Avaliação de amplificadores de instrumentação para sistemas de aquisição de sinais bioelétricos

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SINAIS REQUISITOS ESPECÍFICOS DA 
APLICAÇÃO 
ECG Frequências de corte: inferior 0.05 
Hz, superior 100Hz, corrente de 
fuga abaixo de 10 mA, isolamento 
elétrico relativamente à linha de 
alimentação e à terra. Proteção 
contra tensões de desfibrilhação 
elevadas. 
EEG O ganho deve lidar com sinais de 
microvolts, baixo ruído térmico e 
eletrônico . As características 
sestantes são similares a do ECG. 
EMG Amplificador com maior largura de
banda. Deve-se utilizar circuitos de 
pós-processamento (exemplo: 
rectificador + integrador) 
EOG 
Avaliação de amplificadores de instrumentação 
para sistemas de aquisição de sinais bioelétricos 
 
 
Andrei Ferreira Garcia Patricia T. da Silva Yvo Marcelo Chiaradia Masselli 
Inst. Nac. de Telecomunicações – Inatel Inst. Nac. de Telecomunicações – Inatel Inst. Nac. de Telecomunicações - Inatel
andreifgarcia@yahoo.com.br paty_tamires@yahoo.com.br yvo@inatel.br 
 
 
Resumo – Este artigo apresenta um estudo dos principais 
modelos de amplificadores de instrumentação no mercado e 
tem por objetivo definir um modelo final de configuração para 
futuro desenvolvimento de um equipamento de aquisição de 
sinais bioelétricos de baixo custo. 
Palavras chave — amplificadores de instrumentação, sinais 
bioelétricos, Matlab®. 
 
Abstract - This article presents a study of the major models of 
instrumentation amplifiers on the market and aims to define a 
final model configuration for future development of an 
acquisition equipment bioelectrical signals with a low cost. 
Keywords - instrumentation amplifiers, bioelectrical signals, 
Matlab®. 
instrumentação para área médica foram analisados os 
seguintes amplificadores de instrumentação: INA 103, INA 
114, INA 118, INA 122, INA 128 e 129. 
Foram levados em conta os seguintes critérios para a 
escolha do amplificador: 
 
TABELA I 
REQUISITOS ESPECÍFICOS PARA APLICAÇÃO DE SINAIS BIOELÉTRICOS. 
 
I. INTRODUÇÃO 
 
Qualquer tipo de sinal elétrico gerado por um ser vivo é 
chamado de sinal bioelétrico e através da análise destes é 
possível avaliar o comportamento de inúmeras variáveis de 
interesse de especialistas nas áreas de saúde. [1] 
Equipamentos como eletrocardiógrafos, eletromiógrafos e 
eletroencefalógrafos são fundamentais ao auxílio na geração 
de diagnósticos precisos. 
Ganho elevado com resposta de 
baixa frequência e DC muito boa. 
O custo elevado destes equipamentos faz com que os 
mesmos sejam de uso restrito a uma pequena parcela de 
profissionais, tanto em suas áreas de exercício quanto na 
área acadêmica como recurso didático. [1] 
Um dos principais dispositivos de aquisição de sinais 
bioelétricos é o amplificador de instrumentação. Tal fato se 
justifica em função da evolução das técnicas de 
processamento de sinais digitais. 
Este trabalho apresenta uma análise dos principais tipos de 
amplificadores de instrumentação, utilizados em aplicações 
de aquisição e análise de sinais bioelétricos. 
 
II. AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAÇÃO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Um amplificador de instrumentação é um elemento 
essencial em qualquer sistema de aquisição de sinais de 
pequena amplitude, são estruturas intrinsecamente 
realimentadas [3]. Existem diversos tipos no mercado, cada 
qual com sua finalidade especificada de acordo com a tabela 
abaixo: 
 
Os amplificadores de instrumentação são circuitos que 
amplificam a diferença entre duas tensões, mantendo 
elevada impedância de entrada, elevada rejeição a sinais de 
modo comum e ganho diferencial ajustável. [2] 
O amplificador diferencial pode amplificar uma pequena 
diferença de tensão entre sinais colocados em suas entradas. 
O esquema base consiste na montagem de um circuito 
subtrator para se comparar os sinais bioelétricos gerados. 
A primeira etapa do estudo foi feita uma análise dos 
principais modelos de amplificadores de instrumentação 
disponíveis no mercado, e definido um modelo para futuro 
desenvolvimento de um equipamento de sinais bioelétricos 
de baixo custo. 
A família de componentes eletrônicos da National 
Instruments® possui uma linha de amplificadores de 
TABELA II 
COMPARAÇÃO ENTRE AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAÇÃO - INA. 
 
