4.3 Outras considerações
4.3.1 Enquadramento do projeto no mercado
Após um estudo das soluções existentes no mercado nesta área tecnológica, não foram en- contradas quaisquer alternativas ou soluções que representem um pacemaker multielétrodo com estimulação localizada em todas as áreas constituintes do coração humano. Todos os artigos en- contrados na literatura relatam soluções com sondas de estimulação multielétrodo (mais de um, até a um total de N elétrodos) que visam a ligação ao ventrículo esquerdo. Desta forma, e tanto quanto é do meu conhecimento, este projeto assume-se como pioneiro visto não existir qualquer alternativa no mercado.
É com base neste fundamento que foram discutidas medidas para salvaguardar a propriedade intelectual desta dissertação, nomeadamente:
• Pedido de exclusividade do tema por 3 anos; • Pedido provisório de patente;
Capítulo 5
Descrição do Sistema Desenvolvido
Decorrida a parte de projeto e definido o tipo de produto final pretendido para esta disserta- ção, foi feito um estudo tecnológico de diferentes soluções possíveis a integrar o protótipo. Era importante nesta fase estipular um modelo funcional por forma que posteriormente se pudesse avançar para a escolha de componentes que o realizassem. Como obra de um estudo aprofundado de todas a variáveis envolvidas e tendo presente todo o trabalho feito previamente ganha forma um esboço do modelo funcional, figurado pela imagem 5.1, constituído por vários módulos capazes de estimulação e leitura em múltiplos pontos do coração. Este modelo assume-se como a base no desenvolvimento do sistema descrito nesta dissertação.
Figura 5.1: Primeiro modelo funcional 23
24 Descrição do Sistema Desenvolvido
No decorrer do presente capítulo será feita uma exposição técnica da escolha e aplicação de todos os componentes utilizados no sistema, concretizando-se na solução adotada para o problema proposto.
5.1
Módulos do sistema
A solução desenvolvida foi estruturada por módulos, cada um deles incorporando funcionali- dades essenciais ao cumprimento dos requisitos. Além das exigências relacionadas com o cum- primento das necessidades requeridas para cada módulo individualmente, a escolha de todos os componentes passou por uma triagem feita de compromissos entre os seguintes tópicos:
• Consumo de energia
• Viabilidade de implementação no prazo pretendido • Relação qualidade preço
• Compatibilidade com restantes componentes • Disponibilidade nos fornecedores da faculdade
Como resultado destes parâmetros seletivos surgem todos os componentes utilizados nesta dissertação.
5.1.1 Módulo de estimulação
A tarefa reservada a este módulo é descrita pela entrega de um estímulo elétrico, com propri- edades bem definidas, ao coração. Por forma a cumprir todos os requisitos de sistema associados a este módulo, o processo de estimulação sugerido por esta dissertação é composto de três partes:
• Geração de estímulos • Interrupção e proteção • Multiplicação de estímulo
Estas partes são cumpridas por três integrados distintos que serão detalhados ao longo das próximas secções quanto a características e funcionalidades que incorporam.
5.1.1.1 Geração de estímulos
Uma das características dos Pacemakers é a necessidade de criação de estímulos regulados em tensão com uma precisão comum neste mercado na ordem dos 100mV . Após uma análise funcio- nal chegou-se à conclusão de que a criação de apenas uma tensão, ainda que regulável, partilhada por todos os elétrodos não representava uma solução interessante. Foi feita uma pesquisa alargada encontrando-se como melhor alternativa o integrado:
5.1 Módulos do sistema 25
DAC088S085
Este dispositivo produzido pela Texas Instruments [12], define-se como um conversor digital- analógico com 8 bits de resolução e 8 saídas independentes. Cada saída é capaz de fornecer até 10mA e seu controlo é feito por SPI.
1. Controlo
O controlo deste integrado, tal como já foi referido, é feito por SPI (5.1.3.2). Na fi- gura5.6 podemos verificar que os pinos 1(Din=MOSI), 2 (Dout=MISO), 15 (SYNC=SS) e 16(SCLK=SCK) são utilizados para realizar essa comunicação. Alem das ligações físicas, existem propriedades da comunicação que devem ser definidas de acordo com as carac- terísticas deste módulo. A imagem 5.2 esclarece-nos quanto à sequência de comandos e temporização dos mesmos. Comparando esta imagem com a que representa os quatro mo- dos de funcionamento SPI (5.16) podemos identificar uma correspondência no diagrama superior direito. Estabelece-se, por conseguinte, o modo funcionamento para o presente caso como o 1 (de entre os modos de 0 a 3). Outra propriedade da comunicação exigida por este integrado é a ordenação da sequência de Bits que pode ser encontrada na sua folha de dados como MSB (Bit mais significativo vem primeiro).
