Aquisição e análise de um sinal de ECG (eletrocardiografia)

Os eletrocardiógrafos registram a atividade cardíaca do coração e são usados para diagnosticar doenças, detectar anormalidades e aprender sobre a função cardíaca geral. Os sinais elétricos são produzidos por contrações nas paredes do coração que impulsionam correntes elétricas e criam diferentes potenciais em todo o corpo. Ao colocar eletrodos na pele, pode-se detectar e registrar essa atividade elétrica em um ECG. Os ECGs não são invasivos, tornando-os uma ferramenta útil para avaliar o desempenho do coração de um paciente, como medir o fluxo sanguíneo para o órgão.

Este vídeo ilustrará os princípios dos ECGs e demonstrará como adquirir, processar e analisar um sinal de ECG típico usando um amplificador de biopotencial. Outras aplicações biomédicas que utilizam processamento de sinal elétrico para diagnosticar doenças também serão discutidas.

Para entender os princípios de um ECG, vamos primeiro entender como o coração produz sinais elétricos. Para um coração normal e saudável, em repouso, um ECG exibe uma série de ondas que refletem as diferentes fases de um batimento cardíaco. O ECG começa no nó sinoatrial, também conhecido como nó SA, que está localizado no átrio direito e atua como um marcapasso no coração. Os sinais elétricos causam contração atrial, forçando o sangue para os ventrículos. Essa sequência é registrada como a onda P no ECG. Esse sinal então passa dos átrios pelos ventrículos, fazendo com que eles se contraiam e bombeiem sangue para o resto do corpo. Isso é registrado como o complexo QRS.

Finalmente, os ventrículos relaxam e isso é registrado como a onda T. O processo então começa novamente e é repetido a cada batimento cardíaco. Observe que a onda QRS é muito maior que a onda P, isso ocorre porque os ventrículos são maiores que os átrios. O que significa que eles mascaram o relaxamento dos átrios ou da onda T. Outros processos no corpo, como respiração ou contrações musculares, podem interferir na medição do ECG. Assim como as correntes dos circuitos usados para obtê-los. Freqüentemente, os sinais elétricos que o ECG está tentando registrar são bastante fracos. Portanto, um amplificador de biopotencial é usado para aumentar sua amplitude, o que permite que eles sejam processados e gravados.

Existem três componentes principais para o amplificador de biopotencial, o estágio de proteção do paciente, o amplificador de instrumentação e o filtro passa-altas. Como o principal sugere, o circuito de proteção do paciente usa uma combinação de resistores e diodos para proteger, tanto o paciente quanto a máquina e o equipamento. Os resistores limitam a corrente que flui através do paciente, enquanto os diodos mantêm a corrente fluindo na direção correta.

A próxima etapa é o amplificador de instrumentação, que amplifica a diferença entre as entradas de cada eletrodo. É composto por três amplificadores operacionais. Dois para aumentar a resistência de cada entrada e o terceiro para amplificar a diferença entre os sinais de entrada.

O último estágio é o filtro passa-altas, que reduz o ruído e filtra os sinais de baixa frequência decorrentes do movimento ou da respiração do paciente. Agora que você sabe como um ECG é medido, vamos ver como construir um amplificador de biopotencial e processar os dados para obter um sinal de ECG limpo.

Tendo revisado os principais princípios da eletrocardiografia, vamos ver como construir um amplificador de biopotencial e adquirir um sinal de ECG. Para começar, primeiro reúna uma proto-placa, um amplificador de instrumentação AD-620 e todos os componentes de circuito necessários. Em seguida, calcule os valores de todos os resistores e capacitores no circuito usando a seguinte equação.

Para o filtro passa-altas, a frequência de corte deve ser de 0.5 hertz.

Em seguida, conecte o valor do capacitor para determinar a resistência. Em seguida, construa um amplificador de biopotencial de acordo com o diagrama fornecido. Aqui está como deve ser o circuito final. Conecte três fios com garras jacaré aos postes de ligação de uma fonte de alimentação CC e, em seguida, ligue a fonte de alimentação. Ajuste a tensão para mais cinco volts e menos cinco volts e conecte os fios, em série, ao circuito.

Agora, use uma almofada de preparação de álcool para limpar o pulso direito, o pulso esquerdo e o tornozelo direito do paciente. Adicione gel adesivo condutor aos eletrodos antes de colocá-los no paciente. Em seguida, conecte os eletrodos ao circuito usando fios com garras jacaré. Ligue o osciloscópio e adquira o sinal de ECG. Ajuste as escalas horizontal e vertical conforme necessário. Com esses ajustes, você poderá ver o pico R da forma de onda.

