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Universidade Federal do Ceará
Campus Sobral
Engenharia da Computação
Processamento Digital de Sinais (ECO077)
Equipe: Antº Alan Rodrigues de Araújo
Anderson Rodrigues Barbosa
Detecção de Frequência Cardíaca
Trabalho Final
1. Introdução
O eletrocardiograma (ECG) é um exame rápido e indolor de saúde na área
cardiológica no qual é feito o registro das atividades elétricas do coração
para avaliar seu funcionamento em cada batimento cardíaco. O propósito é
fazer um diagnóstico que pode fornecer informações relevantes sobre o
estado de funcionamento e constituição do coração. A leitura do ECG
apresenta ritmo e a frequência cardíaca; orientação geométrica do coração
dentro da caixa torácica; hipertrofia cardíaca; informações que evidenciam
possível lesão do miocárdio; arritmia cardíaca; alterações ao padrão normal
da atividade elétrica que pode predispor a perturbações do ritmo cardíaco.
Os testes do software foram realizados com arquivos do banco de dados
do MIT (MIT/BHI arrhytmia database).
1.2. Representação do ECG
Uma parte da corrente elétrica que circula pelo músculo cardíaco
durante as atividades cardíacas se propaga até a superfície do corpo
gerando, assim, diferenças de potencial em pontos diferentes do corpo que
podem ser detectados por eletrodos colocados sobre a pele [2]. O resultado
irregular registrado no papel representa um fluxo de corrente elétrica que
transita pelo coração durante uma contração. [1] Cada batimento cardíaco
inicia-se com um impulso a partir do nódulo sinoatrial, um "ponto"
diferenciado do coração, que se localiza na aurícula direita e que é
responsável pela produção compassada de impulsos. Este impulso, ou influxo
elétrico, se comporta como uma onda de corrente elétrica.
1.3. A onda ECG
As contrações são descritas por ondas periódicas formando, assim, um
complexo de "subondas". A figura 01 mostra o complexo PQRST que descreve um
ciclo de batimento.
Figura 01. Eletrocardiograma normal.
A onda P ocorre durante a despolarização dos átrios. O complexo QRS
acontece durante a despolarização dos ventrículos. Já a onda T é gerada
durante a repolarização dos ventrículos. Qualquer alteração no formato
dessas ondas pode significar uma perturbação no coração.
Figura 02: Onda P. Figura 03: Complexo QRS.
Figura 04: Onda T.
Ativação dos átrios Ativação dos
ventrículos Onda de recuperação
1.4. Realização do ECG
O eletrocardiográfico registra em um papel a atividade elétrica do
coração. São espalhados 09 eletrodos por todo o corpo, sendo 03 nas
extremidades (01 próximo ao tornozelo e 02 nos pulsos) e outros 06 em
regiões pré-definidas localizadas no tórax.
Figura 05: Disposição dos eletrodos
O eletrodo colocado no tórax é ligado ao terminal positivo do
eletrocardiográfico. Como mostrado na figura 02, os demais eletrodos estão
ligados ao terminal negativo utilizando-se de resistências para formar um
circuito elétrico.
2. Objetivos do Software
O software deste trabalho analisa os sinais ECG's extraídos de [4] que
é uma base de dados mantida pelo MIT. Para o desenvolvimento deste
utilizamos o ambiente matemático de simulações MATLAB.
2.1. A Origem dos dados do ECG utilizados neste trabalho
[4] Os laboratórios Boston's Beth Israel Hospital (BIH) apoiado pelo
MIT desenvolveram o primeiro banco de dados um banco de dados disponível de
material de teste padrão para a avaliação de detectores de arritmia, e tem
sido utilizado para o efeito, bem como para a pesquisa básica em dinâmica
cardíaca em mais de 500 locais no mundo inteiro. O banco de dados de
arritmia MIT-BIH contém trechos de meia-hora obtidos de 47 indivíduos
estudados pelo Laboratório de Arritmia BIH, entre 1975 e 1979.
2.2. Interpretação do Software
O programa usa uma série de filtros cascateados com um potenciador
para processar o sinal de forma digital. [5] O primeiro filtro é um Passa-
Banda composto por um Passa-Baixa e um Passa-Alta cascateados. Com isso o
ruído é rejeitado. No que se segue, o sinal entra em filtro derivativo e
depois é potencializado. Por fim, usamos o filtro por janela móvel. Após o
processo podemos captar o intervalo R-R que define os complexos QRS. Veja o
diagrama abaixo.
" "
" "
" "
" "
" "
Figura 06: Sinal de entrada do Software
Filtro Passa Baixa
O filtro Passa Banda, formado pelo Passa-Baixa e o Passa-Alta, [5]
reduz a influência do ruído dos músculos, interferência em 60 Hz e a
interferência na onda T. A banda passante desejável para maximizar a
energia do complexo QRS é entre 5-15 Hz [6], [7]. O filtro Passa Baixa
possui a Eq.01 como função de transferência.
(Eq.01)
A resposta em amplitude é dada pela Eq.02.
(Eq.02)
Onde T é o período de amostra [5]. A equação de diferenças do filtro é:
(Eq.03)
Em que a frequência de corte é em torno de 11 Hz.
Figura 07: Sinal na saída do filtro passa baixa
Filtro Passa Alta
A equação de transferência do filtro Passa Alta é dada pela Eq.04
(Eq.04)
com a seguinte equação de diferenças
(Eq.05)
a frequência de corte do filtro é em torno de 5 Hz.
Figura 08: Sinal da saída do filtro passa alta
Filtro Derivativo
Depois de filtrado, o sinal é diferenciado para encontrar, nos pontos
de maiores variações, o complexo QRS. A Eq.06 mostra a função de
transferência do filtro derivativo
(Eq.06).
A equação de diferenças da Eq.06 é:
(Eq.07)
Figura 09: Sinal de saída do filtro derivativo
Função Quadrática
Depois de diferenciado, o sinal é elevado ao quadrado em todos os
pontos pela seguinte equação.
(Eq.08)
Figura 10: Sinal de saída do Potencializador
Janela Móvel
O propósito da janela móvel é obter a forma de onda e encontrar o
valor de R-R (valor de QRS à QRS).
(Eq.09)
Figura 11: Detecção de R-R na saída da janela móvel
Referências Bibliográficas
[1] Medição da Frequência Cardíaca em Sinais de ECG
[2] GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de Filosofia Médica. 11. Ed. Rio de
Janeiro: Elsevier, 2006
[3] ELY, F. C. Análises de Sinais de Eletrocardiograma Através de Algoritmo
Baseado em Transformada de Wavelet
[4] http://physionet.org/physiobank/database/mitdb/
[5] A Real-Time QRS Detection Algorithm
[6] A digital QRS detector based on the principle of contour limiting
[7] Optimal QRS detector.
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Filtro Passa Baixa
Filtro Passa Alta
Filtro Passa Banda
Filtro Derivativo
Potenciação
Filtro por Janela Móvel
