TÍTULO: DISPOSITIVO PORTÁTIL PARA DIAGNÓSTICO DE DOENÇAS DO CORAÇÃO TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO CATEGORIA:
ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA ÁREA:
SUBÁREA: ENGENHARIAS SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO: CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BRASÍLIA INSTITUIÇÃO:
AUTOR(ES): NATHALIA SALOMÃO DAMIÃO AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): LUCIANO HENRIQUE DUQUE ORIENTADOR(ES):
1. RESUMO
Com o apoio do Centro Universitário de Brasília – UniCEUB, que investe na promoção e desenvolvimento da pesquisa, mediante projetos de iniciação científica, surgiu este estudo. Pela junção de duas grandes áreas da ciência, quais sejam medicina e engenharia, iniciou-se o projeto. Neste contexto, considerado a necessidade de realização de exames cardiológicos por pacientes fixados em locais desprovidos de recursos, como comunidades indígenas e ribeirinhas, desenvolveu-se um protótipo capaz de coletar, tratar e enviar as medições dos sinais cardíacos, via internet, para posterior análise de especialistas da área. Sua principal vantagem é permitir que qualquer profissional de saúde realize o exame, pela sua facilidade, além de salvar vidas, uma vez que pode alcançar localidades longínquas. Acrescente-se ainda que o paciente somente irá se deslocar caso de detecte alguma anomalia no exame de eletrocardiograma analisado. O protótipo necessita de filtragem analógica, por meio de filtros passa baixas, passa altas e amplificadores operacionais, e filtragem digital, utilizando-se da Transformada Wavelet. Concluídos os testes, os resultados foram satisfatórios, atingindo a meta inicialmente proposta, ou seja, a realização do exame nas condições mencionadas.
2. INTRODUÇÃO
A medicina utiliza a tecnologia para auxiliar o diagnóstico de doenças, assim, através de equipamentos eletrônicos e software, propicia uma mais rápida identificação e análise de problemas. Um exemplo de tecnologia desenvolvida é o eletrocardiógrafo, que é um equipamento projetado para coletar a diferença de potencial presente no corpo devido à atividade cardíaca e apresentá-la de forma gráfica.
Desta forma, dispondo de um eletrocardiógrafo que possibilite a sua portabilidade, será possível acesso a locais remotos que não possuem condições estruturais para o atendimento de pessoas, como comunidades indígenas e ribeirinhas. Neste caso, exames poderão ser realizados em indivíduos que somente serão manejados para um hospital em caso de real necessidade.
Os sinais cardíacos são compostos por ondas características (P,Q,R,S e T) que estabelecem uma relação direta com as áreas do coração, bem assim sua função de
polarização ou despolarização, estas que remetem ao relaxamento e contração dos músculos do coração, respectivamente. Vide Figura 1:
Figura 1 - Sinais gerados pelo coração. Fonte: (COTRIM, 2009)
Onde:
A onda P representa a despolarização ou contração atrial (WOLF, 2004); O complexo QRS corresponde à despolarização ou contração total dos
ventrículos (WOLF, 2004);
A onda T reflete a repolarização ou relaxamento ventricular (WOLF, 2004). Várias anomalias podem ser identificadas utilizando-se de um eletrocardiograma, a partir das inconformidades apresentadas nas ondas anteriormente mencionadas. Assim, são passíveis de diagnóstico as seguintes doenças: hipertrofia atrial e ventricular, infarto do miocárdio, arritmias, pericardite, distúrbios no metabolismo eletrolítico, sobretudo as alterações de potássio (GOLDMAN, 1973).
Tendo em vista que os impulsos elétricos gerados pelo coração apresentam tensões a 0,001 volts (pico a pico), faz-se necessária uma amplificação, filtragem de alto desempenho e processamento digital, por parte do dispositivo. Este último permite que os ruídos e interferências sejam eliminados dos sinais cardíacos. (DINIZ, DA SILVA, & NETTO, 2004).
