Overview
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.
Principles
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, jer 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 Vest.
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 Ven.
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.
Procedure
1. Acquisition d'un signal ECG
- Ajustez la tension des sources à 5 V et -5 V et connectez-les en série.
- 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).
| 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 |
- 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.
- Utilisez l'oscilloscope pour afficher le signal ECG (Vo). 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
- 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
- Acquérez le signal ECG et observez la forme d'onde. Vous verrez un signal similaire à la figure 1.
- Ajuster l'échelle de l'axe X pour afficher le temps en quelques secondes.
- 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.
- Utilisez un graphique de forme d'onde pour afficher le signal.
- 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. - 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.
- Connectez le signal de sortie de la lecture de la feuille de calcul subvi à l'entrée du filtre à faible passage.
- 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.
- Connectez la sortie du filtre lowpass à l'entrée du filtre à bande d'arrêt.
- 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.
- Extraire l'emplacement des pics à l'aide du sous-vi de tableau d'index (dans Programmation et tableau).
- Soustrayez la position inférieure de la position supérieure, puis, multipliez par la période d'échantillonnage T 1/fs pour obtenir l'intervalle RR.
- Calculez les unités réciproques et ajustez et placez un indicateur pour afficher le BPM.
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.
Results
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.
Applications and Summary
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.
Liste des matériaux
| Nom | Société | Numéro de catalogue | Commentaires |
| Équipement | |||
| Alimentation | Précision de B et K | en 1760A | |
| Multimètre | |||
| Oscilloscope | |||
| Proto-board (Proto-board) | |||
| 4 diodes FDH333 | |||
| 1 AD620 | |||
| 3 47krésistance | |||
| 2 condensateurs 100nF | |||
| 3 électrodes ECG | |||
| Plusieurs clips d'alligator et sonde Tektronix. |
