Capturando pequenos sinais de ECG em aplicações médicas

Sua tarefa

Um eletrocardiograma (ECG) é amplamente utilizado na medicina para monitorar pequenas alterações elétricas na pele do corpo de um paciente, que são provenientes das atividades do coração humano. Essa medição simples e não invasiva pode indicar facilmente diversas doenças cardíacas. A indústria médica constrói equipamentos exclusivos que auxiliam no diagnóstico. Esses equipamentos exclusivos requerem osciloscópios precisos para seu desenvolvimento e verificação.

Solução de teste e medição

O equipamento de ECG normalmente possui 12 cabos que são conectados ao peito, aos braços e às pernas do corpo humano. A tensão é medida entre os diferentes pontos de conexão. Este artigo descreve o exemplo do cabo de sinal 1, que é a tensão entre os braços esquerdo e direito.

A figura à esquerda mostra esse sinal (cabo 1), que se repete com o ritmo dos batimentos cardíacos. Ele começa com uma onda P, que inicia o ciclo, continua com o intervalo QRS e termina com a onda T. O ambiente barulhento, a conexão com terminação única dos cabos e a baixa magnitude do sinal criam um enorme desafio para um engenheiro de teste. Os níveis típicos são inferiores a 1 mV, e a taxa de repetição do sinal do batimento cardíaco fica entre 40 batimentos/minuto e 220 batimentos/minuto (bpm).

Em uma configuração típica, um amplificador é necessário para amplificar o sinal, com os inconvenientes do ruído adicional, do atraso específico do canal e do erro de desvio. No entanto, o cálculo de média da forma de onda não é uma opção para a redução de ruído, pois o sinal não é repetitivo e informações importantes seriam perdidas. O diagrama mostra o exemplo de uma sequência de pulsos com distúrbios não periódicos, fornecendo indicadores valiosos à equipe médica sobre doenças específicas.

A magnitude de sinal típica de ECG é 1 mV ou menos, dependendo do ponto de medição, com uma largura de banda < 10 kHz. Capturar e analisar esses sinais diretamente com os osciloscópios é difícil devido à baixa amplitude.

Porém, o osciloscópio digital R&S^®RTE dispõe de funcionalidades essenciais para a análise de sinal direta e aprofundada.

Aplicação

A captura de tela mostra um sinal de ECG capturado com o R&S^®RTE em uma configuração padrão. O sinal possui um elevado nível de ruído, as ondas P e T ficam pouco visíveis.

Para melhorar o sinal obtido, a escala vertical é definida para 500 μV/div sem limites de zoom ou de largura de banda. Esse é um recurso exclusivo dessa classe de osciloscópios. O modo HD é utilizado com um limite de largura de banda de 10 kHz.

Isso aumenta a resolução de forma significativa, além de melhorar a sensibilidade do trigger, que é necessária para obter uma aquisição de sinal clara e estável para análise posterior.

Uso do teste de máscara para uma fácil detecção de indicações médicas

Mais testes podem ser executados usando esse sinal estável. Por exemplo, um teste de máscara detecta várias indicações médicas que aparecem em um sinal distorcido. Máscaras diferentes podem ser aplicadas ao teste para determinadas indicações. A captura de tela mostra o sinal de ECG com o teste de máscara associado, derivado de uma pessoa saudável. A área branca ao redor do traço de sinal é a área tolerável; as áreas coloridas (partes superior e inferior) são as máscaras superiores e inferiores.

Observe que o desempenho é indicado como 1 quadro/s e 1 aquisição/sno ícone de desempenho, que é igual a um ritmo de batimento cardíaco de 60 bpm. Nessa configuração, o R&S^®RTE aciona o trigger, adquire e processa cada pulso individual, embora o período de aquisição ocupe 80%do período de 1 s, deixando somente 200 ms para o processamento. Esse exemplo mostra o excelente desempenho do R&S^®RTE.

Comparação com um osciloscópio de alta resolução moderno da concorrência

Em uma configuração de medição idêntica, o R&S^®RTE foi substituído por um osciloscópio de 10 bits e de alta resolução da concorrência. A captura de tela abaixo mostra o resultado da medição com o modo HighRes ativado e a menor resolução vertical de 1 mV/div.

Ela permite concluir que a magnitude do sinal é menor que a sensibilidade do trigger, de forma que o osciloscópio não possa acionar o trigger no sinal. Para tornar isso visível em uma captura de tela, a persistência de exibição é aumentada para vários segundos, e o nível do trigger é mostrado em forma de uma linha pontilhada na cor azul claro. Os traços anteriores ficam visíveis em forma de sombras (1).

O filtro aplicado, implementado no pós-processamento do sinal digital, mostra uma largura de banda insuficiente, de modo que os picos da configuração de medição não sejam filtrados (2). O número 3 indica o ruído e a escala vertical limitada de 1 mV/div. Como consequência, a onda P do sinal fica pouco visível e é imersa no ruído.

Resumo

O R&S^®RTE é a melhor opção para analisar sinais pequenos, como os sinais de ECG, com alta fidelidade de sinal. Ele é ideal para aplicações médicas. A interface fornece excelentes valores de baixo ruído e, a 500 μV, a menor escala vertical em sua classe. A análise não requer circuitos adicionais, e o modo HD aumenta a resolução vertical, melhora a sensibilidade do trigger e reduz a potência de ruído dentro da banda. Isso permite que o usuário capture os detalhes do sinal importantes para a análise. O R&S^®RTE é superior aos osciloscópios de alta resolução da concorrência nesse aspecto.