A fim de extrair o complexo QRS e filtrar o sinal, a partir de sua descontaminação, aplicou-se a Transformada Wavelet, muito empregada na análise de sinais digitais e compressão de dados. Representa a decomposição de uma função no domínio do tempo em um conjunto de coeficientes que descrevem suas componentes de frequência em determinados instantes de tempo (OLIVEIRA, 2007).
3. OBJETIVOS
O estudo visa desenvolver um dispositivo portátil capaz de coletar, tratar e enviar as medições dos sinais cardíacos via internet para análise de especialistas da área e ainda possibilitar que qualquer médico ou agente de saúde possa realizar o exame.
3.1. Objetivos específicos:
Realizar uma revisão bibliográfica sobre o funcionamento do coração, filtros digitais, amplificadores operacionais e microcontrolador PIC;
Desenvolver um hardware para captação de sinais cardíacos, filtragem e amplificação em seu formato analógico em segunda ordem, utilizando microcontrolador PIC e seus periféricos;
Implementar um software capaz de realizar a filtragem em formato digital; Salvar o sinal apresentado para a transmissão do sinal via internet;
Efetuar testes de desempenho no protótipo comparando os sinais medidos com o eletrocardiógrafo profissional existente no UniCEUB; Montar uma caixa para o protótipo.
4. METODOLOGIA
O projeto é dividido em módulos de funcionamento, onde cada um é responsável por uma determinada ação no estudo proposto. A Figura 2 ilustra este modelo de forma simples, com o intuito de facilitar seu entendimento:
Inicialmente, procedeu-se a uma pesquisa sobre sinais analógicos e sinais mioelétricos. Em seguida, um estudo sobre componentes eletrônicos necessários e suas funções, como: capacitores, resistores, indutores, amplificadores operacionais, filtros ativos e passivos. Finalmente, desenvolveu-se os módulos, conforme segue:
Módulo 1 – Captação de sinais: desenvolver o sistema de captação dos sinais cardíacos, baseado em eletrodos de superfície não invasivos;
Módulo 2 – Circuito condicionador: desenvolver um circuito de amplificação e filtragem analógica para eliminar parte dos ruídos existentes;
Módulo 3 – Processamento do sinal: implementar um software capaz de processar o sinal já amplificado e filtrado, a fim de retirar os possíveis ruídos ainda existentes no sinal;
Módulo 4 – Microcontrolador e software: gerenciar as funções do circuito responsável por mostrar os sinais e gravá-los;
Módulo 5 – Exibição do sinal: inserir um display gráfico no sistema proposto para a visualização do sinal;
Módulo 6 – Transmissão dos resultados: Construir um módulo capaz de realizar a transmissão do dispositivo para a internet.
Por último, conduz-se a realização de testes com outros equipamentos de eletrocardiograma, verificando se os sinais recebidos estão corretos e, ainda, a inserção dos sistemas criados em uma caixa plástica, para ser utilizado em campo.
5. DESENVOLVIMENTO
O protótipo proposto, através de eletrodos conectados ao usuário, visa receber sinais elétricos provenientes do coração, filtrando e amplificando-os, para então mostrá-los em uma tela e analisá-los. A fim de melhor esclarecer como foi desenvolvido o sistema, utilizou-se o seguinte diagrama de blocos:
O bloco 1 refere-se ao circuito de captação, o 2 ao circuito condicionador, o 3 ao circuito principal e o 4 à transmissão do arquivo gerado.