CARACTERISTICAS INA114 INA122 INA128 
LOW OFFSET 
VOLTAGE
50 uV 50 uV 50 uV 
LOW DRIFT 0,25 uV/°C 0,5 uV°/C 0,5 uV°C 
LOW INPUT B AS I
CURRENT 2 nA 5 nA 5 nA 
WIDE SUPP LY
RANGE 2,25 – 18 V 1,35 V 2,25 – 18 V
 
Dentre os vários tipos de Amplificadores INA optou-se pelo 
INA114 por ser um amplificador de baixo custo e pelas 
características de ganho, rejeição em modo comum e outras 
citadas anteriormente. 
mailto:andreifgarcia@yahoo.com.br
mailto:paty_tamires@yahoo.com.br
mailto:yvo@inatel.br
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1- INA 114 usado na aplicação de pré-amplificador [4] 
 
III. APLICAÇÃO 
 
A. Desenvolvimento de um protótipo para aquisição de 
sinais bioelétricos de baixo custo. 
 
Para validar a escolha do componente ideal de amplificação, 
foi desenvolvido um circuito capaz de medir um sinal de 
ECG. O ECG registra as atividades elétricas do coração e 
fornece informações sobre a função cardíaca sendo possível 
fazer um prognóstico de certas cardiopatias os potenciais 
gerados pelo coração durante o ciclo sístole-diástole 
(contração/relaxamento) podem ser registrados aplicando-se 
eletrodos na superfície cutânea em diferentes posições do 
corpo [5]. 
Assim, inicialmente é realizada a pré-amplificação do sinal 
bioelétrico utilizando o amplificador de instrumentação 
INA114 e o circuito integrado OPA2604 para minimizar o 
ruído dos cabos. A configuração do pré-amplificador 
desenvolvido pode ser verificada na figura 1. 
No pré-amplificador os resistores (RG/2 ) são de 2,8kΩ. O 
ganho de tensão pode ser calculado pela equação (1). 
 
 
 
Figura 3 – Configuração final do circuito amplificador de ECG 
 
Para se evitar ruídos conduzidos via fonte de alimentação 
externaé recomendável a alimentação do circuito por meio 
de baterias (9V) conectadas em série, resultando em uma 
alimentação simétrica. A figura 4 apresenta o amplificador 
desenvolvido. 
 
G  1  
50 k
RG 
 
(1) 
Após a pré-amplificação utilizou-se o circuito integrado LM 
741 para se amplificar o sinal. A configuração adotada foi a 
seguinte: 
 
 
Figura 2 - Configuração do circuito amplificador. 
Os cálculos são realizados da seguinte forma: 
Av=(R2/R1) +1 
100=(1M/R1)+1 
R1=10kΩ 
 
A integração dos circuitos de pré-amplificação e 
amplificação é apresentada na figura 3. 
Figura 4 – Amplificador de ECG 
 
Para simular o ECG utilizou-se o simulador portátil de 
Paciente, modelo Handy Sim fabricado pela R&D MEDIQ 
[6]: 
 
 
 
Figura 5 - Simulador de paciente Handy Sim R&D MEDIQ [6] 
 
B. Primeiros testes 
 
Nos primeiros testes utilizou-se apenas o amplificador, o 
simulador de Paciente e o Osciloscópio, para se visualizar as 
derivações ou o ECG típico, mostrando as ondas P, T e o 
complexo QRS figura 6. 
 
 
 
Figura 6 - ciclo PQRST [7] 
 
Para um ajuste de 30 bpm (figura 7) obteve-se um resultado 
satisfatório já que é possível verificar a semelhança ao ciclo 
PQRST apresentado na figura 6. 
A frequência visualizada no osciloscópio (valor circulado no 
campo superior direito) corresponde exatamente ao valor 
calculado: 30bpm/60=0.5Hz. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 9 – Arduino Mega 2560 e Matlab® [09] 
 
A escolha foi feita com base na quantidade de recursos 
disponíveis para as operações necessárias sobre o sinal 
bioelétrico. Estas operações compreendem basicamente 
processos de filtragem e extração de características 
fundamentais do ECG. 
Para que essa interação fosse possível necessitou-se a 
utilização de um firmware específico desenvolvido por 
usuários do Matlab® e disponível no repositório da 
MathWorks® [09]. 
Este tem o papel de informar os status e as ações do Arduino 
via USB. No outro extremo, o software, oferece umconjunto de funções capaz de enviar e receber comandos 
diretamente do Arduino. 
 
 
C.2- Aquisição de dados em Matlab® 
 
Para que a avaliação da interface de baixo custo, Arduino, 
fosse validada, foi desenvolvido um pequeno script em 
MATLAB® capaz de coletar 1000 amostras por segundo e 
plotá-las em gráfico, como apresentado a seguir. 
 
Figura 7 - Resultado obtido com o simulador de paciente em 30 bpm. 
 
