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Eletrocardiograma

O eletrocardiograma (ECG) é um sinal bioelétrico que pode ser captado na superfície do corpo através da utilização de eletrodos. Um dos primeiros cientistas a estudar esse sinal foi o médico Willem Einthoven, que introduziu algumas técnicas utilizadas até hoje. O ECG é muito útil pois permite análise e diagnóstico de doenças cardíacas pelo cardiologista, assim como, nos dias de hoje, esses diagnósticos podem ser feitos por meio de algoritmos inteligentes.

A atividade elétrica cardíaca é então registrada em forma de ondas e pode ser analisada de acordo com o intuito da análise. O exame feito pelo ECG pode assumir diferentes formatos de acordo com as derivações utilizadas (posições dos eletrodos na pele do usuário) e as condições em que se encontra o sujeito de estudo: em repouso, sob algum tipo de esforço ou em monitoramentos prolongados, como nas Unidades de Tratamento Intensivo.

Diante disso, o objetivo principal desse projeto é desenvolver um instrumento de eletrocardiografia que permita obter os sinais elétricos das derivações cardíacas do plano frontal e amostrar esses sinais de forma a processá-los no domínio digital. Por ser um eletrocardiógrafo energizado a baterias, ele tende a ser muito menor do que os eletrocardiógrafos convencionais, além de trazer segurança pois não tem contato com a rede.

As derivações do plano frontal e seus respectivos sinais típicos podem ser visualizados na figura abaixo:

Fonte: Nicholas Patchett - Wikipédia

Os equipamentos convencionais de eletrocardiografia captam todas essas derivações apresentadas. Entretanto, diante dessas relações de dependência entre derivações, é muito comum que ECGs computadorizados convertam apenas duas derivações do plano frontal para o domínio digital e obtenham as demais derivações desse plano através de software, reduzindo os custos com hardware e os dados a serem armazenados.

Obtenção dos sinais de ECG

Diversos aspectos devem ser considerados ao se projetar um amplificador de sinais bioelétricos. Primeiramente, deve-se considerar que o sinal seja adquirido através de um eletrodo, que nada mais é do que um condutor elétrico que fica em contato com o tecido do usuário. Deve-se utilizar uma pasta eletrolítica para obtenção do sinal do ECG, já que a corrente elétrica no tecido e na pasta é carregada por íons, enquanto que no eletrodo é carregada por elétrons. Assim, sempre existirá uma corrente elétrica na interface tecido-eletrodo. Diante disso, alguns consideram o eletrodo como um transdutor que transforma o sinal dos íons em um sinal de elétrons. (WEBSTER, 2010).

Muitos metais comuns podem ser utilizados como eletrodos de ECG, porém eles são facilmente polarizáveis, gerando uma tensão DC que pode assumir valores muito maiores que o sinal biológico do ECG. Além disso, tendem a reduzir a relação sinal-ruído e são suscetíveis a distúrbios mecânicos pois a camada de cargas formada pelos eletrodos gera sinais de baixa frequência que podem também assumir amplitudes muito grandes. Eletrodos que se comportam dessa maneira são úteis somente para eletrocardiogramas de repouso (TOMPKINS, 1995).

Um eletrodo muito utilizado por ter características de um eletrodo não-polarizável é o eletrodo de prata/cloreto de prata (Ag/AgCl), gerando menores perturbações em baixas frequências. Outros eletrodos comumente utilizados em ECG são eletrodos de superfície, eletrodos de sucção e eletrodos do tipo pulseira. A figura abaixo exibe um esquema dos eletrodos comumente utilizados no ECG.

Fonte: Bronzino, 2006

Assim, diante dos problemas de limitação da carga iônica disponível na conversão de íons para elétrons, deve-se assegurar que pouca corrente seja consumida pelos eletrodos. Isso equivale a dizer que o amplificador de sinais biológicos deve possuir alta impedância de entrada e baixa corrente de polarização (WEBSTER, 2010). Ademais, os problemas de potenciais de baixa frequência fazem com que seja necessário acoplamento AC nesses amplificadores, demandando uma frequência de corte de 0,05Hz para os filtros passa-alta utilizados.

