As aplicações vestíveis e/ou portáteis vem tomando cada vez mais espaço no cená- rio tecnológico. É comum encontrar no cootidiano vários dispositivos inteligentes dentro da gama dessas aplicações (Rodriguez-Villegas et al. 2018). São exemplos desses dis- positivos: as pulseiras e relógios inteligentes, marcadores de passos, óculos inteligentes,
2.3. SISTEMA BÁSICO DE AQUISIÇÃO DE UM BIOPOTENCIAL 11
roupas inteligentes, sistemas implantáveis, drug-delivery, aplicações voltadas ao moni- toramento de pacientes e aplicações de controle (Konijnenburg et al. 2016, Rodriguez- Villegas et al. 2018). Estes dispositivos de uma forma geral, devem se adequar as neces- sidades do usuário e ser de fácil utilização. Além disso, para englobar um grande número de indivíduos ou para se ter várias aplicações em um só dispositivo, é necessário um baixo custo de produção (Rodriguez-Villegas et al. 2018).
Um diagrama de blocos normalmente utilizado para esse tipo de aplicação, utilizando transmissão sem fio, pode ser observado na Figura 2.4. O sistema vestível e/ou portátil é composto basicamente de um bloco de Front-End Analógico (AFE do inglês, Analog Front-End), blocos com transmissores e receptores de dados e, um bloco de processa- mento do sinal. Este processamento pode acontecer antes ou depois da transmissão de dados, ou em ambos. Front-End Analógico Transmissão de Dados Sinal Recepção de Dados Processamento de Sinal
Figura 2.4: Diagrama de blocos de um sistema básico de aquisição analógica com trans- missão sem fio.
Fonte: Autoria Própria.
O bloco do Front-End Analógico (AFE), pode ser melhor detalhado na Figura 2.5. Esse bloco pode englobar dois sub-sistemas, são eles o de Amplificação e Filtragem do sinal, compostos por amplificadores e filtros, respectivamente.
Biopotencial Transdutor ou Sensor Amplificador Leitura e/ou Registro Filtros AFE
Figura 2.5: Blocos utilizados para aquisição e tratamento de biopotencial. Fonte: Autoria Própria.
Para o primeiro sub-sistema, de amplificação, normalmente faz-se uso de um ampli- ficador de instrumentação para o primeiro estágio, e um segundo estágio de amplificação que pode ser representado por um PGA (Programmable Gain Amplifier) e blocos para o tratamento do ruído a nível analógico.
Devido a possuírem baixas amplitudes, os biosinais estão sujeitos a diversas interfe- rências, seja biológica, relacionada a alimentação do sistema e/ou isolação.
De acordo com a Figura 2.5 para uma boa medição do sinal se faz necessário o uso de sensores e/ou transdutores, que podem ser representados por eletrodos, sendo que estes
12 CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO
são responsáveis pela aquisição do sinal, realizando a interface entre o tecido ou músculo com o sistema de condicionamento.
Logo na sequência vem o estágio de amplificação, geralmente dividido em dois blo- cos, um de pré-amplificação que é composto pelo amplificador de instrumentação, e um segundo bloco, utilizado para se atingir o ganho necessário para o sinal analisado, esse bloco pode ser implementado por um Amplificador de Ganho Programável (PGA, do in- glês Programmable Gain Amplifier).
Um terceiro bloco imprescindível para um bom tratamento do sinal é a filtragem. São inúmeras as arquiteturas de filtros utilizados na literatura, podendo ser estruturas simples como filtros passa-alta (FPA) e passa-baixa (FPB).
Todos os blocos supracitados são estágios de tratamento analógicos e serão mais de- talhados a seguir. Além destes, dependendo da aplicação existem os blocos de conversão do sinal, como no caso de Conversores Analógicos/Digitais e Digitais/Analógicos, blocos voltados para o processamento de sinais digitais e para a transmissão e recepção de dados (Nokes et al. 1995) (Hansman Jr. 1999) (Mainardi et al. 2006) (Hsu et al. 2018).
2.3.1
Eletrodos
O primeiro nível do sistema de aquisição é composto pelos eletrodos. São eles os responsáveis pelo contato direto com a pele, tecido ou músculo do indivíduo. Os eletrodos são encarregados de realizar a transdução de correntes iônicas em correntes eletrônicas para que possam ser manipulados (Yazicioglu et al. 2008) (Thakor 1999). A seguir são apresentados os tipos de eletrodos que podem ser encontrados no mercado.
Os eletrodos podem ser classificados como úmido, seco e de não-contato (Yazicioglu et al. 2008) (Ha et al. 2014).
• Do tipo úmido: é o mais difundido em aplicações clínicas e estudos. Utilizam gel (tipo eletrólito) entre o eletrodo e a pele do paciente, esse gel é utilizado para estabilizar o contato existente. Normalmente os eletrodos do tipo úmido são de Ag/AgCl. Uma desvantagem deste tipo de eletrodo é que pode causar irritação na pele ou desconforto devido ao gel e sua qualidade pode diminuir para uso em uma longa faixa de tempo.
• Do tipo seco: são assim chamados por não utilizarem gel. Por não possuírem gel, suas características se assemelham a de um eletrodo polarizável, fazendo com que este necessite de um circuito de entrada com uma alta impedância. Seu desempenho melhora com o tempo. Existe também, os eletrodos do tipo seco com acoplamento AC, entre o eletrodo e o corpo. Quando comparado com os do tipo seco sem acopla- mento, este último, oferece uma isolação, uma maximização e maior tempo de vida. Porém como desvantagem, pode por vezes mascarar os potenciais reais, levando um determinado tempo para se estabilizar.
