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PROPOSTA DE UMA PLATAFORMA DIDÁTICA PARA ENSINO DE ENGENHARIA BIOMÉDICA EM CURSOS DE ENGENHARIA ELÉTRICA: I.
MÓDULOS PARA AQUISIÇÃO DE SINAIS ELETROGRÁFICOS
Juliano E. Rathke - rathke@ieb.ufsc.br Paulo R. C. Possa - possa@ieb.ufsc.br Felipe C. Santos - felipe@ieb.ufsc.br
Eduardo Andrighetto - andrighetto@ieb.ufsc.br Robson Adur - robson@ieb.ufsc.br
Fernanda I. M. Argoud - fargoud@cefetsc.edu.br Fernando M. de Azevedo - azevedo@ieb.ufsc.br José Marino-Neto - marino@ieb.ufsc.br
Universidade Federal de Santa Catarina - Instituto de Engenharia Biomédica UFSC Trindade, Campus Universitário.
CEP 88040-900 - Florianópolis - SC
Resumo: Neste trabalho será apresentada uma proposta de desenvolvimento de módulos para aquisição de sinais Eletrográficos de Eletrocardiografia, Eletromiografia e Eletrooculografia para uma plataforma didática para ensino de conteúdos de Engenharia Biomédica em cursos de Engenharia Elétrica. A plataforma denominada Sistema de Processamento de Sinais Biomédicos – Módulo Didático (SPSB-MD), inclui soluções de Hardware e Software. O objetivo deste trabalho é apresentar uma proposta de solução didática para implantação de módulos para aquisição de sinais Eletrocardiográficos, Eletromiográficos e Eletrooculográficos.
Palavras-chave: Educação, Engenharia Biomédica, Engenharia Elétrica, Módulo didático, Processamento de Sinais Biomédicos.
1 INTRODUÇÃO
Com o acelerado avanço de novas tecnologias e o uso de modernas técnicas na área da saúde o campo da Engenharia Biomédica é uma das áreas de imenso potencial empreendedor e grande capacidade de desenvolvimento para a indústria no Brasil. Para sustentar essa taxa de crescimento e o sucesso esperado nessa área, como profissionais da Engenharia Biomédica, nós devemos garantir um constante influxo de membros altamente qualificados e dedicados (CHAN 2003).
A área da Engenharia Biomédica é uma área multidisciplinar que integra biologia e medicina com a engenharia, contribuindo de maneira substancial na criação de soluções e desenvolvimento de novas tecnologias aplicadas aos problemas médicos e das áreas das ciências biomédicas.
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Para isso é necessário que o Engenheiro Biomédico tenha um forte conhecimento e uma sólida fundamentação nas disciplinas mais tradicionais da área da Engenharia (IEEE-EMB 2003), tendo também nas disciplinas clássicas da Engenharia Elétrica um forte aporte para o desenvolvimento de soluções nessa área. No entanto algumas áreas da Engenharia Biomédica, como sinais e sistemas, requerem um conhecimento mais específico desse meio. Para isso é necessária a inclusão de disciplinas que englobem peculiaridades da Engenharia Biomédica (ANDRIGHETTO 2007).
O Instituto de Engenharia Biomédica da Universidade Federal de Santa Catarina (IEB- UFSC) está desenvolvendo uma plataforma para ensino de temas de Engenharia Biomédica (Sistema de Processamento de Sinais Biomédicos-SPSB-MD), para aplicação no curso de Engenharia Elétrica da UFSC. A plataforma é composta de soluções de Hardware (para registro e transmissão de sinais biomédicos), módulos didáticos para aquisição de sinais de Eletrocardiograma (ECG), Eletroencefalograma (EEG), Eletromiograma (EMG) e Eletrooculograma (EOG), módulo base microcontrolado e módulos de comunicação USB e sem fio, e de Software (para visualização e análise dos sinais registrados e na construção de tutoriais inteligentes e ambientes virtuais de ensino baseados na internet) (POSSA 2007).