Em acréscimo, é necessário limitar também a faixa passante nas altas frequências, já que muitas outras interferências devem ser eliminadas. Um padrão de frequência de corte comumente adotado para eletrocardiogramas de diagnóstico é de 100Hz para os filtros passa-baixa. Isso garante que se elimine interferências de sinais de eletromiograma, assim como harmônicas da rede (como 120Hz) e ruídos de alta frequência (BRONZINO, 2006). Utilizando esses padrões de corte, serão respeitadas também as normas para eletrocardiógrafos da American Heart Association (AHA).

Outro aspecto muito importante a se considerar é a interferência da rede de 60Hz, que está dentro da banda passante de um eletrocardiograma de diagnóstico. Assim, deve-se fazer uso de filtros rejeita-faixa para eliminar essas interferências sem afetar o resto da banda. Essa interferência pode ser acoplada tanto capacitivamente pelo corpo do usuário assim como magneticamente pelos cabos dos eletrodos. Dessa forma, os cabos devem ser entrelaçados para minimizar essa interferência (WEBSTER, 2010). Além disso, deve-se garantir que o amplificador de biopotenciais tenha uma rejeição de modo-comum bem alta, fazendo com que a interferência de 60Hz da rede que é acoplada capacitivamente seja diminuída.

Por fim, outro aspecto a ser considerado em eletrocardiógrafos é a proteção do usuário. Se o eletrocardiógrafo utilizar alimentação da rede, deve-se garantir isolamento e segurança através de uma série de circuitos padronizados. No caso do projeto desenvolvido, não há alimentação da rede, embora deva-se estar atento para que os instrumentos utilizados para medição e aquisição do sinal de saída sejam isolados da rede também. Uma forma de garantir isso é utilizar, no caso de transmissão de dados via USB para o computador, um módulo optoacoplador para USB.

Outras informações

Circuito de condicionamento de sinal: Visão geral sobre o circuito de condicionamento de sinal do eletrocardiógrafo.
Amplificador de biopotenciais: Detalhes sobre o amplificador de biopotenciais responsável pela primeira amplificação de sinal de ECG.
Driving-Right-Leg Circuit: Detalhes sobre o circuito ativo de eliminação de modo-comum do corpo do usuário.
Filtro passa-altas: Detalhes sobre o circuito de filtro passa-altas para cortar frequências menores que 0,05Hz.
Filtro Notch: Detalhes sobre o circuito de filtro Notch para cortar interferências da rede de 60Hz.
Filtro passa-baixas: Detalhes sobre o circuito de filtro passa-baixas para cortar frequências maiores que 100Hz.
Circuito de Clamp Ativo: Detalhes sobre o circuito de Clamp Ativo responsável por limitar o sinal entre 0 e 5V para amostragem em ADC de Arduino.
Sistema de controle automático de ganho: Detalhes sobre o sistema feito com Arduino para controle automático de ganho de acordo com usuário.
Conversão analógica-digital: Detalhes sobre a conversão analógica-digital a ser realizada para coleta correta e precisa dos dados de ECG.
Resultados: Resultados obtidos a partir da caracterização do instrumento.

Referências

AMERICAN HEART ASSOCIATION (AHA). Recommendations for the Standardization and Interpretation of the Electrocardiogram. AHA/ACC/HRS Scientific Statement Circulation. 2007;115:1306-1324. March 13, 2007

AMERICAN HEART ASSOCIATION (AHA). Recommendations for Standardization and Specifications in Automated Electrocardiography: Bandwidth and Digital Signal Processing . Special Report. Vol 81, No 2, February 1990

BRONZINO, J.D. The Biomedical Engineering Handbook. 3rd edition, Taylor Francis Group. Hartford, Connecticut, U.S.A. 2006.

BURR-BROWN CORPORATION Datasheet Programmable Gain Instrumentation Amplifier PGA204/PGA205. Disponível em:http://www.ti.com/lit/ds/symlink/pga204.pdf Data de acesso: 22/05/2019

CARVALHO, L. C. Instrumentação Médico-Hospitalar. 1ª edição, Barueri: Manole Ltda., 2008.

TOMPKINS, W. J. Biomedical Digital Signal Processing. 1st ed., Prentice-Hall PTR, 1995.

WEBSTER, J. G. Medical Instrumentation. 4th ed., Hoboken: John Wiley and Sons Inc, 2010.