PRÁTICA DE BIOENGENHARIA

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1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná. DAELN Depto Acadêmico de Eletrônica Curso de Engenharia Eletrônica PRÁTICA DE BIOENGENHARIA Prof. Sérgio Francisco Pichorim, D.Sc. Página na Internet : pessoal.utfpr.edu.br/pichorim/aula utfpr. edu. br

2 UTFPR/DAELN Prática de Bioengenharia Prof. Sérgio Francisco Pichorim 2 PRÁTICA DE ELETROCARDIOGRAFIA (ECG) O objetivo geral da prática é o registro e a medição, de forma básica, de biopotenciais. O projeto está focado no ECG, contudo, pode ser facilmente adaptado para a aquisição de outros biopotenciais. A prática total terá duas partes: uma já definida, a aquisição do ECG (amplificação e filtragem); e um projeto EXTRA que será desenvolvido pelos alunos. A figura abaixo mostra uma visão geral das práticas. Os dois primeiros blocos compõem a primeira parte da prática, e os dois últimos são apenas sugestões de projeto. Outras propostas de projetos são: Driver da perna-direita, Isolador digital, Detector de eletrodo solto, Alarme de arritmias, Protetor de Entrada, Detector de Onda R, Cardiotacômetro, etc. Eletrodos Prática (parte A) Prática (parte B) Projeto Projeto Amplificador de Instrumentação Filtros para o sinal de ECG sinal ECG Detector da Onda R Medidor de freq. cardíaca Os roteiros aqui apresentados descrevem os procedimentos práticos da primeira parte acima citada. Após a realização das práticas, elaborar relatório descritivo com resultados e o projeto.

3 UTFPR/DAELN Prática de Bioengenharia Prof. Sérgio Francisco Pichorim 3 PARTE A : AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO Nesta parte da prática, além do funcionamento do circuito, será feita a medição da Rejeição de Modo Comum do amplificador e seu ajuste para a melhor situação possível. Para obter a CMRR deve-se medir os ganhos diferencial e comum do amplificador. Ganho Comum: Ganho Diferencial: (+) (-) saída (+) (-) saída Gerador de sinais a) Testar somente o Amplificador Subtrator. Entradas em A e B. - MEDIÇÃO DO GANHO COMUM. - Aplicar um sinal de grande (máxima) amplitude na entrada - Ajustar o potênciometro de 10 k para o menor sinal de saída Tensão de Entrada Tensão de Saída Ganho Ganho teórico = - MEDIÇÃO DO GANHO DIFERENCIAL - Aplicar um pequeno sinal para não ocorrer saturação na saída Tensão de Entrada Tensão de Saída Ganho Ganho teórico = - cálculo da CMRR Valor teórico = 20 log (Ad/Ac) =

4 UTFPR/DAELN Prática de Bioengenharia Prof. Sérgio Francisco Pichorim 4 b) Teste do Amplificador de Instrumentação completo. Ligar pontos A e B, entradas nos eletrodos. - medir o ganho diferencial Tensão de Entrada Tensão de Saída Ganho Ganho teórico = - medir o ganho de modo comum Tensão de Entrada Tensão de Saída Ganho Ganho teórico = - cálculo do CMRR total Valor teórico = 20 log (Ad/Ac) = c) Caso a CMRR total não for satisfatória (ou seja, acima de 100 db) pode-se, com o circuito completo, reajustar o potenciômetro para obter a menor tensão possível de saída em modo comum; ou diminuir o valor do resistor R1, para elevar o ganho diferencial. d) Após os ajustes no circuito repetir as medições de Ad, Ac e CMRR. e) Aplicar o simulador de ECG e observar a saída.

5 UTFPR/DAELN Prática de Bioengenharia Prof. Sérgio Francisco Pichorim 5 PARTE B : FILTROS PARA ECG Nesta parte da prática, além do funcionamento do circuito, serão levantas as curvas de respostas dos filtros, determinação das frequências de corte e seu ajuste para a melhor situação possível. Para obter as curvas de resposta dos filtros PB e Notch devese aplicar sinal senoidal e medir os ganhos, repetindo o procedimento para várias frequências dentro do espectro desejado. FILTRO entrada saída Gerador de sinais A frequência de corte é definida como o ponto onde o filtro começa a atuar (conduzir ou cortar), ou seja, é a frequência onde o nível do sinal está 2 / 2 abaixo do valor de máxima passagem (ponto de 3dB). a) Teste do Filtro Passa-alta e Passa-baixa. Entrada no ponto D. - medir o ganho do filtro Freqüência (Hz) Tensão de Entrada Tensão de Saída Ganho medir a freqüência de corte superior (para saída 70,7% do máximo) fc do Passa-baixa