Neste trabalho discutiremos com maiores detalhes o desenvolvimento dos sistemas para aquisição, condicionamento e visualização de sinais de ECG, EMG e EOG, o qual é parte integrante do SPSB-MD.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
O objetivo deste equipamento é a implantação de um laboratório de Engenharia Biomédica na UFSC para atender as disciplinas de: “Fundamentos de Engenharia Biomédica”
e “Introdução à Informática Médica” disponibilizando a oportunidade da aplicação na prática de conceitos de Hardware (filtragem analógica, conversão analógico-digital, amplificação), Software (amostragem do sinal, processamento e visualização), e questões particulares de problemas associados à aquisição destes sinais (ruído de modo comum, impedância pele- eletrodo, interferências eletromagnéticas associadas, aquisição de sinais em baixa amplitude, entre outros).
O SPSB-MD é composto por módulos didáticos para aquisição de sinais bioelétricos, um módulo base microcontrolado e um software para visualização dois sinais na tela do computador. O módulo base tem a função de receber os sinais dos módulos didáticos, digitalizar estes sinais e enviar ao computador via interface USB ou comunicação sem fio, à figura 1 mostra um esquema geral do sistema.
Figura 1-Diagrama de Blocos do SPSB-MD (ANDRIGHETTO 2007).
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A faixa de freqüência do filtro passa-banda adotado para o sinal de ECG de monitoramento está compreendida entre 0,5 Hz e 50 Hz (QUIANG 2005), entre 2 Hz e 500 Hz para o sinal de EMG de superfície (IVES 2002), e de 0,1 a 100 Hz para o EOG de superfície (COHEN 2006), (VENKATARAMANAN 2005). A freqüência de amostragem para o ECG, é de 200 Hz (QUIANG 2005), para o EMG 1000 Hz (IVES 2002) e para o EOG 300 Hz (WEBSTER 1998). Cada módulo possui a capacidade de aquisição de um canal bipolar (GONZALES 1998).
Fazem parte da cadeia de aquisição analógica de ECG, EMG, e EOG, filtro passa-altas, filtro passa-baixas, filtro notch para sessenta hertz, estágio de ganho e off-set, além de circuitos de proteção, como mostra a figura 2.
Figura 2-Componentes da cadeia de aquisição
O sistema deve ser utilizado em aulas práticas no laboratório a ser montado de Engenharia Biomédica para o curso de Engenharia Elétrica da UFSC. Onde inicialmente será testado e validado para posterior utilização em outros cursos. O equipamento é acompanhado de material teórico sobre os sistemas fisiológicos envolvidos (histórico dos sinais, Sistema Cardiovascular, mecanismos de condução do impulso elétrico do coração, modos de aquisição do sinal, derivações, o eletrocardiograma, Sistema Muscular, mecanismo de contração muscular, condução do impulso nervoso ao longo da fibra muscular, eletromiograma, eletrooculograma), e conceitos e fundamentos básicos dos circuitos e sistemas envolvidos (filtros seletores de sinais, passa-baixas, passa-altas, passa-faixa, rejeita-faixa, ruído e interferência, conversão analógico-digital, teorema da amostragem, quantização, o problema do aliasing, relação sinal-ruído, amplificadores de instrumentação, amplificadores operacionais).
Em um primeiro momento o aluno deve estudar sobre os sistemas fisiológicos para os quais serão realizados os experimentos. Em um segundo momento deve se familiarizar com o equipamento e estudar os conceitos básicos dos circuitos e sistemas envolvidos. O uso deste equipamento em aulas de laboratório para aquisição destes sinais em voluntários requer cuidados no projeto relacionados à proteção elétrica, tornando este seguro para o uso, de acordo com normas vigentes.
A peculiaridade envolvida nesta proposta é a criação de um equipamento, que envolva uma solução didática. Isso ficará caracterizado pela escolha de uma arquitetura que contemple a possibilidade do aluno interagir com o sistema, podendo substituir qualquer componente da cadeia de aquisição analógica por um circuito externo (por exemplo, montado em um pronto- board), denominado circuito do aluno, como mostrado na figura 3.
Além disso o layout do circuito terá pontos de teste ao longo da cadeia de aquisição permitindo a verificação e análise dos sinais em diferentes pontos. Foram escolhidos componentes de encapsulamento dil (Dual in Line) e amplificadores syngle. Cada módulo possui impresso na placa uma identificação visual do esquema elétrico do circuito. Com isso é possível fazer um layout que contenha os circuitos na forma mais próxima a sequência seguida pelo sinal na cadeia de aquisição, tornando mais acessível o entendimento do
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esquema elétrico, aumentando a facilidade do aluno acompanhar o que ocorre com os sinais ao longo do circuito.