Logo após ajustou-se o simulador para 240 bpm obtendo-se 
a mesma precisão do resultado anterior. O valor calculado 
para a frequência é igual 4Hz (240bpm/60). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 8- resultado obtido ajustando-se o simulador em 240 bpm 
 
 
C. Testes Posteriores 
 
C.1- Descrição 
 
Nos testes seguintes foi utilizada plataforma livre de baixo 
custo Arduino ATMega 2560 [08] como interface entre o 
hardware de condicionamento de sinais (simulador de 
paciente) e o PC. Os valores provenientes da aquisição são 
tratados em ambiente de software. Para esta etapa utilizou-se 
o Matlab®. 
 
 
 
Figura 10 - Amostragem com o simulador de paciente em 30 bpm 
 
 
 
Figura 11- Amostragem com o simulador de paciente em 60 bpm 
 
 
 
Figura 12 – Amostragem com o simulador de paciente em 120 bpm 
 
Os resultados são satisfatórios e confirmam a possibilidade 
de se fazer um possível prognóstico usando tais ferramentas. 
Pode-se verificar também que o modelo de amplificador 
operacional utilizado nas etapas de amplificação e pré- 
amplificação apresentam excelente desempenho e não 
comprometem as características presentes nos sinais 
bioelétricos investigados. 
 
REFERÊNCIAS 
 
[1] http://www.hab2001.sld.cu/arrepdf/00358.pdf 
[2] http://www2.eletronica.org/apostilas-e-ebooks/componentes/AOP.pdf 
[3]http://ltodi.est.ips.pt/joseper/PTS%20I/Teoria_PTS%20I_Cap%203_200 
3.PDF 
[4]http://www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/I/N/A/1/INA114.shtm 
[5] http://www.bc.furb.br/docs/MO/2004/279181_1_1.pdf 
[6] http://www.rdmediq.com.br 
[7] http://www.misodor.com/ELETROCARDIOGRAMA. php 
[8] http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560 
[9] http://www.mathworks.com/academia/arduino-software/arduino- 
matlab.html 
[10] http://algol.dcc.ufla.br/~giacomin/Com145/Amp_Op.pdf 
[11] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina103.pdf 
[12] http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/BurrBrown/mXrvsur.pdf 
[13] www.datasheetcatalog.com 
[14] http://www.peteletrica.eng.ufba.br/?p=991 
 
 
Andrei Ferreira Garcia nasceu em 12 de Julho de1987,natural de Pouso 
Alegre-MG. Atualmente aluno do sétimo periodo do curso de Engenharia 
de Telecomunicações do Instituto Nacional de Telecomunicações, 
(INATEL). 
 
Patrícia Tamires da Silva, Nasceu em 12 de julho de 1989, natural de 
Careaçu-MG, cursando o oitavo período de engenharia Elétrica pelo 
INATEL. Técnica em Telecomunicações pela Escola Técnica de eletrônica 
ETE “FMC”. 
 
 
IV CONCLUSÃO 
 
É possível concluir, com base nos resultados obtidos, que os 
sinais bioelétricos com intensidade tão pequena, podem ser 
amplificados e disponibilizados para avaliação e 
manipulação em ambientes computacionais. Além disto, 
permite a criação de equipamentos biomédicos de baixo 
custo e considerável desempenho. 
Assim, o tipo de estudo realizado é essencial para a área de 
saúde em geral e abre caminho para novos estudos como os 
de identificação automática de patologias através de sinais 
bioelétricos. 
Yvo Marcelo Chiaradia Masselli nasceu em Itajubá, MG em 10 de 
outubro de 1975. Graduado em engenharia de telecomunicações pelo 
INATEL, mestre e doutor em engenharia elétrica pela UNIFEI (2009). 
Atualmente é professor adjunto do Instituto Nacional de Telecomunicações 
de Santa Rita do Sapucaí, MG (INATEL). 
http://www.hab2001.sld.cu/arrepdf/00358.pdf
http://www2.eletronica.org/apostilas-e-ebooks/componentes/AOP.pdf
http://ltodi.est.ips.pt/joseper/PTS%20I/Teoria_PTS%20I_Cap%203_200
http://www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/I/N/A/1/INA114.shtm
http://www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/I/N/A/1/INA114.shtm
http://www.bc.furb.br/docs/MO/2004/279181_1_1.pdf
http://www.rdmediq.com.br/
http://www.misodor.com/ELETROCARDIOGRAMA
http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560
http://www.mathworks.com/academia/arduino-software/arduino-
http://algol.dcc.ufla.br/%7Egiacomin/Com145/Amp_Op.pdf
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina103.pdf
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/BurrBrown/mXrvsur.pdf
http://www.datasheetcatalog.com/
http://www.peteletrica.eng.ufba.br/?p=991