5.1. Eletrodos (BLOCO 1)
O bloco 1 representa os três eletrodos, descartáveis e não invasivos, conectados ao usuário, responsáveis pela captação dos sinais cardíacos gerados pelo coração. As Figuras 4 e 5 ilustram, respectivamente, os três eletrodos e o cabo típico utilizado em exames de eletrocardiograma, enquanto a Figura 6 mostra o diagrama dos eletrodos, onde S1, S2 e GND representam os eletrodos conectados ao paciente. O S1 é o cabo de cor vermelha, S2, o cabo de cor branca e GND o cabo de cor preta. Os cabos levarão o sinal ao circuito condicionador
Figura 4 – Eletrodos Figura 5 - Cabo ECG Figura 6 - Diagrama dos eletrodos
Fonte: allbiz.com Fonte: www.labx.com Fonte: elaboração própria
5.2. Circuito condicionador (BLOCO 2)
O bloco 2 refere-se ao circuito condicionador, responsável por filtrar e amplificar o sinal.
É sabido que o corpo humano gera vários tipos de sinais elétricos e junto a eles uma série de ruídos. Por isso, para captar somente os sinais provenientes do coração, é necessário a aplicação de filtros que eliminarão parte destes ruídos. Como estes sinais estão na ordem de 0 à 1mV, também é necessário o uso de amplificadores que elevarão o nível de tensão dos sinais a serem analisados. O circuito condicionador pode ser separado em 4 estágios, conforme ilustrado na Figura 7. A Figura 8 mostra a placa de circuitos já finalizada:
Figura 7 - Diagrama condicionador Figura 8 - Circuito condicionador
Fonte: elaboração própria Fonte: elaboração própria
O primeiro estágio é responsável por cancelar os ruídos comuns dos sinais vindos dos eletrodos S1 e S2, utilizando-se do amplificador operacional TLC274, mais precisamente de sua característica chamada CMRR ou ajuste da Relação de Rejeição em Modo Comum, encarregada do cancelamento destes ruídos. Esta rejeição é controlada por um potenciômetro
Após o ajuste da CMRR, o sinal passa para dois estágios de filtragem, com uso de filtros passa-baixa.
Posteriormente, o sinal é conduzido para outro amplificador operacional (LM324), para gerar um ganho maior deste sinal, controlado por meio de um potenciômetro.
Na Figura 8 os círculos em vermelho mostram os dois blocos de amplificadores operacionais utilizados, os círculos em verde mostram os conectores de entrada e saída de sinais, referentes a entrada dos eletrodos e a saída para o circuito principal, e os círculos em azul mostram os dois potenciômetros de ajuste da placa do condicionador, que são do CMRR e da amplificação final da placa.
5.3. Circuito principal (BLOCO 3)
O circuito principal é responsável por receber os sinais previamente tratados pelo condicionador, mostrá-los em um display gráfico e gravá-los em um cartão de memória. Subdivide-se nas etapas mostradas na Figura x. Todas elas podem ser visualizadas na Figura y, com o circuito principal já pronto:
Figura 9 - Diagrama circuito principal Figura 10 - Circuito principal
Fonte: elaboração própria Fonte: elaboração própria
O divisor de tensão (1) é responsável por receber o sinal do circuito condicionador e colocá-lo em um valor aceitável pelo microcontrolador (2), que fará o gerenciamento das funções do circuito principal. O código em linguagem C, programado no microcontrolador PIC, utiliza 3 bibliotecas externas. Uma destas realiza a decomposição do sinal por meio de Transformadas de Wavelet, encarregadas da remoção de ruídos, a partir de sua descontaminação. O sistema possui um botão (4) que quando acionado envia este sinal ao microcontrolador, sendo apresentado no display gráfico (3). Posteriormente, o cartão de memória (5) armazenará o arquivo gerado. O sistema é alimentado por uma fonte (6) que energiza todos os componentes eletrônicos do circuito.
5.4. Software Transmissor (BLOCO 4)
O software transmissor é divido em 4 etapas, consoante Figura 11, onde a primeira realiza a leitura do arquivo contendo o sinal cardíaco previamente gerado. Logo após, é montado o gráfico do sinal para a visualização pelo operador deste software e então é reproduzida uma imagem do gráfico para ser enviada ao e-mail do médico que fará o diagnóstico do sinal.
