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Electrocardiographe
Objectifs et principes
L’ECG
La figure ci-dessous extraite de [1] donne une idée de la difficulté à extraire le signal électrique cardiaque. Il faut y ajouter les effets toutes les sources de perturbations électromagnétique que le corps peut capter.
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L’amplificateur d’instrumentation
Voir [2].
Réalisations
Montage no1 : signalisation sonore des battements
Le premier montage est uniquement analogique. Il a pour objectif de détecter les battements et de les signaler par un « bip ». L’élément clef est l’amplificateur de mesure (instrumentation amplifier en anglais) AD620 d’Analog Devices ; d’ailleurs, le montage reprend le schéma proposé dans la datasheet de ce composant [3]. Ce schéma est reproduit sur la figure ci-après.
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Le montage comporte 3 éléments :
- Un amplificateur d’instrumentation qui mesure le signal électrique cardiaque ;
- Un ampli-op qui génère la référence de tension des électrodes de mesure ;
- Un ampli-op intégrateur chargé de maintenir la tension de sortie autour de zéro (sans cet élément, le niveau mesure « flotte » sur un signal variable)
- Un ampli-op amplificateur inverseur chargé d’amplifier le signal issu de l’amplificateur d’instrumentation ;
- Un filtre « notch » chargé d’éliminer le signal à 50Hz qui parasite le signal utile (filtre actif à ampli-op) ;
- Un comparateur chargé de détecter les pics correspondant aux battements ;
- Un monostable chargé de maintenir le signal de détection pendant une durée suffisante pour que le « bip » soit audible ;
- Un NE555 chargé de générer le « bip ».
Ces différents éléments sont décrits en détail dans les sections qui suivent. Le schéma complet est donné au paragraphe (c).
Mesure et filtrage
Les sondes de mesure sont constituées de papier aluminium ménager collé sur du ruban adhésif plastifié épais. On peut cependant trouver divers type d’électrodes sur eBay (voir Figure 4).
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La référence de tension des électrodes est générée par le premier ampli-op (un ADJ705 sur le schéma originel d’Analog Devices, un TL074 dans notre montage).
Sur le montage d’AD, l’entrée VREF de l’AD620 est mise à la masse ; si on fait cela, on observe de larges ondulations du signal mesuré par l’ampli-op. Pour supprimer cette ondulation, on intègre le signal de sortie de l’AD620 et c’est alors cette tension qui sert de référence. L’effet de ce dispositif est bien visible sur la Figure 5 qui montre les courbes avant et après régulation<ref name="ftn1"> L’idée de cette régulation est empruntée à [4].
</ref>. On notera que le signal est très bruité.
A titre de comparaison, le signal (une fois inversé !) devrait avoir la forme donnée Figure 6 ; on voit qu’on en est loin…
Le signal en sortie de l’amplificateur de mesure est tout d’abord filtré par un filtre passe-haut constitué de la capacité C1 et de la résistance R1. L’éventuelle composante à 50Hz est éliminée par un filtre du deuxième ordre de topologie Sallen-Key. La valeur des composants a été calculée à l’aide de l’outil Filter Pro de Texas Instruments.
La Figure 7 et la Figure 8 donnent respectivement le schéma du filtre et sa courbe de réponse.
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La Figure 10 montre le résultat de la simulation du filtre avec LTSpice.
Le premier modèle utilise la capacité offerte par LTSpice IV pour réaliser des simulations paramétriques : la fréquence du signal d’entrée du filtre est donnée par le paramètre « FREQ » (entre accolades). Les valeurs effectives du paramètre « FREQ » sont définies par la clause « STEP ».
Le résultat est montré sur la Figure 10 : on constate bien l’atténuation du signal à 50Hz.
Les fichiers LTSpice IV sont inclus ci-après :
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Détection de pic et génération du signal sonore
Une fois le signal filtré, il est amplifié avant d’être comparé au seuil de déclenchement au moyen d’un ampli-op (il n’est pas utile d’utiliser un comparateur à hysterésis car la sortie est maintenue par un monostable). La détection du pic est réalisée par un simple comparateur à ampli-op<ref name="ftn2"> Comme il y a un monostable en sortie du comparateur, il n’est pas utile d’utiliser un comparateur à hystérisis.
</ref>. La sortie du comparateur arrive en entrée d’un monostable qui génère une impulsion d’une centaine millisecondes ; cette impulsion active un multivibrateur à NE555 qui génère le bip.
Le fichier LTSpice IV est inclus ci-après :
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Schéma complet
Le schéma complet du montage est donné ci-après.
Montage no2
Ce deuxième montage a pour objectif de visualiser l’électrocardiogramme sur un petit écran LCD.
Rédaction réservée.
Sur le même sujet…
Mesure électrique
L’électrocardiographe de F. Sincère [5] utilise le montage de base proposé dans la note d’application d’Analog devices. Il y adjoint un comparateur et un microcontrolleur PIC pour l’affichage du rythme cardiaque. Je présume que le microcontrolleur parfait le traitement du signal pour éviter les phénomènes que j’ai rencontrés.
Mesure optique
On ne peut évidemment parler d’ECG optique… mais s’il s’agit de designer un dispositif destiné à mesurer le rythme cardiaque, une solution très facile à mettre en oeuvre consiste à observer non pas l’activité électrique du coeur mais ses consequences sur le flux sanguine. Lors d’un battement cardiaque, le flux sanguin est modifié au niveau des extrémités (doigt, par exemple) et ce phénomène peut être observe par un couple LED / phototransistor.
Mesure acoustique
A completer.
Références
[1]K. Soundarapandian et M. Berarducci, « Analog Front-End Design for ECG Systems using Delta-Sigma ADCs ». .
[2]E. Nash, « A practical review of common mode and instrumentation amplifiers ». .
[3]« AD620 low cost low power instrumentation amplifier », Analog Devices.
[4]« Prop EKG ». [En ligne]. Disponible sur: http://www.rayslogic.com/propeller/Programming/PropEKG/PropEKG.htm. [Consulté le: 14-août-2014].
[5]F. Sincère, « Electrocardiographe ». [En ligne]. Disponible sur: http://fabrice.sincere.pagesperso-orange.fr/cm_electronique/projet_pic/cardiogramme/cardiogramme.htm.
<references/>
