Correa BF, Pacheco PG, Castro R - Estudo de compatibilidade eletromagnética e análise de interferência de aparelhos celulares em sensores témico-clínicos

T

RABALHO

F

INAL DE

G

RADUAÇÃO

N

OVEMBRO

/2011

U

NIVERSIDADE

F

EDERAL DE

I

TAJUBÁ

E

NGENHARIA ELÉTRICA

-

ÊNFASE ELETRÔNICA

ESTUDO DE COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA E ANÁLISE DE

INTERFE-RÊNCIA DE APARELHOS CELULARES EM SENSORES TÉRMICO-CLÍNICOS

Felipe Braga Corrêa Phillipe Góz Pacheco

Orientador: Prof. Roberto Castro Jr.

Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação (IESTI)

Resumo – Este artigo apresenta um estudo de compatibilidade eletromagnética e a análise do circuito de um sensor de temperatura da área bio-médica quando submetido às ondas eletromagnéti-cas. O objetivo foi estudar as alterações funcionais do conjunto circuito-sensor, resultantes da opera-ção em presença de campos eletromagnéticos gera-dos por telefones celulares.

Palavras-Chave: compatibilidade eletromagnética, interferência eletromagnética, telefonia celular.

I

–

I

Os equipamentos eletro-eletrônicos são passíveis de sofrerem interferências eletromagnéticas de outros equipamentos ou do próprio ambiente onde se encon-tram, como também podem gerar campos eletromag-néticos capazes de interferir no funcionamento de outros equipamentos.

O ambiente hospitalar é repleto em quantidade e di-versidade de equipamentos eletro-eletrônicos tais como: equipamentos de apoio às atividades médicas, equipamentos ligados à infra-estrutura como rádios e redes de comunicação sem fio, equipamentos portáteis levados ao ambiente hospitalar por profissionais, visi-tantes e pacientes, como é o caso dos telefones celula-res. Desta maneira, é extremamente importante que exista uma preocupação com o funcionamento seguro e satisfatório dos equipamentos eletromédicos, em especial, quando estes estão monitorando ou dando suporte à vida de pacientes em unidades de tratamento intensivo ou centros cirúrgicos.

O número de telefones celulares é cada vez maior e estes já fazem parte da vida e cotidiano da maioria das pessoas, especialmente nos grandes centros urbanos. Este fato torna evidente a necessidade de se estudar as ondas emitidas por telefones celulares, e como elas podem comprometer o funcionamento dos aparelhos

eletromédicos em funcionamento no ambiente hospita-lar.

O objetivo desse artigo é realizar um estudo cujo es-copo é a compatibilidade eletromagnética, abordando algumas definições e normas relacionadas. Em segui-da, é abordado o desenvolvimento de um circuito usado no condicionamento do sinal de um sensor térmico clínico, o NTC YSI 400.

II–

I

E

II.1 – A origem

Desde a antiguidade, o homem grego já tinha conhe-cimento de que “certas” pedras encontradas na nature-za, hoje conhecidas como magnetitas, eram capazes de atrair ferro. Em 1820, Hans Christian Oersted desco-briu que uma corrente elétrica percorrendo um fio ocasionava a deflexão de uma agulha imantada de uma bússola. Essa combinação de fenômenos elétricos e magnéticos foi posteriormente estudada por diversos pesquisadores. Um dos mais importantes foi Michael Faraday. Por meio de experimentos, ele enunciou que a tensão induzida é proporcional à derivada temporal do fluxo magnético:

(1)

Onde:

= fluxo magnético [Weber], E = tensão induzida [Volts].

A lei de Lenz-Faraday quantifica a indução eletro-magnética que é o efeito da produção de corrente elétrica (cargas em movimento) em um circuito sob o efeito de um campo magnético variável [1].

A Figura 1 ilustra a forma de onda de um campo ele-tromagnético:

Figura 1 – O campo eletromagnético.