• Tipo não-contato: assim como o eletrodo do tipo seco, não possuem gel, e dife- rente deste, não há contato direto com a pele. São considerados puramente capaci- tivo, por isso, não há corrente DC, e necessitam de uma alta impedância de entrada para extração de biopotenciais.
2.3. SISTEMA BÁSICO DE AQUISIÇÃO DE UM BIOPOTENCIAL 13
Figura 2.6: Tipos de eletrodos (imagem adaptada). Fonte: Ha et al. (2014).
A Figura 2.6 apresenta os tipos de eletrodos e seus respectivos circuitos equivalentes. Outra maneira de subdividir os tipos de eletrodos é quanto a sua forma. Eles podem ser: eletrodos de superfície (ES); agulha; e microeletrodos.
Os eletrodos de superfície são posicionados sobre a pele do paciente, não são invasivos e resultam em pouco desconforto para o paciente. O segundo tipo, de agulha, penetram o tecido da pele até atingir o local a ser analisado, são de menores dimensões que os de superfície e são do tipo invasivo, podendo causar certo desconforto ao paciente. E os microeletrodos, são específicos para o monitoramento a nível celular (Neuman 2006).
Quanto aos tipos de materiais utilizados para a implementação dos eletrodos, tem-se os de Ag/AgCl e Ouro. Os eletrodos de Prata-Cloreto de Prata Ag/AgCl são os mais utiliza- dos para a aquisição de biopotenciais. Possuem uma boa estabilidade quando em contato com a pele e boa condutividade do sinal, além disso, possuem uma baixa impedância. Normalmente são de uso descartável. (Thakor 1999) (Yazicioglu et al. 2008).
Já os eletrodos de ouro, possuem uma alta condutividade e podem ser reutilizáveis, é comumente utilizado na aquisição do EEG. Assim como os de Ag/AgCl, podem ser utilizados em conjunto com gel eletrolítico, que auxilia na condução. Ainda existem outros tipos de eletrodos, como os de metal ou carbono (Thakor 1999).
2.3.2
Condicionamento do sinal
Para o condicionamento do sinal se faz necessário o uso de amplificadores, uma vez que os sinais obtidos na saída dos eletrodos são de baixas amplitudes, necessitando de um ganho para que possam ser analisados (Thakor 1999). O sinal que chega na entrada do amplificador é o resultado da composição de cinco componentes. São eles (Nagel 2006):
1. Biopotencial desejável; 2. Biopotenciais indesejáveis;
14 CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO
3. Interferências da rede (50 Hz ou 60 Hz) e suas harmônicas; 4. Interferências geradas pela interface eletrodo-tecido; 5. Ruídos.
Para o tratamento com biopotenciais, esses amplificadores devem possuir como requi- sitos básicos uma alta impedância de entrada, não serem susceptível a ruído, estabilidade tanto em relação a temperatura quanto as tensões de flutuações (offset), alto ganho (depen- dendo do sinal a ser tratado) e largura de banda. A configuração de amplificador que de forma resumida engloba todos esses requisitos é o amplificador de instrumentação (INA, do inglês Instrumentation Amplifier) (Nagel 2006).
Os sistemas de aquisição de biopotencial em geral se dividem o estágio de ampli- ficação em duas etapas, sendo a primeira caracterizada pelo uso do INA, como estágio de pré-amplificação e primeiro contato do sinal original com o sistema de tratamento, e a segunda etapa pode-se utilizar um amplificador não-inversor ou outras técnicas como PGA, para quando se quer várias margens de ganho, como pode ser observado em alguns trabalhos, como Tseng et al. (2012), Chang et al. (2017) e Pini & McCarthy (2010).
Amplificador
O amplificador de instrumentação pode ser utilizado para inúmeras aplicações, sendo o mais empregado para realizar o condicionamento de sinais com baixas amplitudes e com grande vulnerabilidade a ruídos, como é o caso dos bipotenciais (Thakor 1999). Se configura como estágio de pré-amplificação e contribui significativamente para a quali- dade do sistema. O estágio de pré-amplificação deve ser sensível ao sinal medido entre os eletrodos, e, ao mesmo tempo, rejeitar os sinais de modo comum, minimizando os efeitos de interferência (Nagel 2006).
Com base em Yazicioglu et al. (2008), Nagel (2006) e Pancotto (2017) foram extraídas algumas características principais desse tipo de configuração. São elas:
• Alto CMRR, para rejeitar as principais interferências;
• Características de filtro passa-alta, para filtrar os sinais diferenciais (offset do ele- trodo), o que possibilita um ganho maior;
• Baixo ruído, para melhorar a qualidade do sinal;
• Ultra-baixo consumo, para uma maior autonomia, isso possibilita que o sistema seja alimentado por baterias, o que auxilia no tratamento de ruídos;
• Ganho configurável e característica de filtros necessários para se trabalhar com di- ferentes biopotenciais e aplicações.
O amplificador de instrumentação será melhor detalhado no capítulo na seção 2.5, onde será realizada um estudo acerca dos tipos de arquiteturas e suas características prin- cipais. Além da pré-amplificação, na literatura faz-se o uso de um segundo estágio de amplificação, esse não possui tantos requisitos quanto o primeiro, e tem como finalidade ajustar o ganho final desejado para o sistema. Pode assumir a configuração de um simples não-inversor ou até mesmo configurações um pouco mais elaboradas, como um PGA.