ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA DE ELETRÔNICA BÁSICA: ELETROCARDIÓGRAFO

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA

ENGENHARIA ELÉTRICA: ELETRÔNICA/TELECOMUNICAÇÕES

GUSTAVO A RECH S TERAN

GUSTAVO PAULIN GERBER

ALAN EIKI KONDO

ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA DE ELETRÔNICA BÁSICA:

ELETROCARDIÓGRAFO

RELATÓRIO

CURITIBA

2011

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GUSTAVO A RECH S TERAN

GUSTAVO PAULIN GERBER

ALAN EIKI KONDO

ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA DE ELETRÔNICA BÁSICA:

ELETROCARDIÓGRAFO

Relatório da atividade prática supervisionada da disciplina de Eletrônica Básica.

Orientador: Prof. Dr. Pedro Gewehr

CURITIBA

2011

 

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1. INTRODUÇÃO

A atividade prática supervisionada da disciplina de Eletrônica básica tem como objetivo demonstrar as aplicações de amplificadores operacionais, diferenciais e de instrumentação, além de filtros ativos. Para tal, um circuito simples de eletrocardiógrafo foi projetado, montado e testado.

Buscou-se fundamentação teórica para esta prática em livros sobre engenharia biomédica, em sites da internet e nas aulas da disciplina. O projeto básica foi apresentado pelo professor Gewehr.

Uma vez com o circuito pronto, ele foi testado tanto com o simulador de ECG cedido pelo departamento quanto in vivo. As imagens obtidas no osciloscópio para ambos os testes foi salva em pendrive.

Este relatório foi escrito com o objetivo de mostrar os estudos sobre o ECG e a análise dos resultados obtidos com a prática, bem como ressaltar as dificuldades e as prováveis fontes de erros.

1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Nesta seção serão abordados os aspectos teóricos do projeto, embasados nas pesquisa prévia, feita antes da montagem. Será feito um resumo sobre a origem dos pulsos elétricos no corpo humano, o funcionamento básico do coração, o procedimento básico para captura dos impulsos elétricos emitidos por este órgão e as mais comuns fontes de erro neste processo.

1. ORIGEM DOS BIOPOTENCIAIS

Primeiramente, deve-se discutir a origem dos sinais bioelétricos produzidos a nível celular. Os potenciais elétricos que surgem de fontes biológicas são chamados de biopotenciais. Células que geram tais potenciais são denominadas células excitáveis, componentes de tecidos nervosos, musculares e glandulares. Elas possuem um potencial de repouso e produzem um potencial de ação quando devidamente excitadas.

O potencial de repouso, normalmente entre -40 e -90 mV em relação ao meio externo, é mantido entre este meio e o interno. Ele pode ser medido com micropipetas e pequenas excitações elétricas na membrana celular. Tal membrana é constituída de uma fina (7 a 15 nm) camada de um complexo protolipídico, essencialmente impermeável a ânions orgânicos. Ela é levemente permeável ao íon Na+ e consideravelmente permeável ao K+ e ao Cl-.

A diferença de concentração de íons potássio fora e dentro da célula cria um gradiente de difusão para fora da membrana. O movimento de K+ na direção do gradiente gera uma diferença de potencial transmembrana, como se a membrana fosse um capacitor com vazamento. O campo elétrico deste “capacitor” está direcionado para dentro da célula, inibindo a movimentação de K+. As forças elétricas e de difusão se equilibram no estado de repouso. Pela formulação GHK, o potencial de repouso é dado pela seguinte equação:

[pic 1]

na qual R é a constante universal dos gases, T é a temperatura absoluta, F é a constante de Faraday, Pm é a permeabilidade do íon m e [m] é a concentração deste íon. O subscrito “o” indica que é fora da célula e “i”, dentro.

Através do mecanismo da bomba de sódio e potássio, o estado de equilíbrio é mantido através do consumo de adenosina trifosfato (ATP), produzida pelas mitocôndrias da células.

Quando a membrana recebe um estímulo suficiente para despolarizar a membrana de maneira que o potencial de limiar é ultrapassado, um potencial de ação é transmitido com velocidade constante pela membrana. Esta é reação é sempre a mesma, uma vez que o limiar é ultrapassado, independentemente da duração ou da intensidade do estímulo.

A membrana é dita polarizada por causa de seu potencial de repouso. Uma diminuição na magnitude desta polarização é chamada despolarização; um aumento, de hiperpolarização.

Quando o potencial transmembrana (Vm) é despolarizado a permeabilidade da membrana ao sódio (ou a condutância ao sódio, gNa) aumenta, consequentemente aumentando a concentração do íon sódio na molécula, o que aumenta ainda mais gNa. Quando o limiar é excedido, este processo se torna auto-regenerativo. Nestas condições, Vm se aproxima do potencial de equilíbrio de Nernst para o sódio, de aproximadamente 60mV.

Tal potencial nunca é atingido pois também há dependência do tempo e um aumento retardado de gK (condutância da membrana ao potássio), que age como um fator hiperpolarizante e tende a retornar Vm ao equilíbrio. Enquanto este retorno ocorre, potássio ainda sai da célula, pois há atraso na diminuição de gK. Desta forma, surge um impulso negativo antes do retorno ao equilíbrio.

Na figura 1, mostra-se um circuito que modela uma área unitária de membrana celular. A membrana em si é representada pela capacitância específica Cm e pelas condutâncias específicas para cada íon. Os meios internos e externos são considerados puramente resistivos. O potencial do meio externo é chamado Vo; o do meio interno, Vi. A tensão transmembrana é dada por Vm = Vo-Vi. É interessante notar  como a membrana forma filtros passa-baixas com as condutâncias.

[pic 2]

Figura 1 – Modelo da membrana celular como circuito elétrico

Fonte: Medical Instrumentation Applications & Design [1]

Este processo de despolarização e repolarização da membrana faz com que uma porção vizinha também inicie a tal despolarização e encadeie a transmissão de um sinal elétrico através das células.

1. FUNCIONAMENTO DO CORAÇÃO HUMANO

O coração funciona como uma bomba de sangue com quatro câmaras. Os dois ventrículos exercem a função de bombear, enquanto os átrios servem para armazenar o sangue antes do bombeamento. A fase em que o coração é preenchido se chama de diástole, enquanto a fase de bombeamento é a sístole. O funcionamento deste sistema exige uma série de eventos elétricos bem coordenados.  Há um padrão de ativação das paredes dos átrios e ventrículos , mantido pelo sistema de condução especializado