A Heartful ECG: 7 etapas

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

Resumo

Um ECG, ou eletrocardiograma, é um dispositivo médico comumente usado para registrar os sinais elétricos do coração. Eles são simples de fazer na forma mais básica, mas há muito espaço para crescimento. Para este projeto, um ECG foi projetado e simulado no LTSpice. O ECG tinha três componentes: um amplificador de instrumentação, um filtro passa-baixa e, por fim, um amplificador não inversor. Isso era para garantir que houvesse ganho suficiente vindo de uma fonte relativamente fraca de um biossinal, bem como um filtro para remover o ruído do circuito. As simulações mostraram que cada componente do circuito funcionou com sucesso, assim como um circuito integrado total com todos os três componentes. Isso mostra que esta é uma forma viável de criar um circuito de ECG. Em seguida, exploramos o vasto potencial para melhorias no ECG.

Etapa 1: Introdução / Histórico

Um ECG ou eletrocardiograma é usado para registrar os sinais elétricos do coração. É bastante comum e um teste indolor usado para detectar problemas cardíacos e monitorar a saúde cardíaca. Eles são realizados em consultórios médicos - clínicas ou quartos de hospital e são máquinas padrão em salas de cirurgia e ambulâncias [1]. Eles podem mostrar o quão rápido o coração está batendo, se o ritmo é regular ou não, bem como a força e o tempo dos impulsos elétricos que passam pelas diferentes partes do coração. Cerca de 12 eletrodos (ou menos) são colocados na pele do tórax, braços e pernas e são conectados a uma máquina que lê os impulsos e os representa graficamente [2]. Um ECG de doze derivações tem 10 eletrodos (para dar um total de 12 visualizações do coração). A 4 derivação vai para os membros. Duas nos pulsos e duas nos tornozelos. As 6 derivações finais vão para o torso. V1 vai no 4º espaço intercostal à direita do esterno, enquanto V2 está na mesma linha, mas à esquerda do esterno. V3 é colocado a meio caminho entre V2 e V4, V5 vai na linha axilar anterior no mesmo nível que V4 e V6 vai na linha axilar média no mesmo nível [3].

O objetivo deste projeto é projetar, simular e verificar um dispositivo de aquisição de sinal analógico - no caso, um eletrocardiograma. Como a frequência cardíaca média é de 72, mas durante o repouso pode chegar a até 90, a mediana pode ser considerada em cerca de 60 bpm, fornecendo uma frequência fundamental de 1 Hz para a frequência cardíaca. A frequência cardíaca pode variar de cerca de 0,67 a 5 Hz (40 a 300 bpm). Cada sinal consiste em uma onda que pode ser rotulada como P, complexo QRS e uma porção T da onda. A onda P corre em cerca de 0,67 - 5 Hz, o complexo QRS está em cerca de 10-50 Hz, e a onda T está em cerca de 1 - 7 Hz [4]. O atual estado da arte dos ECGs possui aprendizado de máquina [5], onde arritmias e similares podem ser classificadas pela própria máquina. Para simplificar, este ECG terá apenas dois eletrodos - um positivo e um negativo.

Etapa 2: Métodos e Materiais

Para iniciar o projeto, um computador foi usado para pesquisa e modelagem. O software utilizado foi o LTSpice. Primeiro, para projetar o esquema para o ECG analógico, uma pesquisa foi feita para ver quais são os projetos atuais e como melhor implementá-los em um novo projeto. Quase todas as fontes começaram com um amplificador de instrumentação para começar. Ele recebe duas entradas - de cada um dos eletrodos. Em seguida, um filtro passa-baixa foi escolhido para remover os sinais acima de 50 Hz, uma vez que o ruído da linha de alimentação chega a cerca de 50-60 Hz [6]. Depois disso, surgiu um amplificador não inversor para amplificar o sinal, já que os biossinais são bem pequenos.

O primeiro componente foi o amplificador de instrumentação. Possui duas entradas, uma para o eletrodo positivo e outra para o negativo. O amplificador de instrumentação foi usado especificamente para proteger o circuito do sinal de entrada. Existem três amplificadores operacionais universais e 7 resistores. Todos os resistores, exceto R4 (Rgain) são da mesma resistência. O ganho de um amplificador de instrumentação pode ser manipulado com a seguinte equação: A = 1 + (2RRgain) [7] O ganho foi escolhido para ser 50, pois os biossinais são muito pequenos. Os resistores foram escolhidos para serem maiores para facilidade de uso. Os cálculos seguem este conjunto de equações para fornecer R = 5000Ω e Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRganho) 50 2 * 5000200

O próximo componente usado foi um filtro passa-baixo, para remover frequências acima de 50 Hz, o que irá manter apenas a onda PQRST nesta faixa de frequência e minimizar o ruído. A equação para um filtro passa-baixa é mostrada abaixo: fc = 12RC [8] Uma vez que a frequência escolhida para corte foi 50 Hz, e o resistor foi escolhido para ser 1kΩ, os cálculos geram um valor de capacitor de 0,00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

O terceiro componente no ECG era um amplificador não inversor. Isso é para garantir que o sinal seja grande o suficiente antes (potencialmente) de ser transferido para um conversor analógico para digital. O ganho de um amplificador não inversor é mostrado abaixo: A = 1 + R2R1 [9] Como antes, o ganho foi escolhido para ser 50, para aumentar a amplitude do sinal final. Os cálculos para o resistor são os seguintes, com um resistor escolhido para ser 10000Ω, dando um segundo valor de resistor de 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Para testar o esquema, as análises foram executadas em cada componente e, em seguida, no esquema geral final. A segunda simulação foi uma análise AC, uma varredura de oitava, com 100 pontos por oitava, e passando por frequências de 1 a 1000 Hz.

