Aquisição e Análise de um Sinal ECG (eletrocardiografia)

O eletrocardiograma deve ser capaz de detectar não apenas sinais extremamente fracos que variam de 0,5 mV a 5,0 mV, mas também um componente DC de até ±300 mV (resultante do contato eletrodo-pele) e um componente de modo comum de até 1,5 V, o que resulta do potencial entre os eletrodos e o solo. A largura de banda útil de um sinal ECG depende do aplicativo e pode variar de 0,5-100 Hz, às vezes chegando a até 1 kHz. É geralmente em torno de 1 mV de pico ao pico na presença de ruído externo de alta frequência muito maior, interferência de 50 ou 60 Hz, e potencial de deslocamento de eletrodo DC. Outras fontes de ruído incluem movimento que afeta a interface pele-eletrodo, contrações musculares ou picos eletromiográficos, respiração (que pode ser rítmica ou esporádica), interferência eletromagnética (EMI) e ruído de outros dispositivos eletrônicos que acoplam à entrada.

Primeiro, um amplificador biopotencial será produzido para processar o ECG. Em seguida, eletrodos serão colocados no paciente para medir a diferença potencial entre dois braços. A principal função de um amplificador biopotencial é pegar um sinal elétrico fraco de origem biológica e aumentar sua amplitude para que possa ser processado, gravado ou exibido.

Figura 3. Amplificador ECG.

Para serem úteis biologicamente, todos os amplificadores biopotenciais devem atender a certos requisitos básicos:

• Eles devem ter alta impedância de entrada para que forneçam o carregamento mínimo do sinal sendo medido. Eletrodos biopotenciais podem ser afetados por sua carga, o que leva à distorção do sinal.
• O circuito de entrada de um amplificador biopotencial também deve fornecer proteção ao sujeito que está sendo estudado. O amplificador deve ter circuitos de isolamento e proteção para que a corrente através do circuito de eletrodos possa ser mantida em níveis seguros.
• O circuito de saída conduz a carga, que geralmente é um dispositivo de indicação ou gravação. Para obter fidelidade máxima e alcance na leitura, o amplificador deve ter baixa impedância de saída e ser capaz de fornecer a energia necessária pela carga.
• Os amplificadores biopotenciais devem operar no espectro de frequências no qual os biopotenciais que eles amplificam existem. Devido ao baixo nível desses sinais, é importante limitar a largura de banda do amplificador para obter a relação de sinal ideal para ruído. Isso pode ser feito usando filtros.

A Figura 3 é um exemplo de amplificador ECG, e a Figura 4 é o circuito do amplificador ECG que é construído durante esta demonstração. Possui três estágios principais: o circuito de proteção, o amplificador de instrumentação e o filtro de passagem alta.

Figura 4. Amplificador biopotencial.

O primeiro estágio é o circuito de proteção ao paciente. Um diodo é um dispositivo semicondutor que conduz a corrente em uma direção. Quando um diodo é tendencioso para a frente, o diodo age como um curto-circuito e conduz eletricidade. Quando um diodo é invertido, ele age como um circuito aberto e não conduz eletricidade, eu_r ≈ 0.

Quando os diodos estão na configuração com viés para a frente, há uma tensão conhecida como tensão limiar (VT = aproximadamente 0,7 V) que deve ser excedida para que o diodo conduza corrente. Uma vez que o VT tenha sido excedido, a queda de tensão através do diodo permanecerá constante em VT, independentemente do que V_está.

Quando o diodo for com viés reverso, o diodo agirá como em circuito aberto e a queda de tensão através do diodo será igual a V_em.

A Figura 5 é um exemplo de um circuito de proteção simples baseado em diodos que serão usados nesta demonstração. O resistor é usado para limitar a corrente que flui através do paciente. Se uma falha no amplificador de instrumentação ou diodos curto-circuitos da conexão do paciente com um dos trilhos de energia, a corrente seria inferior a 0,11 mA. Os diodos fDH333 de baixo vazamento são usados para proteger as entradas do amplificador de instrumentação. Sempre que a tensão no circuito exceder 0,8 V de magnitude, os diodos mudam para sua região ativa ou estado "ON"; a corrente flui através deles e protege tanto o paciente quanto os componentes eletrônicos.

Figura 5. Circuito de proteção.

O segundo estágio é o amplificador de instrumentação, IA, que utiliza três amplificadores operacionais (op-amp). Há um op-amp ligado a cada entrada para aumentar a resistência à entrada. O terceiro op-amp é um amplificador diferencial. Esta configuração tem a capacidade de rejeitar interferências referidas por terra e apenas amplificar a diferença entre os sinais de entrada.

Figura 6. Amplificador de instrumentação.

O terceiro estágio é o filtro de passagem alta, que é usado para amplificar uma pequena tensão CA que anda em cima de uma grande tensão DC. O ECG é afetado por sinais de baixa frequência que vêm do movimento e respiração do paciente. Um filtro de passagem alta reduz esse ruído.

Filtros de passagem alta podem ser realizados com circuitos RC de primeira ordem. A Figura 7 mostra um exemplo de um filtro de alta-passagem de primeira ordem e sua função de transferência. A frequência de corte é dada pela seguinte fórmula:

,
  

Figura 7. Filtro de passagem alta.

1. Aquisição de um sinal ECG

1. Ajuste a tensão das fontes para +5 V e -5 V e conecte-as em série.
2. Construa o circuito mostrado na Figura 4. Calcule os valores dos resistores e capacitores. Para o filtro de passagem alta, a frequência de corte deve ser de 0,5 Hz. O valor do capacitor deve ser escolhido na tabela abaixo (de acordo com a disponibilidade).

