Simulador de sinais de ECG e som cardáco baseado em microprocessador

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE POS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA_ELETRICA

_

4 ` d

SIMULADOR DE SINAIS DE ECG E SOM CARDIACO Í

A

BASEADO EM MICROPROCESSADOR -

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA Ã UNIVERSIDADE FEDERAL DE »SANTA

CATARINA PARA A oETENçÃo Do GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA

RENATO GARCIA OJEDA

_ FLORIANOPOLIS, JUNHO

t . __..- _--...__...-___...._ _._§lM§EêQ0R_DE SINÀš§_DE»§ÇG;Ev$0M.CÂBDÍACO _ BASEADO.EM MICROPROCESSADOR ‹' _" r x.: _ (5 .. ` -~¬›- ~ _ f_"l|.|. fll ›u“ 0!cí){ -de .' Í' \ ' _ À _.-.-.-._._.í.__-..-.-Q-`¢_.~.--, __. _ CANDIDATO: RENATO GAEcIA'oJEDA"

Esta dissertacao foi julgada para obtençao do .título

- _{MESTRE EM ENGENHARIA} - _{Especialidade Engenharia Elétrica e}

aprovada em sua forma final pelo Curso de Põs-Graduação. ~

~ ~

A¿z¿....,zQ.

~

Prof. walter Celso de Lima, DR. '

ORIENTADOR

(0/Vgv

Prof. Carlos Inácio Zanchin, E.Sc.

CO-ORIENTADOR

/ '

,

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í

QEuÂ;>äÊ~~»*§UM£Ê$ÇL4á¿

Prof Antônio José Simões Costa, Ph.D.

BANCA ExAMINADoRAz

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i.

E

Prof. Walter Celso de Lima, DR.

PRESIDENTE

<r E af- ;ššè¿14¢Â£L1z~f* E

Prof.' arlo Í cio Zanchin, M.Sc.

Prof. Rui Seara, DR. ,

Pr . Luiz Rocha, DR. »

Aos meus pais

v

à Lilian '

V

§GRADECIMNTOS

C

à Universidade Federal de Santa Catarina e â Universidade de Magallanes (Chile), pelo apoio financeiroz

Aos Professores Walter Celso de Lima e Carlos Inácio Zanchin _pe la valiosa ajuda prestada na orientaçao deste trabalho.'.

A todos que colaboraram para tornar possível a realização deste trabalho, em particular ao Dr. Antonio Sbissa e o Professor Rui

Seara; `

4

V

C o «

Vl

A

B S T R

A

C T

A microprocessor controlled system, aimed atthe training Qf cardiologists in the practice of sound, phonocardiography 'and identification of ECG signals, was developed and implemented. The system has two independent modules; the data acquisition _ module and the generation module, and allows the user to'simulate typical heart disease signals at different frequencies and to change ,the

standard signals by software. The data acquisition module allows the creation of digital files of ECG and standard cardiac sounds which are processed by an APPLE compatible microcomputer and

stgred in an EPROM.› _By using these data files, the generator module

on a 8085-A microprocessor generates_the standard sigufls'allowing the user to choose the kinds and Shapes of signal to be”

generated. The said signals can be picked up from an oscilloscope or register output and an audio output. .

`

vii

z

K

RESUMQ

Apresenta-se um sistema controlado pelo microprocessador

8085-A de 8 _bits, que permite a geração de sinais de _Eletrocar- diografia ÍECG), e Som Cardíaco orientado para aplicaçoes- na

área de ensino. _ -V- « » V . '

O sistema ë composto de deiswmggylos independentes:

~-“+-

_{à- Módulo de Aquisição dos sinais¬'} - ~ b- _{Módulo de Geraçao dos} sinais'l`

- Para a aquisição desenvolveu-se um_sistema controlado por

um microcomputador tipo Apple Ilfplus, que permite a criação dos

arquivos digitais dos sinais a _{gerar pelo módulo gerador, os}

quais são gravados em memória EPROM. _

__ « `O

mõdulo gerador, a partir dos arquivos em EPROM, '

gera os sinais sob o controle do microprocessador 8085~A, possibili-u tando ao usuãrio através de chaves digitais definir as caracte-

` "A

. rísticas do sinal a gerar controlando amplitude, frequencia e

outras características do sinal. '

f '

~

`-Todo _{este sistena foi desenvolvido utilizando uma confi-}

guração que apresente baixo custo e fácil manipulação pelo\usuã-

rioo V

V A

'

`

Por ter utilidade imediata o protótipo possui maior ênfa se na apresentação de sinais de som cardíaco, existindo arqui- vos para sons atriais, sopros sitõlicos, regurgitação mitral, do primeiro e segundo som; terceiro som, etc. Em sinais de ECG pode gerar-se sinal normal, ritmos anormais, isquemia, taquicar

¬

‹ ~

nümero de arquivos e modificaçoes no programa monitor, para

geração de outras cardiopatias. `

A

_ Este sistema

é de _{grande utilidade na prática} de auscul tação e diagnóstico através de eletrocardiografia. H

A

viii

_ s'U _M

_Ã

R _Ifol. CAPITULO 1 - fINTRoDUÇÃo... Q I n u u Idcoooonuuøonoltoouonouløoooououncuaoo 1.2 - _{Revisão da} Literatura... §5gITULÓ I; -

MToDoLoG1A

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . .

2.1 - Descrição do Sistema Cardiovascular... ' 2.1.1 ~ _{Som Cardíaco...} 2.1.2 - Eletrocardiografia (ECG)... 2.2 ¬ Anteprojeto do Simulador . . . . . . ... . . . . ... II.. ' _ ' 2.2.1 - _{Frequencia de Amostragem... ...}

Í 2.2.2 - Filtros de Limitação de Faixa... '

2.2.3 - _{Conversores A/D e D/A...}

2.2.4 - _{Amplificador de Entrada...}

2.2.5 - _{Sistema de Amostragem e Retenção...}

-2.2.6 - Relógio de Tempo Real... ~ 2.2.7 - Comunicação Usuário-Sistema... _ 2.2.8 - Memórias de Programas e Dados... 2.2.9 - _{Software de Controle...} _ _{DESENVOLVIMENTO¢z¢oooø¢noøø¢.¢.z¢øu¢~n¢ø›0o›o}

3.1 - Método de Aquisição de Sinais Cardíaoos... '

3.1.1 - _{Gravadores de Fitas Magnéticas...} . . . . . ...

3.1.2.- Amplificador de Entrada... 3.1.3 - _{Filtro "Antialiasing"...}

'

3.1.4 - _{Sistema de Amostragem e Retenção...}

' 3.l.5_- Conversor Analógico-Digital... 3.1.6 - _{Portas E/S e Temporizador...}

~

'

3.1.7 - _{Software do Sistema de Aquisiçao...}

JLX O1 O2 O5 O8 O9 ll 14 19 20 21 2l 21 22 23 23 23 24 25 26 26 za 30 36 39 4o .:1l

30108 6522q¢no u ¢ u o uøouuuaoonoooooløo 3.1.9 - _{Controle do Conversor ADC 08l6...}

3.2 - _{Método de Geração de Sinais Cardíacos...}

' '

3.2.1 - _{Microprocessador do Controle... ...}

3.2.2 - _{Portas E/S e Temporizador...}

3.2.3 - _{Sistema de Condicionamento de Sina1...}

3.2.4 - _{Software do Sistema Gerador-...}

3.2.5 - _{Definição de Endereços...}

3.2.6 - _{Estrutura do Programador Monitor...}

3.2.7 - _{Capacidade de Memória do Sistema...}

3.2.8 - _{Estrutura dos Arquivos de Dados...}

3.2.9 - _{Controle da Geraçao...} . . . . . . . ...

3.2.10* Sistema de Saída... . . . . ...

3.2011- 8o85_Anooooo¢voonuonoou.cocosc 3.2.12- Programação da PPI 8155...

CAPITULQ Iv - _{APRESENTAÇÃO DE REsULTADos...} . . . . ...

