1
RELATÓRIO PARCIAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA
CAMPUS PIRACICABA
DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO PARA
AQUISIÇÃO DE SINAIS ECG
ALUNO: Carlos Alberto Valério Junior ORIENTADOR: Diego Ferreira dos Santos
2
RESUMO
No Brasil, de acordo com dados do Ministério da Saúde em 2013, as maiores causas de óbito são em decorrência de doenças do aparelho circulatório. Destas mortes, 31,5% são de patologias relacionadas com doenças isquêmicas do coração. O principal exame feito para diagnosticar doenças cardiovasculares é o Eletrocardiograma (ECG), um exame não invasivo que registra graficamente a atividade elétrica do coração. O exame é realizado através de um equipamento denominado Eletrocardiógrafo e o sinal elétrico é captado com o uso de eletrodos metálicos posicionados no corpo do paciente. O presente trabalho propõe o estudo e projeto de um circuito elétrico capaz de fazer a captação dos sinais elétricos do coração.
3
ABSTRACT
In Brazil, according to Ministry of Health data in 2013, the major causes of death are due to cardiovascular diseases. Of these deaths, 31.5% are illness related to ischemic heart disease. The main exam used to diagnose cardiovascular diseases is the electrocardiogram (ECG), a noninvasive test that graphically records the electrical activity of the heart. The exam is performed by a device called ECG and the electrical signal is captured with the use of metal electrodes placed on the patient's body. This paper proposes the study and design of an electrical circuit capable of capturing the electrical heart signals.
4
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ... 8 REVISÃO DA LITERATURA ... 9 2.1 O Coração ... 9 2.2 Eletrocardiograma ... 10 2.2.1 Triângulo de Einthoven ...11 2.2.2 Tipos de Derivações ...12 2.3 Aquisição do Sinal ... 13 2.4 Outros Trabalhos ... 14 METODOLOGIA ... 16 3.1 Alimentação do Circuito ... 16 3.2 Aquisição do Sinal ... 17 CONCLUSÕES E SUGESTÕES ... 21 REFERÊNCIAS BILBIOGRÁFICAS ... 225
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Sentido de despolarização do coração ... 10
Figura 2.2 Curva característica do Eletrocardiograma ... 11
Figura 2.3 Triângulo de Einthoven e suas derivações ... 11
Figura 2.4 Derivações Periféricas AVR, AVL e AVF ... 12
Figura 2.5 Derivações Precordiais ... 13
Figura 2.6 Circuito exemplo da Aquisição do sinal ECG com drive da perna direita. ... 14
Figura 3.1 Arranjo da Fonte simétrica ... 16
Figura 3.2 Vista de topo do INA128... 17
Figura 3.3 Circuito com fonte simétrica (alimentação) e amplificador instrumental INA128 ... 18
Figura 3.4 Diagrama do Circuito ... 18
Figura 3.5 Posicionamento do eletrodo no braço ... 19
6
LISTA DE ABREVIATURAS
ECG: Eletrocardiograma SA: Sino-Atrial
AV: Atrioventricular
CMRR: Common Mode Rejection Ratio (Taxa de Rejeição em Modo Comum) ECG: Eletrocardiograma
INA128: Amplificador Instrumental INA128 OPA2131: Amplificador Operacional OPA2131
7
LISTA DE SÍMBOLOS
8
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
O eletrocardiograma (ECG) é o principal método utilizado na detecção de doenças cardiovasculares por se tratar de um método não invasivo, de fácil execução e da alta qualidade do resultado (SIMAS ET. al., 2009; ROSSOW, 2007; LIMA, 2011).
O ECG é capaz de detectar inúmeras disfunções cardíacas como, por exemplo, doenças das artérias coronárias, hipertensão arterial, cardiomiopatias, doenças metabólicas, alterações eletrolíticas e efeitos tóxicos ou terapêuticos de drogas e próteses (ROSSOW, 2007; LIMA, 2011).
Com o avanço da tecnologia no decorrer do tempo tornou-se possível realizar o monitoramento de maneira mais fácil devido à redução do tamanho do equipamento. Hoje em dia já é possível realizar este procedimento a partir de um computador pessoal ou até de dispositivos móveis (ROSSOW, 2007; LIMA, 2011).
