PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
CENTRO MULTIDISCIPLINAR DE CARAÚBAS
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA EXATAS, TECNOLÓGICAS E HUMANAS BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA
LETÍCIA AINOAN NUNES DE SOUSA
AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DO ELETROCARDIOGRAMA PARA AUXÍLIO AO DIAGNÓSTICO DE ARRITMIAS CARDÍACAS
CARAÚBAS – RN
2018
LETÍCIA AINOAN NUNES DE SOUSA
AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DO ELETROCARDIOGRAMA PARA AUXÍLIO AO DIAGNÓSTICO DE ARRITMIAS CARDÍACAS
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Departamento de Bacharelado em Ciências e Tecnologia da Universidade Federal Rural do Semiárido, como parte dos requisitos para obtenção do Título de Bacharel.
Orientador:
Prof. Dr. Francisco de Assis Brito Filho
CARAÚBAS- RN
2018
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S729a Sousa, Letícia Ainoan Nunes de .
Aquisição e processamento do eletrocardiograma para auxílio ao diagnóstico de Arritmias Cardíacas / Letícia Ainoan Nunes de Sousa. - 2018.
62 f. : il.
Orientador: Prof. Dr. Francisco de Assis Brito Filho .
Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Ciência e Tecnologia, 2018.
1. Eletrocardiograma. 2. Arritmia Cardíaca. . 3. Aquisição do biopotencial. 4. Processamento do biopontencial. I. , Prof. Dr. Francisco de Assis Brito Filho, orient. II. Título.
LETÍCIA AINOAN NUNES DE SOUSA
AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DO ELETROCARDIOGRAMA PARA AUXÍLIO AO DIAGNÓSTICO DE ARRITMIAS CARDÍACAS
Este trabalho de conclusão de curso foi julgado adequado para a obtenção do título de Bacharel e aprovado em sua forma final pelo Bacharelado em Ciências e Tecnologia da Universidade Federal Rural do Semi-Árido.
APROVADO EM 30/08/2018
Banca examinadora:
CARAÚBAS – RN
2018
À minha mãe Francisca Nunes Filha, por todo amor e ensinamentos de vida. Saudades!
(In Memorian)
AGRADECIMENTOS
A Deus, por me manter firme nos momentos mais difíceis e não me deixar esmorecer.
Aos meus pais Geraldo Antônio de Sousa e Francisca Nunes Filha (In Memorian), por todo esforço, amor, apoio, educação e por me ensinar que o conhecimento é minha maior riqueza. Em especial ao meu pai que acompanha e se esforça tanto para que eu possa concluir meus estudos.
A minha amada irmã Laryssa Débora, por ser a minha melhor amiga e por estar sempre comigo. Me apoiando, guiando e servindo de ‘porto seguro’ nos momentos difíceis. Ao meu amado irmão, Luiz Felipe, que mesmo ainda sendo um bebê, com sua pureza e essência me acalma nos momentos de aflição e me faz feliz.
Agradeço ao professor Dr. Francisco de Assis Brito Filho, por ser um excelente orientador, por toda paciência, assistência, todo incentivo e por acreditar no meu potencial para desenvolver esse projeto.
Aos meus amigos, Gleidson Leite e Tyrone, que foram essenciais no desenvolvimento desse trabalho. Disponibilizaram seu tempo e conhecimento para me ajudar. Serei eternamente grata.
Ao meu namorado Allan Daniel, por acreditar em mim, por todo o carinho, companheirismo e por estar sempre apostos a me ouvir e ajudar, você foi essencial nessa etapa da minha vida.
As minhas amigas, irmãs que a UFERSA me deu, Adna, Domilene, Gabriela, Jéssica, Jocélia, Larissa, Sara Joaquina e Renata. Por dividirem comigo seus sonhos, conquistas, vidas e a casa. Vocês foram e são muito importantes para o meu crescimento pessoal e profissional.
Aos meus primos, Aeferson, Anderson e Arthur. Por me apresentarem a UFERSA Caraúbas, por estarem presentes nessa caminhada e por todo amparo. Agradeço também a minha prima Alessandra, pelos conselhos, conversas, apoio e amizade.
Aos meus tios e tias, por serem pilar na construção do meu futuro. Minha gratidão por tudo que fazem por mim é enorme.
Agradeço aos meus amigos Diego, Yuri, Caio, Giovanini, Pepeu, Walkernandes, Breno, Gleidson, Otávio, Alyson e Enilson, por estarem junto comigo nesse percurso.
A todos os professores do curso de Ciência e Tecnologia, que foram tão importantes na minha vida acadêmica e no desenvolvimento deste trabalho. Ao professor Felipe, que foi tão solícito quando precisei de ajuda.
Enfim, a todos aqueles que me ajudaram na conclusão dessa etapa, meu muito obrigada!
RESUMO
Segundo dados da Sociedade Brasileira de Arritmias Cardíacas, mais de 200 milhões de brasileiros possuem algum tipo de arritmia cardíaca, doença responsável por mais de 300 mil óbitos por ano no país. Porém, é possível reverter este quadro, já que 90% desses casos poderiam ser evitados se diagnosticados a tempo. Diante disso, este trabalho se propõe a realizar a aquisição, à análise e o processamento do biopotencial cardíaco, o eletrocardiograma, de modo a auxiliar no diagnóstico de arritmias cardíacas. Foi desenvolvido um sistema de aquisição do eletrocardiograma, bem como, realizado o processamento dos seus dados a partir de um algoritmo implementado no software MATLAB, para determinar a frequência cardíaca, e com isto, auxiliar no diagnóstico de arritmias cardíacas. O sistema foi validado com a aquisição do eletrocardiograma de cinco voluntários, bem como, o seu processamento, com a determinação da frequência cardíaca, de acordo com o esperado.
PALAVRAS-CHAVE: Eletrocardiograma. Arritmia Cardíaca. Aquisição do biopotencial.
Processamento do biopontencial.
ABSTRACT
According to data from Brazilian Society of Cardiac Arrhythmias, more than 200 million Brazilians have some type of cardiac arrhythmia, a disease responsible for more than 300 thousand deaths per year in the country. However, it is possible to reverse this number, since 90% of these cases could be avoided with prior diagnosis.. Therefore, this work proposes to perform the acquisition, analysis and processing of electrocardiogram of cardiac biopotential, in order to assist in the diagnosis of cardiac arrhythmias. A system of acquisition of the eletrocardiograma was developed, as well as, carried through the processing of its data from an algorithm implemented in software MATLAB, to determine the cardiac frequency and with this to assist in the diagnosis of cardiac arrhythmias. The system was validated with the acquisition of the eletrocardiograma of five volunteers, as well as, its processing, with the determination of the cardiac frequency, in accordance with the waited one
KEY-WORDS: Electrocardiogram. Cardiac arrhythmia. Acquisition of biopotential.
