Eletrocardiograma

Eletrocardiograma Modular

Descrição do Projeto

O circuito do Eletrocardiógrafo foi confeccionado no setor de eletrônica da UFRGS pelo professor Mauro Fin. Ele foi colocado dentro de um case metálico para evitar interferência do ambiente. O circuito é alimentado por uma bateria de 9V o que permite operá-lo sem conexão com a rede elétrica e torna o equipamento mais seguro. O esquemático do circuito e o case metálico aberto expondo parte do circuito estão abaixo, a placa tem uma circuitagem na face interior onde estão todos os integrados.

Projeto passado para KiCAD: ecg10.zip
A versão passada para KiCAD não foi testada.
Previsão do projeto em 3D:

imagem projeto kicad imagem projeto kicad


Histórico

Data Evento
13/04/16 Primeiro Teste com Eletrodos de Moeda
20/04/16 Primeira Operação dos Dois ECGs simultaneamente
29/04/16 Primeiro sinal lido com arduino

Próximos Passos

Agora que dispomos de dois ECGs, iniciaremos os testes com música.


Documentação

Eletrônica do Dispositivo

Colocar aqui a descrição do cirucito do ECG.

Eletrodos

O equipamento dispõe de três eletrodos pulseira como o ilustrado abaixo. A parte metálica fica em contato com a parte inferior do pulso e sobre ela deve ser aplicado o gel específico para uso em eletrocardiografos que melhora a condutividade do sinal da pele para o aparelho. É fixado um eletrodo em cada pulso e o terceiro é conectado em uma das pernas.

No dia 13/04/2016 foi realizado o primeiro teste com eletrodos feitos com moedas. Este desenvolvimento é muito importante pois barateia imensamente o projeto, além de fazer uso de um material muito mais acessível. Neste teste O eletrodo da mão esquerda foi substituido por uma moeda de cobre de 5 centavos que foi soldada a um fio e embebida no mesmo gel. O sinal obtido foi praticamente idêntico ao que se obtém com a pulseira. Os dois sinais e o eletrodo feito com a moeda estão representados abaixo.


Sinal obtido com a moeda


Sinal obtido com as três pulseiras

Leitura de sinal

O desenvolvimento do equipamento foi todo realizado utilizando um osciloscópio para obtenção e visualização do sinal. No dia 29/04/16 foi utilizado pela primeira vez o Arduino para esta função. Usando a função plotter serial (disponível nas versões mais recentes do software do Arduino) foi possível obter o sinal abaixo.

Utilizando os dados obtidos do arduino também é possível obter os pontos que geram o sinal para plotá-lo em um programa gráfico, desta forma é possível analisar o sinal matematicamente. Um dado importante de ser obtido é a derivada do sinal, uma vez que ela pode ser utilizado para identificar as ondas QRS do sinal. As imagens abaixo foram geradas com o qtiplot, a primeira é o sinal do ECG e a segunda é a sua derivada, ambos tem a mesma escala no eixo x. É bem aparente na derivada a onda R.

O arquivo de dados está disponível para download no link (BOTAR LINK AQUI). Ainda é preciso trabalhar em uma forma de obter a medida de tempo no eixo x.

Deteccção de um batimento

Para medir a HRV é necessário que seja possível identificar batimentos individuais e que se conheça sua coordenada de tempo. Para isso utilizou-se um algoritmo em Phyton. Ele analisa a derivada do sinal e marca um batimento quando ocorre o pico positivo da derivada da onda R. O gráfico abaixo é da derivada de um sinal de ECG no gráfico preto e os pontos vermelhos logo acima representam cada um um batimento.

Fundamentação Biológica do ECG

As partes do sinal de ECG

EM CONSTRUÇÃO

Significado Biológico do Sinal

EM CONSTRUÇÃO

HRV ou Variabilidade da Taxa Cardíaca

Taxa de Variabilidade Cardíaca, em Inglês Heart Rate Variability, é o intervalo de tempo entre dois batimentos consecutivos, como está ilustrado na figura. Uma HRV alta significa um coração batendo lentamente, uma HRV baixa seignifica um coração batendo rapidamente.


Fonte: http://www.frontiersin.org/files/Articles/16984/fphys-02-00086-HTML/image_m/fphys-02-00086-g001.jpg

A HRV tem ordem de grandeza de centenas de milivolts e variações nela não podem ser percebidas simplesmente colocando a mão sobre o coração. Apesa de o coração humano manter uma taxa cardíaca constante quando em repouso, o intervalo entre batimentos consecutivos do coração está sempre variando.

