ECG-BME 305 Automatizado Crédito Extra do Projeto Final: 7 Passos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Um eletrocardiograma (ECG ou EKG) é usado para medir os sinais elétricos produzidos por um coração batendo e desempenha um grande papel no diagnóstico e prognóstico de doenças cardiovasculares. Algumas das informações obtidas de um ECG incluem o ritmo dos batimentos cardíacos do paciente, bem como a força do batimento. Cada forma de onda de ECG é gerada por uma iteração do ciclo cardíaco. Os dados são coletados por meio de eletrodo colocado na pele do paciente. O sinal é então amplificado e o ruído é filtrado para analisar adequadamente os dados presentes. Usando os dados coletados, os pesquisadores são capazes não apenas de diagnosticar doenças cardiovasculares, mas o ECG também desempenhou um grande papel no aumento da compreensão e reconhecimento de doenças mais obscuras. A implementação do ECG melhorou muito o tratamento de condições como arritmia e isquemia [1].

Suprimentos:

Este Instructable é para simular um dispositivo de ECG virtual e, portanto, tudo o que é necessário para conduzir este experimento é um computador em funcionamento. O software utilizado para as simulações a seguir é o LTspice XVII e pode ser baixado da internet.

Etapa 1: Etapa 1: amplificador de instrumentação

O primeiro componente do circuito é um amplificador de instrumentação. Como o nome sugere, o amplificador de instrumentação é usado para aumentar a magnitude do sinal. Um sinal de ECG que não é amplificado ou filtrado tem cerca de 5 mV de amplitude. Para filtrar o sinal, ele precisa ser amplificado. Um ganho razoável para este circuito teria que ser grande para que o sinal bioelétrico fosse filtrado de forma adequada. Portanto, o ganho deste circuito será de cerca de 1000. A forma geral de um amplificador de instrumentação está incluída nas imagens para esta etapa [2]. Além das equações para o ganho do circuito, os valores que foram calculados para cada componente são mostrados na segunda imagem [3].

O ganho é negativo porque a tensão é fornecida ao pino inversor do amplificador operacional. Os valores mostrados na segunda imagem foram encontrados definindo os valores de R1, R2, R3 e ganho como valores desejados e, em seguida, resolvendo para o valor final R4. A terceira imagem para esta etapa é o circuito simulado no LTspice, completo com valores precisos.

Para testar o circuito, como um todo e como componentes individuais, uma análise de corrente alternada (CA) deve ser executada. Essa forma de análise analisa a magnitude do sinal à medida que as frequências mudam. Portanto, o tipo de análise de varredura de análise AC deve ser uma década porque define a escala do eixo x e é mais propício para a leitura precisa dos resultados. Por década, deve haver 100 pontos de dados. Isso transmitirá com precisão as tendências nos dados sem sobrecarregar o programa, garantindo a eficiência. Os valores de frequência de início e parada devem abranger ambas as frequências de corte. Portanto, uma frequência de início razoável é 0,01 Hz e uma frequência de parada razoável é 1 kHz. Para o amplificador de instrumentação, a função de entrada é uma onda senoidal com magnitude de 5 mV. 5 mV corresponde à amplitude padrão de um sinal de ECG [4]. Uma onda senoidal imita os aspectos variáveis de um sinal de ECG. Todas essas configurações de análise, exceto a tensão de entrada, são iguais para cada componente.

A imagem final é o gráfico de resposta de frequência para o amplificador de instrumentação. Isso mostra que o amplificador de instrumentação é capaz de aumentar a magnitude do sinal de entrada em cerca de 1000. O ganho desejado para o amplificador de instrumentação era 1000. O ganho do amplificador de instrumentação simulado é 999,6, encontrado usando a equação mostrada na segunda foto. O erro percentual entre o ganho desejado e o ganho experimental é de 0,04%. Esta é uma quantidade aceitável de erro percentual.

Etapa 2: Etapa 2: Filtro de entalhe

O próximo componente usado no circuito de ECG é um filtro ativo. Um filtro ativo é apenas um filtro que requer energia para funcionar. Para esta atribuição, o melhor filtro ativo a ser usado é um filtro de entalhe. Um filtro notch é usado para remover o sinal em uma única frequência ou em uma faixa muito estreita de frequências. No caso deste circuito, a frequência a ser removida com um filtro notch é de 60 Hz. 60 Hz é a frequência com que as linhas de força operam e, portanto, é uma grande fonte de ruído com dispositivos. O ruído da linha de força distorce os sinais biomédicos e reduz a qualidade dos dados [5]. A forma geral do filtro de entalhe usado para este circuito é mostrada na primeira foto desta etapa. O componente ativo do filtro de entalhe é o buffer que está anexado. O buffer é usado para isolar o sinal após o filtro notch. Como o buffer é parte do filtro e precisa de energia para operar, o filtro notch é o componente de filtro ativo deste circuito.

