Estudo comparativo do desempenho de 4 filtros ativos analógicos passa-baixa de segunda ordem de diferentes topologias e aproximações para aplicação em sinais de eletrocardiograma

Abstract

O eletrocardiograma (ECG) é uma ferramenta vastamente utilizada para a detecção de diagnósticos de doenças cardíacas, pois permite a identificação de alterações morfológicas e rítmicas ao registrar a atividade elétrica do coração. A correta interpretação do sinal depende da preservação das características morfológicas do sinal elétrico, como da onda P, do complexo QRS e da onda T. Contudo, sinais ECG são constantemente contaminados por ruídos provenientes de movimentos respiratórios, deficiências na conexão dos eletrodos com a pele, rede elétrica e interferências eletromiográficas, os quais podem comprometer a confiabilidade do diagnóstico. Neste contexto, apresenta-se a filtragem analógica como uma alternativa para o desenvolvimento de dispositivos portáteis de baixo custo, por conta do seu menor consumo energético e complexidade inferior quando comparada aos filtros digitais, que dependem da conversão Analógico-Digital e processamento digital de sinais. Filtros ativos analógicos, como os implementados com as topologias Sallen-Key e Mutiple Feedback (MFB), permitem a atenuação de ruídos indesejáveis preservando, simultaneamente, a integridade do sinal de interesse. Sendo assim, este estudo tem como objetivo realizar a análise comparativa do desempenho de 4 filtros ativos analógicos passabaixa de segunda ordem dos tipos Butterworth e Chebyshev para a aplicação de sinais de eletrocardiograma. As análises foram desenvolvidas por meio do software de simulação LTspice e o desempenho dos filtros foi comparado a partir de métricas de avaliação, como a preservação morfológica do sinal, a Transformada Rápida de Fourier (FFT) e a Relação Sinal-Ruído (SNR). O estudo não busca definir um filtro universalmente superior, mas sim compreender o comportamento das distintas configurações em diferentes critérios de avaliação, auxiliando na escolha adequada de filtros analógicos em aplicações biomédicas de ECG.

The electrocardiogram (ECG) is a widely used tool for detecting heart disease diagnoses, as it allows the identification of morphological and rhythmic changes by recording the electrical activity of the heart. The correct interpretation of the signal depends on preserving the morphological characteristics of the electrical signal, such as the P wave, QRS complex, and T wave. However, ECG signals are constantly contaminated by noise from respiratory movements, poor electrode connection to the skin, electrical noise, and electromyographic interference, which can compromise the reliability of the diagnosis. In this context, analog filtering is presented as an alternative for the development of low-cost portable devices, due to its lower energy consumption and complexity when compared to digital filters, which depend on analog-to-digital conversion and digital signal processing. Active analog filters, such as those implemented with Sallen-Key and Multiple Feedback (MFB) topologies, allow the attenuation of unwanted noise while preserving the integrity of the signal of interest. Therefore, this study aims to perform a comparative analysis of the performance of four second-order Butterworth and Chebyshev analog active low-pass filters for the application of electrocardiographic signals. The analyses were developed using LTspice simulation software, and the performance of the filters was compared based on evaluation metrics such as signal morphological preservation, Fast Fourier Transform (FFT), and Signal-to-Noise Ratio (SNR). The study does not seek to define a universally superior filter, but rather to understand the behavior of different configurations in different evaluation criteria, assisting in the appropriate choice of analog filters in biomedical ECG applications.