SomCardíacouounuoonocououuuouonooo 0000000' ECGQQIQIQQ-øucnoaoooonunosoonucoonouooooouuo. g§PITULo v _- coNcLUsõEs... Sol_Conclusõesouotoooooooc00000!ononoubouoøuooouoocuocnooo 5.2 - _{Trabalhos Futuros...} APENDICESQooo:ocoouoooncacouuooíøuocoooonøooooooonn 0000000' APÊNDICE A - _{MANUAL DE UTILIZAÇAO DO SISTEMA...}

Al - _{Aquisição de Sinais de ECG.e Som Cardíaco.}

A2 - _{Geração dos Sinais de ECG e Som Cardíaco.}

APENDICE B - APÊNDICE C ~ APENDICE D - APENDICE E - APÊNDICE F - APÊNDICE G - BIBLIOGRAFIA. xi

SOFTWARE DO sIsTEMA DE AQUIsIçÃO... . . . . . . .... 79

Bl - _{Programa de Controle em BASIC... 79}

Programa Assembly de Gravaçao/Leitura de

EPROM 271õ...¿... . . . . . ... . . . . . ..,

B2'-

as

B3 - _{Rotina Assembly de Transferência/VerifiCa¬}

ção de BlOCOs...;...¿ . . . . . . ... 38

89 B4 - _{Rotina Assembly de Geração de Sinal} . . . . ....

Assembly de Aquisição de Dados... 92

B5`- Rotina

PROGRAMA MONITOR DO GERADOR... 95

DESCRIÇÃO Dos CIRCUITOS DO SISTEMA GERADOR...l06

Dl - _{Bloco Digital do Sistema Gerador...l06}

D2 - Bloco Analõgivo do Sistema Gerador.,.}...ll0

...

DESCRIÇÃO DOS CIRCUITOS DO SISTEMA DE AQUISIÇAO.ll3

DESCRIÇÃO DO CIRCUITO DA FONTE DE POLARIZAÇÃO DO EQUIPAMENTO.. . . . . . . . . . ..z...` . . . . . . . ....ll3

EXPANSÃO DE MEMORIA... . . . . . . . . ... . . . . . ..II9

~ ~‹¬¬n‹« z

A_P_Í,T Uw§;0f _!

-O2

1 .-1 - _{IN'1¬'RoDUçÃo_}

A partir de 1970 com a colocaçao no mercado do primeiro microprocessador, o campo de aplicação deste 7circuito integra- do programável vem abrangendo todas as áreas da engenharia. N'

Na área de engenharia biomédica, atualmente, grande _parte da instru

mentação está sendo voltada ao uso do microprocessador por 'sua

grande flexibilidade e desempenho confiável.` _

. Uma das áreas da engenharia biomédica que apresenta_ ,um maior número de aplicações do microprocessador é a 'especialidade de Cardiologia; especialmente em aquisição e processamento do si

nal cardíaco_(ECG). _

N

Atualmente existem monitores cardíacos, detetores de ar- ritmias, sistemas de codificação e deteçáo de sinais de ECG,~ sis'

temas de compressão de dados de ECG.,.etc. Na área de ensino pou- ca coisa tem-se desenvolvido para facilitar a prática de cardiolg

gia, especialmente no diagnóstico através de ECG e som cardíaco.

H _ Nesta área, utiliza-se manuais com sinais padroes ou fi tas magnéticas gravadas com diferentes cardiopatias, ambos méto- dos com resultados apenas aceitáveis, além de apresentar como li: mitação a impossibilidade de variar as_características desses si- nais. No caso das fitas magnéticas, apresentam o problema~de ter

acesso sequencial que impede uma rápida busca do sinal desejado.

_. _Em sistemas digitais apresentam+se várias soluçoes, como

gravações de ECG digitalizadas e gravadas em discos, que podem

ser acessadas através de um microcomputador. Esta soluçao apresen ta custo elevado em equipamento, além de uma capacidade de armaze

~

namento, de dados considerável, já que os arquivos gerados sao

03

_ ' I

de períodos correspondentes a vários segundos de sinal de ECGfnao existindo a possibilidade de variar suas.características.'

Uma solução bastante economica e que tende eliminar .as desvantagens dos outros métodos, foi _{apresentada por Chen [{],_per} mitindo obter um equipamento controlado por microprocessador, ›.de custo médio. Baseado nesta solução foi desenvolvido um equipamento com fins didáticos que gera o sinal de ECG e além disso gera o

sinal de som cardíaco possibilitando a prática do diagnóstico de cardiopatias. O sistema ê de baixo custo, apresentando caracterís

ticas que permitem a variação de algumas propriedades dos» sinais padrões das cardiopatias básicas, podendo gerar arritmias e carf diopatias com freqüência variável. Antes de realizar o simulador, foi necessário o projeto e execução de um sistema de aquisição de dados. Este possibilita a criação dos arquivos de dados correspon- dentes a cardiopatias básicas, as quais serão geradas pelo .simula

-i

dor. O sistema de aquisição ê controlado por um microcomputador

tipo Apple II+, e o simulador é desenvolvido em torno do.microprof

cessador de 8 bits 8085-A. V

A apresentação escrita deste trabalho foi dividida_ em V5

capítulos. Na introdução, correspondente ao capítulo I; inclue-«-se “uma

revisão da literatura existente na área na qual o trabalho ê _desen

volvido. V A '

- »

No capítulo II apresenta-se a metodologia do projeto, _co meçando por uma análise geral do sistema cardiovascular para defi- nir os parâmetros importantes dos sinais a serem processados.. A

seguir se faz uma descrição geral dos componentes que deverão cons

04

'ç _{No capítulo III se faz o estudo e implementação dos sis-}

temas de aquisição e geração, considerando componentes de baixo custo e acessíveis no mercado brasileiro. -

V

`- _{Finalmente nos} capítulos _{IV e} V _se apresentam os resulta

dos ~cbtidos

cm

os sistemas e as conclusões finais,-respectivanentef

. - .

'

V »

4 Nos apêndices incluem-se o manual de utilização dos sis~ temas, descrição dos circuitos finais e o "software"_utilizado na

aquisição e na geração. V

'

À

1.2 - Revisão da Literatura

V '

`

Úuas publicações recentes são a base deste trabalho. O trabalho feito por Beyar e Palty [2]_em 1984, referente ao espec- tro do som cardíaco, permitiu» implementar o sistema de som*, do simulador com componentes de baixo custo. Jã_na ãrea de ECG; Chen

e Tompkins [4] em l982 apresentou o método de arquivos de ECG pa-

ra a geração com controle de microprocessador. _'

'

Bãsicamente o método utilizado para a estrutura dos ar-

quivos, consiste da aquisição de um ciclo de um sinal.de ECG e o Som real, característico de algumas cardiopatias, processar digi

talmente e armazenar em EPROM para ser gerado sob o controle de

um microprocessador. _{_¿} *

ç W ..

V Na atualidade os métodos existentes são muito variados,

e _{para comparação_efetuaremos uma análise geral,} tendo em conside

ração que o objetivo é _um sistema orientado ao ensino, de 'baixo

custo e de fácil manipulaçao. `

“

1.2.1 - _{Métodos de ECG}

. '

'Nõs _{podemos dividí-los em dois grupos:}

.vi _

. a) Métodos gerais fm b) Métodos digitais

ç Nos métodos gerais temos os manuais para A interpretação

de' _{ECG [25] os quais} . são amplamente .realizadosz 'POI seu baixo custo, mas- _apresentam a desvantagem de_~ na0 _permi

-, tir modificaçoes.

'O6

~

~ I

Já nos métodos digitais existem métodos com gravaçoes de períodos longos de sinal, gravados em disco e posteriormente _gera

dos sob o controle de um microcomputador, com desvantagem de ser de.um custo mais elevado. Outro método novo apresentado em 1985 [2l1,_consiste em trabalhar com segmentos do sinal de _{ECG, ”(onda}

P, onda T, complexo QRS), e mediante um software criar _o

V

sinal característico de alguma cardiopatia. As vantagens -sao sua versatilidade de criar formas de sinal, mas o método de criaçao

e utilização é complexo, além de precisar de um equipamento mais completo e de custo mais elevado, que o método por nós utilizado.