Figura 3 -Esquema mostrando a substituição de um dos circuitos da cadeia de aqusição por um circuito externo.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A engenharia elétrica é uma área que possui uma forte base de conhecimento, dispondo de profissionais com habilidades importantes para a geração de soluções para o desenvolvimento de novas tecnologias e equipamentos para a área da saúde. Destacamos a importância deste trabalho como um meio de propiciar ao estudante uma oportunidade de realizar na prática experiências que contemplem problemas reais encontrados neste tipo de sistema. Procura-se com isso despertar nesses estudantes o interesse pela área, e dessa forma aumentar a demanda deste tipo de profissional no mercado, colaborando dessa forma para o desenvolvimento de novas soluções para a área da saúde tendo como conseqüência a ampliação do setor no país.
Para formação da cadeia de aquisição foram adotados filtros, passa-altas e paixa-baixas de segunda ordem, conforme observado em trabalhados anteriores (PAIM 2005), (ROCHA 1997), mostraram ser suficientes para uma captação adequada destes sinais. Para o cálculo dos filtros passa-baixas e passa-altas foi adotada a escolha da colocação dos pólos do sistema na posição butterworth, com isso é possível atenuar distúrbios na banda de passagem (NOCETY FILHO 2003). O arranjo bipolar de eletrodos torna-se mais adequado para esta aplicação pelo fato de apresentar menor quantidade de ruído e interferência provinda de outros músculos, se comparado ao modo monopolar (GONZALES 1998). Pelo fato deste ser um equipamento a ser usado em aulas de laboratório deve atender as normas vigentes, proporcionando segurança aos seus usuários. Como resultado de uma pesquisa efetuada junto a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) (ABNT 2007) foram relacionadas algumas normas referentes à segurança dos sistemas envolvidos no SPSB-MD.
NBRIEC60601-1 de 30/10/1997- Equipamento eletromédico - Parte 1 - Prescrições gerais para segurança.
Esta norma estabelece prescrições gerais para segurança de equipamento eletromédico e serve como base para prescrições de segurança de normas particulares.
NBRIEC60601-1-1 de 30/07/2004- Equipamento eletromédico - Parte 1-1: Prescrições gerais para segurança - Norma colateral: Prescrições de segurança para sistemas eletromédicos.
Aplica-se a segurança de sistemas eletromédicos e descreve as prescrições de segurança necessárias para fornecer proteção ao paciente, ao operador e vizinhanças.
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NBRIEC60601-2-27 de 01/07/1997- Equipamento eletromédico - Parte 2: Prescrições particulares para a segurança de equipamento para monitorização de eletrocardiograma.
Especifica prescrições particulares para a segurança de equipamento para monitoração de eletrocardiograma (ECG), monitores de telemetria, monitores ambulatoriais (Holter) e outros dispositivos de registro estão fora do campo de aplicação desta norma particular.
NBRIEC60601-2-25 de 01/12/2001- Equipamento eletromédico - Parte 2-25:
Prescrições particulares para segurança de eletrocardiógrafos.
Estabelece prescrições específicas para a segurança de eletrocardiógrafos.
4 CONCLUSÕES
Duas questões principais podem ser abordadas pela tratativa dada à arquitetura do sistema. Uma de “caráter construtivista”, que possibilita ao aluno o desenvolvimento da
“busca pelo conhecimento”, onde ele próprio projeta e constrói o seu circuito, inserindo-o no sistema e testando os resultados do que ele projetou. A aprendizagem é vista como uma construção do conhecimento, onde há uma interação maior entre o professor e o aluno (LODER 2002). Outra questão se dá pelo fato da possibilidade da redução no tempo de montagem de um circuito tão complexo. Por exemplo, uma aula prática de laboratório dura em média duas horas, nesse tempo provavelmente o aluno não contemplaria a montagem de todo o sistema. Com a utilização desse sistema ele pode, em um tempo menor ao que teria se montasse o circuito todo, voltar-se a análise dos sinais envolvidos. Um dos motivos para a abordagem de temas como aquisição de ECG, EMG e EOG se da pelo fato de que apesar da incorporação dos modernos recursos da eletrônica e a utilização do advento da informática, as bases para registro destes sinais permanecem as mesmas. Isto torna possível a implantação se um sistema completo de aquisição destes sinais á baixos custos.