A equação para os componentes resistivo e capacitor do filtro notch é mostrada na segunda foto [6]. Na equação, fN é a frequência a ser removida, que é 60 Hz. Assim como o amplificador de instrumentação, o valor do resistor ou do capacitor pode ser definido para qualquer valor e o outro valor calculado pela equação mostrada na segunda foto. Para este filtro, C foi atribuído a um valor de 1 µF e os demais valores foram encontrados com base nesse valor. O valor do capacitor foi decidido com base na conveniência. A tabela na segunda foto exibe os valores de 2R, R, 2C e C que foram usados.

A terceira imagem para esta etapa é o circuito de filtro de entalhe final com valores precisos. Usando esse circuito, a análise AC Sweep foi executada usando 5V. 5V corresponde à tensão após a amplificação. O resto dos parâmetros de análise são os mesmos que foram declarados na etapa do amplificador de instrumentação. O gráfico de resposta de frequência é mostrado na foto final. Usando os valores e as equações da segunda foto, a frequência real para o filtro de entalhe é 61,2 Hz. O valor desejado para o filtro de entalhe era 60 Hz. Usando a equação de erro percentual, há um erro de 2% entre o filtro simulado e o filtro teórico. Esta é uma quantidade aceitável de erro.

Etapa 3: Etapa 3: Filtro de passagem baixa

O último tipo de peça usada neste circuito é o filtro passivo. Como mencionado anteriormente, um filtro passivo é um filtro que não requer fonte de alimentação para funcionar. Para um ECG, tanto um filtro passa-alto quanto um filtro passa-baixo são necessários para remover adequadamente o ruído do sinal. O primeiro tipo de filtro passivo a ser adicionado ao circuito é um filtro passa-baixo. Como o nome sugere, primeiro permite que o sinal abaixo da frequência de corte passe [7]. Para o filtro passa-baixa, a frequência de corte deve ser o limite superior da faixa do sinal. Conforme mencionado anteriormente, a faixa superior do sinal de ECG é 150 Hz [2]. Ao definir um limite superior, o ruído de outros sinais não é usado na aquisição do sinal.

A equação para a frequência de corte é f = 1 / (2 * pi * R * C). Tal como acontece com os componentes do circuito anteriores, os valores de R e C podem ser encontrados inserindo a frequência e definindo um dos valores do componente [7]. Para o filtro passa-baixo, o capacitor foi ajustado em 1 µF e a frequência de corte desejada é 150 Hz. Usando a equação da frequência de corte, o valor do componente do resistor é calculado como 1 kΩ. A primeira imagem para esta etapa é um esquema completo do filtro passa-baixa.

Os mesmos parâmetros definidos para o filtro de entalhe são usados para a Análise de Varredura AC do filtro passa-baixo, mostrado na segunda imagem. Para este componente, a frequência de corte desejada é 150 Hz e usando a Equação 3, a frequência de corte simulada é 159 Hz. Isso tem um erro percentual de 6%. O erro percentual para este componente é maior do que o preferido, mas os componentes foram escolhidos para facilitar a conversão para um circuito físico. Este é claramente um filtro passa-baixo, com base no gráfico de resposta de frequência na segunda imagem, já que apenas o sinal abaixo da frequência de corte é capaz de passar em 5 V, e conforme a frequência se aproxima da frequência de corte, a tensão diminui.

Etapa 4: Etapa 4: Filtro passa-altas

O segundo componente passivo do circuito de ECG é o filtro passa-alta. Um filtro passa-altas é um filtro que permite a passagem de qualquer frequência maior do que a frequência de corte. Para este componente, a frequência de corte será de 0,05 Hz. Mais uma vez, 0,05 Hz é o limite inferior da faixa de sinais de ECG [2]. Mesmo que o valor seja tão pequeno, ainda precisa haver um filtro passa-alta para filtrar qualquer desvio de tensão no sinal. Portanto, o filtro passa-altas ainda é necessário dentro do projeto do circuito, mesmo que a frequência de corte seja tão pequena.

A equação para a frequência de corte é a mesma do filtro de corte de passagem baixa, f = 1 / (2 * pi * R * C). O valor do resistor foi ajustado para 50 kΩ e a frequência de corte desejada é 0,05 Hz [8]. Usando essa informação, o valor do capacitor foi calculado para 63 µF. A primeira imagem para esta etapa é o filtro passa-alta com os valores apropriados.