As doenças coronarianas são uma das maiores causas de mortes no mundo. Porém dados sobre a taxa de mortalidade são escassos e pouco confiáveis. Segundo um estudo promovido pelo British Heart Foundation, 40% das mortes de pacientes ocorriam um ano após o diagnóstico de insuficiência cardíaca (SBIB, 2011).
No Brasil a situação da saúde pública é precária, de acordo com dados do Ministério da Saúde doenças do aparelho circulatório representaram a maior causa de mortes em 2013 onde as doenças isquêmicas do coração correspondem a 31,5% desse total. Portanto é interessante criar métodos e artefatos que possibilitem identificação e monitoração de problemas cardíacos o quanto antes (DATASUS, 2013; SIMAS ET. al., 2009; ROSSOW, 2007; LIMA, 2011).
O presente trabalho visa criar um circuito elétrico para captação do sinal ECG utilizando materiais de baixo custo.
9
CAPÍTULO 2
REVISÃO DA LITERATURA
2.1 O Coração
Órgão responsável pela circulação do sangue com o intuito oxigenar e nutrir o organismo. Função esta possibilitada pelos batimentos cardíacos que bombeiam o sangue através de todo o corpo (SIMAS et. al., 2009; ANDRADE et. al., 2005).
Os batimentos são possíveis devido ao tecido especializado do coração que pode ser polarizado e dessa forma gerar diferenças de potenciais (ddp). Estes potenciais são convertidos em contração/relaxamento do tecido cardíaco fazendo com que o sangue seja enviado para as artérias (ROSSOW, 2007).
O ciclo cardíaco inicia-se com o coração em repouso e com o interior de suas células polarizadas negativamente. A partir desse ponto, o nódulo sino-atrial (SA), localizado no átrio direito, desencadeia uma despolarização invertendo a carga no interior das células cardíacas próximas. A propagação deste efeito acaba por estimular ambos os átrios fazendo com que se contraiam. Esta fase recebe o nome de sístole atrial (ROSSOW, 2007; LIMA 2011).
A onda de despolarização continua pelo feixe atrioventricular, que se inicia no nódulo atrioventricular (AV) – localizado entre os átrios. Este, por sua vez, possui velocidade de transmissão reduzida permitindo que o sangue bombeado pelos átrios chegue até os ventrículos antes dos mesmos se contraírem. O estímulo continua a se propagar pelo miocárdio até que os ventrículos se contraiam determinando a fase de sístole ventricular (ANDRADE et. al., 2005).
10 Figura 2.1 Sentido de despolarização do coração (LIMA, 2011)
Após cada fase de sístole ocorre uma diástole, ou seja, o relaxamento das câmaras cardíacas que se contraíram previamente causada pela repolarização das mesmas após algum tempo. No caso dos ventrículos é a fase da pausa entre batimentos (LIMA, 2011).
2.2 Eletrocardiograma (ECG)
O eletrocardiograma é um exame limitado, porém não invasivo, com o objetivo de gerar uma representação do registro das diferenças de potenciais provenientes do coração durante o ciclo cardíaco que variam geralmente entre 0,5 a 4 mV com frequências de 0,01 a 250 Hz. Este registro é captado através de eletrodos posicionados na superfície do corpo que captam sinais instantâneos (MARTINS, 2005).
Estes sinais captados, geram a curva do ECG demonstrada na Figura 2.2, composta por 5 curvas características P, Q, R, S e T. A onda P representa a despolarização atrial.As ondas Q, R e S compõem o complexo QRS que representa a despolarização ventricular. Neste mesmo instante ocorre a repolarização atrial que não é mostrada no ECG devido a baixa frequência e, por fim, a onda T identifica a repolarização ventricular (ROSSOW, 2007).
11 Figura 2.2 Curva característica do Eletrocardiograma (LIMA, 2011)
2.2.1 Triângulo de Einthoven
O padrão usado até hoje do eletrocardiograma foi criado por Einthoven em 1903. Seu método considerava a interferência da respiração e do movimento do corpo no sinal do ECG. Conhecido como Triângulo de Einthoven, este método posiciona os eletrodos nos vértices de um triângulo cujo centro é o coração e seus vértices o braço direito, braço esquerdo e perna esquerda (FONSECA & TOSCANO; ROSSOW, 2007).
