ELETROCARDIOGRÁFO DIGITAL PORTÁTIL PARA O MONITORAMENTO DE SINAIS ECG
PAULO C.N.CUNHA1,ROBERTA V.V.LOPES1,LUIS C.CORADINE1,LEANDRO D.SILVA1 E CLEUMAR S. MOREIRA2
1
Instituto da Computação, Universidade Federal de Alagoas
E-mails: paulo.cunha65@gmail.com, rvvl@hotmail.com, leandrodias@if.ufal.br
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Coordenadoria de Eletrônica, Instituto Federal de Alagoas E-mails: cleumar.moreira@ifal.edu.br
Abstract A portable digital electrocardiograph to ECG signals monitoring is presented here. The conditioning subsystem col-lect the signals from three ecol-lectrodes and, by using amplification and filtering processes, provides the ECG monitoring data to the processing subsystem which is based on microcontroller. It digitalizes the data and transmits them to a remote terminal, which has a user-friendly interface in order to visualize ECG signal and cardiac frequency. The design and development of these sub-systems are described as like as the experimental results and a comparison with a commercial cardiac signal monitor are also pre-sented.
Keywords ECG signals monitoring, microcontroller, digital electrocardiograph
Resumo Um eletrocardiógrafo digital portátil para o monitoramento de sinais ECG é apresentado neste trabalho. O subsistema de condicionamento capta os sinais de três eletrodos e, usando processos de amplificação e filtragem, disponibiliza os dados do monitoramento ECG ao subsistema de processamento, baseado em microcontrolador. Este subsistema digitaliza os dados e os transmite para um terminal remoto, que contém uma interface amigável para visualização do sinal ECG e batimento cardíaco. O projeto e desenvolvimento dos subsistemas são descritos, assim como são apresentados os resultados experimentais e uma com-paração realizada com um monitor de sinais cardíacos comercial.
Palavras-chave Monitoramento de sinais ECG, Microcontrolador, Eletrocardiógrafo digital 1 Introdução
Um sistema de monitoramento cardíaco foi pro-posto recentemente através do projeto de cooperação acadêmica entre o Mestrado Multidisciplinar em Modelagem Computacional de Conhecimento da Universidade Federal de Alagoas e o Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação da Uni-versidade Federal de Pernambuco (PROCAD 1493/2007). O sistema proposto é composto de al-guns subsistemas, conforme é ilustrado pelo diagra-ma de blocos da Figura 1.
O eletrocardiograma ou ECG (Figura 1) é o e-xame primário e essencial para o monitoramento pretendido. O sinal adquirido é, portanto, filtrado (Ramos Júnior, 2011) e as ondas do sinal ECG são detectadas (Melo, 2011). Finalmente, um diagnóstico (Ferreira, 2011) é realizado pela análise das ondas detectadas. Esse diagnóstico visa identificar quais-quer arritmias cardíacas ventriculares presentes no sinal ECG, de forma a auxiliar os laudos emitidos por cardiologistas e proporcionar um atendimento de melhor qualidade, seguido de uma prescrição farma-cológica coerente (Ferreira, 2011). Os subsistemas de filtragem, detecção das ondas ECG e diagnóstico utilizaram para sua construção computacional de um algoritmo genético baseado em tipos abstratos de dados – GAADT (Lopes, 2003).
Neste trabalho é apresentado o eletrocardiógrafo digital que será utilizado para aquisição dos sinais ECG do sistema de monitoramento cardíaco da Figu-ra 1. TFigu-rata-se de um dispositivo portátil que utiliza microcontrolador e componentes eletrônicos SMD de baixo custo e fáceis de encontrar para os subsistemas
de aquisição, condicionamento e visualização do sinal adquirido, respectivamente. O sinal bruto ECG e adquirido por três eletrodos e, posteriormente, é amplificado e filtrado. Finalmente, tais sinais condi-cionados são transmitidos remotamente para um computador, no qual os resultados são apresentados ao usuário por uma interface amigável.