1.2.2 - _{Métodos de Som Cardíaco}

'

Na ãrea digital não existem equipamentos para gerar_ som

cardíaco, e os métodos utilizados na prática de auscultaçao .ou

fonocardiografia são de tipo analógico. “

_

'

_

“À

Existem, por exemplo, fonocardio-simuladores criados '~a .

' ,

partir de um gerador de ruído branco, e através de filtragem, _ob têm-se os componentes do som que adicionados simulam as v caracug

r _ ._

gx

rísticas de algum som representativo de cardiopatias. _Ele 'possui as vantagens de permitir controlar todas as características do som, mas em forma analógica; não sendo nosso objetivo atual.

Outro método ,amplamente utilizado são os cursos de aus- cultação gravados em discos _[l8]; os quais não apresentam a pos-

sibilidade de modificaçoes. “

- ›

a _

_ Após uma análise geral e dado nosso objetivo, opta-

mos pelo método digital que na atualidade combina uma boa relaçao de custo/desempenho.

07

' '

Para finalizar um texto excelente que inclue todas . as condições básicas deste projeto [§3], permitiu definir as estru-

turas do hardware do sistema. '

'

x

APÍTUL9

09

2 -dl '- Df@'S'¢fi§1ã'Q. _{idor5;§§sma_Cêr§;i9vêê91›1lê;}

Como o equipamento pretende gerar sinais de ECG e de som 'cardíaco faz-se necessário uma revisão das características 'bãsif

cas destes sinais e sua procedência. '

V

Em geral para se fazer um diagnóstico de cardiopatia sao necessários quatro métodos clínicos de investigação do sisüamàcar diovascular: história clínica do paciente, exame clínico, electro- cardiograma e exames complementares. Analisar~se-ã somente a parte do exame clínico correspondente ã auscultação e'ã electrocardio~

grafia. .

ç O coração pode ser considerado como uma bomba

deá _duas

etapas fisicamente ligadas em paralelo, porém com circulaçao gde

sangue em série através dessas etapas. O lado direito do coraçao

.~ '

. ~

-

é a bomba que fornece o sangue aos pulmoes para oxigenaçao e o

esquerdo é o encarregado de proporcionar sangue ao resto do corpo A trajetória de circulação do fluxo sanguíneo é feita pelo sistema circulatório pulmonar, e os nutrientes e oxigênio para o _corpo

são fornecidos através do sistema circulatório sistêmico.»

\

-,

n 'Do ponto de vista da engenharia, o sistema circulatório sistêmico é um circuito de alta resistência e com um grande gra- diente de pressão entre as artérias e as veias. Por isto a bomba constituida pelo lado esquerdo do coração pode ser considerada co-

mo uma bomba de pressão. '

O sistema circulatório pulmonar, ao contrário, l possui uma pequena diferença de pressão entre as veias e as artérias, com baixa resistência ao fluxo, podendo o lado direito do coraçao ser considerado como uma bomba de volume. .Logo o lado esquerdo

apre-2;

4 .

_senta uma constituição musculosa mais forte que o direito, devido

ã maior necessidade de pressão do sistema circulatório. `Contudo,

o volume de sangue fornecido por ambos lados, num intervalo › de tempo suficientemente longo, deve ser o mesmo. '

~

O ciclo de bombeio do coração ê dividido em duas partes:

, _ ›

sístole e diâstole. A sístole é definida como _o período de _contra ção dos músculos do coração (o músculo ventricular) cada vez que o sangue ê impulsionado dentro da artéria. pulmonar¬ -e _{aorta. Diâs}

tole ê o período de dilatação da cavidade cardíaca para se encher~

de sangueQ ã \ C|Rcu_LACÂO PULMONAR - / Í' _ /í_ç:>ââ:â':.<eêê*›* ' (tm. 1 ' - › ~ ~\ mmm. ¿_NflM§

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FIGURA 2.l - _{Sistema Cardiovascular}

-›

Uma vez que o sangue foi bombeado dentro de sistema arte

rial, o _coração se relaxa, a pressão dentro da cavidade diminui,

1

11`

ivälvulas de entrada se reabrem para outra diâstole e reinicia . o

círculo cardíaco. Todo este processo é refletido tanto no sinal de . som cardíaco como no sinal de ECG, possibilitando a deteçao de_ang

malias no ciclo normal. Na Figura 2.1 se apresenta a estrutura

geral do sistema cardiovascular.

2.l.l - _{Som Cardíaco}

Por séculos os médicos utilizam como ajuda ao diagnósti- co de alguns tipos de desordens cardíacas o som e vibrações asso- ciadas com o batimento cardíaco. A técnica de ouvir o som produzi do por õrgãos do corpo é denominada auscultação, e a obtenção grã- fica dos sinais do som cardíaco é conhecida por fonocardiografia.

O médico aprende a reconhecer o som cardíaco e mudanças que possam

ser associadas a vários tipos de desordens cardiovasculares. Como todo diagnóstico este processo é subjetivo e a quantidade de infor

mação obtida através dele dependerá da experiência _e da capacidade de ouvir do médico.

z . C

Com cada batimento, o coração normal produz dois sons _di ferentes que são audíveis através de um estetoscõpio, os quais se

conhecem como "tum-tac". O "tam" ë causado pelo fechamento_ das

válvulas atrioventriculares permitindo que o fluxo de sangue flua

'‹ .- `

_, _

desde o atrium aos ventrículos, mas não no sentido oposto. Nor- malmente isto é denominado de primeiro som cardíaco que ocorre a- proximadamente junto com o complexo QRS dos sinais de um eletrocar

diograma (ECG), antes da sístole ventricular.

O "£ac"¿ denominado segundo som cardíaco é causado pe-

lo fechamento da válvula semilunar, a qual injeta o sangue den- tro do sistema pulmonar. Esta vãlvula se fecha no fim do sístole,

12

antes que as válvulas atrioventriculares se reabram. O segundo vg

'

. _

' som acontece perto do fim da onda T do ECG. , á

p Geralmente

em jovens ê possível ouvir um terceiroísdmcpB~

l ' z - ¡ . . . \ .

ocorre entre 0,1 a 0,2 segundos após o segundo som cardíaco. Este

som ê atribuído ã pressão sanguínea do atrium sobre os ventríoulos

que produz turbulência e vibraçoes das paredes dos ventrículos; A

Fig.2.2, a seguir, apresenta a relaçao dos sinais de som com rese peito a um eletrocardiograma e sinais de pressão. -

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FIGURA 2.2 - _{Relaçoes_entre os sinais de som cardíaco e}

sinais de ECG e pressao.

OS SOPIOS (SOHS ân0rmaiS) podem acontecer entre os Sons normais, e sao causados pelo fechamento ou abertura imprópria das válvulas (ver figura 2.3).

13' --_$_%-'i.. I '-` ”^z 'rc 1 -L .L J-¡ A À; N‹z}mâ| LA; i i *fz 1 .f z

W

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Sn nom. D nmde S nstole

1

FIGURA 2.3 - _{Sons cardíacos normais} e anormais.

. O espectro de freqüência de cada som é diferente. Para o primeiro som cardíaco a faixa de energia máxima encontra-se entre

30 e_46 Hz com vários sons abaixo da faixa audívelf O segundo som

ê geralmente de tom mais elevado, com energia máxima entre 40 e

70 Hz e o terceiro é uma vibração débil com a maior energia perto

de 30 Hz, _ao contrário, os sopros produzem tons altos que no caso

de regurgitação podem possuir energia na faixa de 100 a 600 Hz.