12 Na Figura 2.3 é possível ver o desenho deste triângulo, bem como as derivações, ou posicionamento dos eletrodos no corpo. Esta técnica é usada, pois o sinal do coração é uma grandeza vetorial de modo que é necessário adotar um referencial para se medir o sinal adequadamente (PAULO & MOREIRA, 2002).
Seguindo esta lógica em DII o eletrodo negativo encontra-se novamente no braço direito, mas com o positivo na perna esquerda e em DIII o eletrodo negativo se encontra no braço esquerdo e o positivo novamente na perna esquerda (LIMA, 2011).
2.2.2 Tipos de Derivações
Existe um total de 12 derivações: 6 precordiais e 6 periféricas. As periféricas são compostas pelas derivações de Einthoven e as outras 3 derivações são a AVR, AVL e AVF, criadas por Goldberger (1942) (FONSECA & TOSCANO, 2007).
A AVR usa um eletrodo positivo no braço direito e eletrodos negativos comuns (fio terra) nos outros membros do corpo, na AVL por o eletrodo positivo é colocado no braço esquerdo e por fim na perna esquerda na derivação AVF, como pode ser visto na Figura 2.4 (LIMA, 2011).
Figura 2.4 Derivações Periféricas AVR, AVL e AVF (LIMA, 2011)
Em DI, o terminal positivo está no braço esquerdo e o negativo está no braço direito. Assim, quando o terminal do braço esquerdo é positivo em relação ao terminal do braço direito, o eletrocardiograma registrará uma deflexão positiva e, do contrário, quando o terminal do braço direito é positivo em relação ao terminal do braço esquerdo, o eletrocardiograma registrará uma deflexão negativa (MARTINS, 2005).
13 As derivações precordiais presentes na Figura 2.5 medem a tensão em 6 pontos V1, V2, V3, V4, V5 e V6 e são obtidas através da ligação do eletrodo positivo em um dos 6 pontos do tórax, e um eletrodo negativo no terminal central de Wilson – técnica que gera um terminal que possui a média das correntes pelos terminais do triângulo de Einthoven (ROSSOW, 2007; PAULO & MOREIRA, 2002).
Figura 2.5 Derivações Precordiais (LIMA, 2011)
2.3 Aquisição do Sinal
O sinal elétrico é captado através de eletrodos metálicos posicionados de acordo com alguma ou várias das derivações já citadas. Porém sua ddp é muito baixa, não passando de 10 mV devendo, portanto, ser amplificado para possibilitar uma visualização. Contudo esse processo não amplifica somente o sinal do ECG, mas qualquer outro sinal gerado por qualquer outra fonte, chamado de ruído, pois é algo indesejado no resultado do processo (LIMA NETO et. al., 2012; MARTINS, 2005).
A Figura 2.6 apresenta um circuito exemplo da Texas Instruments presente no Datasheet do amplificador instrumental INA128 para aquisição do sinal cardíaco.
14 Figura 2.6 Circuito exemplo da Aquisição do sinal ECG com drive da perna direita
(INSTRUMENTS, 2005).
No circuito é possível observar que o sinal é amplificado e filtrado pelo INA128 e o conjunto dos dois amplificadores operacionais (OPA1231) formam o drive da perna direita que tem por objetivo eliminar o ruído de modo comum (Common Mode Rejection Ratio -
CMRR) que consiste em anular interferências causadas pela movimentação do paciente, como
os simples atos de se mexer um braço ou respirar. Há também a necessidade de se filtrar o ruído gerado por artefatos eletrônicos que operam na frequência de 60Hz (LIMA NETO, 2012).
.
2.4 Outros Trabalhos
Vinicius Ruiz Martins em um projeto de graduação em 2005, desenvolveu uma placa para captação de sinais biológicos diversos, sendo eles o eletrocardiograma (ECG), o eletromiograma (EMG), o eletrooculograma (EOG) e por fim o eletroencefalograma (EEG). Estes sinais são captados, tratados e então disponibilizados como dados digitais com o intuito de controlar dispositivos e/ou sistemas diversos (MARTINS, 2005).