Figura 5.2: Diagrama da temporização da comunicação serie do DAC088S085 [12]
Este integrado pode operar em 2 modos de funcionamento. A seleção dos modos de fun- cionamento e feita pelo envio de uma mensagem de 16 bits que permite a seleção entre os modos WRM e WTM. Os dois tratam da forma como o valor das saídas é atualizado (ver imagem:5.3). No modo WRM o valor da saída juntamente com a identificação desta são es- critos num registo e o comando só é cumprido após nova ordem. No outro caso, WTM, assim que um valor válido de uma saída é recebido pelo integrado a mesma é atualizada com esse valor (5.4). O integrado contém ainda um modo de encerramento que define as propriedades das saídas quando desligadas, conectando-as à massa por uma resistência selecionável. A resistência pode assumir três valores e selecionada individualmente para cada saída (5.5).
26 Descrição do Sistema Desenvolvido
Para este projeto os modos de funcionamento utilizados foram WTM para programar rapi- damente uma saída com o valor desejado e o modo de encerramento para permitir colocar a massa nas saídas.
Figura 5.3: Modos de funcionamento DAC088S085 [12]
Figura 5.4: Tabela de comandos DAC088S085 [12]
Figura 5.5: Tabela com modos de encerramento DAC088S085 [12]
A escolha dos modos está relacionada com a criação de um estímulo. Para que este aconteça tem de existir uma queda de tensão entre dois pontos. Assim, cada par de elétrodos terá um elétrodo conectado a um canal com um valor de tensão definido pelo modo WTM e um outro conectado a uma resistência para a massa definida pelo modo de encerramento.
Pelo que foi descrito, cada par de elétrodos receberá o estímulo de 1 dos 4 pares de saídas: • VoutA/VoutE
• VoutB/VoutF • VoutC/VoutG • VoutD/VoutH
Esta associação por pares de saídas do DAC088S085 permite adicionar ao Pacemaker a funcionalidade de inversão de polaridade do estímulo consoante o necessário.
2. Características elétricas
A alimentação deste integrado é feita a 5V pela entrada Va (pino 7,5.6) e massa pela entrada GND(pino 10,5.6).
A tensão referência para todas as saídas foi definida conectando-se 5V nos pinos Vref1 e Vref2.
Com uma referência de 5V e uma resolução preestabelecida de 8 Bits a regulação da tensão é feita por um comando de valor 0 a 255, para cada canal, com cada unidade a corresponder
5.1 Módulos do sistema 27
a 19mV na saída. Esta precisão supera os requisitos com uma margem de aproximadamente uma casa decimal.
A corrente máxima disponibilizada por cada saída é de um máximo de 10mA. Se analisar- mos o pior caso possível para a lei de Ohm (5.1), representado pelo maior valor de tensão possível e menor resistência, verificamos que os limites do integrado nunca serão ultrapas- sados. A escolha do valor de resistência para o pior caso está longe de ser o caso provável, uma vez que neste apenas está considerado um valor tido como dos mais baixos para um coração humano (normal) e não estão incluídas outras impedâncias do sistema, como por exemplo, a da interface elétrodo-tecido que se sabe ser bastante superior a este valor.
V = R × I I= 5/500 I= 10mA
(5.1)
Quanto a consumos de corrente elétrica para este integrado, assumindo mais uma vez o pior caso, teremos um máximo de 10mA por par de canais, perfazendo um total de 40mA.
3. Dimensões
As dimensões deste integrado são definidas pelo seu pacote. Foi escolhido o pacote TSSOP de 16 pinos. Sendo um pacote normalizado existe muito suporte para esta footprint, que é importante para a fase de prototipagem.
Figura 5.6: Esquema de entradas e saídas do DAC088S085 [12]
5.1.1.2 Interrupção e proteção
O equipamento necessário para assumir esta função teria de ser capaz de fazer um bloqueio eficaz à passagem do sinal vindo do DAC088S085 imprimindo segurança e eficácia ao Pacema-
28 Descrição do Sistema Desenvolvido
ker. Esta função de interruptor iria impedir também o refluxo indesejado de corrente no sentido do DAC088S085. Após uma breve pesquisa encontrou-se um equipamento fabricado pela Texas Instrumentscapaz de desempenhar estas funções.