A teoria de sinais cardíacos e de eletrocardiógra-fos, a descrição do projeto e desenvolvimento dos subsistemas componentes do eletrocardiógrafo pro-posto, testes experimentais, comparação com um dispositivo comercial e análise dos resultados obtidos serão apresentados neste trabalho.
2 Teoria de Sinais ECG
O exame eletrocardiográfico ou eletrocardio-grama ou ECG, registra graficamente os potenciais de um campo elétrico com origem no coração. Os sinais elétricos são detectados por eletrodos metáli-cos, em forma de disco, devidamente posicionados na superfície do tórax e em periféricos, o que caracte-riza uma técnica de captação não invasiva. É neces-sária a presença de uma substância fixadora entre o eletrodo e a pele. Além disso, um gel condutor per-mite que toda a superfície do eletrodo possa captar o sinal, além de minimizar interferências indesejáveis devido à movimentação do eletrodo.
(usando três eletrodos) e a precordial V5 (usando seis eletrodos) (Moreira,2002).
Figura 1 – Diagrama de Blocos do Sistema de monitoramento cardíaco proposto pelo PROCAD 1493/2007
As letras P, Q, R, S, T e U são utilizadas para identificar as ondas elétricas produzidas pelo funcio-namento do coração. O sinal ECG corresponde às ondas P e T e ao complexo QRS, conforme exibido na Figura 2. Dependendo do estado das ondas elétri-cas, dos segmentos e dos intervalos do sinal ECG, conforme as derivações utilizadas, anomalias cardía-cas podem ser identificadas e diagnosticadas (Morei-ra,2002; Coutinho,2008; Botelho,2008).
A banda de frequência utilizada para aquisição dos sinais ECG depende do tipo de aplicação deseja-da, conforme pode ser visualizado na Figura 3. A eletrocardiografia clínica demanda uma faixa de frequência entre 0,05 e 100 Hz; já o monitoramento utiliza banda entre 0,5 e 50 Hz. Para determinação da frequência cardíaca, a faixa de frequência utilizada é centrada em 17 Hz (Moreira,2002). Finalmente, conforme a configuração dos sinais ECG, o ritmo cardíaco pode ser identificado, assim como anomali-as cardiovanomali-asculares.
2.1 Eletrocardiógrafo
No eletrocardiógrafo, a captação dos sinais elé-tricos cardíacos é realizada por eletrodos em forma de disco, devidamente posicionados na superfície do tórax e em periféricos. O sinal detectado pelo eletro-do é então amplificaeletro-do, filtraeletro-do e visualizaeletro-do.
Na figura 4a, o diagrama em blocos de um ele-trocardiógrafo é ilustrado. Esse diagrama representa a configuração do eletrocardiógrafo para um sistema de diagnóstico típico. Esse sistema utiliza um eletro-do em cada membro periférico (braços e pernas) e seis eletrodos nas posições precordiais. O circuito de perna direita é usado para reduzir interferência elétri-ca. Os eletrodos LL, LA e RA (Figura 4a) são conec-tados à rede de resistores conhecida como central de Wilson, a partir da qual se obtém as derivações de membros I, II, III e as aumentadas aVL, aVR e aVF. Além disso, a isolação elétrica deve fornecer prote-ção ao paciente contra riscos de choque elétrico.
Para sistemas de monitoramento, o diagrama em blocos do eletrocardiógrafo é apresentado na Figura 4b. Normalmente, o sistema de monitoramento usa de três a cinco eletrodos. O circuito de perna direita é também usado para reduzir interferência elétrica, assim como no caso do diagnóstico.
Há normas específicas para eletrocardiógrafos no que tange à proteção e elementos de condiciona-mento e processacondiciona-mento do sinal. Para a fabricação de um eletrocardiógrafo comercial, seguem alguns valo-res normalmente utilizados para os sistemas de
con-dicionamento e processamento do sinal cardíaco (Cardoso,2010; Bonho, 2006):
• Impedância da Entrada = 2,5 MΩ;
• Ganho de amplificação: 1000 dB;
• Faixa de Passagem = 0,01-250 Hz (Diag-nóstico) e 0,5-40 Hz (monitoramento).