II.2 – Definições

Para melhor entendimento desse artigo, é necessária a abordagem de algumas definições. De acordo com Antônio Marcos de Souza [2]:

Ambiente eletromagnético é o conjunto de fenômenos

eletromagnéticos existentes em uma localização qual-quer. O termo localização pode ser interpretado como uma região analisada, podendo ser considerada como um conjunto de edificações, ou uma simples sala.

Perturbação eletromagnética é qualquer fenômeno

eletromagnético que pode causar a degradação do funcionamento de um aparelho, equipamento ou sis-tema.

Interferência eletromagnética (IEM) é a degradação

do desempenho de um equipamento, canal de trans-missão ou sistema, causado por uma perturbação ele-tromagnética.

E por fim, compatibilidade eletromagnética (CEM) é a habilidade de um equipamento ou sistema de fun-cionar satisfatoriamente em um ambiente sem introdu-zir perturbações eletromagnéticas intoleráveis a outros equipamentos ou sistemas neste mesmo ambiente. As definições apresentadas neste item foram retiradas do capitulo 161 da norma IEC 50 que trata do vocabu-lário eletrotécnico internacional, publicada pela Inter-national Eletrotechnical Commission (IEC) [3]. Essas mesmas definições aparecem na norma IEC 1000-4-1 [4] que aborda uma visão geral dos testes de imunidade eletromagnética e norma ABNT/NBR IEC 60601-1-2 [5].

II.3 – Normas de CEM

Em alguns casos, as IEMs podem degradar o desem-penho de equipamentos eletromédicos, ocasionando a emissão de laudos errôneos e em alguns casos extre-mos, colocando em risco a vida de pacientes.

Uma das formas mais eficazes de se evitar tais fenô-menos é construir e projetar equipamentos com carac-terísticas que os tornem compatíveis uns com os ou-tros, em condições pré-estabelecidas. Para isso, é necessário definir regras de projeto e protocolos de funcionamento, descritos na forma de normas de CEM [6]. Essas normas caracterizam os ambientes eletro-magnéticos, fazem uma descrição e padronização de

métodos de ensaio, além de classificarem produtos em classes e famílias.

Três dos principais comitês normativos que trabalham na formulação e revisão dessas normas são: “Interna-tional Eletrotechnical Commission/Comité Internatio-nal Spécial dês Perturbations Radioéletriques” (I-EC/CISPR), o “American National Standards Institu-te” (ANSI) e o “Institue of Electrical and Electronics Engineers” (IEEE).

No Brasil, de acordo com a Agência Nacional de Vigi-lância Sanitária do Ministério da Saúde (ANVISA), os equipamentos eletromédicos comercializados no país devem estar de acordo com as prescrições da ABNT/NBR-IEC 60601-1 (norma geral: Prescrições Gerais para Segurança Elétrica de Equipamentos Ele-tromédicos – São Paulo, 2010). Esta, porém, não en-globa os ensaios de CEM, tornando necessária a ado-ção da ABNT/NBR-IEC 60601-1-2 (norma colateral: Compatibilidade Eletromagnética Prescrições e Ensai-os em EquipamentEnsai-os EletromédicEnsai-os, São Paulo, 2010). Por fim, as normas de CEM asseguram que equipa-mentos eletromédicos sejam construídos de modo que:

 A perturbação eletromagnética gerada por ele não exceda os limites estabelecidos para o seu ambien-te de uso, permitindo que equipamentos de radio, telecomunicações e qualquer outro dispositivo o-perem adequadamente;

 Ter um nível de imunidade adequado, possibilitan-do sua operação, como mostra a Figura 2:

Figura 2 – Níveis de CEM

II.4 – Incompatibilidade de Equipamentos

Segundo Suzy Cristina B. Cabral [7], pesquisadora do Departamento de Engenharia Biomédica da Universi-dade de Campinas (UNICAMP), uma situação muito comum nos hospitais brasileiros é a dificuldade em se alcançar uma compatibilidade entre tecnologias. Essa incompatibilidade refere-se à coexistência num mes-mo ambiente, de equipamentos em conformidade com as normas de CEM e equipamentos mais antigos, que não passaram por qualquer tipo de controle de emissão e imunidade eletromagnética.

