Desenvolvimento de ECG de baixo custo: prototipagem, caracterização elétrica e otimização de layout para facilitar a manutenção

Abstract

No Brasil, muitas pessoas enfrentam doenças crônicas que podem ser controladas se detectadas precocemente. O eletrocardiograma (ECG) é um exame cardiológico muito utilizado na medicina, pois com ele é possível verificar a saúde cardiovascular do paciente além de detectar possíveis problemas cardíacos. O exame registra as variações dos potenciais elétricos gerados pela atividade elétrica do coração, possibilitando diagnósticos com base nos picos de onda e nos intervalos de tempo dos sinais obtidos. Uma vez que a atividade elétrica do corpo humano possui frequências na faixa de 0,01 a 200 Hz e uma amplitude pequena, em torno de 0,5 a 4 mV, é importante destacar que a frequência cardíaca humana média, varia entre 60 a 100 bpm (1 a 1,7 Hz). Com isso nota-se que a leitura dos resultados pode ser prejudicada devido a outras interferências (como a da própria rede elétrica que tem frequência de 60 Hz). Para adquirir o sinal de ECG, é necessário usar um amplificador de alto ganho e filtros ativos para eliminar ruídos e interferências, garantindo um sinal mais limpo para análise. Portanto o circuito de aquisição de sinal ECG prototipado neste trabalho é composto por quatro estágios, sendo o primeiro deles um amplificador de instrumentação (INA121), com o objetivo de rejeitar o modo comum e amplificar o sinal cardíaco, de modo que um osciloscópio de bancada consiga detectá-lo. Considerando que o sinal cardíaco possui uma amplitude da ordem de alguns milivolts e que a tensão mínima lida por um osciloscópio comum é de 20 mV, esse ganho deve ser, no mínimo, de 40 V/V. Os estágios seguintes são compostos por um Filtro Notch em série com um filtro Passa-Alta e um Passa-Baixa, formando um filtro Passa-Faixa. Esses filtros foram projetados com a topologia Bessel de quarta ordem, que proporciona uma resposta em frequência suave. O Filtro Notch é responsável por atenuar a faixa de 60 Hz (faixa de frequência da rede elétrica), enquanto o filtro Passa-Faixa, limita a banda de monitoramento entre 0,5 e 40 Hz, garantindo a detecção eficiente dos sinais cardíacos desejados. A utilização de softwares de simulação e prototipagem possibilitou a criação do circuito e a definição de um layout otimizado, com os estágios bem definidos, facilitando a identificação de falhas e a realização de manutenção. Além disso, a prototipagem contribuiu para a visualização de um sinal mais limpo, pois muitos dos ruídos gerados pelas conexões e pela própria protoboard foram eliminados.

In Brazil, many people face chronic diseases that can be controlled if detected early. The electrocardiogram (ECG) is a cardiological test widely used in medicine, as it allows the cardiovascular health of the patient to be verified, as well as detecting possible heart problems. The test records variations in the electrical potentials generated by the electrical activity of the heart, enabling diagnoses based on the peaks of the wave and the time intervals of the obtained signals.

Since the electrical activity of the human body has frequencies in the range of 0.01 to 200 Hz and a small amplitude, around 0.5 to 4 mV, it is important to highlight that the average human heart rate varies between 60 to 100 bpm (1 to 1.7 Hz). Thus, it is noted that the reading of the results can be impaired due to other interferences (such as from the power grid itself, which has a frequency of 60 Hz).

To acquire the ECG signal, it is necessary to use a high-gain amplifier and active filters to eliminate noise and interference, ensuring a cleaner signal for analysis. Therefore, the ECG signal acquisition circuit prototyped in this work consists of four stages, the first of which is an instrumentation amplifier (INA121), with the goal of rejecting the common mode and amplifying the cardiac signal, so that a bench oscilloscope can detect it. Considering that the cardiac signal has an amplitude on the order of a few millivolts and that the minimum voltage read by a common oscilloscope is 20 mV, this gain must be at least 40 V/V. The following stages consist of a Notch Filter in series with a High-Pass filter and a Low-Pass filter, forming a Band-Pass filter. These filters were designed with the fourth-order Bessel topology, which provides a smooth frequency response. The Notch Filter is responsible for attenuating the 60 Hz range (power grid frequency), while the Band-Pass filter limits the monitoring band between 0.5 and 40 Hz, ensuring the efficient detection of the desired cardiac signals.

The use of simulation and prototyping software enabled the creation of the circuit and the definition of an optimized layout, with well-defined stages, facilitating fault identification and maintenance. In addition, prototyping contributed to the visualization of a cleaner signal, as many of the noises generated by the connections and the protoboard itself were eliminated.