TS12A44513
Este integrado é um interruptor analógico CMOS com baixa resistência de funcionamento. É constituído por 4 interruptores dos quais dois são NC (normalmente fechados) e dois NO (normal- mente abertos) (5.7).
Figura 5.7: Esquema de entradas e saídas do TS12A44513 [13]
1. Controlo
O controlo deste integrado é feito por lógica digital através das entradas 5 (IN2), 6 (IN3), 13 (IN1) e 14 (IN4) apresentadas na imagem:5.7 [13]. A ativação dos interruptores NO é feita com um sinal digital compreendido entre 2.4V e VCC a passo que a desativação é feita com um sinal de 0V a 0.8V . Para os interruptores NC a dinâmica é a mesma, variando apenas na medida em que ao invés de a sua ativação se traduzir no fecho do interruptor, este abre. Os tempos médios de ativação e desativação dos interruptores deste integrado são, respeti- vamente, 45ns e 35ns. Estas velocidades são perfeitas para a aplicação pretendida, uma vez que comparadas com os tempos de transição do ciclo cardíaco, podem ser desprezadas
2. Características elétricas
A alimentação deste integrado é feita a 5V pela entrada VCC (pino 14, 5.7) e massa pela entrada GND (pino 7,5.7).
5.1 Módulos do sistema 29
Este integrado permite a passagem de um sinal analógico com uma tensão máxima de VCC+ 0.3V e com corrente máxima de 20mA por interruptor. [13]
3. Dimensões
Foi escolhido o pacote SOIC de 14 pinos. A preferência por este pacote justifica-se pelas suas reduzidas dimensões e disponibilidade, em armazém da faculdade, de PCB que permite o uso desta footprint em placas de ensaio.
5.1.1.3 Multiplicação de estímulo
Para que o Pacemaker desenvolvido possibilitasse a estimulação de todas as zonas do coração, era necessária a estimulação por um número elevado de elétrodos de forma a cobrir igualmente todos os pontos de interesse. Para atingir esse objetivo foi feita uma pesquisa de mercado com o propósito de encontrar um componente que pudesse transmitir o estímulo vindo de cada um dos quatro pares de estimulação a mais do que um par de elétrodos. Esta solução foi encontrada num produto da maxim integrated.
MAX4639
Este integrado [14] define-se por ser constituído por um duplo multiplicador 1 : 4 de sinais analógicos de baixa voltagem, permitindo a transmissão de sinal de um par de estimulação/saídas por 4 pares de elétrodos.
1. Controlo
O controlo de deste integrado é feito recorrendo a 3 sinais digitais, um para a entrada A0 (pino 1), outro para a entrada EN (pino 2) e um terceiro para a entrada A1 (pino 16) (ver fi- gura:5.9). A ativação de cada uma destas entradas é feita com um sinal digital compreendido entre 2.4V e VCC, por outro lado, a desativação é feita com um sinal de 0V a 0.8V .
A escolha de canais é feita cumprindo a ativação das entradas A0, EN e A1 segundo a tabela representada pela imagem:5.8.
30 Descrição do Sistema Desenvolvido
2. Características elétricas
A alimentação deste integrado é feita a 5V pela entrada V+ (pino 14, 5.9) e massa pela entrada GND e V- (pinos 15 e 3,5.9).
A corrente necessária para alimentar um MAX4639 é de 1uA.
Este integrado permite a passagem de um sinal analógico com uma tensão máxima de VCC+ 6V e com corrente máxima de 100mA por canal.
3. Dimensões
Foi escolhido o pacote SO de 16 pinos pelas mesmas razões descritas para o TS12A44513.
Figura 5.9: Esquema de entradas e saídas do MUX4639 [14]
5.1.1.4 Montagem
Os componentes descritos anteriormente foram utilizados para criar o módulo de estimulação. A implementação deste módulo consiste em 1 DAC088S085, 2 TS12A44513 e 4 MUX4639. Esta estrutura permite a estimulação por 4 zonas, constituídas cada uma por 4 pares de elétrodos, per- fazendo um total de 16 pares de elétrodos(5.28). A lógica de funcionamento pode ser brevemente descrita pelos seguintes pontos:
1. As saídas do DAC088S085 são divididas, tal como foi descrito previamente, em quatro pares de estimulação. Cada par com dois sinais.
2. Cada par destas saídas será conectado ás entradas dos interruptores do mesmo tipo (NO ou NC) do TS12A44513. Sendo quatro os interruptores de cada TS12A44513 e tendo cada
5.1 Módulos do sistema 31
par dois sinais que precisam de ser controlados ao mesmo tempo, é necessário um outro integrado deste tipo para controlar os restantes dois pares de estimulação.