5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANDRIGHETTO, E. et al. Proposta de uma plataforma didática para o ensino de Engenharia Biomédica em Cursos de Graduação de Engenharia Elétrica: I Os Sinais Bioelétricos. In: CONGRESO LATINOAMERICANO DE INGENIERÍA BIOMÉDICA, 4., Porlamar. 2007 (submetido).
Associação Brasileira de Normas Técnicas-ABNT. Prescrições para a segurança de equipamentos eletromédicos. Disponível em: http://www.abntnet.com.br/default. Acesso em: 15 maio 2007.
CHAN, A. D. C.; MACISAAC, D. Promoting Biomedical Engineering through Recruitment. In: Procedings of the 25th Annual Internacional Conference of the IEEE EMBS., Cancum, México, 2003, p.3475-3478.
COHEN, A. Biomedical Signals Origin and Dynamic Characteristics, Frequency-Domain Analysis. In: BRONZINO, J. D. (org.) Medical Systems: The Biomedical Engineering Handbook. 3. ed. New York: Taylor & Francis, 2006. cap. 1.
ROCHA, P. H. Proposta de Desenvolvimento de um Detector Eletromiográfico.
Florianópolis, 137 p., 1997. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina.
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IEEE ENGINEERING AND MEDICINE & BIOLOGY- IEEE-EMB. Designing a Career in Biomedical Engineering., 2003, Danvers.
GONZALES, M. T. G. et al. Potenciales bioelétricos: Origem e Registro. Mexico:
Universidad Autónoma Metropolitana, 1998. 290 p.
IVES, J. C.; WIGGLESWORTH, J. K. Sampling rate effects on surface EMG timming and amplitude measures, Clinical Biomechanics 18, 2002, p. 543-552.
LODER, L. L. Epistemologia versus pedagogia o locus do professor da engenharia. Porto Alegre, 229 p., 2002. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2002.
NOCETY FILHO, S. Filtros seletores de sinais. 2. ed. Florianópolis: Ed. da Ufsc, 2003. 311 p.
PAIM, F. C. A. Desenvolvimento de um Sistema de Telemetria para Aquisição de Sinais Fisiológicos com Aplicação em Programas de Reabilitação Cardíaca. Florianópolis, 137 p., 2005. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina.
POSSA, P. R. C. et al. Proposta de uma plataforma didática para o ensino de Engenharia Biomédica em Cursos de Graduação de Engenharia Elétrica: II. Tutorial e Ambiente 3D para o estudo da Eletrocardiografia no Hospital-Escola Virtual. In: CONGRESO LATINOAMERICANO DE INGENIERÍA BIOMÉDICA, 4., Porlamar. 2007 (submetido).
QUIANG, Z.; MINGSHI, W. A wireless PDA-based electrocardiogram transmission system for telemedicine, Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference, 2005, p. 3807-3809.
VENKATARAMANAN, S. et al. Biomedical Instrumentation Bades on Electrooculogram (EOG) Signal Processing and Application to a Hospital Alarm System. IEEE-Procedings Of Icisip-2005, India, p. 535-540. 07 jan. 2005.
WEBSTER, J. G. Medical instrumentation: application e desing. 3. ed. Usa: Jhon Wiley &
Sons, 1998. 691 p.
DIDACTICAL PLATFORM FOR BIOMEDICAL ENGINEERING EDUCATION PROPOSAL IN ELECTRICAL ENGINEERING DEGREE PROGRAMS: I.
MODULES FOR ELECTROGRAPHYCS SIGNALS ACQUISICION
Abstract: At this work will be presented a modules development modules development proposal for Electrographycs signals acquisition of Electrocardiogram, Electromiogram and Electrooculogram for a didactic platform for Biomedical Engineering contends education in Electric Engineering degree programs. The platform called Biomedical Signals Processing System– Didactic Module (SPSB-MD), includes hardware and software solutions. The objective of this work is to present a didactic solution proposal for the implanattion
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of Electrocardiographic, Electromyographic and Electrooculographic signals modules acquisition.
Key-words: Education, Biomedical Engineering, Electrical Engineering, Didactic Module, Processing of Biomedical Signals.