'

A No diagnóstico, as técnicas de auscultaçáo e fonocardig grafia não são as únicas utilizadas, existem também outras 'como

vibrocardiografia, balistocardiografia, etc., mas para este traba- lho sô são de interesse e auscultação e fonocardiografia no que se

refere a técnicas de diagnšotico por som cardíaco, _

Bayar [21 em 1981 apresentou um trabalho de análise de

sinais de som cardíaco no qual limita a faixa de energia máxima para estes sinais entre 20 a 400 Hz para uma representação aceitš

14

vel, porêm sendo õtima uma faixa até l KHZ. Como o sistema propos

to deve ser de baixo custo, uma faixa muito ampla de _{freqüência im}

plica na utilização de muita memória para o armazenamento dos ›arf

quivos de dados. Por isto optou-se pela faixa menor aceitável, en

_ .

J

tre 20 e 400 Hz, no tratamento do sinais de som cardíaco.

2.1.2 - _{Eletrocardiografia (ECG)}

O ECG ê uma representação gráfica das tensões variáveis no tempo produzidas pelo miocárdio durante o ciclo cardíaco.

À

for ma básica de um ekfimoamxüogmma '

normal é apresentada na fig.2.4. _ ' ' G V . › z , _ _ Llf'¡”ff'l'f';

W

1"' _{*"¿_ƒ“'__-_f*“} t . \ K ` 1 ` ç ;. Í -__.. .._..._.._..-._._.`.... _..`[...ç..,, __.. _{__É} 4 _ _. ______¬ ________ À * *"*¬ê ~ `°“'”"¬**"_' <sub>EGM</sub> ` * ` -~'- -'-r P O _fi

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FIGURA 2.4 - Detalhe de _{um eletrocardiograma} normal.

~

As ondas P, QRS e T representam a despolarizaçao e repo-

larizaçao elétrica rítmica do miocárdio associada às contrações do atrium e dos ventrículos.O eletrocardiograma ê utilizado no diag nostico de várias doenças e condições de funcionamento do_ coração.

I

'15

significativa, observando criticamente, intervalos de tempo, pola - ridade e amplitudes para se obter um diagnóstico.

. ›

'

¿ . ,

. Alguns valores máximos para amplitudes e duraçao dos pa râmetros do ECG normal sao: .

'

Amplitude . : onda P 0,25 mv (na derivação D2)

onda R 1,5 ,mv (habitualmente em V5 evz) onda Q 25%da onda R _

'

¡

' onda T 0,1 a 0,5 mv

Duraçao : Intervalo P-R 0,12 a 0,2 segundos -

Intervalo Q-T 0,35 a 0,44 segundos 4 Intervalo S~T 0,05

a 0,15 segundos › Intervalo QRS até 0,11 segundos

‹' . '

Duraçao onda P _{até 0,ll segundos}

Para seu diagnóstico, inicialmente o cardiõlogo observa

a mêdia_da freqüência, que situada entre 60 a 100 batimentos por batimentos por minuto ê considerada normal. Uma média menor ê dg*

` '

'

~ 3

nominada bradicardia e uma _{maior taquicardia. Em condiçoes patolo} gicas, podem ocorrer várias mudanças no ECG, incluindo mudanças das magnitudes de uma _{ou mais características, variação na dura-} çao dos intervalos das ondas, etc. -›

;

a,) Componentes Individuais de ECG. ONDA P :

'

Representa a despolarização atrial. No _eletrocar diograma normal é a pequena deflexao inicial de

'

J.

16 _{_}

cada ciclo cardíaco. Duração normal até 0,11 segun

dos e amplitude _{até 0,25} mv.

COMPLEXO QRS:

Representa as rápidas deflexões produzidas durante

a des _P.olariza ão dos ventrículos. A deflexão ascen _l dente é a onda R. VQualquer deflexão descendente

que precede ã onda R é a _{onda Q,,a qualquer defle}

xão descendente que se-suceda ã onda R é ichamada onda S- _{Duração normal até} 0,LLsegHfiose amplitude

não maior de 2,0 mv nas derivações V5 e V6¡ habitualmente.

SEGMENTO ST: g V

'

ONDA T

Quando se completa a despolarizaçao- ~ventricular,

cessa toda atividade elétrica dentro do coração_ e

durante esse período; o eletrocardiograma mostra

uma linha reta. O segmento ST começa ao término do onda S é contínua_atê o início da onda T. O seg-

mento ST normal, qeralmente nao está mais do que 0,05 mv acima ou abaixo da linha isoelétrica - em qualquer derivaçao.

No coração humano, a repolarização ventricular~ o- corre na mesma seqüência que a despolarizaçao. A

onda T do ECG representa a repolarização ventri-

cular e é, normalmente, positiva naquelas _deriva-

ções em que o complexo QRS é predominantemente po-

17

b.) Registro de Eletrocardiograma ~

~

Em eletrocardiografia, a amplitude, polaridade e_duraçao

das características do ECG, dependem em grande medida da localiza-

øv V

fif ₄

çao dos eletrodos no corpo do paciente. A localizaçao basica de eletrodos ê no braço direito, braço esquerdo e perna esquerda,alêm

de várias localizações do peito denominadas posições precordiais. Geralmente o eletrodo de referência, a terra, ê colocada na -perna

direita. Cada conjunto de localizações dos eletrodos ê denominado

uma derivaçao as quais se apresentam-na figura 2.5.

c.) Especificações para Instrumentos de ECG

. Para a aplicação presente os parâmetros importantes que

permitiram definir algumas características do sistema simulmíu ax)

as _{definidas pelo CEAHA ("Committe on Eletrocardiography of the}

American Heart Association"). ' '

Resposta de Freqüência:

A resposta dos instrumentos deve ser plana entre 0,14 a _{25 Hz,} e _{pode ter variação} de 1 _0,5 dB. _Pa

ra um sinal senoidal de entrada de l0OHz a atenuar

~ ~

çao nao deve ser superior aÚ3 dB. i , A impedância de saída deve ser menor do que 100 Q'

para uma plana escala de 1 l volts.

(`-1

M...

¡ .

›1s

'

Logo os parâmetros importantes são: a faixa de freqüên- cia definida a-3 dB sendo de 100 Hz, que será a faixa a ser uti- lizada no projeto dos filtros do sistema; e a magnitude máxima

~ '

da saída que definirá o ganho ou atenuaçao no sistema.

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gd

lr

DERIVAÇOES DOS MEMBROS .

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J

J»

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FIGURA 2.5 - _{Derivações do ECG;}

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2 . 2 -ninmëtââêfiê ê‹;êâp;âjêiê9_éérstimlíêiéioir

~ ‹

~

p

_ Com a diminuiçao de custo dos circuitos integrados é pos sível propor um sistema gerador de sinais cardíacos (ECG) em con-

junto com sinal de som, tudo controlado por um microprocessador 8085A. Este sistema pode ter o uso da memõria otimizado, pois ê

baseado em arquivos de sinais de ECG e xmxcmifiaam armazenando so-

mente as características principais e gerando por software a ,sua

V - , _.

complementaçao (linha de isopotencial). ' '

A estrutura básica do sistema, composta por dois subsis- temas independentes, é apresentada na fig. 2.6.

a) Subsistema de aquisição¿~

V

E encarregado de efetuar a aquisiçao dos sinais _a V nalõgicos e efetuar a digitalização, além de criar os arquivos correspondentes aos sinais característicos. de algum tipo de cardiopatia e armazenar em EPROM.

b) Subsistema gerador:

Este subsistema ê autônomo. Depois da criação dos

arquivos estes sao armazenados em EPROM, as quais intro

' ' ~

duzidas no sistema gerador, possibilitam a _geracao dos

- _ \

sinais, com a facilidade do usuãrio escolher o _ tipo, freqüência e o controle de geração,

O trabalho de montagem do equipamento foi deaflnmflviàa em torno de um microcomputador APPLE II-plus compatível, que serviu

~

como base para o sistema de aquisiçao e pré-processamento dos si-

20 _ . c |¬ Sinal Entitda A Condíciomamento _ diz _Iaflflgä . _ de / _ V Sinal n /' Registro _ _ // _{Gerador GráTico} .. . /' . 4

/

. ln _

za

a f›<¶'‹flz-z\ ri.. V ¬ 1 . e para _- ' Som Lardiaco i - Úsoiloscopio Aaurôxçâo _ GERAÇÃU

FIGURA 2.6 ¬ _{Diagrama do} Sistema

2›2-1 - _{E5e¶fién9iê;de_ëm9§§;ê9§m}

_ '

Considerando os sinais que o sistema deve gerar, a aquie

sição efetua-se a uma_freqüênoia de amostragem adequada ao. aspec- tro do ECG e som cardíaco. H

Considerando o que foi exposto na descrição do sistema cardiovascular; por [2],[6],[9] e o teorema de amostragem tem-se:

_ EcGz¿ fm¿x_= 100 Hz _ ‹2.1› famost > 200 Hz _ (2.2) somz _{fmáx_} = 4oo _Hz " _‹2.3› famost. > 800 Hz <2'4) um

21

A Em conseqüência do som como espectro limitante e esco- .