Figura 2 – Assinatura ECG apresentando as ondas e segmentos
Figura 3 – Faixas de frequência da eletrocardiografia
3 Subsistemas de aquisição e condicionamento, processamento e visualização/análise O eletrocardiógrafo digital proposto é destinado ao monitoramento de sinais cardíacos (Figura 4b) usando apenas a derivação DII. Para o projeto desse equipamento foram observadas as normas estabeleci-das para eletrocardiógrafos, no tocante a eletrônica a ser utilizada (Bonho,2006). Ele é composto de três subsistemas: um subsistema de aquisição e condicio-namento do sinal ECG, cuja entrada é proveniente de três eletrodos e a saída é um sinal filtrado, amplifica-do e com uma linha base ajustada; um subsistema de processamento baseado em microcontrolador, que digitaliza o sinal de saída do subsistema de condicio-namento e transmite-o usando comunicação sem fio para um computador remoto. O sinal digitalizado é transmitido remotamente para um computador; um subsistema de visualização/análise, onde uma inter-face amigável com o usuário apresenta os sinais ECG, assim como o batimento cardíaco.
3.1 Subsistema de aquisição e condicionamento Os sinais de entrada do subsistema de aquisição e condicionamento (sinais ECG) são providenciados por um simulador comercial de sinais cardíacos cali-brados, mostrado na Figura 5. Apenas três eletrodos, correspondentes às posições de braços direito e es-querdo e perna esquerda (derivação DII), foram utili-zados.
O diagrama de blocos do subsistema de aquisi-ção e condicionamento dos sinais ECG de entrada é exibido na Figura 6, correspondendo às etapas de aquisição, filtragem e amplificação do sinal.
O sinal adquirido foi da ordem de unidades de mV e, portanto, uma amplificação adequada foi ne-cessária. Um ganho de 1000dB foi escolhido e propi-ciado por três etapas de amplificação (Figura 6). O primeiro ganho foi de 5 dB, realizado pelo amplifi-cador de instrumentação INA321, que possui baixo consumo de corrente (40 µA) e alto CMRR (94 dB).
A segunda etapa, com ganho de 10 dB, corres-pondeu a um filtro ativo passa-altas com banda pas-sante de 0,5 Hz. A função desse filtro era manter inalterada a linha base do sinal ECG, eliminando interferências ocasionadas por sinais espúrios e mo-vimentação do corpo. A terceira etapa de amplifica-ção, com ganho de 20 dB, foi um filtro ativo passa-baixas com frequência de corte de 40 Hz, que corres-ponde à frequência máxima utilizada para monitora-mento dos sinais cardíacos (Figura 3). A segunda e terceira etapas foram realizadas com o amplificador OPA4140, que possui entrada JFET e baixo consumo de potência.
Na Figura 6 é também exibido o driver de perna direita. O objetivo deste circuito de realimentação é aumentar a rejeição de modo comum (CMRR) do sistema de amplificação do sinal ECG, tendo em vista a grande quantidade de interferência eletromag-nética que pode ser acoplada à pele do corpo do
paciente em monitoramento (Moreira, 2002). Para uma proteção mais adequada contra as interferências eletromagnéticas, os eletrodos também foram interli-gados ao eletrocardiógrafo por cabos blindados.
Para eliminar a influência do sinal de 60 Hz, proveniente da rede elétrica, um filtro ativo rejeita-faixas (filtro Notch) foi utilizado. Com a utilização desses elementos de filtragem o sinal na saída do circuito de condicionamento elétrico foi bem mais limpo e adequado para o monitoramento do sinal ECG.
O processo de desenvolvimento do circuito ele-trônico de aquisição e condicionamento foi iniciado com sua modelagem e estudo através de ferramenta de simulação de circuitos elétricos como ponto de partida (Cunha, 2011).
Figura 5 – Simulador comercial de sinais ECG
Figura 6 – Diagrama de blocos dos sistemas elétricos de captação, amplificação e filtragem do sinal ECG.