Conecte o circuito ao chassi PXI, abra o software de instrumentação e, use ou escreva um programa que exibirá o sinal de ECG e um gráfico de forma de onda.

Configure a interface de aquisição de dados com as configurações a seguir. Rotule a escala do eixo x para exibir o tempo e os segundos e, em seguida, exiba o sinal de ECG como uma forma de onda. Se o sinal precisar ser amplificado, crie um controle de ganho e defina-o para que a amplitude do ECG seja de dois VP.

Agora que demonstramos como adquirir um sinal de ECG, vamos ver como analisar os resultados. Aqui está um sinal de ECG representativo. As ondas P, QRS e T são quase imperceptíveis porque são obscurecidas por ruídos e flutuações. Este sinal precisa ser filtrado. Para transformar esse sinal, primeiro selecione Processamento de sinal e depois Espectral no menu. Um algoritmo de Transformada Rápida de Fourier calcula e plota o espectro do sinal exibindo a frequência como valores discretos no eixo horizontal. A maior parte da energia no sinal está em baixas frequências.

Mas, há um pico de alta intensidade na faixa de frequência média, que é assumido como ruído. A frequência é plotada como k no eixo horizontal e vai de zero a N menos um sobre dois, onde N é o comprimento da sequência. Para este experimento, N é igual a 2.000. Calcule a frequência analógica para cada valor k usando a seguinte equação, onde f s é a frequência de amostragem e determine a frequência do pico de alta intensidade com base no gráfico FFT.

Em seguida, crie um filtro passa-baixo com uma frequência de corte de 100 hertz. Use, ou seja, a função Butterworth ou Chebyshev para filtrar o sinal, o que deve atenuar pelo menos 60 decibéis por década na banda de parada. Conecte o sinal de saída do sub VI de dados à entrada do filtro passa-baixo. Este filtro remove as ondas estranhas de alta frequência do ECG. Agora, crie um filtro Bandstop e defina as frequências de corte em torno de 55 e 70 hertz.

Para remover o sinal ruidoso, cerca de 60 hertz. Em seguida, conecte a saída do filtro passa-baixo à entrada do filtro Bandstop. Experimente frequências de borda próximas a 60 hertz. Isso reduzirá a interferência sem afetar outras frequências. O sinal de ECG agora deve ser claro com complexos P, QRS e T distintos.

Agora, vamos determinar a frequência cardíaca usando o sinal de ECG filtrado. Primeiro, use o detector de pico sub VI para encontrar os picos do sinal. Escolha o valor mais apropriado com base na amplitude dos sinais da onda R para o limite. Em seguida, use o Index Array sub VI para determinar a localização dos picos.

Subtraia a posição de pico inferior da posição superior e, em seguida, multiplique esse valor pelo período de amostragem, T, que é igual a um sobre f s. Este valor é o período de tempo entre duas ondas R. Ajuste as unidades para determinar as batidas por minuto.

Nesta demonstração, a frequência cardíaca medida foi de aproximadamente 60 batimentos por minuto.

O ECG e o processamento de sinais têm aplicações importantes tanto na medicina quanto na pesquisa. Além de não serem invasivos, os ECGs são relativamente baratos. Tornando-o uma ferramenta útil e acessível em hospitais. Os ECGs podem até ser adaptados para monitoramento mais complexo e de longo prazo de pacientes que estão sendo tratados para Síndrome Coronariana Aguda.

Para isso, são utilizadas 12 derivações de ECG, que podem identificar isquemia miocárdica transitória em pacientes assintomáticos. A amostragem e o processamento de sinais também são usados na eletroencefalografia para medir sinais elétricos do cérebro. Os EEGs são comumente usados em conjunto com a ressonância magnética funcional como uma técnica de imagem multimodal.

O método gera mapas corticais da atividade cerebral de forma não invasiva para muitas aplicações de neuroimagem, como após a ativação visual ou motora.

Você acabou de assistir à introdução de Jove à aquisição e análise de sinais de ECG. Agora você deve entender como um sinal de ECG é produzido e como criar um amplificador de biopotencial para detectar sinais elétricos fracos. Você também viu algumas aplicações biomédicas do processamento de sinais para diagnóstico médico.

Obrigado por assistir.