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Origens e efeitos do ruído da linha de 60 Hz (MA046)

Neste artigo abordamos os problemas que interferências externas podem causar num equipamento mal protegido ou mal conectado. O artigo é baseado em material fornecido pela Texas Instruments (www.ti.com) fornecido em seu Seminário de Aplicações Eletrônica para o Segmento Médico, realizado em 13 de setembro de 2005 em São Paulo.

Os sinais elétricos monitorados no organismo humano, para efeitos de aplicações médicas, são extremamente fracos exigindo por isso circuitos de altíssimas impedâncias de entrada e alto ganho.

Essas características de alta impedância, além de tornarem os equipamentos críticos quanto às conexões no paciente, trazem ainda um problema adicional, bastante preocupante.

Elas abrem as portas para a entrada de sinais espúrios que podem afetar completamente a leitura de um sinal, ou mesmo causar danos aos circuitos do equipamento usado.

Se levarmos em conta que os ambientes hospitalares e mesmo consultórios em que esses equipamentos operam são ruidosos, percebe-se que existe uma necessidade de se tormar todos os tipos de cuidados para que nenhuma interferência ocorra.

É justamente dessas interferências e ruídos aos quais os equipamentos estão sujeitos que preparamos este artigo baseados em ampla documentação fornecida no Seminário realizado pela Texas Instruments.

 

Ruído da Rede Energia

Os condutores elétricos da rede de energia que alimenta lâmpadas e todos os demais equipamentos de um hospital, consutório ou laboratório de exames não são blindados e por isso funcionam como antenas irradiando sinais da freqüência de 60 Hz, em nosso país, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1
Figura 1

 

Esses sinais podem ser captados com facilidade por circuitos sensíveis, como os usados em aplicações médicas.

Na verdade, sabemos que ao atravessar qualquer corpo condutor de eletricidade, uma onda eletromagnética induz uma tensão. Esse é justamente o princípio de funcionamento das antenas.

Se levarmos em conta que o corpo humano é condutor, conforme já salientamos na edição passada, o próprio paciente é uma antena, sendo por isso fonte de ruídos originários na rede de energia.

É claro que uma disposição apropriada dos eletrodos, uso de aterramentos e outros recursos reduzem os efeitos desse comportamento como antena, mas para isso é preciso saber como.

Caso contrário, se os sinais não puderem ser eliminados, a superposição de um sinal de 60 Hz no sinal capturado de um paciente pode induzir a resultados incorretos no diagnóstico ou mesmo impedir que equipamentos que visem manter sua vida operem satisfatoriamente.

Diversos são os procedimentos que ajudam a reduzir ou eliminar a influência desse ruído, garantindo o funcionamento do equipamento.

Os métodos sugeridos pela Texas em documentação fornecida no seminário são:

 

1. Blindar a entrada

Conforme sugere a figura 2 devem ser usados cabos devidamente blindados para acoplar os sinais ao equipamento.

 

Figura 2
Figura 2

 

 

2. Usar um Plano - Terra

Esse plano garante que todos os equipamentos tenham seus potenciais de referência (terras) ligados a um mesmo ponto ou ponto de mesmo potencial, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3
Figura 3

 

Sem esse procedimento, os terras de equipamentos adjacentes podem manifestar pequenas diferenças de potencial, conforme mostra a figura 4, responsáveis pela introdução de ruídos no sistema.

 

Figura 4
Figura 4

 

 

3. Excite o Eletrodo da Perna Direita

Conforme mostra a figura 5, o eletrodo ligado à perna direita recebe um sinal de excitação que cancela os eventuais sinais de 60 Hz captados.

 

Figura 5
Figura 5

 

Lembramos que no artigo da edição passada mostramos alguns métodos de ligação de eletrodos num paciente para captação de sinais de um paciente.

Nesse circuito são usados amplificadores operacionais configurados de modo a apresentar ganhos unitários.

 

4. Balanceamento dos pares de entrada

A figura 6 mostra como redes RC podem ser usadas para balancear os condutores de entrada aumentando assim a rejeição em modo comum e com isso a amplificação do ruído de 60 Hz captado.

 

Figura 6
Figura 6

 

 

5. Filtro Rejeitor de 60 Hz

O problema básico no uso de filtros rejeitores está no fato de que os sinais que devem ser captados estão na mesma faixa em que se encontram os ruídos de 60 Hz. De fato, os sinais ECG estão em uma faixa de freqüências compreendida entre 0,05 e 100 Hz.

Uma idéia consiste no uso de um filtro diferencial ajustável como mostra a figura 7.