Ainda segundo a pesquisadora, nessas condições de incompatibilidade de tecnologia, o estabelecimento de uma política de gerenciamento aparece como um dos

recursos mais responsáveis e realistas relacionados as IEMs. Enquanto essa falta de compatibilidade oferecer riscos aos pacientes, é essencial que as instituições de saúde estabeleçam programas visando orientar os usuários dos telefones sobre o seu risco potencial de degradação de desempenho dos equipamentos eletro-médicos.

III

–

O

S

III.1 – Termistores

Esses dispositivos são semicondutores feitos com material cerâmico (titanato de bário, óxidos de man-ganês, níquel e cobalto, por exemplo) e são na prática, resistores térmicos com alto coeficiente de temperatu-ra. Tais componentes são classificados de acordo com o seu comportamento em função da variação de tem-peratura e podem ser dos tipos:

 Termistores com coeficiente de temperatura nega-tivo (NTC): Sua resistência elétrica diminui à me-dida que a temperatura aumenta.

 Termistores com coeficiente de temperatura posi-tivo (PTC): Sua resistência elétrica aumenta à me-dida que a temperatura aumenta.

A Figura 3 mostra o comportamento da resistência elétrica dos termistores em função da variação de temperatura:

Figura 3 – Curvas genéricas dos termistores tipo PTC e NTC

Os termistores geralmente apresentam curvas não lineares para faixas amplas de temperaturas. No entan-to, quando se trata de um intervalo relativamente pe-queno de variação, como é o caso da temperatura do corpo humano, ou da temperatura ambiente, a resposta linear do sensor aumenta consideravelmente. Deve-se frisar que alguns cuidados devem ser tomados para que a temperatura não fuja para zonas de calibração desconhecidas ou significativamente não lineares. A temperatura e a resistência elétrica do termistor são relacionadas de acordo com a equação (1):

(2)

Onde:

R = resistência do termistor, em [Ω],

R0 = resistência de referência do termistor, em [Ω],

T = temperatura do termistor em [K],

T0 = temperatura de referência do termistor, em [K],

β = constante física do termistor, em [K].

Os termistores são amplamente utilizados na área eletromédica, pois apresentam boa sensibilidade a mudanças de temperatura (-3 a -5%/°C), excelente estabilidade em longo prazo (±0,2% do valor da resis-tência nominal por ano) e por serem dispositivos com dimensões inferiores a outros dispositivos de medição de temperatura. A resistividade desses dispositivos para tais aplicações costuma ser de 0.1 a 100 [Ω.m] [8].

Estão disponíveis no mercado soluções encapsuladas e integradas que trabalham com esse princípio transdu-tor e já dispõe de uma resposta em tensão linearizada em relação à temperatura. A sensibilidade típica é de 10 [mV/°C].

III.1 – O termistor tipo NTC YSI 400

Os termistores tipo NTC YSI 400 da Yellow Springs

Instruments (YSI) Precision™ Thermistors and Pro-bes são dispositivos intercambiáveis que oferecem

medições de temperatura com alta precisão e estabili-dade.

A tabela 1 mostra as características do sensor:

Tabela 1 – Especificações do sensor série YSI 400 Faixa de Operação 0 a 60°C

Exatidão ±0.1°C de 25 a 45°C

Tipo do Termistor 2252 ohm B-curve thermistors Plugue Plugue de telefone padrão ¼”

Para todas as etapas posteriores é importante saber que, o projeto foi desenvolvido para temperaturas entre 30°C e 45°C. Com tal faixa, o comportamento do sensor é o mostrado na Figura 4:

Figura 4 – Curva temperatura x resistência do YSI 400 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 30 32 34 36 38 40 42 44 R e si st ê nc ia ( Ω ) Temperatura (°C) YSI 400

IV

–

O

Um circuito analógico/digital foi desenvolvido para condicionar e converter o sinal analógico proveniente do sensor. O circuito se comunica com um computa-dor através de um cabo serial RS-232. Um software foi desenvolvido em DELPHI para mostrar em tempo real a temperatura medida pelo termistor. A Figura 5 mostra o diagrama em blocos do projeto:

Figura 5 – Diagrama em blocos do projeto

IV.1 – Circuito Analógico

O tratamento do sinal proveniente de um sensor de temperatura requer uma configuração eletrônica mais simples, se comparado a outros sistemas.