Processing of biopontencial.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Anatomia funcional do coração ... 17
Figura 2 - Forma de onda nas diferentes células cardíacas ... 18
Figura 3 - Contribuição de cada onda para a formação do eletrocardiograma ... 19
Figura 4 - Onda P no Eletrocardiograma ... 20
Figura 5 - Complexo QRS no Eletrocardiograma ... 21
Figura 6 - Onda T no Eletrocardiograma... 22
Figura 7 - Eletrocardiograma Normal. ... 22
Figura 8 - Derivações Precordiais ... 23
Figura 9 - Derivações unipolares dos membros. ... 24
Figura 10 - Triângulo de Einthoven ... 25
Figura 11 - Eletrodos de Superfície de Placas Metálicas ... 27
Figura 12 - Configuração do Amplificador de Instrumentação. ... 29
Figura 13 - Tipos de Filtros ... 30
Figura 14 - Etapas de aquisição do Eletrocardiograma. ... 31
Figura 15 - Circuito esquemático de aquisição do ECG. ... 32
Figura 16 - Circuito esquemático do AD620... 32
Figura 17 - Topologia filtro passa-baixa Sallen Key de segunda ordem... 34
Figura 18 - Topologia do filtro passa-baixa Sallen Key utilizado. ... 34
Figura 19 - Frequência de corte do filtro passa-baixa Sallen Key utilizado... 35
Figura 20 - Filtro passa-alta. ... 35
Figura 21 - Amplificador não inversor utilizado. ... 37
Figura 22 - Esquemático do circuito de aquisição do ECG. ... 38
Figura 23 - Circuito de aquisição do ECG na protoboard. ... 38
Figura 24 - Circuito de aquisição do ECG. ... 39
Figura 25 - Circuito de aquisição do ECG na caixa de ABS. ... 39
Figura 26 - Fonte de alimentação KEITHLEY. ... 40
Figura 27 - Esquemático da Fonte simétrica com bateria. ... 41
Figura 28 - Circuito de aquisição com fonte simétrica na bateria. ... 41
Figura 29 - Osciloscópio utilizado na fase de testes de aquisição do ECG. ... 42
Figura 30 - Analog Discovery 2 da Digilent. ... 42
Figura 31 - Layout do osciloscópio do Analog Discovery 2. ... 43
Figura 32 - Posicionamento dos eletrodos na derivação DI ... 44
Figura 33 - Eletrodos descartáveis... 44
Figura 34 - Aquisição do Eletrocardiograma. ... 45
Figura 35 - Etapas de processamento do ECG. ... 45
Figura 36 - Fluxograma do algoritmo proposto para identificar picos R. ... 48
Figura 37 - Fluxograma do algoritmo proposto para determinação de arritmias. ... 49
Figura 38 - Instrmentos utilizados para aquisição do ECG. ... 50
Figura 39 - Sinal de ECG obtido na saída do circuito de Aquisição. ... 51
Figura 40 - Sinal do ECG dos indivíduos voluntários... 52
Figura 41 - Sinal do ECG no MATLAB. ... 53
Figura 42 - Interface do algoritmo da FC ... 54
Figura 43 - Frequência Cardíaca ... 55
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Frequência cardíaca dos Indivíduos ... 54
SIGLAS E SIMBOLOGIAS
3D 3 Dimensões
A Ampére
ABS
Copolímero de Acrilonitrila, Butadieno e Estireno.AC Alternating Current
AD2 Analog Discovery 2
AmpOp Amplificador Operacional
A-V Válvula Átrio Ventricular
BPM Batimentos por Minuto
CO
2Dióxido de Carbono
DC Direct Current
ECG Eletrocardiograma
EEG Eletroencefalograma
EMG
EletromiogramaEOG Eletro-oculograma
f
cFrequência de corte
FPA Filtro Passa-Alta
FPB Filtro Passa-Baixa
FPF Filtro Passa-Faixa
FRF Filtro Rejeita-Faixa
G Ganho
Hz Hertz
LIEB Laboratório de Instrumentação e Engenharia Biomédica
Na Sódio
Q Fator de Qualidade
RC RRMC
Ritmo Cardíaco
Razão Rejeição de modo Comum
S-A Nodo Sinoatrial
X
cReatância Capacitiva
Ω Ohm
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 13
1.1. OBJETIVOS ... 14
1.2. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 14
2. REFERENCIAL TEÓRICO ... 15
2.1. BIOPOTENCIAL ... 15
2.2. O CORAÇÃO ... 15
2.2.1. Anatomia Funcional do Coração ... 16
2.2.2. Atividade Elétrica ... 17
2.3. ELETROCARDIOGRAMA ... 18
2.3.1. Onda P ... 19
2.3.2. Complexo QRS ... 20
2.3.3. Onda T ... 21
2.3.4. Eletrocardiograma Normal ... 22
2.4. DERIVAÇÕES ... 23
2.5. O TRIÂNGULO DE EINTHOVEN ... 24
2.6. ARRITMIAS CARDÍACAS ... 25
2.6.1. Tipos de Arritmias ... 26
2.7. ELETRODOS ... 26
2.8. CIRCUITO DE AQUISIÇÃO DO ELETROCARDIOGRAMA ... 28
2.8.1. Amplificador de Instrumentação ... 28
2.8.2. Filtros ... 29
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 31
3.1. AQUISIÇÃO DO ECG ... 31
3.1.1. AD620 ... 32
3.1.2. Filtragem ... 33
3.1.3. Amplificação ... 36
3.1.4. Circuito de aquisição ... 38
3.1.5. Fonte de Alimentação ... 40
3.1.6. Osciloscópio ... 41
3.1.7. Analog Discovery 2 ... 42
3.2. TESTES DO ELETROCARDIOGRAMA (ECG) ... 43
3.2.1. Derivação DI. ... 43
3.2.2. Preparação do paciente ... 44
3.3. PROCESSAMENTO DO ECG ... 45
3.3.1. MATLAB ... 46
3.3.2. Algoritmo Proposto ... 46
4. RESULTADOS ... 50
4.1. AQUISIÇÃO DO ECG ... 50
4.1.1. Sinal do ECG ... 51
4.2. PROCESSAMENTO DO SINAL DE ECG ... 53
4.2.1. Algoritmo ... 53
5. CONCLUSÃO ... 56
REFERÊNCIAS ... 57
APÊNDICE ... 61
1. INTRODUÇÃO
O corpo humano emite sinais de diversas formas, porém apenas alguns podem ser detectados. Os mesmos variam de diferentes maneiras onde a energia envolvida nos sinais biológicos pode ser elétrica e não elétrica.
Os biopotenciais são muito importantes no diagnóstico de doenças, visto que é possível identificar as funções vitais do corpo humano, como atividades cerebrais e funcionamento do coração (VIANA, 2017).
Eletrocardiograma, também conhecido pela abreviatura ECG, é responsável pelo registro da atividade elétrica do coração. A partir dele é possível obter informações a respeito do seu estado e condição para estabelecer um parecer de certas doenças cardíacas (VIER, 2008).
O ECG é muito utilizado, pois fornece informações rápidas e seguras sobre o funcionamento do coração. A partir dele pode-se identificar cardiopatias, como arritmias, isquemias e distúrbios eletrolíticos que podem alterar a função do mesmo. Os eventos identificados no ECG, são ondas características que por meio da análise morfológica, amplitude e polaridade dos diferentes eventos, permite gerar um prognóstico a respeito das condições de normalidade do coração (TOMAZATI 2010).
Segundo Andries E, et al. (1995), uma das cardiopatias que pode ser diagnosticada pelo ECG é a arritmia cardíaca, que pode ser definida como a alteração da frequência, formação ou condução do impulso elétrico através do coração. A faixa de normalidade da frequência cardíaca é entre 50 e 100 batimentos por minuto (SBC, 2016). A partir desses dados é possível se fazer a análise de arritmias cardíacas através dos seus impulsos elétricos.
A tecnologia atual permite desenvolvimento da análise e processamento dos sinais
biológicos, proporcionansdo uma melhor qualidade de vida e segurança no diagnóstico de
doenças. Com isso, o objetivo deste trabalho é desenvolver um equipamento que efetue a
aquisição do um eletrocardiograma e realize o processamento de forma rápida e segura.
1.1. OBJETIVOS
O objetivo geral deste trabalho é realizar a análise dos sinais elétricos do miocárdio e o seu processamento, para auxílio ao diagnóstico de arritmias cardíacas.