6 UTFPR/DAELN Prática de Bioengenharia Prof. Sérgio Francisco Pichorim 6 - medir as freqüências de corte inferior OBS: Como a frequência de corte inferior é muita baixa, este valor deve ser devido com outra técnica. A freqüência de corte é função do tempo de carga do circuito RC, assim aplica-se na entrada do filtro uma onda quadrada com cerca de 0,1 Hz, e mede-se o tempo necessário para o capacitor se carregar 50% do máximo. A freqüência de corte é calculada pela equação: ln 2 fc Saída 2.. tc A A/2 tc tc = fc do Passa-alta = b) Teste do Filtro Notch (rejeita faixa) de 60 Hz. Entrada no ponto F. - MEDIÇÃO DA MÁXIMA REJEIÇÃO PARA 60Hz - Aplicar um sinal senoidal com freqüência exata de 60 Hz - Ajustar o potenciômetro de 10 k para o menor sinal de saída V entrada = V saída = Ganho

7 UTFPR/DAELN Prática de Bioengenharia Prof. Sérgio Francisco Pichorim 7 c) Faixa de rejeição do filtro Rejeita Faixa para 60 Hz - medir o ganho do filtro Freqüência Tensão de Entrada Tensão de Saída Ganho 10 Hz 25 Hz 50 Hz 53 Hz 56 Hz 60 Hz 64 Hz 67 Hz 70 Hz 100 Hz 200 Hz 500 Hz - medir as freqüências de corte inferior e superior (70,7% do máximo) - calcular a banda de corte do filtro fc inf fc sup BW = fc sup fc inf d) Plotar as curvas (ganho frequência) dos filtros. e) Interligar os filtros (ligar E-F), variar a freqüência de entrada e observar o funcionamento do conjunto. f) Interligar os filtros ao amplificador de instrumentação (ligar C-D) g) Conectar o simulador de ECG e observar o sinal na saída. Amplitude da Onda R = Amplitude da Onda T = Amplitude da Onda P = Nível do ruído = h) Desenvolver e ensaiar o Projeto Extra.

8 UTFPR/DAELN Prática de Bioengenharia Prof. Sérgio Francisco Pichorim 8 Entrada 1 Circuito parcial da prática de ECG Amplificador de instrumentação RA 47 k A R3 10k R4 33 k LA Entrada 2 R 1 3,3k R2 R2 47 k B R3 10k 10 k (##) C LL C2 10 nf R7 10 k R8 100 k R5 27 k R6 1,5 M C D E F C1 1 µf * R6 1,5 M Filtros Passa-alta e Passa-baixa F R9 12 k R9 12 k C3 220 nf C3 220 nf Filtro Corta Faixa Saída ECG R10 1,8 k (#) C3 e C3 ** 10 k 220 nf // 220 nf R11 8,2 k Qualquer Amp.Op. com alta CMRR e Zin, sugestão: TL 071. (*) não pode ser eletrolítico ou tântalo. (**) dois capacitores em paralelo. (#) ajuste do corte para ½ R9. (##) trimpot multivoltas para ajuste de CMRR. Projeto : prof. Sérgio Francisco Pichorim, abril/2014.

9 UTFPR/DAELN Prática de Bioengenharia Prof. Sérgio Francisco Pichorim 9 EXERCÍCIOS 1. No amplificador anterior (da prática) calcular o ganho diferencial do subtrator, do estágio de entrada e o ganho total. 2. Supondo que os amplificadores operacionais sejam 741 e que o melhor ajuste do potenciômetro (##) resultou em uma CMRR de 75 db no subtrator, calcular a CMRR total do amplificador de instrumentação. 3. Calcular as frequências de corte inferior e superior para o filtro (circuito entre pontos D-E) e o ganho máximo na região de passagem. 4. Sabendo que o ganho do filtro Notch é unitário, qual o ganho total que o sinal de biopotencial, entrando em modo diferencial nas entradas 1 e 2, terá na saída de ECG? 5. Supondo a mesma situação da questão 2, recalcule os resistores R1, R2, R3 e R4 para que o amplificador de instrumentação tenha uma CMRR de 115 db e ganho diferencial total de 60 db.

