Projeto de circuito de aquisição, amplificação e filtragem de um eletrocardiograma básico: 6 etapas

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

Para concluir este instrutível, as únicas coisas necessárias são um computador, acesso à Internet e algum software de simulação. Para os fins deste projeto, todos os circuitos e simulações serão executados no LTspice XVII. Este software de simulação contém bibliotecas de mais de 1.000 componentes, o que torna a criação de circuitos muito fácil. Como esses circuitos serão generalizados, o “UniversalOpAmp2” será usado para cada instância em que um amplificador operacional for necessário. Além disso, cada amplificador operacional foi alimentado por uma fonte de alimentação de + 15V e -15V. Essas fontes de alimentação não apenas alimentam o amplificador operacional, mas também reduzem a tensão de saída se ela atingir qualquer um desses dois extremos.

Etapa 1: Projeto do amplificador de instrumentação

Depois que o sinal foi adquirido, ele precisa ser amplificado para realizar cálculos e filtragem nele. Para eletrocardiogramas, o método mais comum de amplificação é o amplificador de instrumentação. Como mencionado anteriormente, o amplificador de instrumentação apresenta inúmeras vantagens quando se trata de circuitos de amplificação, sendo a maior delas a alta impedância entre as tensões de entrada. Para construir este circuito, 3 amplificadores operacionais foram usados em conjunto com sete resistores, com seis dos resistores sendo equivalentes em magnitude. O ganho da maioria dos eletrocardiogramas é em torno de 1000 vezes o sinal de entrada [1]. A equação para o ganho de um amplificador de instrumentação é a seguinte: Ganho = 1 + (2 * R1 / R2) * (R7 / R6). Para simplificar, cada resistor foi considerado como sendo 1000 ohms, exceto R2, que foi determinado como sendo 2 ohms. Esses valores fornecem um ganho de 1001 vezes maior do que a tensão de entrada. Este ganho é suficiente para amplificar os sinais adquiridos para análise posterior. No entanto, usando a equação, o ganho pode ser o que alguém desejar para o projeto do circuito.

Etapa 2: Projeto do Filtro Passa-Banda

Um filtro passa-banda é um filtro passa-alta e um filtro passa-baixa trabalhando em coordenação geralmente com um amplificador operacional para fornecer o que é conhecido como banda passante. Uma banda passante é uma faixa de frequências que pode passar enquanto todas as outras, acima e abaixo, são rejeitadas. Os padrões da indústria afirmam que um eletrocardiograma padrão deve ter uma banda passante de 0,5 Hz a 150 Hz [2]. Esta banda passante grande garante que todo o sinal elétrico do coração seja gravado e nenhum deles seja filtrado. Da mesma forma, esta banda passante rejeita qualquer desvio DC que possa interferir com o sinal. Para projetar isso, resistores e capacitores específicos devem ser escolhidos de modo que a frequência de corte de passagem alta esteja em 0,5 Hz e a frequência de corte de passagem baixa em 150 Hz. A equação da frequência de corte para o filtro passa-altas e passa-baixas é a seguinte: Fc = 1 / (2 * pi * RC). Para meus cálculos, um resistor arbitrário foi escolhido e, em seguida, usando a Equação 4, um valor de capacitor foi calculado. Portanto, o filtro passa-alta terá um valor de resistor de 100.000 ohms e um valor de capacitor de 3,1831 microfarads. Da mesma forma, o filtro passa-baixa terá um valor de resistor de 100.000 ohms e um valor de capacitor de 10,61 nano-farads. Um diagrama do filtro passa-banda com os valores ajustados é mostrado.

Etapa 3: Design de filtro de entalhe

Um filtro notch é essencialmente o oposto de um filtro passa-banda. Em vez de ter uma passagem alta seguida por uma passagem baixa, é uma passagem baixa seguida por uma passagem alta, portanto, pode-se essencialmente eliminar uma pequena banda de ruído. Para o filtro de entalhe do eletrocardiograma, foi usado um projeto de filtro de entalhe Twin-T. Este projeto permite que uma frequência central seja filtrada e fornece um grande fator de qualidade. Nesse caso, a frequência central da qual se livrar era de 60 Hz. Usando a Equação 4, os valores do resistor foram calculados usando um determinado valor de capacitor de 0,1 microfarads. Os valores calculados do resistor para uma banda de parada de 60 Hz foram 26.525 ohms. Em seguida, R5 foi calculado para ser ½ de R3 e R4. C3 também foi calculado como o dobro do valor escolhido para C1 e C2 [3]. Resistores arbitrários foram escolhidos para R1 e R2.

Etapa 4: Circuito de Combinação

Usando redes, esses componentes foram colocados em série juntos e a imagem do circuito concluído é retratada. De acordo com um artigo publicado pela Springer Science, um ganho aceitável do circuito de ECG deve ser em torno de 70 dB quando todo o circuito está configurado [4].

Etapa 5: Teste de todo o circuito

Quando todos os componentes foram colocados em uma série, a validação do projeto foi necessária. Testando este circuito, uma varredura de transiente e CA foi conduzida para determinar se todos os componentes estavam funcionando em uníssono. Se fosse esse o caso, a tensão de saída transitória ainda seria cerca de 1000x a tensão de entrada. Da mesma forma, quando a varredura AC foi conduzida, um gráfico de bode de filtro passa-banda seria esperado com um entalhe em 60 Hz. Olhando para as imagens retratadas, este circuito foi capaz de realizar com sucesso esses dois objetivos. Outro teste foi ver a eficiência do filtro de entalhe. Para testar isso, um sinal de 60 Hz foi passado pelo circuito. Conforme ilustrado, a magnitude desta saída foi apenas cerca de 5x maior do que a entrada, em comparação com 1000x quando a frequência está dentro da banda passante.

Etapa 6: Recursos:

[1] “ECG Measurement System,” Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (acessado em 01 de dezembro, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko e M. E. Josephson, “Frequency Content and Characteristics of Ventricular Conduction,” Journal of electrocardiology, vol. 48, nº 6, pp. 933–937, 2015, doi: 10.1016 / j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] “Filtros de parada de banda são chamados de Filtros de rejeição,” Tutoriais de eletrônica básica, 22 de maio de 2018.

[4] N. Guler e U. Fidan, "Wireless Transmission of ECG signal", Springer Science, vol. 30, abril de 2005, doi: 10.1007 / s10916-005-7980-5.