Em 2011 também em um trabalho de graduação, Guilherme Lazzarotto de Lima realizou uma análise comparativa dos métodos de classificação de ECG destinados a identificar arritmias quanto à acurácia e sensibilidade. Após a implementação foram selecionados os métodos de Yu e Chen, Minhas e Arif e Chen e Yu. Estes foram então comparados a um quarto método, o de Varella e Lima que provou ser o melhor método após implementação e testes identificando 6 tipos de arritmias diferentes sem perda de qualidade de leitura do sinal (LIMA, 2011).
15 Ainda em 2011 Liang Kai et. al. criaram um sistema de monitoração ECG portátil com uma placa de circuito de fabricação própria, um filtro passa faixa, microcontrolador e um módulo Bluetooth, com o diferencial de um eletrodo que não tem a necessidade do uso de gel para uma leitura precisa do sinal. E desenvolveram um software para um windowsphone através do visual studio 2008 na linguagem C# (KAI et. al., 2011).
Sung-Yuan Ko et. al., em 2012 usaram um modulo ECG, um transmissor Bluetooth e um smartphone com sistema operacional Android para possibilitar a monitoração do sinal cardíaco em tempo real e a qualquer momento pelo próprio paciente bem como seu armazenamento em cartão SD ou na nuvem. Este projeto deseja garantir que um sintoma que por ventura venha a se manifestar no paciente e encerrar antes da chegada ao hospital seja registrado ou também para possibilitar a monitoração de um paciente que esteja usando algum tipo de medicamento que afete o coração de modo a permitir que o médico possa avaliar a efetividade do tratamento escolhido (KO et. al., 2012).
16
CAPÍTULO 3
METODOLOGIA
3.1 Alimentação do Circuito
Para a alimentação do circuito foi escolhida a fonte simétrica usando duas baterias de 9V e dois reguladores de tensão 7805 limitando a mesma em 5V. O arranjo pode ser visualizado na Figura 3.1.
Figura 3.1 Arranjo da Fonte simétrica
As baterias foram conectadas aos reguladores de tensão para limitar a tensão em 5V cada. Estes reguladores foram conectados em série e a conexão entre eles foi escolhido como o referencial do circuito (Terra – Ground – GND), para que o circuito por diferença de potenciais tenha alimentação de +5V e -5V que são usadas pelos amplificadores.
17
3.2 Aquisição do Sinal
A aquisição do sinal se da através de eletrodos da marca MEDITRACE conectados aos pinos 2 e 3 (utilizando fios sem blindagem) do amplificador de instrumentação INA128. Foi escolhido este amplificador devido a sua baixa tensão de offset, alta rejeição de ruído de modo comum (CMRR), baixo nível de ruído, ganho ajustável, baixo valor de corrente quiescente e boa velocidade de varrimento (slew-rate).
O INA128 é ideal para aplicações usando baterias devido à baixa corrente de quiescente e boa slew-rate adquirindo dados rapidamente (MARTINS, 2005).
Na Figura 3.2 é possível visualizar a pinagem do amplificador.
Figura 3.2 Vista de topo do INA128
Nos pinos 2 e 3 conectam-se os cabos para os eletrodos. Os pinos 4 e 7 recebem, respectivamente, -5V e +5V para alimentar o amplificador. O pino 5 conecta-se ao referencial. O pino 6 é o sinal de saída e nos pinos 1 e 8 conecta-se o RG (resistor usado para variar o ganho do INA128). A Equação 01 é utilizada para calcular o ganho do amplificador de acordo com o valor escolhido para o resistor (RG):
𝐺 = 1 + 50𝑘Ω 𝑅𝐺
Equação 01
Neste projeto foi escolhido um resistor de 10kΩ para ter um ganho 6x no amplificador, com o intuito de obter o melhor sinal possível e depois amplificá-lo, pois ruídos também são amplificados se não forem filtrados.
18 Figura 3.3 Circuito com fonte simétrica (alimentação) e amplificador instrumental INA128
Figura 3.4 Diagrama do Circuito
Com o circuito montado conforme a Figuras 3.4, testou-se a capacidade do mesmo de efetivamente captar o sinal, porém inicialmente não havia leitura alguma devido ao posicionamento dos eletrodos. A Figura 3.5 apresenta este problema e sua devida solução.