Aplicações

HRV e RSA

Utilizando o algoritmo de detecção de batimentos é possível fazer a medição da Heart Rate Variability (HRV),- Em Português: Variabilidade da Taxa Cardíaca - subtraindo a coordenada de tempo de um batimento pela coordenada de tempo do batimento anterior. Um gráfico de HRV está ilustrado abaixo. O eixo vertical representa o instante no tempo em que a HRV foi calculada, o vertical o valor da HRV instantânea. Os valores oscilam entre 0,7 e 0,85 segundos.

O fenômeno de Respiratory Sinus Arrhytmia descreve o impacto da respiração na HRV. Quando inspiramos o coração bate ligeiramente mais rápido, o que reflete numa diminuição dos valores de HRV. Quando expiramos o coração bate mais lentamente, a HRV aumenta. Na época em qe estávamos sem o respirômetro, fizemos a primeira medida de RSA inferindo a respiração analisando a amplitude do ECG. À medida que os pulmões se enchem de ar, a amplitude diminui, e à medida que os esvaziamos a amplitude aumenta.
Abaixo há plots de várias curvas, o plot da HRV está em verde. O eixo vertical da HRV representa os intervalos entre batimentos consecutivos, que é a própria HRV, e o eixo horizontal representa o batimento utilizado no momento do cáculo, desta forma é possível acompanhar a HRV variando no tempo. Valores usuais de HRV variam na faixa de 0,7-0,9 segundos. Para comparar a HRV com a respiração e com o ECG, foi necessário modificar as escalas no eixo horizontal, uma vez que a intensidade do ECG e do respirômetro varia em torno de 400-500 mv. Nos dois próximos gráficos, todos os pontos do eixo vertical da HRV foram multiplicados por uma constante, assim foi possível sobrepô-lo ao sinal do ECG, e através da variação de amplitude do ECG pode-se inferir o efeito da respiração na HRV, uma vez que a amplitude dele varia com a respiração. No primeiro gráfico a HRV foi multiplicada por 560, no segundo por 5000. A obtenção de dados sobre a respiração teve que ser inferida através da amplitude do ECG pois o respirômetro não estava funcionando corretamente na época.

Outra medida de HRV agora comparada com o sinal do Respirômetro. Os sinais foram normalizados, ao invés de multiplicar a HRV por um valor como nos gráficos anteriores, e depois deslocados no eixo y para melhor ilustrar o fenômeno, portanto seus valores não são representativos de nenhuma grandeza. É muito fácil perceber o fenômeno de RSA neste gráfico. O sinal do respirômetro foi invertido (multiplicado por -1).

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Reprodução de Artigos Científicos

Utilizando os equipamentos desenvolvidos no CTA, pretendemos replicar artigos científicos da área médica utilizando tecnologia livre e de baixo custo. Inicialmente pretende-se reproduzir os dois artigos a seguir.

Estrutura Musical Determina a Variabilidade da Taxa Cardíaca de Cantores (Music structure determines heart rate variability of singers)

link: http://dx.doi.org/10.3389/fpsyg.2013.00334

Como foi ilustrado nos gráficos de HRV vs. Respiração que ilustram o fenômeno de RSA, a atividade respiratória tem uma forte correlação com a HRV. Mas será que existem tipos de respiração que tem uma correlação mais forte com a HRV do que outras? Este artigo foi realizado na Suécia com um coral. Cantar uma música força com que cantores respirem em momentos específicos relacionados com a estrutura musical. O mesmo efeito pode ser obtido fazendo com que uma pessoa leia um texto, que pode ser elaborado de forma a fazer com que o leitor respire em determinada frequência. Será que ambos os exercícios terão a mesma correlação com a HRV? O artigo analisou quinze cantores e concluiu que a música fez com que as HRVs dos determinados cantores ficassem muito mais semelhantes entre si do que quando eles leram o texto.
Utilizando o ECG e o respirômetro tentaremos reproduzir este artigo no CTA utilizando dois cantores, devido ao número limitado de ECGs que temos disponíveis. O único empecilho a esta atividade é aprimorar o algoritmo de detecção de batimentos para que ele detecte apenas a onda R e não as ondas S e construir um algoritmo que faça corretamente a FFT (fast fourier transform), é complicado fazer a FFT dos dados uma vez que os intervalos de tempo da HRV não são periódicos.

