Modelo de circuito de ECG automatizado: 4 etapas

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

O objetivo deste projeto é criar um modelo de circuito com vários componentes que podem amplificar e filtrar adequadamente um sinal de ECG de entrada. Três componentes serão modelados individualmente: um amplificador de instrumentação, um filtro notch ativo e um filtro passa-banda passivo. Eles serão combinados para criar o modelo final do circuito de ECG. Toda a modelagem e teste de circuito foram conduzidos no LTspice, mas outros programas de simulação de circuito também funcionariam.

Etapa 1: amplificador de instrumentação

Este será o primeiro componente do modelo de ECG completo. Seu objetivo é amplificar o sinal de entrada de ECG, que inicialmente terá uma voltagem muito baixa. Eu escolhi usar a combinação de amplificadores operacionais e componentes resistivos de uma forma que produziria um ganho de 1000. A primeira imagem mostra o projeto do amplificador de instrumentação modelado em LTspice. A segunda imagem mostra equações relevantes e cálculos realizados. Depois de totalmente modelado, a análise transiente de um sinal de entrada senoidal de 1 mV a 75 Hz foi realizada no LTspice para confirmar um ganho de 1000. A terceira imagem mostra os resultados desta análise.

Etapa 2: Filtro de Notch Ativo

Este será o segundo componente do modelo de ECG completo. Seu objetivo é atenuar sinais com uma frequência de 60 Hz, que é a frequência de interferência da tensão da linha CA. Isso distorce os sinais de ECG e geralmente está presente em todos os ambientes clínicos. Optei por combinar um amplificador operacional com componentes resistivos e capacitivos em uma configuração de filtro de entalhe T duplo. A primeira imagem mostra o design do filtro de entalhe modelado no LTspice. A segunda imagem mostra equações relevantes e cálculos realizados. Uma vez totalmente modelado, uma varredura AC de um sinal de entrada sinusoidal de 1 V foi realizada de 1 Hz - 100 kHz em LTspice para confirmar um entalhe em 60 Hz. A terceira imagem mostra os resultados desta análise. A ligeira variação nos resultados da simulação em comparação com os resultados antecipados é provavelmente devido ao arredondamento feito ao calcular os componentes resistivos e capacitivos deste circuito.

Etapa 3: filtro passa-banda passivo

Este será o terceiro componente do modelo de ECG completo. Seu objetivo é filtrar os sinais que não estão na faixa de 0,05 Hz a 250 Hz, pois esta é a faixa de um ECG adulto típico. Eu escolhi usar componentes resistivos e capacitivos combinados para que o corte de passagem alta fosse 0,05 Hz e o corte de passagem baixa fosse 250 Hz. A primeira imagem mostra o projeto do filtro passa-banda passivo modelado em LTspice. A segunda imagem mostra equações relevantes e cálculos realizados. Uma vez totalmente modelado, uma varredura AC de um sinal de entrada senoidal de 1 V foi realizada de 0,01 Hz - 100 kHz em LTspice para confirmar as frequências de corte de passagem alta e baixa. A terceira imagem mostra os resultados desta análise. A ligeira variação nos resultados da simulação em comparação com os resultados antecipados é provavelmente devido ao arredondamento feito ao calcular os componentes resistivos e capacitivos deste circuito.

Etapa 4: Combinando os componentes do circuito

Agora que todos os componentes foram projetados e testados individualmente, eles podem ser combinados em série na ordem em que foram criados. Isso resulta em um modelo de circuito de ECG completo que primeiro contém um amplificador de instrumentação para amplificar o sinal 1000x. Em seguida, um filtro de entalhe é usado para eliminar o ruído da tensão da linha CA de 60 Hz. Por último, o filtro passa-banda não permite a passagem de um sinal que esteja fora da faixa de um ECG adulto típico (0,05 Hz - 250 Hz). Uma vez combinados, como mostrado na primeira imagem, uma análise transiente e varredura AC completa pode ser conduzida no LTspice com uma tensão de entrada de 1 mV (senoidal) para garantir que os componentes funcionem juntos conforme o previsto. A segunda imagem exibe os resultados da análise transiente, que mostram a amplificação do sinal de 1 mV a ~ 0,85 V. Isso significa que os componentes do filtro de entalhe ou passa-banda atenuam levemente o sinal após ter sido inicialmente amplificado 1000x pelo amplificador de instrumentação. A terceira imagem exibe os resultados da varredura AC. Este gráfico de Bode mostra cortes de passagem alta e baixa que correspondem aos do gráfico de Bode do filtro de passagem de banda quando testados individualmente. Há também uma ligeira queda em torno de 60 Hz, que é onde o filtro notch está trabalhando para remover o ruído indesejado.