Para a implementação e funcionamento adequado do sistema de medição de temperatura, é cabível a divisão do circuito analógico em três etapas.

A primeira parte pode ser considerada como o circuito de controle do sensor de temperatura. Essa etapa é muito importante já que o sensor utilizado deve operar com correntes muito baixas (na ordem de alguns mi-cro ampère), e isso é conseguido numa configuração que se pode comparar a uma fonte de corrente. De acordo com a Figura 6, um circuito de controle monitora a tensão no ponto “A” do circuito, que é a mesma no ponto “C”. Esse nível de tensão, em regime permanente de operação, é o mesmo do ponto “B” do circuito já que, amplificadores operacionais em reali-mentação negativa têm a característica de fazer com que o potencial em sua entrada não inversora seja igual ao de sua entrada inversora. Com esses valores de tensão conhecidos, é possível regular a corrente de operação do sensor. Uma vez regulada, o circuito opera em sua condição normal. Caso ocorram varia-ções na temperatura, a resistência elétrica do sensor se altera, o que acarretaria numa variação de corrente por seus terminais e geraria uma mudança nos potenciais do ponto “A”, “C” e “E”. Essa mudança faz com que o FET (transistor de efeito de campo) J175 abra ou feche seu canal, drenando ou não mais corrente do ponto “D”. Esse processo garante um funcionamento do sensor com corrente constante.

Outro ponto importante é garantir uma corrente de curto baixíssima sobre o sensor, preferencialmente abaixo de sua corrente máxima de operação, uma vez que esse sensor é de aplicação biomédica.

Figura 6 – Circuito de controle de corrente do sensor de temperatura

A segunda etapa pode ser vista na Figura 7, o circuito de condicionamento do sinal. Essa etapa monitora a diferença de potencial entre os pontos “A” e “D” do circuito de controle. Esse sinal de tensão é encami-nhado a um amplificador de instrumentação o qual proporciona um alto ganho, alta impedância de entra-da e boa estabilientra-dade em sua saíentra-da. Esse sinal é tratado para atender uma faixa pré-estabelecida, que é deter-minada pelas características do microcontrolador. A diferença de potencial sobre o sensor é de alguns milivolts, aproximadamente 15mV. Utilizou-se o microcontrolador configurado para receber uma faixa de tensão de 1,3V a 3,9V. Esse é o motivo pelo qual o circuito de condicionamento do sinal é importante.

Figura 7 – Circuito de condicionamento do sinal (Configuração Amp. Instrumentação) A terceira etapa, mostrada na Figura 8, é um filtro passa-baixas. Foi utilizado um filtro com aproximação de Bessel e topologia Sallen-Key. Os filtros Bessel não são os mais rápidos e nem a queda na zona de transição é a melhor existente. Contudo, possui uma banda passante plana e a banda de rejeição não possui ondulações. Vale lembrar que, como a variação de temperatura do corpo humano é lenta, esse filtro é um que atende os requisitos do ensaio, tanto na qualidade de seu sinal quanto na velocidade de resposta.

Figura 8 – Circuito do filtro passa-baixas

IV.2 – Circuito Digital

O circuito digital é responsável pela conversão A/D do sinal e pela transmissão deste sinal através de um cabo RS-232 para o computador.