Como objetivos específicos pode-se citar:
•
Compreender o funcionamento do eletrocardiograma;
•
Desenvolver um dispositivo de aquisição do sinal de ECG;
•
Aplicar as técnicas de processamento;
1.2. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Este capítulo apresenta uma breve introdução ao tema e os objetivos deste trabalho. O
capítulo 2 trata do referencial teórico a respeito dos biopotenciais, a anatomia funcional do
coração, as arritmias cardíacas e o funcionamento do eletrocardiograma. No capítulo 3, são
apresentados os materiais e métodos para desenvolvimento do projeto. O capítulo 4 reúne os
resultados obtidos a partir da aquisição do ECG e processamento do mesmo. Por fim, no
capítulo 5, encontra-se a conclusão do trabalho e proposta para trabalhos futuros.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1. BIOPOTENCIAL
O biopotencial é uma resultante dos processos bioquímicos entre células eletricamente excitáveis, que geram uma diferença de potencial que pode ser medida entre células vivas, tecidos e organismos (SILVA, 2014).
A análise dos biopotenciais é de extrema importância para o auxílio na detecção de doenças. A consecução do biosinal é feita por meio de uma diferença de potencial causada pela entrada e saída de íons na membrana celular, sendo em sua maioria, íons de potássio (K+) e de sódio (Na+). Essa diferença de potencial opera em pequenas amplitudes que variam de 10 μV a 10 mV (THAKOR, 2000).
Atribui-se duas características para a membrana celular: o potencial de repouso e o potencial de ação. Na membrana semipermeável há uma diferença de concentração iônica, podendo ser essa diferença caracterizada como um potencial de repouso da célula, já quando essa célula sofre um estímulo, diz-se que a membrana está em potencial de ação (THAKOR, 2000).
Os biopotenciais mais conhecidos e empregados na prática clínica são os relacionados ao coração, cérebro, músculos e olhos, dando origem aos registros conhecidos como Eletrocardiograma (ECG), Eletroencefalograma (EEG), Eletromiograma (EMG) e Eletrooculograma (EOG), respectivamente, que representam os sinais elétricos provenientes dos batimentos cardíacos, atividades cerebrais espontâneas, condução de estímulos na membrana celular que envolve o tecido muscular estriado e pelo movimento dos olhos (SILVA, 2014).
2.2. O CORAÇÃO
Segundo Bronzino (2000), o coração de um ser humano é um órgão muscular que apresenta a forma de um cone invertido e pesa cerca de 0,5% do peso total de um indivíduo.
Ocupa uma pequena região localizada entre a terceira e a sexta costela na porção central da
cavidade torácica do corpo apoiando-se no diafragma e na parte mais baixa dos dois pulmões e
possui uma inclinação, da base para o ápice, para o lado esquerdo do corpo e ligeiramente para frente.
2.2.1. Anatomia Funcional do Coração
O coração é um dos órgãos essenciais para o ser humano, o mesmo atua como uma bomba que se contrai e gera a pressão necessária para movimentar o sangue pelo corpo humano.
Para executar o ciclo sanguíneo, o coração apresenta duas cavidades, átrio e ventrículo, interligados por válvulas chamadas de válvulas atrioventriculares (A-V) (VIER, 2008).
Através da válvula tricúspide o átrio direito comunica-se com o ventrículo direito, já o átrio esquerdo, comunica-se com o ventrículo esquerdo através da válvula bicúspide ou mitral.
O papel das válvulas cardíacas é garantir que o sangue siga uma única direção, sempre dos átrios para os ventrículos (DUBIN,1999).
Segundo Vier (2008), as principais etapas do funcionamento do coração são:
•
Primeira Etapa – O sangue oxigenado no pulmão retorna para o átrio esquerdo pela veia pulmonar. Que flui do átrio esquerdo para o ventrículo esquerdo por meio da válvula mitral;
•
Segunda etapa – O sangue é ejetado do ventrículo esquerdo, atravessando a válvula aórtica;
•
Terceira Etapa – Ocorre o gasto cardíaco, onde o sangue é disseminado para os órgãos;
•
Quarta Etapa – O sangue que sai dos órgãos é o sangue venoso, que contem dióxido de carbono (CO2). A veia cava é responsável por levar este sangue até o lado direito do coração;
•
Quinta Etapa – O sangue venoso volta ao átrio direito;
•
Sexta Etapa – O sangue venoso vai do átrio direito para o ventrículo direito, passando pela válvula tricúspide;
•
Sétima Etapa – O sangue é ejetado pelo ventrículo direito para a artéria pulmonar;
•
Oitava Etapa – O fluxo sanguíneo dos pulmões retorna ao coração por meio das veias pulmonares iniciando o ciclo no átrio esquerdo.
A Figura 1 mostra a anatomia do coração, para a execução dessas etapas:
Figura 1 - Anatomia funcional do coração
Fonte: ARRAIS JUNIOR 2016.
2.2.2. Atividade Elétrica
O bombeamento de sangue, para suprir as necessidades do corpo, feito pelo coração é precedido por um estímulo elétrico. Consequentemente o Eletrocardiograma é um registro desses eventos elétricos, onde deve fluir uma corrente que apresente uma carga positiva e negativa. As cargas estão dentro e em volta das células cardíacas (THALER,1997).
Quando as fibras do músculo do coração se encontram em repouso ou relaxamento, estas levam a carga negativa no interior da célula e carga positiva no seu lado externo, este processo é chamado de polarização. A troca da carga negativa para a positiva denomina-se despolarização e seu efeito é a contração da fibra miocárdica. A célula retorna ao seu ponto inicial de repouso e este processo é chamado e repolarização. As propriedades fisiológicas das células do miocárdio permitem a ocorrência destes eventos que leva a contração do músculo cardíaco (VIER, 2008).
O processo de despolarização e repolarização seguem vias específicas dentro do
coração, conhecida como sistema de condução elétrica. O nodo sinoatrial (S-A) ou nódulo
sinusal é o local de origem do impulso elétrico, levando à despolarização dos átrios. O mesmo
está localizado no átrio direito, próximo a veia cava superior. O impulso elétrico se espalha
através do nodo atrioventricular (A-V) e do feixe de His para os ramos direito e esquerdo e para
os ventrículos através da rede de fibras de Perkinje, acarretando a despolarização ventricular (VIER, 2008). A Figura 2 mostra as diferentes formas de onda das células cardíacas.
Figura 2 - Forma de onda nas diferentes células cardíacas
Fonte: TOMAZATI. 2010
2.3. ELETROCARDIOGRAMA
O Eletrocardiograma (ECG) é um exame médico onde se faz o registro de toda atividade elétrica do coração. Atividade essa, que se propaga pelo músculo cardíaco e gera uma diferença de potencial, a qual é medida na superfície do corpo (SILVA. et al. 2015).
É bastante utilizado, pois é um exame que auxilia no diagnóstico de diversas anomalias rítmicas do coração e outras cardiopatias, além de ser um exame rápido, economicamente viável e não invasivo. (CHAVES e MOREIRA, 2001).
Cada onda da célula cardíaca contribui para a formação do sinal de eletrocardiograma, sendo que a maior contribuição se dá pelos músculos atriais e ventriculares por representar a maior parte do tecido do coração (TOMAZATI, 2010).
A Figura 3 representa o sinal de eletrocardiograma destacando as cinco ondas
características provenientes de cada célula do miocárdio.
Figura 3 - Contribuição de cada onda para a formação do eletrocardiograma
Fonte: ARRAIS JUNIOR 2016
A sequência de despolarização e repolarização dos átrios e ventrículos, durante o ciclo cardíaco, gera eventos característicos, que são identificados no ECG e denominados ondas P, Q, R, S e T.
