Modelagem de sinal de ECG em LTspice: 7 etapas

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

Um ECG é um método muito comum para medir sinais elétricos que ocorrem no coração. A ideia geral desse procedimento é encontrar problemas cardíacos, como arritmias, doença arterial coronariana ou ataques cardíacos. Pode ser necessário se o paciente estiver apresentando sintomas como dor no peito, dificuldade para respirar ou batimentos cardíacos irregulares, chamados de palpitações, mas também pode ser usado para garantir que os marcapassos e outros dispositivos implantáveis estejam funcionando corretamente. Dados da Organização Mundial de Saúde mostram que as doenças cardiovasculares são as maiores causas de morte no mundo; essas doenças matam aproximadamente 18 milhões de pessoas a cada ano. Portanto, dispositivos que podem monitorar ou descobrir essas doenças são extremamente importantes, por isso o ECG foi desenvolvido. O ECG é um teste médico totalmente não invasivo que não oferece risco ao paciente, exceto por um pequeno desconforto quando os eletrodos são removidos.

O dispositivo completo descrito neste instrutível consistirá em vários componentes para manipular o sinal de ECG ruidoso para que os resultados ideais possam ser obtidos. Os registros de ECG ocorrem em tensões tipicamente baixas, portanto, esses sinais devem ser amplificados antes que a análise possa ocorrer, neste caso com um amplificador de instrumentação. Além disso, o ruído é muito proeminente nas gravações de ECG, portanto, a filtragem deve ocorrer para limpar esses sinais. Essa interferência pode vir de uma variedade de lugares, portanto, abordagens diferentes precisam ser adotadas para remover ruídos específicos. Os sinais fisiológicos ocorrem apenas em uma faixa típica, portanto, um filtro passa-banda é usado para remover quaisquer frequências fora dessa faixa. Um ruído comum em um sinal de ECG é chamado de interferência da linha de energia, que ocorre a aproximadamente 60 Hz e é removido com um filtro de entalhe. Esses três componentes funcionam simultaneamente para limpar um sinal de ECG e permitir uma interpretação e diagnósticos mais fáceis e serão modelados no LTspice para testar sua eficácia.

Etapa 1: Construindo o Amplificador de Instrumentação (INA)

O primeiro componente do dispositivo completo foi um amplificador de instrumentação (INA), que pode medir pequenos sinais encontrados em ambientes ruidosos. Nesse caso, um INA foi feito com um ganho alto (cerca de 1.000) para permitir resultados ideais. Um esquema do INA com seus respectivos valores de resistor é mostrado. O ganho deste INA pode ser calculado teoricamente para confirmar que a configuração foi válida e que os valores do resistor foram apropriados. A equação (1) mostra a equação usada para calcular que o ganho teórico foi 1, 000, onde R1 = R3, R4 = R5 e R6 = R7.

Equação (1): Ganho = (1 + (2R1 / R2)) * (R6 / R4)

Etapa 2: construir o filtro passa-banda

Uma fonte principal de ruído inclui sinais elétricos que se propagam pelo corpo, portanto, o padrão da indústria é incluir um filtro passa-banda com frequências de corte de 0,5 Hz e 150 Hz para remover as distorções do ECG. Este filtro usa um filtro passa-alto e um filtro passa-baixo em série para eliminar os sinais fora desta faixa de frequência. O esquema deste filtro com seus respectivos valores de resistor e capacitor é mostrado. Os valores exatos dos resistores e capacitores foram encontrados usando a fórmula mostrada na Equação (2). Essa fórmula foi usada duas vezes, uma para a frequência de corte da passagem de alta de 0,5 Hz e outra para a frequência de corte da passagem de baixas de 150 Hz. Em cada caso, o valor do capacitor foi definido como 1 μF e o valor do resistor foi calculado.

Equação 2: R = 1 / (2 * pi * Frequência de corte * C)

Etapa 3: Construindo o Filtro Notch

Outra fonte comum de ruído associada ao ECG é causada por linhas de força e outros equipamentos eletrônicos, mas foi eliminada com um filtro de entalhe. Esta técnica de filtragem utilizou um filtro passa-alto e passa-baixo em paralelo para remover o ruído especificamente em 60 Hz. O esquema do filtro de entalhe com seus respectivos valores de resistor e capacitor é mostrado. Os valores exatos do resistor e do capacitor foram determinados de modo que R1 = R2 = 2R3 e C1 = 2C2 = 2C3. Em seguida, para garantir uma frequência de corte de 60 Hz, R1 foi definido como 1 kΩ e a Equação (3) foi usada para encontrar o valor de C1.

Equação 3: C = 1 / (4 * pi * Frequência de corte * R)

Etapa 4: Construindo o Sistema Completo

Por fim, todos os três componentes foram combinados e testados para garantir que todo o dispositivo funcione corretamente. Os valores específicos dos componentes não mudaram quando o sistema completo foi implementado e os parâmetros de simulação estão incluídos na Figura 4. Cada parte foi conectada em série uma à outra na seguinte ordem: INA, filtro passa-banda e filtro notch. Embora os filtros possam ser trocados, o INA deve permanecer como o primeiro componente, para que a amplificação possa ocorrer antes que qualquer filtragem ocorra.

Etapa 5: testando cada componente

Para testar a validade desse sistema, cada componente foi testado primeiro separadamente e, em seguida, todo o sistema foi testado. Para cada teste, o sinal de entrada foi definido para estar dentro de uma faixa típica de sinais fisiológicos (5 mV e 1 kHz), para que o sistema pudesse ser o mais preciso possível. Uma varredura AC e uma análise transiente foram concluídas para o INA, de modo que o ganho pudesse ser determinado usando dois métodos (Equações (4) e (5)). Os filtros foram testados usando uma varredura AC para garantir que as frequências de corte ocorram nos valores desejados.

Equação 4: Ganho = 10 ^ (dB / 20) Equação 5: Ganho = Tensão de Saída / Tensão de Entrada

A primeira imagem mostrada é a varredura CA do INA, a segunda e a terceira são a análise transiente do INA para as tensões de entrada e saída. A quarta é a varredura AC do filtro passa-banda e a quinta é a varredura AC do filtro notch.

Etapa 6: Testando o sistema completo

Finalmente, o sistema completo foi testado com uma varredura AC e análise transiente; entretanto, a entrada para este sistema era um sinal real de ECG. A primeira imagem acima mostra os resultados da varredura AC, enquanto a segunda mostra os resultados da análise transiente. Cada linha corresponde a uma medição feita após cada componente: verde - INA, filtro passa-banda azul e filtro de entalhe vermelho. A imagem final amplia uma onda de ECG específica para facilitar a análise.

Etapa 7: Reflexões Finais

No geral, este sistema foi projetado para receber um sinal de ECG, amplificá-lo e remover qualquer ruído indesejado para que possa ser facilmente interpretado. Para o sistema completo, um amplificador de instrumentação, um filtro passa-banda e um filtro de entalhe foram projetados com especificações particulares de design para atingir o objetivo. Depois de projetar esses componentes no LTspice, uma combinação de varredura AC e análises transientes foi conduzida para testar a validade de cada componente e de todo o sistema. Esses testes mostraram que o design geral do sistema era válido e que cada componente estava funcionando conforme o esperado.

No futuro, esse sistema pode ser convertido em um circuito físico para testar os dados de ECG ao vivo. Esses testes seriam a etapa final para determinar se o projeto é válido. Depois de concluído, o sistema pode ser adaptado para ser usado em vários ambientes de saúde e ser usado para ajudar os médicos a diagnosticar e tratar doenças cardíacas.