ECG e monitor de frequência cardíaca: 7 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

AVISO: Este não é um dispositivo médico. Isso é para fins educacionais, usando apenas sinais simulados. Se estiver usando este circuito para medições reais de ECG, certifique-se de que o circuito e as conexões do circuito ao instrumento estejam utilizando técnicas de isolamento adequadas.

Uma das ferramentas de diagnóstico mais importantes usadas para detectar essas condições é o eletrocardiograma (ECG). Um eletrocardiograma funciona rastreando o impulso elétrico através do coração e transmitindo-o de volta para a máquina [1]. O sinal é captado por eletrodos colocados no corpo. A colocação dos eletrodos é crucial para captar os sinais fisiológicos, pois eles funcionam registrando a diferença de potencial em todo o corpo. A colocação padrão dos eletrodos é usar o Triângulo de Einthoven. É onde um eletrodo é colocado no braço direito, braço esquerdo e perna esquerda. A perna esquerda atua como um aterramento para os eletrodos e capta o ruído de frequência no corpo. O braço direito tem um eletrodo negativo e o esquerdo tem um eletrodo positivo para calcular a diferença de potencial no tórax e, portanto, captar a energia elétrica do coração [2]. O objetivo deste projeto era criar um dispositivo que pudesse adquirir um sinal de ECG e reproduzir claramente o sinal sem ruído e com a adição de uma medição de freqüência cardíaca.

Etapa 1: Materiais e Ferramentas

• Vários resistores e capacitores
• Tábua de pão
• Gerador de funções
• Osciloscópio
• Fonte de alimentação DC
• Op-amps
• Computador com LABView instalado
• Cabos BNC
• Assistente DAQ

Etapa 2: construir amplificador de instrumentação

Para amplificar adequadamente o sinal bioelétrico, o ganho geral do amplificador de instrumentação de dois estágios deve ser 1000. Cada estágio é multiplicado para obter o ganho geral e as equações usadas para calcular os estágios individuais são mostradas abaixo.

Ganho do Estágio 1: K1 = 1 + 2 * R2 / R1 Ganho do Estágio 2: K2 = -R4 / R3

Usando as equações acima, os valores do resistor que utilizamos foram R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ e R4 = 33kΩ. Para garantir que esses valores forneçam a saída desejada, você pode simular online ou pode testá-lo usando um osciloscópio após construir o amplificador físico.

Depois de conectar os resistores selecionados e os amplificadores operacionais na placa de ensaio, você precisará alimentar os amplificadores operacionais de ± 15 V a partir de uma fonte de alimentação DC. Em seguida, conecte o gerador de função à entrada do amplificador de instrumentação e o osciloscópio à saída.

A foto acima mostra que o amplificador de instrumentação completo ficará parecido com o breadboard. Para verificar se está funcionando corretamente, configure o gerador de função para produzir uma onda senoidal em 1kHz com uma amplitude de pico a pico de 20 mV. A saída do amplificador no osciloscópio deve ter uma amplitude pico a pico de 20 V, já que há um ganho de 1000, se estiver funcionando corretamente.

Etapa 3: Construir Filtro Notch

Devido ao ruído da linha de alimentação, foi necessário um filtro para filtrar o ruído a 60 Hz, que é o ruído da linha de alimentação nos Estados Unidos. Um filtro de entalhe foi usado, uma vez que filtra uma frequência específica. As seguintes equações foram usadas para calcular os valores do resistor. Um fator qualitativo (Q) de 8 funcionou bem e os valores do capacitor de 0,1uF foram escolhidos para facilitar a construção. A frequência nas equações (representada como w) é a frequência de entalhe 60 Hz multiplicada por 2π.

R1 = 1 / (2QwC)

R2 = 2Q / (wC)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Usando as equações acima, os valores do resistor que utilizamos foram R1 = 1,5kΩ, R2 = 470kΩ e R3 = 1,5kΩ. Para garantir que esses valores forneçam a saída desejada, você pode simular online ou pode testá-lo usando um osciloscópio após construir o amplificador físico.

A imagem acima mostra a aparência do filtro de entalhe concluído no breadboard. A configuração para amplificadores operacionais é a mesma do amplificador de instrumentação e o gerador de função deve agora ser configurado para produzir uma onda senoidal em 1kHz com uma amplitude de pico a pico de 1V. Se você executar uma varredura CA, deverá ser capaz de verificar se as frequências em torno de 60 Hz são filtradas.

Etapa 4: construir um filtro passa-baixa

Para filtrar o ruído de alta frequência não relacionado ao ECG, foi criado um filtro passa-baixo com frequência de corte de 150 Hz.

R1 = 2 / (w [aC2 + sqrt (a2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4b * C1 * C2)

R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w ^ 2)

R3 = K (R1 + R2) / (K-1)

C1 <= C2 [a ^ 2 + 4b (K-1)] / 4b

R4 = K (R1 + R2)

Usando as equações acima, os valores do resistor que utilizamos foram R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0,01 µF e C2 = 0,068 µF. Os valores de R3 e R4 acabaram sendo zero, pois queríamos que o ganho, K, do filtro fosse zero, portanto, usamos fios em vez de resistores aqui na configuração física. Para garantir que esses valores forneçam a saída desejada, você pode simular online ou pode testá-lo usando um osciloscópio após construir o amplificador físico.

Para construir o filtro físico, conecte os resistores e capacitores escolhidos ao amplificador operacional, conforme mostrado no esquema. Ligue o amplificador operacional e conecte o gerador de função e o osciloscópio da mesma forma descrita nas etapas anteriores. Defina o gerador de função para produzir uma onda senoidal em 150 Hz e com uma amplitude pico a pico de cerca de 1 V. Como 150 Hz deve ser a frequência de corte, se o filtro estiver funcionando corretamente, a magnitude deve ser de 3 dB nesta frequência. Isso informará se o filtro está configurado corretamente.

Etapa 5: conectar todos os componentes juntos

Depois de construir cada componente e testá-los separadamente, eles podem ser todos conectados em série. Conecte o gerador de função à entrada do amplificador de instrumentação e, em seguida, conecte a saída daquele à entrada do filtro notch. Faça isso novamente conectando a saída do filtro de entalhe à entrada do filtro de passagem baixa. A saída do filtro passa-baixa deve então se conectar ao osciloscópio.

Etapa 6: Configure o LabVIEW

A forma de onda de batimento cardíaco ECG foi então capturada usando um assistente DAQ e LabView. Um assistente DAQ adquire sinais analógicos e define os parâmetros de amostragem. Conecte o assistente DAQ ao gerador de função emitindo um sinal cardíaco arb e ao computador com LabView. Configure o LabView de acordo com o esquema mostrado acima. O assistente DAQ trará a onda cardíaca do gerador de função. Adicione também o gráfico de forma de onda à configuração do LabView para visualizar o gráfico. Use operadores numéricos para definir um limite para o valor máximo. No esquema mostrado foi utilizado 80%. A análise de pico também deve ser usada para encontrar locais de pico e vinculá-los à mudança no tempo. Multiplique a frequência de pico por 60 para calcular os batimentos por minuto e esse número foi exibido ao lado do gráfico.

Etapa 7: Agora você pode gravar um ECG

[1] “Eletrocardiograma - Texas Heart Institute Heart Information Center.” [Conectados]. Disponível: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Acesso em: 09-dez-2017].

[2] “The ECG Leads, Polarity and Einthoven’s Triangle - The Student Physiologist.” [Conectados]. Disponível: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Acesso em: 10-dez-2017].