3. Nas saídas de cada TS12A44513 encontram-se dois pares de estimulação. Se cada par for conectado a um MAX4639 fazemos com que os sinais desses pares possam alcançar quatro pares de elétrodos. Assim, as quatro zonas são constituídas por quatro pares cada uma, partilhando os elétrodos o mesmo par de estimulação do DAC088S085.
5.1.2 Módulo de leitura
A existência deste módulo foi pensada de forma a conceder dois atributos ao Pacemaker de- senvolvido: permitir a leitura de estímulos naturais usando-os como atuadores para os estímulos gerados pelo sistema e possibilitar a recolha de dados de funcionamento para análise do utilizador. A estrutura a adotar foi pensada de forma a viabilizar a utilização de todos os elétrodos, utiliza- dos no módulo de estimulação, para leitura. Desta maneira, não só seria possível estimular cada zona do coração como também fazer a respetiva leitura. A concretização desta estrutura pode ser dividida em três fases:
• Aquisição de sinal • Desmultiplicação de sinal • Elevação do sinal
5.1.2.1 Aquisição de sinal
A aquisição de um sinal elétrico é feita entre dois pontos. Para o caso em estudo esses pontos serão os pares de elétrodos. Outra componente importante para a ser equacionada para a esco- lha de equipamento capaz de cumprir esta tarefa é a intensidade do sinal a medir. Tal como foi descrito no capítulo 3, na secção comportamento elétrico, o sinal esperado estará compreendido numa janela de −2mV a 6mV que faz com que haja a necessidade de precisão por parte do equipa- mento escolhido. Foi selecionado de entre as opções no mercado uma solução criada pela Linear Technology.
LT1920
Este integrado [15] consiste num amplificador instrumental de precisão. A sua propriedade mais relevante é a de precisar apenas de uma resistência para ganhos de 1 a 10000. Com um erro máximo associado menor que 1%, esta é uma alternativa de qualidade para desempenhar as tarefas esperadas.
32 Descrição do Sistema Desenvolvido
1. Aquisição
A aquisição de sinal é feita pela ligação de cada par de elétrodos às entradas -IN (pino 2) e +IN (pino 3) do LT1920(5.10). No pino 6 (OUTPUT) iremos ter na saída uma diferença proporcional entre os dois sinais medidos.
Como foi abordado, a magnitude do sinal cardíaco é muito reduzida tornando difícil o seu tratamento e análise futura. Assim, é necessário aplicar um ganho da entrada para a saída, com o intuito de obter um sinal de mais fácil leitura e tratamento. A equação5.2é utilizada para, definindo um ganho, obter a resistência ou o inverso. Dadas características do sinal a amplificar foi estabelecida uma resistência Rg = 100Ω, após análise cuidada das impli- cações da mesma, definindo o ganho para G = 495. A resistência escolhida divide os seus terminais pelas entradas Rg(pinos 1 e 8,5.10).A equação5.3mostra o valor da saída para as condições impostas.
G= (49400/Rg) + 1
R= 49400/(G − 1) (5.2)
Vout−V re f = 495 × (Vin+−Vin−) (5.3) À entrada REF (pino 5) do integrado, que fixa o referencial deste, foi conectado o zero do sistema (massa).
2. Características elétricas
Por ser um amplificador diferencial, e o sinal a ser medido ter parte positiva e negativa, a sua alimentação tem de ser dupla. Ligaram-se então 5V à entrada +Vs (pino 7) e −5V (pino 4) a -Vs.
A corrente máxima necessária para alimentar um LT1920 é de 1.3mA.
Este integrado permite a passagem de um sinal analógico com uma tensão não superior à alimentação e com corrente máxima de ±20mA nas entradas.
3. Dimensões
Foram selecionados dois pacotes deste integrado. O formato PDIP de 8 pinos foi usado para a fase de teste em placa de ensaio e o pacote S8 foi adquirido para a fase de prototipagem.
5.1 Módulos do sistema 33
Figura 5.10: Esquema de entradas e saídas do LT1920 [15] 5.1.2.2 Desmultiplicação de sinal
Pela quantidade de sinais a serem lidos é importante reduzir o número de entradas analógicas a ocupar no módulo de controlo. Por essa razão foi escolhido um integrado que pudesse fazer a li- gação entre as saídas de vários LT1920 e uma entrada analógica do controlador. Para desempenhar esta função foi utilizado um integrado produzido pela maxim integrated.