Etapa 3: Resultados

Para testar o circuito, foi realizada uma varredura de oitava, com 100 pontos por oitava, iniciando com frequência de 1 Hz, e indo até a frequência de 1000 Hz. A entrada foi uma curva senoidal, para ser uma representação da natureza cíclica da onda de ECG. Ele tinha um deslocamento DC de 0, amplitude de 1, frequência de 1 Hz, atraso T de 0, teta (1 / s) de 0 e phi (grau) de 90. A frequência foi definida como 1, uma vez que uma média a frequência cardíaca pode ser definida para cerca de 60 bpm, que é 1 Hz.

Como visto na Figura 5, o azul foi a entrada e o vermelho foi a saída. Houve claramente um ganho massivo, como visto acima.

O filtro passa-baixo foi ajustado para 50 Hz, para remover o ruído da linha de força em uma aplicação potencial de ECG. Como isso não se aplica aqui, onde o sinal é constante em 1 Hz, a saída é igual à entrada (Figura 6).

A saída - mostrada em azul - é claramente amplificada em comparação com a entrada, mostrada em verde. Além disso, como os picos e vales das curvas senoidais coincidem, isso mostra que o amplificador de fato não era invertido (Figura 7).

A Figura 8 mostra todas as curvas juntas. Mostra claramente a manipulação do sinal, partindo de um sinal pequeno, amplificado duas vezes e filtrado (embora a filtragem não tenha efeito neste sinal específico).

Usando as equações para ganho e frequência de corte [10, 11], os valores experimentais foram determinados a partir dos gráficos. O filtro passa-baixo teve o menor erro, enquanto ambos os amplificadores pairaram com um erro de cerca de 10% (Tabela 1).

Etapa 4: Discussão

Parece que o esquema faz o que deve fazer. Ele pegou um determinado sinal, amplificou-o, filtrou-o e, em seguida, amplificou-o novamente. Dito isto, é um design muito "pequeno", consistindo apenas em um amplificador de instrumentação, filtro passa-baixo e um filtro não inversor. Não houve uma entrada clara de uma fonte de ECG, apesar das inúmeras horas navegando na web em busca de uma fonte adequada. Infelizmente, embora isso não tenha funcionado, a onda do pecado foi um substituto apropriado para a natureza cíclica do sinal.

Uma fonte de erro quando se trata do valor teórico e real do ganho e do filtro passa-baixo podem ser os componentes escolhidos. Como as equações utilizadas têm uma relação das resistências somada a 1, ao fazer os cálculos, esta foi desprezada. Isso pode ser feito se os resistores usados forem grandes o suficiente. Embora os resistores escolhidos sejam grandes, o fato de aquele não ter sido levado em cálculos criará uma pequena margem de erro. Pesquisadores da San Jose State University em San Jose CA desenvolveram um ECG específico para o diagnóstico de doenças cardiovasculares. Eles usaram um amplificador de instrumento, filtro passa-alto ativo de 1ª ordem, filler passa-baixo Bessel ativo de 5ª ordem e um filtro de entalhe ativo twin-t [6]. Eles concluíram que o uso de todos esses componentes resultou no condicionamento bem-sucedido de uma onda de ECG bruta de um sujeito humano. Outro modelo de circuito de ECG simples feito por Orlando Hoilett na Purdue University consistia exclusivamente em um amplificador de instrumentação. A saída era clara e utilizável, mas foi recomendado que, para aplicações específicas, as mudanças fossem melhores - ou seja, amplificadores, filtros passa-banda e um filtro de entalhe de 60 Hz para remover o ruído da linha de alimentação. Isso mostra que esse projeto de ECG, embora não seja abrangente, não é o método mais simples de obter um sinal de ECG.

Etapa 5: Trabalho Futuro

Esse projeto de ECG exigiria mais algumas coisas antes de ser colocado em um dispositivo prático. Por um lado, o filtro de entalhe de 60 Hz foi recomendado por várias fontes e, como não havia ruído da linha de alimentação para lidar aqui, ele não foi implementado na simulação. Dito isso, uma vez que isso seja convertido em um dispositivo físico, seria benéfico adicionar um filtro de entalhe. Além disso, em vez do filtro passa-baixo, pode funcionar melhor ter um filtro passa-banda, para ter mais controle das frequências que estão sendo filtradas. Novamente, na simulação, esse tipo de problema não aparece, mas apareceria em um dispositivo físico. Depois disso, o ECG exigiria um conversor analógico para digital e provavelmente um dispositivo semelhante a um pi de framboesa para coletar os dados e transmiti-los a um computador para visualização e uso. Melhorias adicionais seriam o acréscimo de mais derivações, talvez começando com as 4 derivações do membro e graduando para todas as 10 derivações para um diagrama de 12 derivações do coração. Uma interface de usuário melhor também seria benéfica - talvez com uma tela sensível ao toque para que os profissionais médicos possam acessar e se concentrar facilmente em certas partes de uma saída de ECG.