10 UTFPR/DAELN Prática de Bioengenharia Prof. Sérgio Francisco Pichorim 10 RESUMO DOS AMP. DE INSTRUMENTAÇÃO (INA) INA101 High Accuracy Instrumentation Amplifier CMRR= 106 db at 60Hz INA103 Low Noise Instrumentation Amp (DC to 60Hz). G=1, CMRR= 72 to 86 db, G=100, CMRR= 100 to 125 db INA110 Fast Settling FET-Input Instrumentation Amp. G=10, CMRR= 87 to 104 db, G=100, CMRR= 100 to 110 db INA111 High Speed FET-Input Instrumentation Amplifier G=1, CMRR= 80 to 90 db, G=10, CMRR= 96 to 110 db, G=100, CMRR= 106 to 115 db INA114 Precision Instrumentation Amplifier G=10, CMRR= 96 to 115 db, G=100, CMRR= 110 to 120 db, G=1000, CMRR= 115 to 120 db INA116 Ultra Low Input Bias Current Instrumentation Amp. (CMRR= 80 to 94 db) INA118 Precision Low Power Instrumentation Amplifier G=10, CMRR= 97 to 110 db, G=100, CMRR= 107 to 120 db, G=1000, CMRR= 110 to 125 db INA121 FET Input Low Power Instrumentation Amplifier G=10, CMRR= 91 to 100 db, G = 1000, CMRR= 96 to 106 db INA126 MicroPower Instrumentation Amplifier CMRR= 80 to 94 db. Este CI tem apenas 2 amp.op. internos! INA128 e 129 Precision, Low Power, INSTRUMENTATION AMPLIFIERS G = 1, CMRR= 80 min, typ: 86 db G = 10, CMRR= 100 min, typ: 106 db G = 100, CMRR= 120 min, typ: 125 db G = 1000, CMRR= 120 min, typ: 130 db S.F.Pichorim, 2013

11 UTFPR/DAELN Prática de Bioengenharia Prof. Sérgio Francisco Pichorim 11 Normas para Apresentação de Relatório O relatório deve seguir as Normas Para Elaboração de Trabalhos Acadêmicos (2009) adotadas pela UTFPR ( Devendo conter: Na Introdução Teórica uma breve apresentação da teoria que será ensaiada na prática, descrevendo apenas o assunto relacionado com a prática. Deve-se incluir as equações e os cálculos teóricos. Quando necessário incluir curvas, descrição funcional dos circuitos etc; Nos Procedimentos e Resultados, descrever todos os procedimentos executados na realização da experiência, tais como, montagens, ajustes, medidas, observações de formas de onda etc. Sempre incluir o diagrama esquemático dos circuitos. Em conjunto com a descrição dos procedimentos deve-se apresentar os resultados obtidos, tais como, tabelas de valores, formas de ondas, curvas etc., colocados de forma comparativa aos valores teóricos esperados. Apresentar uma correlação entre teoria e prática de forma clara, de tal forma que, mesmo uma pessoa leiga possa observar e comparar os resultados obtidos; e, Nas Conclusões, que são muito importantes em um relatório, fazer comentários sobre os resultados obtidos, comparações com a teoria, justificando as diferenças encontradas, e se estas diferenças são aceitáveis, ou se ocorreu algum problema no desenvolvimento da prática. E, por fim, comentar sobre a contribuição da experiência no seu aprendizado. Pontos para a Avaliação de Relatório Nos relatórios observar os seguintes pontos indicados: ( ) Colocar Introdução Teórica ( ) Na Introdução Teórica focalizar o assunto da prática NOTA : ( ) Na Introdução Teórica apresentar as equações utilizadas ( ) Na Introdução colocar os Cálculos Teóricos ( ) Colocar desenho dos circuitos ensaiados ( ) Melhorar os desenhos dos circuitos ( ) Colocar lista de materiais ( ) Descrever o procedimento prático executado ( ) Colocar tabelas com resultados medidos ( ) Colocar formas de ondas observadas/medidas ( ) Colocar gráfico ( ) Arrumar os eixos na escala (no Excel usar Dispersão XY, não usar gráfico Colunas ou Linha) ( ) No gráfico a curva é teórica ( ) No gráfico os pontos são medidos ( ) Cuidar com as unidades (A, V, Hz,, s, F, H, db, ) ( ) Cuidar com os prefixos ( p, n,, m, k, M, G, ) ( ) Colocar Conclusão ( ) Melhorar a Conclusão ( ) Comentar as diferenças entre valores teóricos e práticos ( ) Apresentar erros (em %) encontrados ( ) Comentar sobre o que foi (ou não foi) observado na prática ( ) Comentar sobre o que foi aprendido na prática ( ) prof. Sérgio F. Pichorim