Simulador de circuito de ECG automatizado: 4 etapas

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

Um eletrocardiograma (ECG) é uma técnica poderosa usada para medir a atividade elétrica do coração de um paciente. A forma única desses potenciais elétricos difere dependendo da localização dos eletrodos de registro e tem sido usada para detectar muitas condições. Com a detecção precoce de uma variedade de doenças cardíacas, os médicos podem fornecer a seus pacientes uma infinidade de recomendações que tratam de sua situação. Esta máquina é composta por três componentes principais: um amplificador de instrumentação seguido por um filtro notch e um filtro passa-banda. O objetivo dessas partes é amplificar os sinais de entrada, remover sinais indesejados e passar todos os sinais biológicos relevantes. A análise do sistema resultante provou que o eletrocardiograma, conforme o esperado, realiza suas tarefas desejadas para produzir um sinal de ECG utilizável, demonstrando sua utilidade para detectar doenças cardíacas.

Suprimentos:

• Software LTSpice
• Arquivos de sinal de ECG

Etapa 1: amplificador de instrumentação

O amplificador de instrumentação, às vezes abreviado INA, é usado para amplificar os sinais biológicos de baixo nível observados do paciente. Um INA típico consiste em três amplificadores operacionais (Op Amps). Dois Op Amps devem estar na configuração não inversora e o último Op Amp na configuração diferencial. Sete resistores são usados junto com os amplificadores operacionais para nos permitir variar o ganho mudando os tamanhos dos valores dos resistores. Dos resistores, existem três pares e um tamanho individual.

Para este projeto, usarei um ganho de 1000 para amplificar os sinais. Vou então escolher os valores arbitrários de R2, R3 e R4 (é mais fácil se R3 e R4 forem equivalentes em tamanho, porque eles se cancelariam em 1, abrindo caminho para cálculos mais fáceis). A partir daqui, posso resolver para R1 ter todos os tamanhos de componentes necessários.

Ganho = (1 + 2R2 / R1) * (R4 / R3)

Usando a equação de ganho acima e os valores R2 = 50kΩ e R3 = R4 = 10kΩ, obtemos R1 = 100Ω.

Para verificar se o ganho é de fato 1000, podemos executar o circuito com uma função de varredura.ac e observar onde ocorre o platô. Nesse caso, é 60 dB. Usando a equação abaixo, podemos converter o dB em Vout / Vin adimensional, que acaba sendo 1000, como esperado.

Ganho, dB = 20 * log (Vout / Vin)

Etapa 2: Filtro de entalhe

O próximo componente a ser projetado é o filtro de entalhe. O valor dos componentes para este filtro depende muito da frequência que você deseja cortar. Para este projeto, queremos cortar a frequência de 60 Hz (fc) que é liberada pela instrumentação médica.

Um filtro de entalhe duplo t pode ser usado neste projeto para garantir que apenas o desejado seja cortado e que não atenuemos acidentalmente as frequências biológicas desejadas perto da marca de 60 Hz. Os valores dos componentes foram encontrados selecionando valores arbitrários do resistor, dos quais escolhi usar 2kΩ para o filtro passa-baixo (T superior) e 1kΩ para o filtro passa-alto (T inferior). Usando a equação abaixo, resolvi os valores necessários do capacitor.

fc = 1 / (4 * pi * R * C)

O gráfico de Bode foi encontrado mais uma vez usando a função de varredura.ac que o LTSpice oferece.

Etapa 3: Filtro Passa-Banda

O componente final do sistema de ECG automatizado é necessário para passar as frequências biológicas, pois é nisso que estamos interessados. O sinal típico de ECG ocorre entre 0,5 Hz e 150 Hz (fc), portanto, dois filtros poderiam ser utilizados; um filtro passa-banda ou um filtro passa-baixo. Nesse projeto, um filtro passa-banda foi usado por ser um pouco mais preciso do que o passa-baixo, embora esse ainda funcionasse, já que as frequências biológicas geralmente não têm frequências altas de qualquer maneira.

Um filtro passa-banda contém duas partes: um filtro passa-alta e um filtro passa-baixa. O filtro passa-altas vem antes do Op Amp e o passa-baixas vem depois. Lembre-se de que há uma variedade de designs de filtro passa-banda que podem ser usados.

fc = 1 / (2 * pi * R * C)

Mais uma vez, valores arbitrários devem ser escolhidos para encontrar os valores exigidos de outras partes. No último filtro, escolhi valores de resistores arbitrários e resolvi para os valores do capacitor. Para demonstrar que não importa com qual você comece, agora irei escolher valores arbitrários de capacitores para resolver os valores do resistor. Neste caso, escolhi um valor de capacitor de 1uF. Usando a equação acima, eu uso uma frequência de corte por vez para resolver o respectivo resistor. Para simplificar, usarei o mesmo valor de capacitor para as partes passa-alta e passa-baixa para o filtro passa-banda. O 0,5 Hz será usado para resolver o resistor de passagem alta e a frequência de corte de 150 Hz é usada para encontrar o resistor de passagem baixa.

Um gráfico de Bode pode ser usado mais uma vez para ver se o projeto do circuito funcionou de forma adequada.

Etapa 4: Sistema completo

Depois que cada componente foi verificado para funcionar por conta própria, as peças podem ser combinadas em um sistema. Usando dados de ECG importados e a função PWL no gerador de fonte de tensão, você pode executar simulações para garantir que o sistema amplifique e passe adequadamente as frequências biológicas desejadas.

A captura de tela do gráfico superior é um exemplo de como os dados de saída se parecem usando uma função.tran e a captura de tela do gráfico inferior é o respectivo gráfico de bode usando a função.ac.

Dados de ECG de entrada diferentes podem ser baixados (dois arquivos de entrada de ECG diferentes foram adicionados a esta página) e trazidos para a função para testar o sistema em pacientes modelados diferentes.