3. Coloque eletrodos no braço direito, braço esquerdo e perna direita (isto é referência) do paciente, e conecte-os ao circuito.
4. Use o osciloscópio para visualizar o sinal ECG (V_o). Pressione autoto e ajuste as escalas horizontais e verticais conforme necessário. Você deve ser capaz de ver os picos R apesar do barulho no sinal.

2. Exibindo o sinal ECG usando o software de instrumentação

1. Nesta demonstração usamos o LabVIEW. Escreva um programa que exibe o sinal ECG usando uma interface gráfica para configurar medições e um gráfico de forma de onda. Uma vez selecionada uma entrada analógica, configure o programa com as seguintes configurações:

• Faixa de entrada de sinal >> Max = 0,5; Min = -0,5
• Configuração do terminal >> RSE
• Modo de aquisição >> contínuo
• Amostras para ler = 2000
• Taxa amostral = 1000

2. Adquira o sinal ECG e observe a forma de onda. Você verá um sinal semelhante à Figura 1.
3. Ajuste a escala do eixo x para mostrar o tempo em segundos.
4. Muitas vezes é necessário na instrumentação amplificar o sinal de interesse para uma amplitude específica. Crie um controle de ganho e defina-o para que a amplitude do ECG seja de 2 Vp.

3. Analisando o sinal ECG

Nesta seção, um sinal ECG será filtrado e analisado para determinar a frequência cardíaca. O diagrama do bloco a seguir mostra os componentes do programa.

1. Use um gráfico de forma de onda para exibir o sinal.
2. Avalie o espectro do sinal usando o subvi amplitude e espectro de fase (em processamento de sinal → Espectral) e exiba sua magnitude usando um gráfico de forma de onda. O eixo horizontal corresponde à frequência. É discreto porque o computador usa um algoritmo Fast Fourier Transform (FFT) para calcular o espectro do sinal. A frequência vai de k = 0 a k = (N-1)/2, onde N é o comprimento da sequência, neste caso 4000. Para calcular a frequência analógica correspondente, use a seguinte fórmula:
   
   onde fs é a frequência de amostragem. Note que a maior parte da energia do sinal está na faixa de baixa frequência e também que há um pico de alta intensidade na faixa de média frequência. Calcule a frequência desse pico usando a fórmula fornecida acima.
3. Implemente um filtro de baixa passagem usando funções butterworth de Chebyshev. Escolha uma frequência de corte igual a 100 Hz. Certifique-se de que o filtro fornece uma atenuação de pelo menos -60 dB/década na banda de parada.
4. Conecte o sinal de saída da leitura do subvi da planilha à entrada do filtro de baixa passagem.
5. Implemente um filtro de banda parada usando funções Butterworth ou Chebyshev. O objetivo é reduzir a interferência de 60 Hz sem modificar as outras frequências. Experimente frequências fronteiriças perto de 60 Hz.
6. Conecte a saída do filtro lowpass à entrada do filtro stopband.
7. Encontre os picos usando o subvi detector de pico (ele está localizado no processamento de sinal → Operação Sig). Para o limiar, olhe para a amplitude do sinal e escolha o valor mais adequado.
8. Extrair os locais dos picos usando o subvi de matriz de índice (em Programming → Array).
9. Subtrair a posição inferior da posição mais alta, então, multiplique pelo período amostral T = 1/fs para obter o intervalo de RR.
10. Calcule as unidades recíprocas e ajuste e coloque um indicador para exibir o BPM.

Nesta demonstração, três eletrodos foram conectados a um indivíduo, e a saída passou por um amplificador biopotencial. Um gráfico de ECG de amostra antes da filtragem digital é mostrado abaixo(Figura 8).

Figura 8. Sinal ECG sem filtragem digital.

Depois de projetar os filtros e alimentar os dados para o algoritmo desenvolvido, os picos no gráfico foram detectados e usados para calcular a frequência de batimento cardíaco (BPM). A Figura 9 exibe os dados brutos como sinal ECG (antes de qualquer filtragem) no domínio de tempo e frequência. A Figura 10 mostra o resultado da filtragem desse sinal.

Figura 9. Sinal ECG antes de filtrar.

Figura 10. Sinal ECG filtrado.

O enredo original do ECG tinha complexos P, QRS e T ligeiramente visíveis que apresentavam muitas flutuações do ruído. O espectro do sinal ECG também mostrou um pico claro de 65 Hz, que se supõe ser ruído. Quando o sinal foi processado usando um filtro de baixa passagem para remover porções de alta frequência e, em seguida, um filtro de banda-stop para remover o componente de sinal de 65 Hz, a saída parecia significativamente mais limpa. O ECG mostra cada componente do sinal claramente com todo o ruído removido.

Além disso, a frequência cardíaca medida foi de aproximadamente 61,8609 batimentos por minuto.

A contração do músculo cardíaco durante o ciclo cardíaco produz correntes elétricas dentro do tórax. Quedas de tensão através do tecido resistivo são detectadas por eletrodos colocados na pele e registrados por um eletrocardiograma. Como a tensão é fraca, na faixa de 0,5 mV, e pequena em comparação com a magnitude do ruído, processamento e filtragem do sinal é necessário. Neste experimento, um dispositivo eletrocardiográfico composto por um circuito de processamento de sinal analógico e digital de duas partes foi projetado para analisar o sinal ECG resultante, e calcular a taxa de batimentos cardíacos.

Esta demonstração introduziu os fundamentos dos circuitos eletrônicos e filtragem de sinais de ECG. Aqui, técnicas práticas de processamento de sinais foram usadas para extrair um sinal fraco de um fundo barulhento. Essas técnicas podem ser usadas em outras aplicações semelhantes onde a amplificação do sinal e a redução de ruído são necessárias.

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