'

. i

lhendo 'uma _{freqüência não muito alta que implique uma grande} cg'

pacidade de memõria, optou-se por uma freqüência de amostragem de

1 KHz. `

2-2-2 W _{Eilërsêids è¿E¿§ê§ã0rderFê;ë§}

Para evitar erros por "aZ¿aÁ¿ng" ê preciso limitar as

faixas dos sinais aos valores máximos de lO0 e 400 Hz _para ECG

e Som respectivamente. Logo existem dois filtros independentes ,

para cada sinal, que permitem condicionar os sinais para amostra- gem G geI`ã.ÇaO-.'

2.2.3 - _{Conversores de Dados A/D e D/A.}

*Por _{economia no custo do sistema os conversores A/D de} entrada e D/A de saída possuem 8 bits de resolução, apresentando

uma boa representação dos níveis de sinal.- E conveniente lembrar que o número õtimo de bits para tratamento de sinais de ECG,'. é

estimado em 12 bits fl6], que para o projeto presente implica num aumento considerável no custo, sem apresentar _{'uma C} melhora

substancial para a aplicaçao prevista.

2-2-4 _{-yêm9l;§i9a§š9rde_§9§;ê§ê}

_ Considerando o conversor A/D de entrada ADC WH5 can fai+ xa O-5 volts e lembrando que a saída dos eletrocardiogramas apre- sentam uma amplitude de : l volts de sinal de ECG .prë-amplifica-

dos, pode~se definir os ganhos apropriados para obter a faixa do conversor, além de se necessitar deslocar o nível do sinal para

.Ff

-22,

obter sô Sinais unipolares na entrada do conversor. Logo é _necessá

rio um amplificador e um deslocador de níveis. V

2-2-5 - _{ëiêâêmêl1dê;&19§1§;ê9êm;:fiêâênçãç} x ç

V Geralmente os conversores possuem uma faixa pequena- de .freqüência de entrada quando atuam em conversão A/D-direta. Por isto ê necessário a utilização de sistemas de amostragem e reten»

ção para manter o sinal de magnitude fixa durante o tempo de 'con-

versao. _ _

No sistema de aquisição ê necessário um sistema destes

na entrada para possibilitar uma amostragem a l KHz. Para o caso de um conversor A/D tipo AU308l6 a freqüência máxima fica defini-

da por: ~

Fmãç = ln~ ~~e Hertz (2.5›

_ 2v¶

'z2 - T iv

onde:

`n = _{Número de bits do} conversor = ₈

_ T

= _{Tempo de conversão} i ₁₀₀ pseg _(ADCO8l6) com

~ rélõgio de õ4o xnz ›« LOQO2 -_ ' . FmãX= HZ V

No caso da conversão D/A também é necessário um sistema š

de amostra em e reten ão mas ë _P ossível a utiliza ão de' re is-

_ Ç

23

A2

. 2 . 6 - Bêlõisiie' '‹;11<ê; 'ifêL1P@;;13êtêi1

Nos dois sistemas, aquisição e geração, deve-se proporcig

nar uma base de tempo que fixe a freqüência de amostragem e a `fre

qüência de geração dos dados, respectivamente. Este sistema, in- dependente do tempo dos demais componentes do sistema, atua sobre

o sistema de aquisição, controlando o tempo de amostragem e reten-

ção e, na geração através de uma interrupção do microprocessador.E§

ta base de tempo ê obtida por divisão do relógio do sistema para

se obter a freqüência apropriada, no caso presente uma onda quadra

da de l KHZ.

~

2 -. 2 -

T

- Qsâmniçêçêeu Uêyâriç/$;§§‹ê;nê s

~

_

~ Para a transferência de dados sao necessárias vias de cg municação entre o usuário e o sistema._ No caso da aquisição, isto pode se realizar através de um programa em BASIC utilizando o mi-

crocomputador para comandar todo o processo de aquisição. Para a geração com a utilização de portas de entrada/saída,I o usuário

~

poderá transferir os dados necessários para definir as condiçoes nas quais o microprocessador omüzola a geração dos sinais. P

~

Para a geraçao estima-se que com 3 portas (duas de entra

da de dados para definir características do sinal, e uma saída pa~

ra indicar os estados dos rocessos) ê ossível confi urar c meio

ç 9.

de comunicação com o usuário.

x 2-2›8 -

.

~ E importamte definir a capacidade de memõria apropriada ao sistema. No caso da aquisição esta e considerável, lembrando

24

que com uma freqüência de amostragem de l KHz, 1 segundo de amos

tragem equivale.a 1000 bytes de memória de dados, além da memó- ria de programa. Logo a memória mínima do computador para efe-

tuar o processamento ê estimada em l2 Kbytes. Jã no caso dos arquivos a gerar, por teste efetuados estimou-se apropriado para armazenar as características mais importantes dos sinais:

'

Sinal de ECG

----+

máx 512 bytes Sinais de som

----+

mâx 512 bytes

_ .Com isto -é preciso l Kbyte para cada arquivo de sinal

e para evitar um "fiag out" excessivo, a capacidade de memória do

gerador_estima-se em 10 Kbytes para arquivos e programas de '

con trole, além de uma pequena memória de armazenamento temporário de

dados, deixando a possibilidade de expansão do número de arquivos de sinais. `

2.2z9 - _Software,

-~

Finalmente os programas que controlam a operaçao do sis tema estão compostos de rotinas em linguagem de mãquina,para pos-

sibilitar um processamento rápido, dentro da faixa limitada« pela freqüência de amostragem. ~ , - . ' , _ '

-Para a aquisiçao, alem do programa em Basic as rotinas em linguagem de máquina são em "aóóembíy" de_ microprocessador

6502, componentes do microcomputador APPLE~compatível, e na gera-

ção com a utilização do microprocessador 8085-A, as rotinas 2 do programa monitor estão em "dóóembky" correspondente a este micro-

Í

ÊEÂJ? EÍET

UÊÍQÍ

III

.` I

gzõ

1

3- _{1 ' ÊÍÊÊFQDQ DEoQAQ§Io§I§Ã0_} DE ÊENAÍS; Cš\BPIš\`Ç9§

- '

Í Para a criação dos arquivos do simulador de ECG e som

stema de aquisiçãd e processamento

cardíaco, ê necessário um si

dos sinais, que possibilite a criação e armazenamento de arquivos digitais dos sinais reais em EPROM, os quais_representam as ca- racterísticas mais importantes de cardiopatias básicas.

'O _{sistema desenvolvido em torno de um microcomputador}

Apple II+ compatível, apresenta uma configuração da figura 3.1.