As próximas etapas envolveriam aprendizado de máquina e implementação de IA. O computador deve ser capaz de alertar a equipe médica - e possivelmente as pessoas ao redor - que ocorreu uma arritmia ou algo semelhante. Nesse ponto, um médico deve revisar uma saída de ECG para fazer um diagnóstico - embora os técnicos sejam treinados para lê-la, eles não podem fazer um diagnóstico oficial em campo. Se os ECGs usados pelos primeiros respondentes tiverem um diagnóstico preciso, isso pode permitir um tratamento mais rápido. Isso é especialmente importante em áreas rurais, onde pode levar mais de uma hora para levar um paciente que não pode pagar uma viagem de helicóptero ao hospital. O próximo estágio seria adicionar um desfibrilador à própria máquina de ECG. Então, quando detecta uma arritmia, pode descobrir a voltagem adequada para um choque e - desde que as almofadas de choque foram colocadas - pode tentar fazer o paciente voltar ao ritmo sinusal. Isso seria útil em ambientes hospitalares, onde os pacientes já estão conectados a várias máquinas e se não houver pessoal médico suficiente para fornecer atendimento imediato, a máquina multifuncional poderia cuidar disso, economizando o tempo precioso necessário para salvar uma vida.

Etapa 6: Conclusão

Neste projeto, um circuito de ECG foi projetado e simulado com sucesso usando o LTSpice. Consistia em um amplificador de instrumentação, um filtro passa-baixo e um amplificador não inversor para condicionar o sinal. A simulação mostrou que todos os três componentes funcionaram individualmente, bem como juntos, quando combinados para um circuito integrado total. Cada um dos amplificadores teve um ganho de 50, fato confirmado pelas simulações feitas no LTSpice. O filtro passa-baixa teve uma frequência de corte de 50 Hz, para reduzir o ruído das linhas de força e artefatos da pele e movimento. Embora este seja um circuito de ECG muito pequeno, há muitas melhorias que podem ser feitas, desde a adição de um ou dois filtros, até uma máquina de coração completa que poderia fazer o ECG, lê-lo e fornecer tratamento imediato.

Etapa 7: Referências

Referências

[1] “Eletrocardiograma (ECG ou EKG),” Mayo Clinic, 09-abr-2020. [Conectados]. Disponível: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Acesso em: 04-dez-2020].

[2] “Eletrocardiograma,” National Heart Lung and Blood Institute. [Conectados]. Disponível: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Acesso em: 04-dez-2020].

[3] A. Randazzo, "The Ultimate 12-Lead ECG Placement Guide (With Illustrations)," Prime Medical Training, 11-Nov-2019. [Conectados]. Disponível: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Acesso em: 04-dez-2020].

[4] C. Watford, "Understanding ECG Filtering", EMS 12 Lead, 2014. [Online]. Disponível: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Acesso em: 04-dez-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher e AA Armoundas, "State-of-the-Art Machine Learning Techniques Aiming to improvement Patient Outcomes Pertaining to the Cardiovascular System", Journal of the American Heart Association, vol. 9, não. 4, 2020.

[6] W. Y. Du, "Design of an ECG Sensor Circuitry for Cardiovascular Disease Diagnosis", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 2, não. 4, 2017.

[7] “Calculadora de tensão de saída do amplificador de instrumentação,” ncalculators.com. [Conectados]. Disponível: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Acesso em: 04-dez-2020].

[8] “Low Pass Filter Calculator,” ElectronicBase, 01-abr-2019. [Conectados]. Disponível: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Acesso em: 04-dez-2020].

[9] "Amplificador operacional não inversor - O amplificador operacional não inversor", Tutoriais de eletrônica básica, 06-Nov-2020. [Conectados]. Disponível: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Acesso em: 04-dez-2020].

[10] E. Sengpiel, "Cálculo: Amplificação (ganho) e amortecimento (perda) como fator (proporção) para o nível em decibéis (dB)", calculadora de dB para ganho de amplificação e fator de amortecimento (perda) de um cálculo de amplificador de áudio relação decibel dB - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [Conectados]. Disponível: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Acesso em: 04-dez-2020].

[11] “Filtro passa-baixas - Tutorial do filtro RC passivo,” Tutoriais sobre eletrônica básica, 01-maio-2020. [Conectados]. Disponível: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.html. [Acesso em: 04-dez-2020].

[12] O. H. Instructables, "Super Simple Electrocardiogram (ECG) Circuit", Instructables, 02-abril-2018. [Conectados]. Disponível: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Acesso em: 04-dez-2020].

[13] Brent Cornell, "Eletrocardiografia", BioNinja. [Conectados]. Disponível: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Acesso em: 04-dez-2020].