2.3.1. Onda P
A onda P representa a despolarização atrial. É a primeira onda observada no ECG, normalmente arredondada, sua morfologia pode variar entre 0° e +90°. A duração da onda é igual ou inferior a 110 ms (SBC, 2016).
A tensão máxima da onda P em indivíduos normais é considerada entre 0,25 a 0,30mV.
Dependendo da orientação do vetor de ativação atrial, podemos ter onda P isoelétrica, em casos de taquicardia a tensão de P aumenta, não ultrapassando, contudo, o limite máximo normal (LENGYEL, 1974).
Na Figura 4 segue a onda P destacada no eletrocardiograma.
Figura 4 - Onda P no Eletrocardiograma
Fonte: NEUMAMM, 2011 (Editada pela autora, 2018).
2.3.2. Complexo QRS
O complexo QRS representa a despolarização dos ventrículos. Onde a onda Q, que possui deflexão inicial para baixo, é a primeira do complexo, a onda R é a seguinte com deflexão para cima e a onda S é a deflexão final para baixo. O complexo é mostrado quando o sistema His-Purkinje ativa o músculo ventricular e a grande massa dos ventrículos é excitada gerando a contração que provê a principal força para o sangue circular nos órgãos e representa a sístole do ciclo cardíaco. (BERBARI, 2000).
A morfologia do complexo QRS é variável normal nas diferentes derivações. A
projeção, em uma dada derivação, dos três vetores principais do fenômeno de ativação
ventricular, produz deflexões de tamanho e polaridade variáveis, segundo as orientações
espaciais da linha da derivação e de cada um dos vetores. A posição anatômica do coração influi
no registro do complexo QRS normal. A Figura 5 ilustra a morfologia do complexo QRS nas
diversas derivações precordiais (MORRIS, 2003).
Figura 5 - Complexo QRS no Eletrocardiograma
Fonte: NEUMAMM, 2011 (Editada pela autora, 2018).
O complexo QRS é dito normal quando a duração for inferior a 120 ms e amplitude entre 5 e 20 mm nas derivações do plano frontal e entre 10 e 30 mm nas derivações precordiais, com orientação normal do eixo elétrico. (SBC, 2016).
2.3.3. Onda T
Sucedendo o complexo QRS aparece um pequeno segmento isoelétrico, e logo após os ventrículos voltam ao seu estado inicial onde o sinal de repolarização é visto em frequência.
Sinal este que é conhecido como onda T, que representa a diástole do ciclo cardíaco. Em alguns indivíduos, um pequeno pico pode ocorrer no final ou um pouco depois da onda T e é conhecido como onda U. Sua origem não foi completamente estabelecida, mas é considerado um sinal de repolarização (BERBARI, 2000).
A onda T é assimétrica de início mais lento e final mais rápido, positiva em quase todas
as derivações, habitualmente com polaridade semelhante à do QRS e de amplitude equivalente
a cerca de 10 a 30% do QRS (SBC, 2016). A Figura 6 ilustra a onda T no ECG.
Figura 6 - Onda T no Eletrocardiograma.
Fonte: NEUMAMM, 2011 (Editada pela autora, 2018).
2.3.4. Eletrocardiograma Normal
O ECG normal é constituído pelas ondas P, Q, R S e T, pelos segmentos P-R e S-T e pelos intervalos PR, ST e QT. De modo geral, refere-se às ondas Q, R e S, como sendo um único modelo, denominado complexo QRS. A Figura 7 ilustra um registro de eletrocardiograma normal. (DALE, 2004). A sua amplitude, em mV, do sinal, varia entre 0,05 a 3 mV. (SBC, 2016).
Figura 7 - Eletrocardiograma Normal.
Fonte: NEUMAMM, 2011 (Editada pela autora, 2018).
2.4. DERIVAÇÕES
Na superfície do corpo existem diferenças de potencial consequentes aos fenômenos elétricos gerados durante a excitação cardíaca. Estas diferenças podem ser medidas e registradas de acordo com o tipo e a intensidade das forças elétricas do coração. Os pontos do corpo a serem explorados são ligados ao aparelho de registro por meio de fios condutores. Dessa forma, obtêm-se as chamadas derivações que podem ser definidas de acordo com a posição dos eletrodos. (TOMAZATI 2010)
Um ECG padrão possui 12 derivações separadas, sendo seis delas chamadas de precordiais, nas quais são derivações unipolares. E seis derivações periféricas, que são as derivações bipolares e unipolares (SILVA, 2008).
A derivação unipolar é aquela na qual a medição é obtida por meio da diferença de potencial de um eletrodo e um ponto de referência. Essas derivações são as precordiais e as de Goldberger (TOMAZATI, 2010).
Seis derivações unipolares exploram o fenômeno elétrico a partir da face anterior do tórax e são denominadas de precordiais. Os seus pontos de exploração são vistos na Figura 8.
Figura 8 - Derivações Precordiais
Fonte: Cardiopapers
As derivações precordiais (V1 a V6) são conceituadas como derivações do plano
horizontal. Contudo elas não estão situadas no mesmo plano. V1 e V2 estão no plano horizontal
que passa pelo quarto espaço intercostal. V3 localiza-se no plano horizontal intermediário entre
o quarto espaço e o plano que passa pelo quinto (onde estão localizadas as derivações V4, V5
V6). Cada derivação precordial identifica o fenômeno elétrico cardíaco de um determinado
ângulo do espaço, resultando uma inscrição diferente segundo a derivação (MORRIS, 2003).
Além das derivações já descritas, são registradas outras três derivações unipolares, denominadas derivações unipolares dos membros ou de Goldberger são designadas pelas seguintes abreviações: aVR, aVL, aVF, correspondendo ao braço direito, esquerdo e perna esquerda, respectivamente, conforme a Figura 9. (TOMAZATI, 2010).
Figura 9 - Derivações unipolares dos membros.
Fonte: CHAVES, 2016
A derivação aVR usa o braço direito como positivo e os outros dois eletrodos (braço esquerdo e perna esquerda) são ligados no terminal negativo. A aVL usa o braço esquerdo como positivo e os outros dois eletrodos referenciados como negativo. Por sua vez, a derivação aVF utiliza o eletrodo da perna esquerda como positivo e os outros dois eletrodos referenciados como negativo. (TOMAZATI, 2010).
A derivação bipolar é aquela na qual a medição é obtida por meio da diferença de potencial entre um determinado par de eletrodos (SILVA, 2008). As três derivações bipolares, DI, DII e DIII, são as responsáveis pela formação do Triângulo de Einthoven (TOMPKINS, 2000).
2.5. O TRIÂNGULO DE EINTHOVEN
Devido ao grande número de derivações na superfície do corpo foi estabelecida uma
convenção para que os registros obtidos pudessem ser comparados. O pesquisador Holandês,
Einthoven, em 1913 estabeleceu três derivações, dispostas a formar os lados de um triângulo
equilátero. O centro do triângulo corresponde ao centro elétrico do coração (TOMAZATI
2010). A Figura 10 ilustra o Triângulo de Einthoven.
Figura 10 - Triângulo de Einthoven
Fonte: TOMAZATI. 2010
Einthoven conectou ao braço direito o eletrodo negativo e no braço esquerdo ao eletrodo positivo, e assim produziu um fluxo de corrente. Algumas deflexões foram gravadas, e são conhecidas como derivação I. Para gravar essas deflexões, Einthoven usou um galvanômetro de bobina, um elemento registrador móvel dentro de um campo magnético. Conectando-se o braço direito ao eletrodo negativo e a perna esquerda ao eletrodo positivo, registrou-se a derivação II. Conectando-se o braço esquerdo ao eletrodo negativo e a perna esquerda ao eletrodo positivo tem-se a Derivação III (VIER. 2008).