'lEr‹:1*...^::n"_'h:u" » .'2›rm:- I i F il:-:"u;h:.'-r' i F ¡ I t; F ‹;;-U

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mag. W

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11+f “,_ .. ~ _ _ = _{|_.'} F 1 U 1: r - _fif;fƒ;f ... ~ff;

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--

Iefúwàúsr

Epanmu

~ _ ' i ~

FIGURA 3.1 - _{Diagrama de blocos do sistema de aquisicao..}

Analisando a estrutura do sistema tem-se:

311-1 - _{§;êvêd9rrësrEi§êrMêsëšëisê}

Inicialmente os sinais reais são gravados em fita magnê tica para posteriormente serem digitalizados e processados, Para

, ‹

_27

métodos de gravação em fita magnética:

V- _{Gravaçao Direta..} '

~ _{Gravação Indireta em Freqüência Modulada} - _FM

Na maneira de gravação direta, o sinal de entrada é alge

bricamente adicionado a um sinal de polarização "b¿aóÚ_ de. alta

freqüência (de aproximadamente 100 KHZ) e introduzido diretamente

ao amplificador que fornece a corrente necessária ao cabeçote' do gravador. Neste,c>sinal é transformado em variações de fluxo magnê tico que modifica o magnetismo residual da fita magnética. Este modo de gravação apresenta duas desvantagens: resposta em baixa freqüência limitada a sinais com espectro de freqüência superior

a 30 Hz e baixa estabilidade de freqüência na saída, que para ~ a aplicação presente sô possibilita a gravação dos sinais de som car

díaco. O modo direto é o utilizado na maioria dos gravadores de

áudio. V

¬ »

1 _W

O método FM é utilizado nos gravadores de instrumentação

nos quais o sinal de entrada é aplicado a um modulador. Depois. :a portadora .modulada _{em freqüência} é aplicada ao amplificador para produzir a corrente necessária no cabeçote do gravador. Utilizando

este modo é possível a gravação de baixa freqüência, até CC, possi bilitando a gravação dos sinais de ECG. _C ç

' '

Conclue-se que a escolha mais apropriada é de um grava» dor FM, em modo indireto para os sinais de ECG e som, podendo ser

2a_

3-1-2 * _{ë9PÊifiÊʧ9ɧÊe§É9tr§da}

_ O amplificador de entrada ê encarregado de_ condicionar os níveis de sinal de forma de obter a faixa apropriada ao sistema de conversão análogo-digital. A etapa amplificadora consiste 'num

amplificador, não inversor com ganho programável e um amplificador

-

.,

¿._

não inversor atuando como deslocador de nível. Para fixar as ca- racterísticas deste subsistema é.necessãrio conhecer as limitaçoes do conversor A/D.' `

'

__ p

,Considerando um conversor A/D 0816 com faixa de. entrada

unipolar e magnitude de O a 5 volts, o sistema de acondicionamento

de sinal deve possuir as características:

. - Valor máximo de saída 5 volts.

- _{Saída unipolar} »

- _{Valor mínimo de saída} O volts-

~ - Ganho ajustável a faixa do conversor.

O controle do ganho ê feito através do microcomputador

que define o ganho dependendo do nível de entrada acondicionandofa ã faixa do conversor A/D. Para isto se escolhe 3 ganhos possíveis

que pelas magnitudes esperadas permitem manter o sinal dentro _da faixa máxima possível, limitado pelo conversor A/D. Estes ganhos são l, 2 e 4 o que facilita o controle digital por ser potências

de 2.. '

Na figura 3.2 apresenta-se o esquema inicial.

29 ü . V Vw, fmvuf

mon

V .õumvofs ' u' ómm ~ « ^ ' smm ~ E_mMpA . Vr SM9›°\

FIGURA 3.2 - _{Diagrama de blocos do sistema de condiciona-}

'

mento de sinal na entrada. z

A impedância de entrada do sistema se considera como de

10 K9, que ê um valor apropriado para a maioria dos gravadores. Com

isto o sistema fica definido sô adicionando um nível de deslocamen-

to de metade da escala do conversor A/D para permitir a entrada de sinais bipolares simétricos máximos de i _2,5 volts _{de pico.~} '

V'

O sistema final ê o apresentado na figura 3.3 na qual as -

-

ê 4

chaves escolhidas são as CD 4016.

¬ ~'¬ '

.zzz

~ _z F, L F F

š

lflälõ

P

? 9 ' IOKa z'v V ú‹>1‹›.f‹-¡ - ~ - p ‹ em 4 a L W . ou'

_

i - soam. ` ~ » _ um \0Kn_ i [:::] 'WS' JL <sub>z`</sub> IIRI . _ 1 \

-,3O | . › V m ~ ¡ '

Um'dos problemas a considerar nesta configuraçaol e o funcionamento das chaves em modo bipolar. Estas chaves apresentam a desvantagem, no modo bipolar, de necessitar de sinais bipolares

para o controle liga-desliga. A soluçao foi adicionar um >circuíto MC 1488, que permite a conversão dos sinais TTL de controle prove- nientes do computador, nos sinais bipolares apropriados para co- mandar as chaves em modo bipolar. i

_

`

, '

l nO sistema utilizado ë apresentado na figura 3.4 no. qual são adicionados diodos zener para limitar as saidas a níveis apro~

priados. ` - , p - › .¬ P -H5V «í5V *

~*~~*~a

~ ~

Jg

$ml\_\. ' K n' 4' I J Tfi 1 - L¬_

-J

u. ¡ 'Õ ¡ n _./'L

Bag-

_{___]} . -Liv /9409016 F'Í`Í"`_ ` ' _._._J , .- 7,5v 1

FIGURA 3.4 - _{Transformação TTL para bipolar.}

3-'l-3 ~ _{Filitrç ÉéMé'§;11¿9é¿fi.<1"}

Como parte integrante do sistema de_ condicionamento de

sinal ê importante a _adição de um filtro "antiafiiaóing", antes de efetuar a conversão A/D, para limitar a faixa de freqüência de si» nal dentro dos limites definidos por suas características. Isto

V 31

ê, ECG em l00 Hz e som cardíaco em 400 Hz de freqüência .de corte

superior.

"

_{,KAnalisando os tipos de filtros existentes o filtro}

"Butteäwonih" dê o mais apropriado pelas características de respos ta com máxima planura na sua faixa passante. A partir disto* ¡ só

falta definir a ordem apropriada para os filtros com 100 e 400 Hz

de freqüência de corte. V

'l'

Em primeiro lugar, como já se definiu o ganho na etapa anterior escolhe-se uma configuração de filtro com ganho unitário, de forma a não modificar a amplitude dentro da-faixa passante._

' ~

Para a escolha da ordem deve~se ter em consideraçao _a resolução mínima do conversor A/D. Com o A/D 0816 tem-se 8-bits o que implica para uma faixa de 5 volts de entrada numa resolução

mínima de: . V , V ~ V Resoluçao:

-¬ÊÊ5-~=

._Ê._.= 20mV _ (3¿1) 2n` ₂₈ ' De

[101 tem-se que a ordem do filtro ê dada por: s

A . i Log” -L°o.'l

mm

' 1 l00'l _Amax - _{l_} na = ~ W - (3.2) _ 2 l

{fr}

A 0 _{_____} f_C.

zaz

Onde:

V Ç

_ n = Ordem do filtro J ,

z

'=VAmax = Atenuação na faixa passante. (Na freq.de corte fc. 2

V»

Amaxz

ads). 1

‹ ~ ~

,Amin = _{Atenuaçao na faixa rejeiçao.} (Obtido para freq. de ‹

rejeição fr = _{500 Hz).} _-

fr = Freqüência de rejeição máxima _-

'

fc = Freqüência de corte

Para uma rejeição tal que a tensão produzida a 500 Hz _se

ja inferior a um bit de resolução tem-se: _

Aminzz 256 = 48,16 aa

Assim a ordem mínima do filtro fica definida por:

À

. 100,1 x 48,16 _

1 104,816 ; 1

log _, log __________i._

_ A1d°'l X 3 O - ₁ 1o°'3 O - 1 V _n = _ _ = - - 'Ú _(3.3) - ~ 2 -16g (soo / 100) ~ 2 -1Qg (5) 1» n = 3,446 ; ordem adotada = 4

-___ L V ¬__ __'_I ‹-._

4

-p-i -4 ' Ê ~ Pnssoóem rz4~â¡c,¡‹› - az .w La. I _f `

^n‹u"“"*""°_'“'