A análise de varredura AC é o segundo filtro. Como o filtro passa-baixa, conforme a frequência do sinal se aproxima da frequência de corte, a tensão de saída diminui. Para o filtro passa-alta, a frequência de corte desejada é 0,05 Hz e a frequência de corte simulada é 0,0505 Hz. Este valor foi calculado usando a equação da frequência de corte da passagem baixa. O erro percentual para este componente é de 1%. Este é um erro percentual aceitável.

Etapa 5: Etapa 5: Circuito completo

Todo o circuito é construído conectando os quatro componentes, o amplificador de instrumentação, o filtro de entalhe, o filtro de passagem baixa e o filtro de passagem alta, em série. O diagrama de circuito completo é mostrado na primeira imagem desta etapa.

A resposta simulada mostrada na segunda figura atua como era esperado com base nos tipos de componentes usados para este circuito. O circuito projetado filtra o ruído nos limites inferior e superior do sinal de ECG e também filtra com êxito o ruído das linhas de alta tensão. O filtro passa-baixas remove com sucesso o sinal abaixo da frequência de corte. Conforme mostrado no gráfico de resposta de frequência, em 0,01 Hz, o sinal é passado a 1 V, um valor que é 5 vezes menor do que a saída desejada. Conforme a frequência aumenta, a tensão de saída também aumenta até atingir seus picos em 0,1 Hz. O pico é em torno de 5 V, que está alinhado com um ganho de 1000 para o amplificador de instrumentação. O sinal diminui de 5 V começando em 10 Hz. No momento em que a frequência é 60 Hz, nenhum sinal está sendo emitido pelo circuito. Este era o propósito do filtro de entalhe e foi feito para neutralizar a interferência das linhas de força. Depois que a frequência ultrapassa 60 Hz, a tensão mais uma vez começa a aumentar com a frequência. Finalmente, quando a frequência atinge 110 Hz, o sinal atinge o pico secundário de aproximadamente 2 V. A partir daí, a saída diminui por causa do filtro passa-baixa.

Etapa 6: Conclusão

O objetivo desta tarefa foi simular um ECG automatizado capaz de registrar com precisão o ciclo cardíaco. Para fazer isso, o sinal analógico que teria sido obtido de um paciente precisava ser amplificado e, em seguida, filtrado para incluir apenas o sinal de ECG. Isso foi conseguido usando primeiro um amplificador de instrumentação para aumentar a magnitude do sinal cerca de 1000 vezes. Em seguida, o ruído das linhas de força precisava ser removido do sinal, bem como o ruído acima e abaixo da faixa de frequência designada de um ECG. Isso significava incorporar um filtro de entalhe ativo, bem como filtros passivos de alta e baixa passagem. Mesmo que o produto final para esta tarefa tenha sido um circuito simulado, ainda havia algum erro aceitável, levando em consideração os valores padrão para componentes resistivos e capacitivos normalmente disponíveis. No geral, o sistema funcionou conforme o esperado e seria capaz de fazer a transição para um circuito físico com bastante facilidade.

Etapa 7: Recursos

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang e S.-H. Tan, "The history, hotspots, and trends of electrocardiogram," Journal of geriatric cardiology: JGC, Jul-2015. [Conectados]. Disponível: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Acesso: 01-dez-2020].

[2] L. G. Tereshchenko e M. E. Josephson, “Frequency content and features of ventricular conduction,” Journal of electrocardiology, 2015. [Online]. Disponível: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Acesso em: 01-dez-2020].

[3] "Amplificador diferencial - O subtrator de tensão", Tutoriais de eletrônica básica, 17-março-2020. [Conectados]. Disponível: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Acesso em: 01-dez-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan e P. Kinget, “ECG Measurement System,” Columbia University.

[5] S. Akwei-Sekyere, “Eliminação de ruído Powerline em sinais biomédicos via separação cega de fonte e análise wavelet,” PeerJ, 02-Jul-2015. [Conectados]. Disponível: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Acesso em: 01-dez-2020].

[6] "Filtros de parada de banda são chamados de Filtros de rejeição", Tutoriais de eletrônica básica, 29 de junho de 2020. [Conectados]. Disponível: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Acesso: 01-dez-2020].

[7] “Filtro passa-baixas - Tutorial do filtro RC passivo,” Tutoriais sobre eletrônica básica, 01-maio-2020. [Conectados]. Disponível: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Acesso em: 01-dez-2020].

[8] “Filtro Passa Altas - Tutorial de Filtro RC Passivo,” Tutoriais de Eletrônica Básica, 05-Mar-2019. [Conectados]. Disponível: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Acesso em: 01-dez-2020].