2.6. ARRITMIAS CARDÍACAS
O coração possui atividade elétrica própria que consiste na geração e transmissão de estímulos. Distúrbios destas propriedades resultam em alterações da frequência cardíaca (THALER,1997). Segundo Oliveira e Cortez (2003), a frequência cardíaca (FC) é descrita pela média do número de ciclos cardíacos durante um período de tempo, que por convenção são 60 segundos, em Hertz pode variar de 0, 1 a 3,33, durante o comportamento a se analisar.
Alterações significativas do FC podem estar relacionadas às arritmias cardíacas, distúrbios que ocorrem durante o sono e reações psicomotoras.
Segundo Andries E, et al. (1995), a arritmia cardíaca pode ser definida como a alteração
da frequência, formação ou condução do impulso elétrico através do miocárdio. A faixa de
normalidade da frequência cardíaca é entre 50 e 100 batimentos por minuto. Para frequências abaixo de 50 bpm, é considerada uma Bradicardia Sinusal e para frequências superiores a 100 bpm, é considerada uma Taquicardia Sinusal. (SBC, 2016).
2.6.1. Tipos de Arritmias
Arritmia cardíaca se dá pela alteração da frequência, formação e condução do impulso elétrico através do miocárdio. Existem diversos tipos de arritmias cardíacas, algumas delas são:
•
Arritmia sinusal: geralmente fisiológica, a arritmia sinusal depende do sistema nervoso autônomo e caracteriza-se pela variação dos intervalos PP, acima de 160 ou 120 ms (SBC, 2016);
•
Taquicardia Sinusal: corresponde a frequências cardíacas superiores a 100 bpm (SBC, 2016);
•
Bradicardia sinusal: corresponde a frequências inferiores a 50 bpm. (SBC, 2016);
•
Arritmia supraventricular: ritmo que se origina acima da junção entre o nó AV e o feixe de His, e é mantido por estruturas localizadas entre os mesmos. A identificação do local de origem da arritmia será usada sempre que possível.
Quando não, será empregado o termo genérico supraventricular (VIER. 2008);
•
Fibrilação Ventricular: é a parada cardíaca, pode ter início súbito ou pode seguir as contrações ventriculares prematuras, taquicardia ventricular e o flutter ventricular (VIER. 2008).
2.7. ELETRODOS
Os eletrodos são indispensáveis no processo de aquisição do sinal do eletrocardiograma, uma vez que eles realizam a interface entre o circuito de aquisição e a pele. São fundamentais pois permitem a obtenção do sinal de forma maximizada reduzindo o ruído e possuem a função de realizar a conversão da corrente iônica em corrente elétrica (CARDOSO, 2010).
Eletrodos podem ser classificados como polarizáveis e não polarizáveis:
•
Os polarizáveis possuem baixa capacitância e baixa quantidade de carga elétrica na interface pele/eletrodo (CARDOSO, 2010).
•
Os não polarizáveis possuem elevada concentração de cargas elétricas na interface pele/eletrodo e também elevada capacitância. (CARDOSO, 2010).
•
Eletrodos Ativos: Realizam a amplificação do sinal detectado antes de ser enviado ao circuito de aquisição. (MARCHETTI e DUARTE, 2006).
•
Eletrodos Passivos: Não possuem amplificação. (MARCHETTI e DUARTE, 2006).
Além disso, pode-se classificar os eletrodos pelo método de aquisição, como:
•
Eletrodos invasivos: são utilizados internamente no corpo para a detecção de sinais. Estes eletrodos podem ser colocados abaixo da pele, conhecidos como subcutâneos, ou podem ser inseridos no corpo, como por exemplo, um circuito de rádio telemetria (Webster,1998).
•
Eletrodos não evasivos: utilizados para detectar sinais a partir da superfície do corpo, não ocorrendo danos físicos durante a detecção dos sinais (Webster,1998).
Os eletrodos não evasivos são largamente manuseados e existem vários tipos, os mais comuns são os de sucção, usados para contatos na superfície torácica. Os de placa, usados para contatos nas extremidades e os descartáveis usados para contatos no tórax durante testes de esforço (SILVA, 2008).
A Figura 11 Apresenta a ilustração de dois eletrodos não evasivo, o de superfície de placa metálica.
Figura 11 - Eletrodos de Superfície de Placas Metálicas
Fonte: (GARCIA, 2017)
2.8. CIRCUITO DE AQUISIÇÃO DO ELETROCARDIOGRAMA
O sistema de aquisição de ECG implementado é constituído por componentes analógicos de amplificação e filtragem do sinal medido através dos elétrodos.
2.8.1. Amplificador de Instrumentação
Segundo Yelshyna e Costa (2015), o amplificador de instrumentação é um amplificador diferencial desenhado para possuir características especiais úteis na aquisição de biossinais.
Devido às baixas amplitudes características destes sinais, um dos requisitos mais importantes para estas aplicações é uma elevada resistência nas entradas, para que a tensão não seja muito influenciada pelo efeito de divisor de tensão entre a impedância da fonte e a de entrada do sistema.
As principais características do amplificador de instrumentação são:
•
Resistência de entrada extremamente alta;
•
Resistência de saída menor que a dos Amplificadores operacionais (AmpOps) comuns;
•
CMRR alto, superior a l00dB;
•
Ganho em malha aberta muito superior ao dos AmpOps comuns;
•
Tensão de offset de entrada muito baixa;
•
Drift extremamente baixo.
O amplificador de instrumentação é composto por três Amplificadores Operacionais, os dois primeiros AmpOps funcionam como buffers, sendo estes responsáveis pelo CMRR e o último AmpOp responsável pela amplificação diferencial (CARDOSO, 2005).
Um amplificador Buffer, apresenta alta impedância de entrada, ao passo que a Razão de
Rejeição de Modo Comum (CMRR) mede o quanto os sinais comuns às duas entradas são
rejeitados (BOYLESTAD, 2013). A Figura 12 mostra a configuração do amplificador de
instrumentação.
Figura 12 - Configuração do Amplificador de Instrumentação.
Fonte: Pertence, 2015.
Conforme Pertence (2003), esse arranjo possibilita um ganho ao circuito, com uma tensão de saída como mostrado na Equação (1) (PERTENCE, 2003).
𝑉
0= 1 + 2𝑅
2𝑅
𝑔(𝑉
2− 𝑉
1) (1)
2.8.2. Filtros
De acordo com Pertence (1996). Um filtro elétrico é um quadrupolo capaz de suavizar determinadas frequências do espectro do sinal de entrada e permitir a passagem das demais. Os filtros podem ser classificados em filtros passivos e filtros ativos, sendo os passivos constituídos por resistores, capacitores e indutores. E os ativos constituídos pelos mesmos elementos passivos e com a adição de componentes ativos, tais como: transistores e ampops. Existem quatro tipos de filtros, onde os mesmos permitem a passagem de uma
Frequência específica e atenua as demais (BOYLESTAD, 2013).
•
Filtro Passa Baixa (FPB) – Permite a passagem de uma frequência específica
abaixo da frequência de corte (fc), deste modo as frequências superiores fc são
atenuadas;
•
Filtro Passa Alta (FPA) – Permite a passagem de uma frequência específica acima da frequência de corte (fc), dessa forma as frequências inferiores são atenuadas;
•
Filtro Passa Faixa (FPF) – Permite a passagem de uma frequência que esteja definida entre a frequência de corte inferior e superior. Dessa forma as frequências de corte são atenuadas;
•
Filtro Rejeita Faixa (FRF) – Permite a passagem das frequências abaixo da frequência de corte inferior e acima da frequência de corte superior. As frequências situadas entre a frequência de corte inferior e superior são atenuadas.