(zsø) - -- - ~ - _ _ _: E

I

'I

I

‹ I I I I 1 . _| \ `

Iv

§4~o‹

-

-

~

-

---

-'

* (o1o¶ g - | ¡ Í

O

'ça .çv AT uoähda E (100) (500) (Hz) › 33 Lá .I 7,1 Ú-au.--nnr;~›-ao-I II-1 "."“ ^'-- ` ' ' E ” ` "

FIGURA 3.5 - Determinação da ordem do filtro-

'

_~A configuração de um filtro "Butienwoäih" pode ser defí nida a partir da seguinte Tabela 3.1, com a estrutura da Fig.3.6}

TABELA 3.1 - _{Determinação de parâmetros}

'

filtro ordem 4 ; ganho l

pra _ _,1 ziz ¬or.o elite ¬

Parâmetros Etapa l 3 'Etapa 2 _ _ V Í ` R1' ' 2,661 K 1,048 R2 9,521 K 4,048 V oo oo R3 R4 Cl 0,0lC 0,5C C EC C~ E 4 Y 1 do Onde o o _K = _{_l99__-} g:cow›

`

Logo, definindo o capacitor de realimentaçao, ~ ê possível

34

definir a freqüência de corte e os outros parâmetros do filtro.' Para os componentes ê recomendável a utilizaçao de ele- mentos de baixa tolerância para obter boa definição da freqüência da corte. No caso dos resistores menor de 5% e capacitores de bai- xa perda do tipo "Myíaä" ou poliestireno.

Para 0 sinal _{de som} cardíaco utilizando o mesmo procedi- mento, tem~se para _fr = 2 KHz (l/2 década superior) ,

n = 1,4636 ; ordem adotada n = 2

V De [10] tem-se para filtro "Buttenwoàth" de ordem 2, (estrutura da figura 3.7)

TABELA 3.2 - _{Filtro "Buzzzàwoàzh" ordem 2, ganho 1}

¡_

Parâmetros Etapa l "# .._ ' ¡- Rl R2 R3 R4 Cl C 1,422K 5,399K OO ø o,33c c ____ i_l_r___i__ _fz-u Onde K = __l0O ' §:íCÍnF) (3.4) x ~‹...

4

z

35

Nas figuras 3.6 e 3.7 se apresentam as estruturas fi

nais dos filtros com os parâmetros determinados pelas equações apresentadas nas Tabelas 3.l e 3.2 ~ com resistores* de 1% de tolerância.

r_,_. z ` ~ , nn ^ ° ~

u

A n \

-Ç

ECG ' ' _` 1, .

nz

V

1

1

_ nl

1¡_

C¿ H ` ÊTAP4 1. « V A _ V V i ET4P4 2 °4 _ ' C › \ , , J@¶

FIGURA 3.6 - Filtro:"Bu£Ienwoäth" de ordem 4 para ECG i _

'.4n

H ETAPA 1 ' ' ez-e

_-n

‹ C x .SOH

_

_

' R; ia

1

n n ct W .._ ._ _ .r _..-.... ._ . _ L ` ~ à

FIGURA 3.7 - _{Filtro "Buttemwonth" de ordem 2 para}

'

36

. '

Y

3- 1 - 4' - Ci;¢9i§9¿d¢_w9§§§§9;<;>11Ls@;rBêtêflšãer

i - Utilizando a configuração de figura 3.8 pode-se ampliar a faixa de freqüência do conversor que, como foi apresentada' ante- riormente sõ permite uma freqüência máxima de 6,21 Hz em _conver

são direta. - '». l f-°~ _f20Le “V/vrr EN f`:~ÁD4 ' _` _ _' _' . nc/«Ave K §MD^

I

G C ~ V r___ L.__.._ ..._

Al: Amplificador de entrada

_ A2: Amplificador de saída

FIGURA 3.8 - Circuito de Amostragem e retençao (S/H)

.~ 1

A. As condições que se devem respeitar em todo sistema de .

. H ^

... ‹-- ‹ -

amostragem e retençao sao: p

°

- _{Capacitor de baixa perda para evitar variação na amos-}

. 5 V

tra; '

V ~z -`

- _{Amplificador de entrada com corrente de saída} apropria-

da para carga râpida do capacitor na amostragem;

- _{Amplificador de saída com alta impedância de entrada}

~ ~

Y para evitar variaçao da amostra na retençao.

Por isto geralmente os amplificadores utilizados em siste

freqüên-cia 'de amostragem ê de l KHz, considerar~se-ã 500 used para amos

tragem e 500 pseg para retenção. .

Escolhendo um amplificador operacional CA 3140 com entra

da FET, os

I

.

~

parâmetros para definir o capacitor sao:'

Tempo entre amostras = l USGQ

Tensão de saída máxima = _Vo _ =

max Tensão de saí _d a mínima = Vo .` =

. min

Corrente de saida maxima = _Imax Resistência de chave (ON)mãx = R Capacidade _{da chave: CGC} = _{4 pF}

Resistência (OFF) mínima de chave

Resistência carga mínima: Rl = 29 › ` ‹ J.5 DS volts volts = _1omA =11<ši

Rds"

Resistência do capacitor(tipica): RC = 10

Resistência de entrada do amplificador:Ri¢= l,5xl0 Variação permitida da amostra Vs < 0,001 volts

De [9] tem-se

C

R

è

Logo o tempo mínimo de carga do capacitor fica:

> 3 0 A ( «R ° _{ln[V0max / (Vomax} -

_Vsü

= _{Ric // Rds // Ric} >-37,17 pf ; com T2 = 500 useg , . 1,5 X 10119 ' 129 3 '~‹«._

_ 38 1. 2-fa 1 - a Tcmín > 7 _RDS - C (3.6) V '

Com o tempo máximo ê de 500 useg definido por 1/2 da freqüência de amostragem 2 à . soo “seg z 7 ads . c ‹3.7› _ ¬6_ _ . C < 7,14 X 10

87

7 ‹z.8› 7 x l x 10 - › Á 714 × 1o*6 z c > 37,16 X

10'”

'‹3.9›' - « ¡ . circuito da figura 3.9 o que define um tempo de carga do« capaci-

tor igual a: ' = ` Ã Tcz _f.s.LÍÍ@;imêâ‹¿ - Vo ‹m1n›1 7 _(3,105 » Iomax' V ~

VCom Iomax = _l0mA

-õ TC :_

~

=. _Usieg Assim \‹ Tc < 500 ' useg

V“Na figura 3.9, apresenta-se o circuito final, onde são adicionadas duas redes. A composta de dois diodos de sinal tipo

IN9l4 em anti~paralelo limita a saturação do amplificador Al na retenção Ae 'a rede RC efetua a compensação em frequencia da malha formada

por Al e A2;

› Logo considerar-se~ä C= 0,22 x 10

P' 39 a tg mr dO .fimdd dg 4/4 mas A - |_"

__¬

d

o-›----

'_

V , ` 1 mms

E

mwsd ,ar

I

A/V - ‹ ' 1 Am: $A1`*u.2›\‹;^o '°K'°' /18¡oF` _ .V qmmmgwno ¬ L'/4 <-M4014. 1 qu A 1

FÍGURA 3.9 - Circuito de Amostragem e Retenção I

II

3-1-5 _{§99ys;§9§rênêlõ9i¢0 :_9i9;§êl}

O conversor escolhido foi o ADC ø8l6 em razão da adapta~ ção ao microcomputador usado. z -~

'

f Para o controle do conversor é utilizado o "óiot" 5 do

APPLE, utilizando a freqüência de l MHz como relógio do sistema

que possui uma configuração similar ã da fig. 3.10. ~ -

_ A freqüência de amostragem, fixada para utilização ótima da memória ê limitada elo sinal de som cardíaco, P ois . seu es- f

oectro de 400 Hz exige uma_fregüência de amostragem de 800 Hz. A escolha ,de l KHZ para freqüência de amostragem satisfaz tanto

›

4O

famostragem _> 2' fmâxima _{de sinal} (3.l2)

F' 7 ` ‹= !!!!!!!= * Bei! Po ._ _ ¿$ ÍÍI _ * n É .O1 Di 5:

N

.Pr bt D1 .

