Circuito de ECG simulado: 7 etapas

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

Um eletrocardiograma é um teste comum usado em exames padrão e diagnósticos de doenças graves. Este dispositivo, conhecido como ECG, mede os sinais elétricos dentro do corpo responsáveis por regular os batimentos cardíacos. O teste é administrado aplicando eletrodos na pele do sujeito e observando a saída, que assume a forma de onda de ECG conhecida mostrada. Essa forma de onda contém uma onda P, um complexo QRS e uma onda T, cada uma representando uma resposta fisiológica. Este guia percorrerá as etapas de simulação de um ECG em um software de simulação de circuito.

Suprimentos:

LTSpice ou simulador de circuito semelhante

Etapa 1: construir um amplificador de instrumentação

O objetivo de um amplificador de instrumentação é amplificar um sinal muito pequeno que geralmente é cercado por altos níveis de ruído. A voltagem do sinal de entrada em um EMG é normalmente entre 1 mV a 5 mV e o objetivo deste estágio é amplificar esse sinal com um ganho de aproximadamente 1000. Mostrado no esquema, o ganho pode ser controlado pela seguinte equação onde R1 = R2, R4 = R5 e R6 = R7:

Ganho = K1 * K2, onde K1 = K2

K1 = 1 + (2R1 / R3)

K2 = -R6 / R4

O ganho, portanto, foi definido igual a 1000, então K1 e K2 são aproximadamente 31,6. Alguns resistores podem ser escolhidos arbitrariamente e outros calculados, desde que a equação de ganho seja igual a 1000. Em um circuito físico, os eletrodos iriam para os amplificadores operacionais, mas para fins de simulação, um é aterrado e o outro é usado para significar a diferença potencial. O nó Vin será usado para simular ondas de entrada posteriormente. O nó Vout leva ao próximo estágio do ECG. Um amplificador operacional LTC1151 foi escolhido porque está localizado na biblioteca LTSpice, tem um alto CMRR e foi usado em instrumentação médica. Qualquer amplificador operacional básico com tensão de alimentação de + 15 V e -15 V funcionaria neste sistema.

Etapa 2: construir um filtro de entalhe

O próximo estágio do ECG é um filtro de entalhe para filtrar a interferência da linha de energia que ocorre a uma frequência de 60 Hz. Um filtro notch funciona removendo uma pequena faixa de sinais que ocorrem muito perto de uma frequência singular. Portanto, usando uma frequência de corte de 60 Hz e a equação da frequência de corte, resistores e capacitores apropriados podem ser escolhidos. Usando o esquema acima e observando que C = C1 = C2, C3 = 2 * C1, R = R10 e R8 = R9 = 2 * R10, os valores do capacitor podem ser escolhidos arbitrariamente (O exemplo mostra um capacitor de 1uF escolhido). Usando a seguinte equação, os valores apropriados do resistor podem ser calculados e usados neste estágio:

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

O nó Vin é a saída do amplificador de instrumentação e o nó Vout leva ao próximo estágio.

Etapa 3: construir um filtro passa-banda

O último estágio do sistema consiste em um filtro passa-banda ativo para remover o ruído acima e abaixo de uma determinada faixa de frequências. A oscilação da linha de base, causada pela variação da linha de base do sinal com o tempo, ocorre abaixo de 0,6 Hz e o ruído EMG, causado pela presença de ruído muscular, ocorre em frequências acima de 100 Hz. Portanto, esses números são definidos como frequências de corte. O filtro passa-banda consiste em um filtro passa-baixa seguido por um filtro passa-alta. No entanto, ambos os filtros têm a mesma frequência de corte:

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

Usando 1uF como um valor arbitrário do capacitor e 0,6 e 100 como as frequências de corte, os valores do resistor foram calculados para as porções apropriadas do filtro. O nó Vin vem da saída do filtro de entalhe e o nó Vout é onde a saída simulada do sistema completo será medida. Em um sistema físico, essa saída seria conectada a um osciloscópio ou dispositivo de exibição semelhante para visualizar as ondas de ECG em tempo real.

Etapa 4: teste o amplificador de instrumentação

Em seguida, o amplificador de instrumentação será testado para garantir que ele forneça um ganho de 1000. Para fazer isso, insira uma onda senoidal em uma frequência e amplitude arbitrárias. Este exemplo usou um pico de 2mV a amplitude de pico para representar uma onda EMG e uma frequência de 1000 Hz. Simule o amplificador de instrumentação no software de simulação de circuito e plote as formas de onda de entrada e saída. Usando uma função de cursor, registre as magnitudes de entrada e saída e calcule o ganho por Ganho = Vout / Vin. Se este ganho for de aproximadamente 1000, este estágio está funcionando corretamente. Uma análise estatística adicional pode ser realizada neste estágio, levando em consideração as tolerâncias do resistor e modificando os valores do resistor em + 5% e -5% para ver como isso afeta a onda de saída e o ganho subsequente.

Etapa 5: Teste o Filtro Notch

Teste o filtro de entalhe executando uma varredura CA de uma faixa que contém 60 Hz. Neste exemplo, a varredura foi executada de 1 Hz a 200 Hz. O gráfico resultante, quando medido no nó Vout, produzirá um gráfico de amplificação em dB vs. frequência em Hz. O gráfico deve começar e terminar com uma amplificação de 0 dB em frequências distantes de 60 Hz em ambas as direções e uma grande queda na amplificação deve aparecer em ou muito perto de 60 Hz. Isso mostra que os sinais que ocorrem nesta frequência estão sendo removidos adequadamente do sinal desejado. A análise estatística adicional pode ser realizada neste estágio, levando em consideração as tolerâncias do resistor e modificando os valores do resistor e do capacitor em + 5% e -5% para ver como isso afeta a frequência de corte experimental (a frequência que experimenta a maior atenuação graficamente).

Etapa 6: Teste o filtro passa-banda

Por último, teste o filtro passa-banda executando outra análise de varredura CA. Desta vez, a varredura deve ser de uma frequência menor que 0,6 e maior que 100 para garantir que a passagem de banda possa ser vista graficamente. Mais uma vez, execute a análise medindo no nó Vout mostrado no esquema. A saída deve ser semelhante à figura acima, onde a amplificação é negativa quanto mais distante da faixa de 0,6-100Hz. Os pontos em que a amplificação é -3dB devem ser de 0,6 e 100 Hz, ou valores muito próximos aos do primeiro e segundo pontos, respectivamente. Os pontos de -3dB significam quando um sinal é atenuado até o ponto em que a saída nessas frequências será a metade da potência original. Portanto, os pontos de -3dB são usados para analisar a atenuação de sinais para filtros. Se os pontos de -3dB no gráfico de saída corresponderem à faixa de passagem de banda, o palco está funcionando corretamente.

Uma análise estatística adicional pode ser realizada neste estágio levando em consideração as tolerâncias do resistor e modificando os valores do resistor e do capacitor em + 5% e -5% para ver como isso afeta ambas as frequências de corte experimentais.

Etapa 7: reunir todo o sistema de ECG

Finalmente, quando todos os três estágios estiverem funcionando corretamente, coloque todos os três estágios do ECG juntos e o resultado final estará pronto. Uma onda de ECG simulada pode ser inserida no estágio do amplificador de instrumentação e a onda de saída deve ser uma onda de ECG amplificada.