O microcontrolador utilizado foi o PSoC (Program-mable System on Chip) CY8C27443 da Cypress. Este dispositivo digital, além de todos os componentes padrões de qualquer outro microcontrolador de 8 bits, traz um conceito de blocos digitais e analógicos inter-nos que permitem a implementação de vários tipos de periféricos. A Figura 9 mostra a estrutura geral em blocos do dispositivo:

Figura 9 – Estrutura geral em blocos do PSoC Os blocos digitais consistem em blocos programáveis que podem ser configurados de maneira a permitir opções diferentes no desenvolvimento do projeto. Já os blocos analógicos são usados para o desenvolvi-mento de eledesenvolvi-mentos tais como filtros analógicos, am-plificadores, assim como conversores A/D e D/A. A diferença básica entre as diferentes famílias PSoC é o número de blocos analógicos e digitais disponíveis internamente e o número de pinos de entrada/saída. A família CY8C27XX3 traz 8 blocos digitais e 12 blocos analógicos.

Outro componente utilizado na parte digital do circui-to é o circuicircui-to integrado MAX-232, um conversor de sinais RS232/TTL utilizado para fazer a conexão e transmissão entre o microcontrolador e o computador através da porta serial. A Figura 10 mostra o circuito digital:

Figura 10 – Circuito Digital

V

–

E

V.1 – Procedimentos

Para realizar os ensaios de IEM no circuito de medi-ção de temperatura, o seguinte procedimento foi ado-tado: Variou-se a posição do celular em relação ao circuito em funcionamento em distâncias iguais a 5, 10, 20 e 40 [ _{m], em uma linha reta como mostra}

a figura 11. Esse processo foi repetido para o circuito, primeiro, fora da caixa e depois, dentro da caixa ele-tricamente blindada.

Celular utilizado nos ensaios: Marca Sony-Ericsson, modelo Z550i e freqüência da operadora: 1800 MHz. Para melhor entendimento, as Figuras 11 e 12 mos-tram o arranjo dos ensaios:

Figura 11 – Ensaios com circuito blindado

V.2 – Resultados A. Circuito sem isolação

A.1 Celular a 0,05 [m] de distância.

A Figura 13 mostra a IEM na medição de tempera-tura. Erros de até 4°C podem ser observados:

Figura 13 – Celular a 0,05 [m] sem isolação

A.2 Celular a 0,1 [m] de distância.

A Figura14 mostra que a medição ainda apresenta sinais de interferência, contudo, não na mesma proporção que no caso anterior:

Figura 14 – Celular a 0,1 [m] sem isolação

A.3 Celular a 0,2 [m] de distância.

À medida que o celular se afasta do circuito, as interferências diminuem, mas ainda existem. Isto pode ser visto na Figura 15:

Figura 15 – Celular a 0,2 [m] sem isolação

A.4 Celular a 0,4 [m] de distância.

À 0,4 [m] de distância, a incidência de perturbações eletromagnéticas no circuito é minima, como pode ser visto na Figura 16:

Figura 16 – Celular a 0,4 [m] sem isolação

B. Circuito com isolação

B.1 Celular a 0,05 [m] de distância.

Com o circuito isolado, o objetivo é atenuar as in-terferências no circuito. A Figura 17 mostra o primeiro ensaio com o circuito isolado e a fonte de perturbação a 0,05 [m]:

Figura 17 – Celular a 0,05 [m] com isolação

B.2 Celular a 0,1 [m] de distância.

As interferências diminuem de amplitude e não apresentam mais uma taxa de variação tão acentuada. A Figura 18 já mostra o sinal com o celular a 0,1 [m] de distância do circuito:

Figura 18 – Celular a 0,1 [m] com isolação

B.3 Celular a 0,2 [m] de distância.

A Figura 19 mostra o sinal de do sensor com o circuito blindado e o celular a 0,2 [m] de distân-cia:

Figura 19 – Celular a 0,2 [m] com isolação

B.4 Celular a 0,4 [m] de distância.

A Figura 20 mostra o sinal de do sensor com o cir-cuito blindado e o celular a 0,4 [m] de distância:

VI

–

C

Após realizar este estudo, podemos concluir que o campo eletromagnético próximo gerado por aparelhos celulares podem interferir no funcionamento do circui-to de medição de temperatura.