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l E”

›

4l¿'°naÂ.‹ 'I-3* J . 08/6 2% ' <r _ -Â:-_ flfl ânmq _ Çxfl-nu,m" 6 i .

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~FIGURA 3.10 - _{Conversor Analõgico} - _Digital.

3-1-6 ~ _{Eørëaêrë/S e T§mp9;;ëê§9;}

Para efetuar" a aquisição necessitar-se-ã de um tempori zador que sincronize o sistema, gerando a freqüência de amostra- gem, externamente ao computador., Em outras palavras, implementag do um relõgio em tempo real. Para isto utilizar-se-ã uma VIA

("Versatile Interface Adaptar") tipo 6522, a qual além do tempori

zador programável, possui duas portas E/S que possibilitam o con-

trole das chaves do amplificador programável e O sistema de amos-

' z

~

tragem-retençao.

Todo o controle e programação das portas e o temporizador ê feito por rotinas em "aóóembkg", existindo um programa em lin-

~ “

41 ›

quagem BASIC de tipo conversacional, para o usuãrio controlar o

processo de aquisicão. « › n

""

' Dado; ----_í--- p°':r° 4 _ _ t>°~¡>1 _ Pao-mw f (lnkp ¢z

---›

ܤ--- U1 A _ 2/ul

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,,._______,cAr.4 '<sa,Ešz

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_4,522.

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(`=›¡~^L S/H) Rbo -153.

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4--_---pcbl. ~` <sub>Z-:E2</sub> _ À › Yo:-14% ` _ p u

rmfl--;f-›

_;‹'llI.› . ¿í___.__í__.-. _; _ p W 7 ` FIGURA 3.11 f. VIA 6522 _ _,g f 3-1-7 ~ _{§9§§wê;ê §9lS;§§§mêr§ê_è99i§;§š9z} « .

O software de controle possui as seguintes operações: z .

- _{Determinaçao de ganho;} '

'

- _{Aquisição de dados;}

_

- _{Gráfico e criação de arquivos;} ~ _{Gravar arquivos em discos;}

- _{Transferência .e verificação de blocos;} ~ _{Impressão de gráfico de dados;} ~ `

~ '

- _{Geraçao de sinal de teste.}

`

DETERMINAÇAO DE GANHO; ¬

`*

. Rotina em linguagem "aóóembfiy" que efetua a aquisição durante um período de tempo definido, que permite determinar o _va

lor máximo e mínimo do sinal nesse segmento, e fixa _o ganho do amplificador de entrada (Apêndice B).

42

AQUISICAO DE DADOS. ,

V »

Efetua a aquisição de _{dados durante um período} de tempo definido.

GRÁFICO E CRIAÇÃO DE ARQUIvOs._ k

_

.~ Efetua o gráfico dos dados no video e permite a *escolha

de segmentos para a _criação de arquivos, além da introdução. de "fikagó", indicadores de início e fim do QRS, fim do bloco, etc.

GRAVAR EM DISCOS. .

__ ,

'

Operação normal do DOS sõ que se pode fixar a localiza-

çao do arquivo. -

TRANSFERENCIA E VERIFICAÇÃO DE BLOCOS DE DADOS. .

A '

fRotina "aóóembíy", que utiliza subrotinas do monitor do sistema para reordenar arquivos e _{adaptä-los em blocos para grava}

çao em EPROM. ' A

-

IMPRESSÃO DE GRÁFICOS DE DADOS. - O

Possibilita a obtenção de gráficos dos arquivos de da- dos na impressora. '

~

GERAÇÃO DE SINAIS DE TESTE. II

-- _{Rotina em aÀóembZy" que possibilita através da porta A,} da VIA, comandar um Conversor D/A para testar os arquivos proces- sados. -

z .= .

Todas as listagens dos programas e rotinas estão no _apên dice B.

Bšl-8 - _{P§9¶rêma§ã9;§a Yš§o§522_}

J.

43

O controle do sistema de condicionamento de sinal é fei-

~ › .

to através da VIA 6522. Ela permite a proaramaçao do ganho no am plificador de entrada, através da porta B-da VIA l'da _interface controladora de periféricos ligada no slot 7_ do microcomputador»

APPLE II+, além de qerar.a freqüência de amostragem; Esta inter- face possui duas VIA 6522 das guais sõ ê utilizada a VIA l. '

Da porta B os bits utilizados sao: _

bit 7 = PB7: saída da freqüência _de amostragem _{_de}

1 KHZ '

bit 2 = PB2: controle de ganho: G=A4 _(ø - deslig.)

bit l = PBl: " A " "

: G=

bit ø = Paøz " " "

z c=

a) Programação da porta B de saída

são Utilizando o slot 7 Porta B ' : C7¢7 Programação porta B: C7¢2 Partida Timer » z C7ø5 Timer LSB : C7¢6 Timer MSB _ :VC7ø7 Interrupções (CBl) : C7øD - _{Dados de programação da} . Y FF H H H H H H H porta B:

-«›

C7¢2 H

os endereços importantes da' VIA ₁

. 44 _ _ _ _ I

b) Programação do Timer para onda quadrada de 1 KHz com saída no

bit 7 da porta B: _ “ t ' ' ' F4 H

--+

C7ø6 H øl H

-~+

c7ø7 e c7ø5 H

c) Programação da Interrupção "CBl" na transição ø

-+

1.

ção de

_

A interrupçao "CBl" ë utilizada para obter a informa fim da amostragem. Na figura 3.12 dapresenta¬se o- _diagra

~

ma de tempo do sinal de controle de interrupçao "CBl" .

' A F* ¡ f _ ` Amo L A' Aquisição _ _ ' stragem A ' Retenção . ~ TimeI:PBT ' VCBl: ativado por 'A Conversã - ' ,.- _ , - _ ç transição positiva ' _ 'FIG terrupç ela ati SãO; S8 configu Dorta _A u_u _;r_í;- __ _.“_. l l ,_ _ U

URA 3.12 - _{Interrupção CBl da VIA 6522.-}

A rotina assembly de controle de aquisição Vtesta a in- ão "CBl", e na transição positiva do sinal dei. controle, va«a interface do conversor A/D para o início de~ç convezj

u byte de programação ê: _ `‹ - - 10 H

--+

C7¢C H \ - . ' 1

_Para geração a rotina correspondente utilizat Va mesma

ÀS

3-1¬9 - Qêêâââle QQ çânvêzsor êpçø§;§¬

~ ` 4

'VA

rotina "aóëembiy" para controle de aquisicao apresenta

da no apêndice B5, comanda a placa do conversor ligada ao slot 5

do microcomputador APPLE II+. '

.

"' _{Para sua ativação, a rotina deve acessar o endereço -C¢Dø} hexadecimal. Este endereço com o dado øø H, ativa o canal l.~ _{_do}

-1 `

~ ~ ~

' , '

ADC¢8l6 e inicia a conversao. Logo a programacao e:

`

øø H

--›

cønø H

3-2 - _{§iS§šmêr§ê;êd°r_§êi$i9êiS Çêrëšêcøs} V

Com o sistema de aquisição desenvolvido para '

a criação do arquivo. é possível agora estruturar um sistema qerador que

controla a simulação de sinais de ECG e Som cardíaco a partir do

arquivo armazenado. ' -

Basicamente o gerador deve possuir as seguintes caracte-

rísticasi '

~

~~ _{Sistema autônomo;} l '

V- _{Permitir variação da freqüência}

~ _{Apresentar uma comunicação simples com o usuãrio;}

\

~~Ser de um custo baixo.

Para cumprir estas condições o sistema desenvolve-se em torno de um microprocessador de 8 _bits 8085 A que possui um cus- to bastante baixo. '

~

«

q A conversão D/A ê de 8 bits otimizando rendimentov e custo, e a comunicação com o usuãrio se realiza através de chaves