Sobre a Ánalise Espectral da Variabilidade da Taxa Cardíaca Durante Respiração de Yoga Muito Lenta (On Spectral Analysis of Heart Rate Variability during Very Slow Yogic Breathing)

link: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.135.2805


Contatos

  • Rodrigo Dillenburg: rodrigodillenburg[arroba]msn.com
  • Béuren Felipe Bechlin: beuren.bechlin[arroba]ufrgs.br
  • Flávio Depaoli: fbdepaoli[arroba]hcpa.edu.br ; flaviodepaoli[arroba]yahoo.com.br
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Referências

The Only EKG Book You'll Ever Need - Malcolm S. Thaler MD

Music structure determines heart rate variability of singers - Björn Vickhoff1, Helge Malmgren, Rickard Åström

On Spectral Analysis of Heart Rate Variability during Very Slow Yogic Breathing - E. Jovanov

moeda.jpg - sinal obtido usando uma moeda no lugar do eletrodo da mão direita (43,5 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 13/04/2016 18:08

eletrodo_moeda.jpg (83,5 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 13/04/2016 18:08

pulseira.jpg - sinal convencional obtido a partir das três pulseiras (72,5 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 13/04/2016 18:08

eletrodo_pulseira.jpg (58 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 13/04/2016 18:08

case.jpg (77,8 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 13/04/2016 18:08

ecg.jpg (338,1 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 13/04/2016 18:12

eletrodo.pulseira.jpg (84 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 15/04/2016 14:42

eletrodo_moeda_menor.jpg (88,8 KB) Flávio Depaoli, 15/04/2016 16:48

plotter_serial.png (59,8 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 29/04/2016 17:27

plot1_29-04.bmp (1,6 MB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 29/04/2016 17:27

plot1_29-04.png (1,6 MB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 29/04/2016 17:30

PlotDerivada_29-04.png (1,7 MB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 29/04/2016 17:36

ecg_dados (34,6 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 29/04/2016 17:48

8s-resp-flavio.bmp (2,3 MB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 04/05/2016 17:51

soarduino60.bmp (667,7 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 04/05/2016 18:38

arduino_ecg60.bmp (2,3 MB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 04/05/2016 18:38

60hz.qti (3 MB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 04/05/2016 18:38

soarduino60_escalacorrigida.bmp (2,3 MB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 04/05/2016 18:41

plot1_29-04.resized.png (36 KB) Paulo Sérgio Müller, 09/05/2016 13:25

PlotDerivada_29-04.resized.png (36,4 KB) Paulo Sérgio Müller, 09/05/2016 13:25

plotter_serial.resized.png (41,7 KB) Paulo Sérgio Müller, 09/05/2016 13:25

pulseira.resized.jpg (48,6 KB) Paulo Sérgio Müller, 09/05/2016 13:25

ecg10.zip - projeto refeito em KiCAD (134,2 KB) Paulo Sérgio Müller, 09/05/2016 13:25

ecg1.png - imagem projeto kicad (64,5 KB) Paulo Sérgio Müller, 09/05/2016 13:43

ecg2.png - imagem projeto kicad (59,9 KB) Paulo Sérgio Müller, 09/05/2016 13:43

derivada.py - algoritmo gerador da derivada e da hrv (1,3 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 09/05/2016 16:24

case_menor.jpg (59,7 KB) Flávio Depaoli, 10/05/2016 11:15

rsa_ecg_menor.bmp (834,5 KB) Flávio Depaoli, 10/05/2016 11:15

rsa_derivada_menor.bmp (834,5 KB) Flávio Depaoli, 10/05/2016 11:15

deteccção_ecg_derivada_menor.bmp (834,5 KB) Flávio Depaoli, 10/05/2016 11:23

moeda.resized_menor.jpg (19,6 KB) Flávio Depaoli, 10/05/2016 11:23

pulseira.resized_menor.jpg (26,1 KB) Flávio Depaoli, 10/05/2016 11:23

eletrodo.pulseira_menor.jpg (34,1 KB) Flávio Depaoli, 10/05/2016 11:23

resp-hrv_normalizado_invertido_18_05_resized.jpg (67,6 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 25/05/2016 15:25

moeda_resized.jpg (57,5 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 25/05/2016 15:30

hrv_cortado.jpg (27,5 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 25/05/2016 17:36

hrv_so_red.jpg (51,5 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 03/06/2016 10:48

ECG.jpg (31,3 KB) Rodrigo Fedrizzi Dillenburg, 03/06/2016 11:25

ECG.pdf - Esquematico do ECG (10,1 KB) Renan Ritter Soares, 08/09/2016 15:21