A Figura 13 representa a relação dos tipos de filtros com sua frequência de corte.
Figura 13 - Tipos de Filtros
Fonte: ufrgs.br. Acesso 08.08.2018
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo, serão apresentados os materiais e métodos utilizados para o desenvolvimento da proposta do trabalho.
3.1. AQUISIÇÃO DO ECG
O eletrocardiograma é feito a partir da aquisição dos biosinais cardíacos que são gerados pela polarização e repolarização do átrios e ventrículos. As etapas para aquisição do ECG, produzido neste trabalho, são mostradas na Figura 14.
Figura 14 - Etapas de aquisição do Eletrocardiograma.
Fonte: Autoria Própria.
O circuito de aquisição do Eletrocardiograma foi projetado de acordo com o datasheet
do amplificador de instrumentação utilizado neste trabalho, o AD620, como mostrado na Figura
15. Entretanto foram feitas algumas alterações, como a substituição do amplificador
operacional AD705J, pelo LM324N, da fabricante STMicroelectronics. E o valor da fonte
simétrica, que antes de +3 e -3 passou a ser de +4.5 e -4.5 Vdc. O circuito foi simulado no
software Multisim 13 da National Instruments. Em seguida, foi desenvolvido o circuito
experimental em protoboard, que posteriormente foi soldado na placa de circuito impresso,
tornando-se assim, definitivo para a aquisição do sinal. Esses procedimentos foram realizados
no Laboratório de Instrumentação de Engenharia Biomédica (LIEB), localizado nas
dependências da UFERSA – Campus Caraúbas.
Figura 15 - Circuito esquemático de aquisição do ECG.
Fonte: Analog Devices, 2004.
3.1.1. AD620
O motivo pelo qual o amplificador de instrumentação AD620 foi escolhido, se deve as suas diversas aplicações em instrumentações médicas, e, por ser um componente de fácil aquisição no mercado nacional (Briese, 2009).
O AD620, da fabricante Analog Devices, é um amplificador de instrumentação de alta precisão que requer apenas um resistor externo para definir ganhos de 1 a 10.000. Possuui apenas 1,3 mA de corrente máxima de alimentação, tornando-o apropriado para aplicações alimentadas por bateria, portáteis ou remotas. A Figura 16, mostra o circuito esquemático do AD620 em modo de rejeição comum elevada. (ANALOG DEVICES, 2004).
Figura 16 - Circuito esquemático do AD620.
Fonte: Analog Devices, 2004.
O cálculo do ganho do AD620, de acordo com o fabricante é definido pela Equação (2) e, o resistor responsável pelo ganho (Rg) é definido pela Equação (3).
𝐺 = 49.4 𝑘
𝑅
𝑔+ 1 (2)
𝑅
𝑔= 49.4 𝑘
𝐺 − 1 (3)
Para o amplificador de instrumentação utilizado neste trabalho, de acordo com o circuito de aquisição do ECG, retirado do datasheet do AD620, para esse primeiro estágio de pré amplificação, foi obtido um ganho de 7,8.
3.1.2. Filtragem
Para este trabalho, foram projetados dois filtros: passa-alta (PA) e passa-baixa (PB). Os critérios de projetos considerados para o filtro passa-baixa foram:
•
Determinar o fator de qualidade e a frequência de corte;
•
Determinar a impedância de entrada do filtro na faixa de bloqueio. Fixa-se o valor de R1 =R 2;
•
Determinar os valores das capacitâncias C1 e C2.
No que diz respeito ao filtro passa-alta, foi utilizado apenas um capacitor na saída do circuito. Para a retirada do offset e tornar o circuito mais compacto. Diminuindo assim, a complexidade do mesmo, assim como, reduzindo os custos de sua fabricação.
3.1.2.1. Filtro passa-baixa
O filtro passa-baixa utilizado nesse trabalho possui a topologia Sallen Key de segunda
ordem com formato de resposta Bessel. Utilizou-se o amplificador operacional LM324AN do
fabricante STMicroelectronics, na montagem do filtro. O critério para a sua utilização foi
devido ao fato que o mesmo não inverte a fase do sinal de entrada e possui boa precisão do fator
de qualidade (Q). A Figura 17 mostra a topologia filtro utilizado.
Figura 17 - Topologia filtro passa-baixa Sallen Key de segunda ordem.
Fonte: Pertence, 2015.
Para o dimensionamento os capacitores e resistores foi utilizada a equação da frequência de corte e do fator de qualidade. Dispostas nas Equações (4) e (5) (PERTENCE, 2003).
Onde, a frequência de corte (fc) do filtro passa-baixa é dada por:
𝑓
𝑐= 1
2𝜋√𝑅
1𝑅
2𝐶
1𝐶
2(4)
Já o fator de qualidade (Q) do filtro passa-baixa é dado por:
𝑄 = 1
2𝜋𝑓
𝑐𝐶
1(𝑅
1+ 𝑅
2) (5)
Nessa etapa de filtragem determinou-se resistores de 100 kΩ (R1 e R2), e pares de capacitores de 100 nF em série, substituindo cada capacitor definido no esquemático da Figura 17. Na Figura 18 pode-se observar a topologia do filtro passa-baixa utilizado.
Figura 18 - Topologia do filtro passa-baixa Sallen Key utilizado
.
Fonte: Autoria Própria
Determinou-se também, a frequência de corte em 31,83 Hz, como pode-se observar na Figura 19. E um fator de qualidade de 0,5 (Bessel) e ganho 2, que foi definido a partir da Equação (6).
𝐺 = 1 + 𝑅
𝑔𝑅
1(6)
Figura 19 - Frequência de corte do filtro passa-baixa Sallen Key utilizado.
Fonte: Autoria Própria
3.1.2.2. Filtro passa-alta
Segundo Boylestad (2012), O filtro R-C, cujo circuito é extremamente simples, pode ser usado como filtro passa-baixa ou como filtro passa-alta, ambos passivos. O circuito se comportará como um filtro passa-alta se a saída for obtida a partir do resistor. Como mostra a Figura 20.
Figura 20 - Filtro passa-alta.
Fonte: Boylestad, 2012
A reatância capacitiva depende da frequência do sinal aplicado a ele, sua variação é inversamente proporcional à frequência do sinal. Como mostrado na Equação (7) (BYLESTAD, 2012):
𝑋
𝑐= 1
2𝜋𝑓𝐶 (7)
Portanto, quanto maior for a frequência do sinal, menor será a reatância capacitiva.
Desta forma, para frequências muito altas o capacitor torna-se um curto-circuito e para frequências muito baixas o capacitor se comportará como circuito aberto (BOYLESTAD, 2012). À vista disso, o filtro eliminará o Offset, que é uma tensão na saída do circuito, provocada por um desbalanceamento interno causado pelo casamento imperfeito dos dispositivos de entrada no estágio diferencial do AmpOp (PERTENCE, 2003).
Para o filtro passa-alta obtêm-se a frequência de corte a partir da Equação (8):
𝑓
𝑐= 1
2𝜋𝑅𝐶 (8)
Para este trabalho definiu-se um capacitor de 100nF e R será resistência equivalente do circuito, que pelo fato de possuir uma reatância muito alta seu valor tenderá ao infinito, fazendo com que a frequência de corte seja praticamente zero. Como pode-se observar na Equação (9):
𝑋
𝑐= 1
2𝜋𝑓𝐶 = ∞Ω (9)
3.1.3. Amplificação
Na terceira etapa de aquisição do ECG encontra-se o estágio amplificação, em que se faz uso de um amplificador não inversor. Emprega-se o mesmo pelo fato de não apresentar defasagem no sinal de saída e por poder controlar o ganho em malha fechada pelo circuito de realimentação negativa (PERTENCE, 2003).