19
Figura 3.5 Posicionamento do eletrodo no braço
Com o problema do eletrodo resolvido foi possível adquirir o sinal puro do ECG, ou seja, sem nenhum tipo de filtragem. A Figura 3.6 apresenta a tela do osciloscópio digital modelo MO2061 mostrando o sinal do ECG amplificado em 6x.
Figura 3.6 Sinal de saída do ECG após passar pelo INA128
Porém captar o sinal não basta, é necessário filtrá-lo, pois a Figura 3.6 mostra apenas um instante do comportamento do mesmo. Em tempo real se observar muita interferência na leitura.
20 Assim sendo iniciaram-se os testes com diversos filtros ativos e passivos: passa alta de 0,5Hz e passa baixa de 50Hz. Os filtros apresentaram problemas no sinal (o sinal ficou distorcido) e estão sendo realizados novos testes na tentativa de identificar o problema e escolher a melhor configuração para os filtros.
21
CAPÍTULO 4
CONCLUSÕES E SUGESTÕES
Até o presente momento os filtros ativos testados se mostraram ineficientes e terão que ser feitos novos testes com outros amplificadores operacionais que possuam menor ruído e maior largura de banda. O sinal de ECG captado diretamente pelo amplificador de instrumentação, embora com muito ruído, já foi o suficiente para caracterizá-lo.
22
REFERÊNCIAS BILBIOGRÁFICAS
ANDRADE, Eduardo Sarmento de. et. al.. Eletrocardiógrafo. Instituto de Estudos Superiores do Amazonas, Pará, Belém, Novembro de 2005.
DATASUS. Datasus: Mortalidade Brasil (2013). Disponível em: http://www.datasus.gov.br. Acessado em: 29 de maio de 2015.
FONSECA, Jorge. TOSCANO, Mario. Eletrocardiograma. MED RESUMOS. Disponível em: http://pt.slideshare.net/DiogoTinumdaSilva/eletrocardiograma-completo. Acessado em: 12 de maio de 2015.
INSTRUMENTS, T. Datasheet: Precision, Low Power Instrumentation Amplifiers: INA128, INA129. 1995.
KAI, Liang et al. A system of portable ECG monitoring based on Bluetooth mobile phone. IT in Medicine and Education (ITME), 2011 International Symposium on. IEEE, 2011. p. 309-312.
KO, Sung-Yuan et al. A portable ECG recorder. Consumer Electronics, Communications and Networks (CECNet), 2012 2nd International Conference on. IEEE, 2012. p. 3063-3067. LIMA, Guilherme Lazzarotto de. Classificação Automática de Batidas de Eletrocardiograma. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Julho de 2011. Disponível em: http://www.inf.ufrgs.br/~gllima/doku.php?id=trabalho:tcc. Acessado em 9 de abril de 2015.
LIMA NETO, Luis Alves de. ET. AL.. Protótipo de eletrocardiograma portátil com uma derivação e comunicação com celular via bluetooth. Universidade Federal do Ceará, 11 de junho de 2012.
MARTINS, Vinicius Ruiz.Desenvolvimento de uma Placa de Captura de Sinais Biológicos com Interface com Computador. Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, Setembro de 2005.
PAULO, Castro Chaves. MOREIRA, Adelino Leite. Electrocardiografia. Faculdade de Medicina da Universidade do Porto, Setembro de 2002.
ROSSOW, Alex Brandão. Um Sistema para Aquisição de Eletrocardiograma. Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, Outubro de 2007.
SBIB, Sociedade Beneficente Israelita Brasileira. Insuficiência Cardíaca: muitas causas, muitas soluções. Hospital Israelita Albert Einstein, 18 de março de 2011. Disponível em: http://www.einstein.br/einstein-saude/pagina-einstein/Paginas/insuficiencia-cardiaca-muitas-causas-muitas-solucoes.aspx. Acessado em: 22 de maio de 2015.
SIMAS, João Hamilton Cecato et. al. ECG: Eletrocardiógrafo. Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, Novembro de 2009.