Figura 11 - Diagrama de blocos Software Transmissor. Fonte: elaboração própria
Conforme observado nas Figuras 12 e 13, o técnico apertará o botão vermelho para localizar o arquivo que será inserido no retângulo verde. Em seguida, será clicado no retângulo azul, a partir do qual será aberta uma nova janela contendo os campos para o envio do mail. Assim, após preenchimento e transmissão deste e-mail, o médico receberá o arquivo contendo o sinal cardíaco para diagnóstico.
Figura 12 - Software Transmissor. Fonte: elaboração própria Figura 13 - Envio do e-mail. Fonte: elaboração própria
6. RESULTADOS
Ao final, foi verificado o funcionamento de cada bloco separadamente, cujo resultado foi satisfatório.
Fez-se um teste comparativo entre o protótipo e um eletrocardiógrafo profissional de posse do UniCEUB. Neste último, extraiu-se o valor de tensão dos picos das ondas P, Q, R, S e T para conferir com os valores de tensão recebidos pelo dispositivo proposto, plotado no Excel, conforme Tabela 1 e gráficos do comparativo:
Eletrocardiógrafo profissional: Protótipo proposto: Ponto Equipamento Profissional Dispositivo proposto Erro absoluto Erro relativo P 0,40mV 0,60mV 0,20mV 50% Q -0,20mV -0,20mV 0,00mV 0% R 2,69mV 2,70mV 0,01mV 0,37% S -0,52mV -0,53mV 0,01mV 1,92% T 0,70mV 0,79mV 0,09mV 12,86% Tabela 1 - Erro absoluto do protótipo
A diferença obtida resultou da utilização de componentes eletrônicos de baixa precisão. Ainda, efetuou-se uma comparação entre as medidas do eletrocardiógrafo profissional e do protótipo, sendo o último menor (Tabela 2 e figuras abaixo):
Eletrocardiógrafo profissional: Protótipo proposto: Dimensões Eletrocardiógrafo profissional Protótipo proposto Comprimento 28,0cm 10,9cm Largura 18,8cm 18,8cm Altura 5,2cm 6,4cm Volume 2737,28cm3 1311,49cm3 Tabela 2 - Dimensões
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os objetivos propostos foram atingidos e o resultado dos testes comprovou o correto funcionamento dos componentes envolvidos. Entretanto, requer, ainda, o aperfeiçoamento do sistema em trabalhos futuros, quais sejam, aplicação da transmissão do sinal cardíaco diretamente pelo dispositivo com o uso de módulos de comunicação GPRS; desenvolvimento de um código com o uso da Transformada Wavelet para um pré-diagnóstico do sinal cardíaco; bem assim a blindagem eletromagnética de todo o circuito utilizando o conceito de Gaiola de Faraday, a fim de diminuir os ruídos no circuito condicionador.
8. FONTES CONSULTADAS
COTRIM, A. (2009). Instalações Elétricas. Prince Hall.
DINIZ, P. S., DA SILVA, E. A., & NETTO, S. L. (2004). Processamento digital de sinais: Projeto e Análise de Sistemas. Porto Alegre: Bookman.
GOLDMAN, M. J. (1973). Principles of Clinical Electrocardiography.
JÚNIOR, A. P. (2003). Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos (Vol. 6). Porto Alegre, RS: Bookman.
MALVINO, A. P. (1985). Microcomputadores e microprocessadores. São Paulo, SP, Brasil: McGraw-Hill do Brasil.
OLIVEIRA, H. M. (2007). Análise de Sinais para Engenheiros: Uma Abordagem via Wavelets. Recife: Brasport.
STRANG, G., & NGUYEN, T. (1996). Wavelets and filter banks. Wellesley Cambridge.
WOLF, A. S. (2004). O CORAÇÃO E A ATIVIDADE ELÉTRICA CARDÍACA. Acesso em 16 de 03 de 2016, disponível em Divisão de Bibliotecas e Documentação: http://www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0210429_04_cap_02.pdf