A equação do ganho de tensão do amplificador não inversor é dada pela equação (10):
𝐴
𝑉𝑓= 𝑉
𝑜𝑉
𝑖= 1 + 𝑅
𝑓𝑅
𝑔(10)
A Figura 21 apresenta a topologia do amplificador não inversor.
Figura 21- Amplificador não inversor utilizado.
Fonte: Autoria Própria.
Neste último estágio, foi utilizado um resistor R1 22 kΩ e um potenciômetro de 10 KΩ,
para possibilitar um ganho ajustável de até 43,29.
3.1.4. Circuito de aquisição
Após as três etapas anteriormente citadas, obteve-se o circuito de aquisição do eletrocardiograma. Como possível observar no esquemático da Figura 22.
Figura 22- Esquemático do circuito de aquisição do ECG.
Fonte: Autoria Própria.
O circuito foi montado em protoboard, como mostra a Figura 23, pra a realização de fase experimental, onde se pode constatar a funcionalidade do mesmo.
Figura 23 - Circuito de aquisição do ECG na protoboard.
Fonte: Autoria Própria.
Após constatar a funcionalidade do circuito, o mesmo foi soldado em uma placa de circuito impresso ilhada. Tornando-se assim, efetivo para aquisição do sinal. Como mostra Figura 24.
Figura 24 - Circuito de aquisição do ECG.
Fonte: Autoria Própria.
Logo após construir o circuito de aquisição do ECG, foi confeccionada uma caixa utilizando material ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), em português copolímero de acrilonitrila e butadieno, para armazenar o mesmo e proteger de possíveis intemperes. A caixa foi fabricada na impressora 3D I3 MK2S, da PRUSA, que fica no Laboratório de Instrumentação e Engenharia Biomédica (LIEB), da UFERSA. A Figura 25 mostra a caixa com o circuito de aquisição.
Figura 25 - Circuito de aquisição do ECG na caixa de ABS.
Fonte: Autoria Própria.
A imagem mostra o interior da caixa com o circuito de aquisição e sua vista frontal, que
possui as entradas para os conectores e o botão do potenciômetro para ajuste do ganho.
3.1.5. Fonte de Alimentação
Para alimentar o circuito de aquisição do ECG, foi definido uma fonte simétrica, como já dito anteriormente, de +4,5 V e -4,5 Vdc. Utiliza-se a fonte simétrica para proteger o amplificador operacional contra uma provável inversão de polaridade da fonte de alimentação, que causaria danos irremediáveis ao componente (PERTENCE, 2003).
Para os primeiros testes, foi utilizada a fonte de alimentação da marca KEITHLEY, modelo 2231A-30-3 de três canais, do LIEB, mostrada na Figura 26. Sendo esta, configurada para gerar uma fonte de alimentação simétrica.
Figura 26 - Fonte de alimentação KEITHLEY.
Fonte: Autoria Própria.
Devido ao fato de a fonte KEITHLEY ser alimentada pela rede de 220 Vac de corrente
alternada, gera uma interferência de 60 Hz no circuito de aquisição, fazendo com que o sinal
apresente muita interferência da rede elétrica. Para solucionar este problema, projetou-se uma
fonte simétrica utilizando como alimentação uma bateria de 9 Vdc, dois diodos Zener, de 1,5
V, polarizados, onde um Zener fornece a tensão positiva e o outro a tensão negativa. Utilizou-
se também dois resistores de 10 Ω e dois capacitores cerâmicos de 100 nF para estabilizar a
tensão. Obteve-se assim a alimentação simétrica de +4,5 Vdc e -4,5 Vdc sem a interferência da
rede elétrica e dando praticidade ao mesmo. A Figura 27, mostra o esquemático da fonte.
Figura 27 - Esquemático da Fonte simétrica com bateria.
Fonte: Autoria Própria.
A figura 28, mostra o circuito de aquisição com fonte simétrica na bateria.
Figura 28 - Circuito de aquisição com fonte simétrica na bateria.
Fonte: Autoria Própria.
3.1.6. Osciloscópio
Para aquisição dos sinais analógicos do ECG, ainda na fase de testes, foi utilizado o
osciloscópio digital da marca Tektronics, modelo TBS 1102B, também do LIEB. A Figura 29
mostra o osciloscópio utilizado na fase de testes.
Figura 29 - Osciloscópio utilizado na fase de testes de aquisição do ECG.
Fonte: Autoria Própria.
3.1.7. Analog Discovery 2
A Analog Discovery 2 da Digilent foi utilizada para substituir o osciloscópio no que diz respeito a aquisição do sinal e fazer o registro dos dados do mesmo. Essa ferramenta possui diferentes equipamentos como osciloscópios, gerador de onda, voltímetro, entre outros (DIGILENT, 2015). A figura 30, mostra o instrumento Analog Discovery 2.
Figura 30 - Analog Discovery 2 da Digilent.
Fonte: Autoria Própria.
Essa ferramenta é manuseada por meio do software WaveFormes 2015, disponível para donwload na plataforma da Digilent.
Na figura 31, pode ser observado a interface de um dos módulos disponibilizados pelo
WaveForms, o osciloscópio. Onde o mesmo possui todas as funcionalidades de um osciloscópio
utilizado em laboratório.
Figura 31 - Layout do osciloscópio do Analog Discovery 2.
Fonte: Autoria Própria.
Com a Analog Discovery 2, foi feito também a aquisição dos dados do ECG para a realização do seu processamento.
3.2. TESTES DO ELETROCARDIOGRAMA (ECG)
A aquisição do sinal de ECG pode ser feita de diferentes maneiras, com variados tipos de derivações. Cada uma delas caracteriza a saída de um canal de informação específico. As derivações do triângulo de Einthoven, que são três, DI, DII e DIII, usa a montagem dos pés e mãos. A partir delas é possível obter as ondas características do ECG. A obtenção do sinal neste trabalho foi feita com a derivação DI.
3.2.1. Derivação DI.
Como já dito anteriormente, o triângulo de Einthoven usa a montagem dos pés e mãos
em suas derivações. Para derivação DI posiciona-se um eletrodo no pulso direito e outro no
pulso esquerdo, de maneira que a polarização no pulso esquerdo é positiva em relação ao
eletrodo no pulso direito que é negativa. Posiciona-se também um eletrodo na perna direita, que
é a referência da aquisição. Como é mostrada Figura 32.
Figura 32 - Posicionamento dos eletrodos na derivação DI
Fonte: Autoria Própria.
Utilizou-se eletrodos não evasivos descartáveis de espuma e gel sólido, próprio para o ECG, da marca SOLIDOR. A Figura 33 mostra os eletrodos utilizados.
Figura 33 - Eletrodos descartáveis.
Fonte: Autoria Própria.
3.2.2. Preparação do paciente
Os testes de aquisição realizados neste trabalho são provenientes do ECG de repouso.
Onde o indivíduo ficou sentado, imóvel, com os braços apoiados na cadeira e os pés apoiados no chão. Antes do posicionamento dos eletrodos, foi aplicado gel condutor nos locais onde os mesmos seriam posicionados, para assim, melhorar a condutividade entre a pele e o eletrodo.
A partir daí a aquisição do sinal foi feita e os dados para o processamento foram obtidos. As
aquisições foram realizadas no LIEB. Como mostra a Figura 34.
Figura 34 - Aquisição do Eletrocardiograma.
Fonte: Autoria Própria.