A Figura 21 mostra a variação máxima de valores de temperatura para o circuito sem isolação e com isola-ção:

Figura 21 – Variação de temperatura x distância com circuito sem isolação

Percebe-se pelo gráfico da Figura 21 que a variação da temperatura diante de perturbações eletromagnéticas é reduzida consideravelmente com a isolação do circui-to. Isto pode ser visto claramente para a distância de 0,05 [m] na qual o circuito isolado apresentou uma máxima variação de 1°C ao passo que o circuito sem isolação atingiu um valor próximo a 4,5°C.

Diante disso, as normas vigentes se tornam de extrema importância para evitar problemas indesejados durante a operação desse tipo de equipamento. Lembrando que, em muitos casos, a vida de pacientes depende diretamente do bom funcionamento desse tipo de instrumento.

Outro ponto importante é perceber que o leiaute e distribuição física dos equipamentos eletromédicos podem influenciar no quanto eles sofrerão com as interferências eletromagnéticas. Uma má construção aumenta a probabilidade de ocorrência de IEMs, acar-retando em medições errôneas.

VII

–

A

Gostaríamos de agradecer ao professor Roberto Castro Júnior pela paciência e auxílio na confecção deste artigo. Gostaríamos de agradecer também, ao Grupo de Engenharia Biomédica (GEB) da UNIFEI.

R

:

[1] D. Halliday e R. Resnick “Fundamentos da Físi-ca: Eletromagnetismo”, Vol. 3, Ed. LTC, 4.ª edi-ção, 1997.

[2] A. M. Souza, “Estudo de Compatibilidade Ele-tromagnética em Equipamentos Eletromédicos para Testes de Pré-Conformidade de Imunidade Eletromagnética”, 2005, 97p. Dissertação (Mes-trado em Ciências em Engenharia Elétrica) - U-niversidade Federal de Itajubá, 2005.

[3] Vocabulário Eletrotécnico Internacional IEC 50 – Comissão Eletrotécnica Internacional - 1990. [4] Overviem of Immunity Tests – IEC 1000-4-1

First Edition – Comissão Eletrotécnica Interna-cional – Dezembro de 1992.

[5] Prescrições e Ensaios de Compatibilidade Ele-tromagnética para Equipamento Eletromédico NBR 60601-1-2 – Associação Brasileira de Normas Técnicas – Dezembro de 1997.

[6] A. Luiz, “Interferência Eletromagnética em Am-biente Hospitalar”, disponível em

http://engenhariaclinicasimples.blogspot.com/20 10/02/interferencia-eletromagnetica-no.html. Acesso em 7 de setembro de 2011.

[7] C. B. C. Suzy e M. S. Sérgio, “Interferência Eletromagnética em equipamentos eletromedicos ocasionados por telefonia celular”, 2001, Artigo apresentado no Congresso Latino-Americano de Engenharia Biomédica, Havana, Cuba. Universidade de Campinas, 2001.

[8] J. G. Webster, “Medical Instrumentation – Appli-cation and Design”, John Wiley and Sons, Inc., 4th edition, 2010.

B

:

Nasceu em São José dos Campos (SP), em 1984. É técnico em eletrônica formado na Escola Técnica Prof. Everardo Passos. Atualmente é graduando do curso de engenharia elétrica, ênfase em eletrônica na Universi-dade Federal de Itajubá. É professor de inglês e esta-giário na empresa Ventrix Health Innovation. Phillipe Góz Pacheco

Nasceu em Volta Redonda (RJ), em 1987. Estudou em Volta Redonda onde recebeu o título de Técnico em Eletrônica na Escola Técnica Pandiá Calógeras em 2004. Ingressou na UNIFEI em 2008, depois de ter iniciado a graduação na UFF – EEIMVR em 2005 no curso de engenharia metalúrgica e onde exerceu a função de monitor na disciplina de programação de computadores. Também foi estagiário na CSN - Com-panhia Siderúrgica Nacional em 2010.