 

Figura 7
Figura 7

 

Esse filtro opera, fazendo com que as componentes de ruído tenham as mesmas intensidades nas duas linhas de sinal. Como uma é aplicada na entrada inversora e a outra na entrada não inversora do amplificador, elas se cancelam.

Ajustando esse filtro para uma freqüência em torno de 150 Hz, pode-se obter uma certa rejeição em freqüências mais baixas, como a de 60 Hz, devido a sua seletividade, sem afetar de modo sensível os sinais que devem ser capturados, cujas freqüências estão na mesma faixa.

 

6. Usando um Filtro-Armadilha

Na figura 8 temos um filtro rejeitor de duplo T sintonizado exatamente em 60 Hz (ou 50 Hz) conforme a rede, tendo um ajuste de fator Q.

 

Figura 8
Figura 8

 

Conforme o ajuste do controle de fator Q, é possível tornar o filtro mais ou menos seletivo conforme o sinal que deva ser rejeitado, sem afetar os sinais que devam ser capturados.

Nesse circuito os capacitores C1, C2 e C3 devem ser NPO cerâmicos ou de polipropileno com baixo coeficiente de temperatura.

As curvas de seletividade em função do ajuste do potenciômetro são mostradas na figura 9.

 

Figura 9
Figura 9

 

Os amplificadores operacionais devem ser JFET ou CMOS. Devem também ser usados capacitores bypass de 10 nF.

Lembramos que nos casos em que as curvas de rejeição são mais agudas, o circuito torna-se instável podendo ocorrer oscilações.

 

7. Rejeição Selecionadas de Múltiplos de 60 Hz

Essa é uma idéia interessante. Faz uma seleção das componentes múltiplas de 60 Hz, utilizando-se um conversor A/D para depois rejeitá-las na medida que sejam mais ou menos intensas.

A figura 10 mostra o circuito básico sugerido pela Texas Instruments.

 

Figura 10
Figura 10

 

Conforme mostra a figura 11, o que se faz é selecionar as componentes múltiplas de 60 Hz do sinal obtido num eletrocardiograma (ECG) para reduzir as formas de onda que sejam periódicas.

 

Figura 11
Figura 11

 

Veja que a amostragem é feita num submúltiplo da frequência da rede de energia.

 

8. A interferência de 60 Hz pode ser eliminada por sub-amostragem

Conforme mostra a figura 12, se for usado um conversor A/D operando numa taxa de amostragem menor do que a freqüência da rede o resultado na saída será uma tensão DC média, que pode ser removida por software.

 

 

Para que esse processo de sub-amostragem dê resultado na eliminação de ruídos, ele deve ser feito numa taxa que seja metade da freqüência do sinal interferente que se deseja eliminar, por exemplo 30 Hz para a rede de 60 Hz.

Veja pelo gráfico que os pontos em que a componente de 60 Hz é amostrada é sempre o mesmo (pois a freqüência de amostragem é submúltiplo da rede), o que faz com que o valor obtido na conversão corresponda a uma tensão contínua.

 

9. Amostragem em freqüência maior do que a da rede de energia

Também é possível trabalhar com uma amostragem maior do que a freqüência da rede de energia. Neste caso, como o sinal de 60 Hz tem forma de onda e freqüência conhecidos, ele se torna facilmente destacável entre os sinais que devem ser analisados, podendo então ser eliminado por software.

A figura 13 mostra o que ocorre, com a eliminação desse ruído por um filtro rejeitor digital ou através da FFT (Transformada Rápida de Fourier).

 

Figura 13
Figura 13

 

A amostragem pode ser feita tanto de forma sincronizada como não sincronizada.

 

Conclusão

É de fundamental importância evitar que qualquer componente do sinal da rede de energia de 60 Hz apareça sobre o sinal capturado de um paciente de modo a afetá-lo.

Conforme vimos, os processos sugeridos pela Texas Instruments tanto podem partir da fonte, evitando-se que ele chegue aos circuitos, como da utilização de filtros para sua eliminação, caso eles cheguem ao circuito ou mesmo de seu cancelamento no processamento, caso seja possível prever a forma como eles se manifestam.

Evidentemente, depende da situação, os três métodos podem ser empregados quando um deles somente não é suficiente para baixar os níveis de interferências ao ponto desejado.

Mais informações sobre o assunto podem ser obtidos no setor de aplicações médicas da Texas Instruments na Internet (www.ti.com).

 

 

 

Capa do Manual de Aplicações (PDF) disponível no site da Texas Instruments em http://focus.ti.com/pdfs/vf/medeq/informationformedicalapplications.pdf tamanho 1.2 Mb - 60 páginas

 

Vídeo do Cleber Mag, montando um circuito para captar os impulsos gerados pelo corpo.

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