MAX4638
Como podemos verificar logo pelo nome, este integrado [14] tem características muito seme- lhantes às do MAX4639. A diferença entre estes dois produtos reside na constatação de que, o integrado escolhido para este módulo, incorpora um desmultiplicador 8 : 1 de sinais analógicos de baixa voltagem permitindo a transmissão de sinal de 8 sinais cardíacos por uma única entrada.
1. Controlo
O controlo do MAX4638 é feito com recurso a 4 sinais digitais, um para a entrada A0 (pino 1), outro para a entrada EN (pino 2), um terceiro para a entrada A1 (pino 16) e o quarto para a entrada A2 (pino 15)(ver figura:5.12). A ativação de cada uma destas entradas é feita com um sinal digital compreendido entre 2.4V e VCC, por outro lado, a desativação é feita com um sinal de 0V a 0.8V .
A escolha de canais é feita cumprindo a ativação das entradas A0, EN, A1 e A2 segundo a tabela representada pela imagem:5.11.
2. Características elétricas
A alimentação deste integrado é feita a 5V pela entrada V+ (pino 13, 5.12) e massa pela entrada GND e V- (pinos 14 e 3,5.12).
A corrente necessária para alimentar este integrado é de 1uA.
O MAX4638 permite a passagem de um sinal analógico com uma tensão máxima de VCC + 6V e com corrente máxima de 100mA por canal.
34 Descrição do Sistema Desenvolvido
Figura 5.11: Esquema de entradas e saídas do MAX4638 [14]
3. Dimensões
O pacote escolhido foi SO de 16 pinos, sendo as razões que justificam essa opção as mesmas do TS12A44513 (3).
Figura 5.12: Esquema de entradas e saídas do MAX4638 [14]
5.1.2.3 Elevação do Sinal
O sinal à saída do MAX4638(COM) estará compreendido entre −1V e 3V . O registo de valores negativos faz com que estes não sejam lidos pela entrada analógica do módulo de controlo. Para resolver este problema foi criada, com um divisor de tensão para 5V , uma nova referência (V re f = 2.5V ) à entrada do módulo de controlo. A equação5.4exprime o valor da entrada do controlador (Vin) em função do sinal lido (x), para um ganho G = 495. A V re f é adicionado metade do valor lido amplificado, visto que as resistências têm o mesmo valor. Consequentemente, garantimos que o sinal lido pela entrada do controlador é sempre positivo para a gama de estímulos cardíacos
5.1 Módulos do sistema 35
esperados. A montagem do procedimento descrito pode ser examinada na figura:5.13.
Vin= (x × 495)/2 +V re f
x= 2 × (Vin −V re f )/(495) (5.4)
Figura 5.13: Esquema de montagem da elevação do sinal
5.1.2.4 Montagem
A estrutura que implementa o módulo de Leitura utiliza 16 LT1920, dois MAX4638 e duas elevações de sinal. Esta configuração possibilita a leitura de 16 estímulos naturais em 16 pontos do coração apenas com a utilização de duas entradas analógicas do módulo de controlo (5.28). A montagem deste módulo pode ser descrita por:
1. Cada par de elétrodos é conectado às entradas -IN e +IN de um LT1920.
2. Tendo o MAX4638 oito entradas, são ligadas cada uma das saídas dos LT1920 às oito entra- das do desmultiplicador. Como são apenas oito houve a necessidade de utilização de mais um MAX4638 ao qual estão ligados os restantes oito LT1920. Desta forma cada entrada analógica do controlador terá acesso a oito pontos do coração.
3. A elevação de tensão é feita, tal como se vê pela figura5.13, entre a saída de cada MAX4638 e a respetiva entrada analógica do controlador.
5.1.3 Módulo de controlo
O módulo de controlo, tal como o próprio nome indica, tem como objetivo, para esta solução, o controlo de todos os módulos anexos ao sistema com exceção do módulo de alimentação. O seu papel neste projeto assume uma relevância tal que a sua escolha influenciou desde a arquitetura do sistema até aos protocolos de comunicação e linguagens utilizadas.
Especificamente este bloco é responsável por todo o processamento, comando e execução de tarefas que são pedidas ao sistema. Por estas razões a sua escolha teve de ser equacionada com
36 Descrição do Sistema Desenvolvido
variáveis chave que ditaram quais as características que lhe são indispensáveis. O mercado está repleto de opções de controlo e, sendo certo que poucas seriam as respostas erradas aquando da escolha de uma solução, a verdade é que poucas parecem a escolha certa quando impomos, por exemplo, como característica, a viabilidade de implementação no prazo pretendido. A opção recaiu sobre dois módulos Arduino e as razões que justificam esta escolha serão expostas com