électriques du cerveau. Les EEG sont couramment utilisés en conjonction avec l’IRM fonctionnelle en tant que technique d’imagerie multimodale.
La méthode génère de manière non invasive des cartes corticales de l’activité cérébrale pour de nombreuses applications de neuroimagerie, telles qu’après une activation visuelle ou motrice.
Vous venez de regarder l’introduction de Jupiter à l’acquisition et à l’analyse des signaux ECG. Vous devriez maintenant comprendre comment un signal ECG est produit et comment créer un amplificateur de biopotentiel pour détecter les signaux électriques faibles. Vous avez également vu certaines applications biomédicales du traitement du signal pour le diagnostic médical.
Merci d’avoir regardé.
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