Figura 8 – Sistema de condicionamento construído, conectado ao simulador de sinais ECG
Após o estudo teórico e a definição dos disposi-tivos eletrônicos a ser utilizados, o circuito elétrico foi montado numa placa de circuito impresso de dupla face com dimensões de 4x4 cm (Figura 7). O layout dessa placa foi projetada com dois objetivos. O primeiro foi minimizar as interferências eletro-magnéticas. Isso foi providenciado por uma grande malha de aterramento (Figura 7) e tendo os cabos de aquisição dos sinais (eletrodos) posicionados próxi-mos ao aterramento. O segundo foi reduzir as distân-cias entre os componentes presentes nos loops (rea-limentações) do circuito.
Esse estudo teórico possibilitou também a espe-cificação dos dispositivos elétrico-eletrônicos presen-tes no circuito, de forma a atender a construção de um eletrocardiógrafo de baixo consumo. Componen-tes de baixa potência e fáceis de encontrar foram utilizados. Antes da montagem da PCI, testes foram realizados num protoboard, utilizando-se os amplifi-cadores operacionais e de instrumentação do circuito de aquisição e condicionamento ECG.
A alimentação do subsistema de condicionamen-to do sinal ECG foi providenciada por duas pilhas alcalinas de 1,5V cada, conforme ilustrado na Figura 8. O circuito foi acondicionado numa caixa pequena, juntamente com o subsistema de processamento dos dados adquiridos. A Figura 8 exibe também a cone-xão do subsistema com o simulador de sinais ECG, usando três eletrodos.
Testes experimentais foram realizados para ob-servar as saídas dos estágios de amplificação e filtra-gem. A medição dos resultados ocorreu pela utiliza-ção de um osciloscópio digital. Na saída do amplifi-cador de 5dB (Figura 9a), observou-se a ausência do sinal ECG e a presença apenas de ruído, proveniente principalmente da rede elétrica (60 Hz).
Considerando o acréscimo do estágio de 10 dB de amplificação e a presença do filtro passa-altas com frequência de corte de 0,5 Hz, a onda S do com-plexo QRS foi observada, conforme é indicada na Figura 9b. Adicionando o último estágio de amplifi-cação e os filtros Notch (rejeita-faixas de 60 Hz) e passa-baixas (frequência de corte de 40 Hz), o sinal ECG foi visualizado (Figura 9c) e praticamente não houve a presença de ruído. Além disso, observa-se que a linha base está ajustada. O sinal ECG apresenta
amplitude de 100 mV e frequência de 1,25Hz, apro-ximadamente.
Finalmente, o subsistema de aquisição e condi-cionamento foi acoplado ao subsistema de processa-mento para digitalização dos dados adquiridos, transmissão sem fio dos resultados e interface com o subsistema de visualização/análise, que está contido num terminal remoto.
Figura 9 – Resultados dos estágios de amplificação de a) 5 dB, b)10 dB e c) 20 dB
3.2 Subsistema de processamento
se-guintes características básicas: faixa de tensão de alimentação variando de 1,8 V a 3,6 V; arquitetura RISC de 16 bits; Conversor A/D de 10 bits e presen-ça de memórias Flash e RAM. A arquitetura do mi-crocontrolador é combinada com cinco modos de baixa potência para alcançar um maior tempo de funcionamento com bateria em aplicações portáteis.
Para utilização do ZigBee foi utilizada a comu-nicação SPI do microcontrolador através do Simpli-ciTI™ (Texas,2012). Esse protocolo permite a identi-ficação de cada eletrodo presente. Após vários testes de comunicação, foi construído o código para trans-missão e recepção do sinal ECG em linguagem C.
O elemento de transmissão sem fio (Figura 10a) foi integrado à placa de circuito impresso do subsis-tema de condicionamento, enquanto o elemento de recepção sem fio (Figura 10b) foi conectado ao ter-minal remoto através uma porta USB.
