Recevoir un signal ECG sur un PC et toucher un EEG

Dans mon travail sur la thèse, ma tâche est d'obtenir un signal EEG. Il s'agit d'un signal électrique très faible provenant de la surface du cortex cérébral, qui traverse le tissu osseux et les couches de l'épiderme. Comparé à l'EEG, il y a un signal électrique plus fort - ECG. Dans cet article, je vais vous parler du matériel et des logiciels avec lesquels le signal ECG a été lu et j'analyserai le matériel. L'article peut être utile aux personnes qui travaillent également dans ce sens.

Au cœur du tableau de lecture ECG se trouve un ampli op instrumental. Il existe de nombreux circuits intégrés de ce type sur le marché. Certains sont basés sur la technologie CMOS (par exemple, INA321 ~ 170 roubles), d'autres sur des transistors bipolaires (par exemple, AD620 - 450 roubles).
Lorsque l'on compare les paramètres opamp en termes de sensibilité au signal d'entrée, les bipolaires gagnent, tandis que les champs gagnent dans le prix et la consommation actuelle. Un INA321 a été sélectionné pour la lecture de l'ECG.
Les principales caractéristiques techniques de l'INA321 IOW:
1. La tension d'alimentation est unipolaire Vcc +5 V.
2. La consommation de courant est de 45 μA (max).
3. Le microcircuit est fabriqué selon la technologie CMOS.
4. Valeur de rejet des interférences en mode commun: 95 dB.
5. Le gain du signal différentiel de 5 à 500 fois, déterminé par un diviseur résistif externe.
6. Niveau de bruit intrinsèque: 10 uV.

Dans la description technique de l'IC, un schéma de principe de l'ECG est donné. Pour numériser le signal, nous utiliserons la puce audio de la carte mère PC ALC662 (ou similaire). En combinant les schémas des circuits des deux appareils, nous avons obtenu le circuit suivant:

Fig. 1 Diagramme schématique
Parce que le signal ECG n'est pas à haute fréquence, la fréquence d'échantillonnage de l'appareil audio est plus que suffisante. Lorsque vous mesurez des tensions aussi faibles que l'EEG et l'ECG, les amplificateurs opérationnels sont définis pour amplifier le signal des milliers de fois. Mais cette amplification ne se fait pas sur un ampli-op, mais en cascade. En conséquence, la carte d'appareil est basée sur l'INA321 et l'ampli op à usage général LM358.

Fig. 2 Localisation des tensions mesurées
Le gain total réglable de la carte selon les calculs est de 1200 à 3300 fois (réglage par résistances d'accord). La carte est conçue de telle sorte qu'elle présente une large gamme de changements de gain et, à une valeur minimale de 1200 fois, correspond aux cartes avec lesquelles le signal ECG est reçu du corps humain. La carte est fabriquée en utilisant la technologie LUT. L'USB est utilisé uniquement pour l'alimentation, le signal est transmis via 3,5 jeck.

Fig. 3 Carte pour ECG. Vue de dessus
Le signal de la carte, après amplification, est envoyé à la puce audio de la carte mère du PC, numérisé, traité par le pilote, puis transmis au programme final pour le traitement.

Fig. 4 points de connexion des électrodes
Selon le schéma standard de connexion des électrodes pour la lecture de l'ECG, deux électrodes sont placées sur le poignet et fixées là, et la troisième électrode est située sur la jambe pour lui appliquer une tension de référence. Les électrodes étaient en caoutchouc mousse avec un revêtement en feuille d'une surface d'environ 2 cm2 et étaient mouillées avec une solution saline pour abaisser la résistance de la couche cornée de l'épiderme.

Fig. 5 Electrodes pour l'
enregistrement du signal ECG Sound Forge Pro 11 a été utilisé pour enregistrer le signal (son) Après le premier enregistrement de test, le résultat était le suivant:

Fig. 6 Le premier programme d'ECG n'est pas du tout un ECG.Après
des modifications matérielles, des paramètres de programme et de pilote et d'autres danses avec un tambourin, nous avons quand même réussi à obtenir un ECG stable.

Fig. 7. Exemples de graphiques ECG obtenus.
Au-dessus se trouve l'axe du temps, qui vous permet de calculer la fréquence des battements par minute. Les résultats de comptage obtenus confirment que le graphique observé est un ECG - 75 battements par minute sont enregistrés avec une périodicité claire entre les battements voisins de 0,8 sec. Le graphique a été numérisé en résolution - 8 bits, fréquence d'échantillonnage - 8 kHz. Bien que pour une fréquence de 75 Hz, l'échantillonnage à 8 kHz soit un peu trop.
Le programme Sound Forge a la capacité de traiter la piste enregistrée à l'aide de plugins XFX. Avec un certain réglage dans le programme, il est possible de supprimer une pointe de 50 Hz, après quoi le graphique devient plus similaire à celui obtenu lors de l'enregistrement d'un ECG dans un hôpital.
Par exemple, le graphique initial:

Après avoir appliqué l'effet d'égalisation au graphique:

Puisque notre signal est numérisé dans la bande sonore, il est possible de l'enregistrer et de l'écouter. Le signal entendu ressemble beaucoup au son qu'une personne entend lorsqu'elle écoute une impulsion à travers un stéthoscope, par exemple, lorsqu'elle mesure la pression.
Lors de la lecture d'un signal, il est nécessaire d'assurer en permanence le contact de toutes les électrodes avec le corps. La solution saline ne convient pas à cela. Un signe de perte de contact et, par conséquent, une augmentation de la résistance entre l'électrode et la peau est une augmentation de 50-55 Hz d'interférence sur le graphique et la perte de rythme.

Fig. 8 Perte de signal et amplification du bruit.
Les fluctuations de la tension d'alimentation sont également très bien captées par le circuit. Les bruits dans la tension d'alimentation modifient la valeur de la tension de référence, qui doit être aussi stable que possible, car elle est fournie au corps et un signal est reçu par rapport à celui-ci. Les oscillations de la tension de référence sont superposées au signal enregistré et amplifiées par l'opamp, imprimées sur le graphique résultant. Lorsque la carte passe sur batterie, le bruit de la tension d'alimentation est nettement plus faible.

Fig. 9 Bruits dans la tension d'alimentation lorsqu'ils sont alimentés par le secteur et la batterie (un graphique).
Tenez également compte du fait qu'il existe un bruit de circuit intégré généré. Par exemple, selon la documentation technique de l'INA321, le graphique de son propre bruit, bien qu'il soit beaucoup plus faible que le signal ECG:

Fig. 10 Graphique de bruit de tension INA321
Le problème est de savoir comment distinguer que le futur calendrier EEG prévu n'est pas son propre bruit IC ou tout autre? Le graphique ECG s'est avéré, mais nous savons à quoi il devrait ressembler. Et à quoi devrait ressembler le signal EEG? Lors de la réception d'un signal EEG, il y a un risque d'obtenir le mauvais signal et de passer beaucoup de temps dessus.

Conclusion
La réception d'un signal EEG est finalement nécessaire pour créer une interface ordinateur-cerveau. C'est une tâche difficile et de nombreuses institutions à travers le monde y participent. Je ne sais pas comment leur processus de recherche est organisé, mais je dois travailler sur mes propres principes et faire des planches littéralement «à genoux», ce qui me donne mon endurcissement, puis au laboratoire, tout semblera si facile à faire.

Source: https://habr.com/ru/post/fr388011/