3.3. PROCESSAMENTO DO ECG
Logo após a aquisição do sinal deu-se início as etapas de processamento. Que teve como objetivo identificar a onda R do complexo QRS, determinar a quantidade de batimentos dentro do intervalo de tempo da aquisição e, por fim, definir a FC em batimentos por minuto. Para a realização do processamento, utilizou-se o software MATLAB. A Figura 35 mostra as etapas do processamento do sinal.
Figura 35 - Etapas de processamento do ECG.
Fonte: Autoria Própria.
3.3.1. MATLAB
MATLAB é um software, da MathWork, interativo e de alta performance voltado para o cálculo numérico. O software integra análise numérica, cálculo com matrizes, construção de gráficos e processamento de sinais. Possui uma linguagem semelhante ao Fortran, Basic ou C.
Bem como, as soluções dos problemas são expressas quase exatamente como elas são escritas matematicamente (MATHWORKS 2018).
A versão do MATLAB utilizada foi o R2014b, que é a versão 8.1. O mesmo possui todos os recursos necessários para execução deste trabalho.
3.3.2. Algoritmo Proposto
A partir da obtenção dos dados do sinal de ECG na AD2, o algoritmo foi desenvolvido com o intuito de identificar as ondas R do complexo QRS, já que segundo Medeiro et al (2004), a partir da identificação do complexo QRS, bem como a onda R, é possível determinar a frequência cardíaca.
Os dados foram importados no formato de texto (txt) para o MATLAB R2007b na forma de vetor. O arquivo em questão continha três vetores de 8000 componentes cada. Sendo o primeiro vetor referente ao tempo, o segundo vetor ao canal 1, que continha os valores da tensão associada a cada instante de tempo. O terceiro vetor, referente ao canal 2, não foi utilizado.
Para o processamento, foram utilizados os dados do canal l, já que, como dito anteriormente, são os dados de amplitude do sinal. Porém, devido de seu grande número de componentes, segundo Phinyomark, et al (2012), aumentará carga computacional para um classificador. Portanto o número de recursos deve ser mantido para o mínimo possível sem gerar interferência na análise dos dados. Eliminando assim, boa parte do ruído e evidenciando os picos proeminentes, como a onda R.
Para isso, com o comando, vec2mat do MATLAB, o vetor de 8000 componentes passou
a ser uma matriz 80 x 100, para se utilizar as variáveis estatísticas, que segundo com
Phinyomark, et al (2012), fazem com que boa parte do ruído do sinal seja retirada, como uma
forma de normalização do mesmo, logo, é mais fácil detectar os picos do sinal. De acordo com
Deckmann e Pomilio (2017), a soma do conteúdo de todas as classes deve ser igual ao número
total de observações, como mostra a Equação (10)
∑ 𝑛
𝑖𝑛
𝑖=1
= 𝑁 (10)
A normalização do sinal consiste em dividir todos os valores por N, como mostra a Equação (11):
∑ 𝑛
𝑖𝑁
𝑛
𝑖=1
= 1 (11)
Dessa forma pode-se interpretar o sinal normalizado como sendo a curva de distribuição das ocorrências estatísticas dos níveis da tensão amostrada, onde n
ié a matriz 80 x 100 (DECKMANN E POMILIO 2017; PHINYOMARK, et al. 2012).
Para que seja possível identificar os picos R, é necessário achar uma média do sinal,
aplicando um fator de segurança de 10% para que o mesmo não identifique algum valor de
ruído. Os valores do vetor que estiverem acima dessa média serão os picos R. Dessa forma,
utilizou-se um contador, que apontou os valores acima dessa média, ou seja, determinou a
quantidade de picos R. A Figura 36 mostra o fluxograma do algoritmo para identificação dos
picos R.
Figura 36 - Fluxograma do algoritmo proposto para identificar picos R.
Fonte: Autoria Própria.
A partir da quantidade de picos identificada, pode-se definir a frequência cardíaca. Já que esses valores estão dentro de 10 segundos, que foi o tempo da aquisição. Sabendo-se que, 1 minuto corresponde a 60 segundos. Pode-se definir que, o número de picos multiplicado por 6, resultando assim, o número de batidas em um tempo de 1 minuto, ou seja, sua frequência cardíaca em batimentos por minuto.
Após determinar a frequência cardíaca, pode-se indicar a presença ou não de algum tipo
de arritmia. De acordo com a SBC, uma frequência cardíaca acima de 100 bpm, caracteriza uma
taquicardia, já valores de frequência cardíaca abaixo de 50 bpm correspondem a bradicardia. A
Figura 37 mostra o fluxograma do algoritmo para determinação de arritmias
Figura 37 - Fluxograma do algoritmo proposto para determinação de arritmias.
Fonte: Autoria Própria.
4. RESULTADOS
Neste capítulo são abordados os resultados obtidos durante o desenvolvimento deste trabalho. Os resultados estão representados através dos gráficos das formas de onda dos sinais de ECG capturados pela Analog Discovery 2, imagens dos sinais no Software MATLAB, pelo algoritmo desenvolvido, além de tabela e gráfico ilustrando o resultado do processamento.
4.1. AQUISIÇÃO DO ECG
Para aquisição do ECG foi desenvolvido um sistema prático e portátil, já que, não se faz uso de equipamentos pesados e utiliza-se uma fonte portátil para sua alimentação. Os equipamentos utilizados são, o circuito de aquisição, os eletrodos, os cabos de conexão e a AD2.
Como mostra a Figura 38.
Figura 38 - Instrmentos utilizados para aquisição do ECG.
Fonte: Autoria Própria
4.1.1. Sinal do ECG
A aquisição dos sinais de ECG foi realizada utilizando cinco indivíduos voluntários de mesma faixa etária, ente 20 e 23 anos, dois do sexo feminino e três do sexo masculino. Foram realizados diversos testes com o objetivo de verificar a repetibilidade e estabilidade do circuito.
O sinal foi verificado através da AD2, a partir da derivação DI do triângulo de Einthoven.
A Figura 39 ilustra o sinal do ECG obtido na saída do circuito de aquisição.
Figura 39 - Sinal de ECG obtido na saída do circuito de Aquisição.
Fonte: Autoria Própria
Pode-se verificar o formato característico de uma onda ECG, em especial o complexo QRS e a onda T. Ademais, percebe-se um ruído de baixa amplitude, que não influenciará no processamento do sinal, isto é, não manifestará influência em aplicações que apresentam o intuito de medir frequência cardíaca e classificar o sinal por meio do reconhecimento do pico R.
Como dito anteriormente, foram realizados testes em cinco indivíduos diferentes, A
Figura 40 mostra o sinal de ECG para cada um deles. Vale ressaltar que todos estavam sob a
mesma condição de repouso quando a aquisição foi realizada, sentados, imóveis, com os braços
apoiados na cadeira e os pés apoiados no chão.
Figura 40 - Sinal do ECG dos indivíduos voluntários a) Indivíduo 01; b) Indivíduo 02; c) Indivíduo 03; d) Indivíduo 04; e) Indivíduo 05.
Fonte: Autoria Própria.
Como pode-se observar, para todos os cinco indivíduos testados, houveram resultados satisfatórios, já que, em todos eles, é possível notar as ondas características de ECG.
Confirmando assim, a funcionalidade do circuito de aquisição.
4.2. PROCESSAMENTO DO SINAL DE ECG
Na fase de processamento do sinal, foram utilizadas as cinco aquisições tidas anteriormente, e assim testar a aplicabilidade do algoritmo
Após obter os dados dos sinais de cada um dos indivíduos, os mesmos foram importados para o software MATLAB, para assim, efetuar o processamento através do algoritmo proposto.
A Figura 41 mostra o sinal do ECG no software MATLAB.
Figura 41 - Sinal do ECG no MATLAB.
Fonte: Autoria Própria