Figura 10 – Estrutura do microcontrolador, exibindo a estrutura a) transmissora (integrado ao subsistema de condicionamento) e b)
receptora (conectada ao terminal remoto)
Figura 11 – Interface gráfica desenvolvida no MATLAB®
Figura 12 – Resultado obtido para o eletrocardiógrafo digital, com a visualização das ondas P eT e o complexo QRS
3.3 Subsistema de visualização/análise
O sinal ECG proveniente dos sistemas de condi-cionamento e processamento é conduzido usando comunição sem fio a um computador remoto. Neste dispositivo, uma interface gráfica foi desenvolvida para visualização dos sinais ECG utilizando a ferra-menta GUI (Graphical User Interface) do MATLAB®. Também foi acrescido um sistema para
detecção e visualização do batimento cardíaco para o indivíduo em posição de repouso e em movimento (Figura 11). O sinal ECG resultante é observado na interface, assim como a estabilidade da linha de base. Um sistema de alerta sonoro foi providenciado para melhor percepção dos batimentos e uma opção para gravação das amostras.
4 Resultados Preliminares
As amostras adquiridas com o detector foram, portanto, analisadas. Foi observada a presença das ondas P e T e do complexo QRS (Figura 12). A esta-bilidade da linha de base foi mantida inalterada. O batimento cardíaco também foi monitorado e o valor também é apresentado na Figura 12. Também foram realizados testes afastando o receptor e o transmissor ZigBee. Foi observado que houve perda do sinal com o afastamento acima de 70m.
Vários outros testes foram realizados, conside-rando batimentos de 30 bpm, 60 bpm, 80 bpm, 120 bpm e 180 bpm, conforme pode ser visualizado na Figura 13.
Alguns valores de batimento cardíaco foram ge-rados pelo simulador e adquiridos, condicionados , processados e visualizados simultaneamente pelo dispositivo proposto aqui e por um monitor multipa-râmetros, marca MX-300 da empresa EMAI. Os resultados foram obtidos e visualizados simultanea-mente e algumas fotos registradas são apresentadas na Figura 14. Os resultados do batimento cardíaco e a conformação das curvas ECG foram bastante simi-lares. Os valores de amplitude e duração das ondas ECG também foram bem próximos.
Nas Figuras 14a-d são feitas as indicações de trechos dos sinais ECG obtidos para ambos os equi-pamentos. Há a inexistência visual de ruídos obtido pelo eletrocardiógrafo proposto. Nesses ensaios, a linha base ficou estável e a autonomia da bateria do eletrocardiógrafo proposto foi de algumas horas.
5 Conclusões
O projeto e desenvolvimento de um eletrocardi-ógrafo digital portátil foi apresentado neste trabalho. Ele possui em seu subsistema de condicionamento (amplificação e filtragem) uma quantidade reduzida de componentes de baixo custo e consumo.
Para a captação do sinal ECG são utilizados três eletrodos, o que corresponde ao monitoramento da derivação DII. Para reduzir interferências foi acres-centado o circuito de driver de perna direita, que também proporcionou estabilidade no sinal. Filtros foram também usados para retirar sinais espúrios e indesejáveis como o de 60 Hz.
de 70 m. Para ampliar o alcance do sinal, repetidores devem ser acrescidos ao sistema.
Uma interface foi desenvolvida e o sinal ECG, juntamente com o batimento cardíaco puderam ser visualizados em tempo real. Comparações foram também realizadas com um eletrocardiógrafo comer-cial e os resultados foram bastante satisfatórios.
O eletrocardiógrafo apresentado aqui representa uma tentativa de prover um dispositivo portátil, de baixo custo e com tecnologia nacional aplicado ao monitoramento e diagnóstico de doenças cardiovas-culares. Uma das vantagens dessa implementação é a simplicidade de sua arquitetura, o que torna possível aumentar o número de trabalhos voltados à monito-ração e analise de sinais cardíacos, não acarretando assim nenhum custo adicional para o sistema.
Agradecimentos
Os autores agradecem a CAPES pelo suporte financeiro através dos projetos PROCAD 1493/2007 e PROCAD 679/2010.
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Figura 13 – Sinais obtidos com o eletrocardiógrafo proposto para vários batimentos cardíacos
