PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA MULTICANAL DE BIOTELEMETRIA PARA AQUISIÇÃO DE SINAIS ECG, EEG E EMG

PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA MULTICANAL DE

BIOTELEMETRIA PARA AQUISIÇÃO DE SINAIS ECG, EEG E EMG

Thiago Bruno Caparelli, Kety Rosa de Barros, Alcimar Barbosa Soares

Resumo - O emprego de novas técnicas na aquisição, processamento e análise de sinais bioelétricos, cada vez mais, contribui para o melhoramento da monitoração convencional de pacientes. Porém, em muitas situações deseja-se fazer um registro satisfatório durante a monitoração de reflexos e respostas críticas com livre movimentação. Esses registros convencionais, por sua vez, são prejudicados pelas conexões de fios aos pacientes, impedindo que se obtenha um registro fiel do processo biológico durante o movimento. Este artigo descreve o projeto e desenvolvimento de um sistema telemétrico multicanal capaz de captar diversos tipos de sinais bioelétricos (ECG, EEG e EMG), permitindo maior mobilidade ao paciente. É implementado também uma interface USB para comunicação com computadores padrão IBM/PC, e um software para visualização e processamento dos sinais coletados.

Palavras-Chave - Aquisição de sinais, potenciais bioelétricos, telemetria, teleprocessamento.

DESIGN AND DEVELOPMENT OF A

MULTICHANNEL BIOTELEMETRY

SYSTEM FOR ECG, EEG AND EMG

ACQUISITION

Abstract - The use of new techniques in the acquisition, processing and analysis of bioelectrical signals has contributed for the improvement of conventional monitoring. However, in some situations, it is necessary a satisfactory recording of reflexes and critical responses in patients moving freely. This standard monitoring is frequently disrupted by interferences in the recordings which are caused by patient wiring connections, hindering the faithful recording of the biological process during movement. This article describes the project and development of a telemetric multi-channel system capable of recording several bioelectric signs (ECG, EEG and EMG), allowing reasonable patient mobility. A USB interface is implemented for IBM/PC computer communication, and also plotting and processing software for the collected signals.

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Keywords - bioelectric potentials, signal acquisition, telemetry, teleprocessing.

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I. INTRODUÇÃO

A evolução tecnológica vem ocorrendo em velocidade espantosa, e o progresso resultante destes avanços tem modificado significantemente a prática da medicina atual. Uma das áreas de maior destaque neste cenário tecnológico é o da medicina esportiva, onde atletas olímpicos são preparados para desafiar as restrições provenientes da gravidade, do tempo e da distância. A ciência permite "construir" um atleta para ser recordista olímpico, maximizando suas potencialidades físicas por meio do profundo conhecimento da fisiologia do movimento.

As atividades dos diversos sistemas biológicos são monitoradas através dos biopotenciais associados a elas. Os biopotenciais originam-se da diferença de níveis de concentração iônica entre os meios celulares [1], gerando diferenças de potencial elétrico através das membranas sendo, portanto, um reflexo do funcionamento de determinado sistema biológico [2].

A instrumentação tradicional de coleta destes biopotenciais segue um mesmo processo:

Detecção do sinal, condicionamento para evitar interferências e posterior digitalização [3]. Porém, este processo apresenta alguns fatores limitantes. A digitalização dos sinais coletados com baixa resolução pode “mascarar” sinais com pequenas amplitudes [4], impedindo que o profissional analise variações sutis que podem ter significância clínica. A aquisição em baixas freqüências de amostragem pode eliminar informações importantes inseridas nas altas freqüências do sinal. Além disso, a análise do corpo em movimento ainda é prejudicada por sensores, fios e outros sistemas acoplados ao equipamento de medição, que “prendem” o paciente ao equipamento, impedindo que o movimento seja feito com naturalidade, podendo em alguns casos até impossibilitar seu estudo.

Em face destas dificuldades, propôs-se um sistema de transmissão de biopotenciais por telemetria, visando minimizar a interferência dos cabos na análise do movimento, permitindo obter importantes informações sobre o funcionamento do sistema corporal nas reais condições de ocorrência.

II. SISTEMA PROPOSTO

Fig. 1. Diagrama de blocos do sistema proposto

A. Variável

A variável representa qualquer tipo de informação de interesse, que se deseja coletada e transmitida. No contexto do sistema em questão, as variáveis são os biopotenciais que se deseja coletados. Foram implementados quatro canais paralelos, posteriormente multiplexados para conversão A/D. B. Sensores

São os dispositivos responsáveis pela troca de energia entre os dois sistemas. Foram utilizados eletrodos Ag/AgCl específicos para cada tipo de sinal coletado (Eletroencefalográfico - EEG, Eletrocardiográfico - ECG, Eletromiográfico - EMG).

C. Condicionamento

Os sinais captados pelos sensores geralmente possuem amplitudes baixas, e são contaminados por todo tipo de interferência. Assim sendo, necessitam de serem preparados para manipulação futura. O condicionamento envolve duas ações principais:

• Amplificação – é o processo de elevação da magnitude do sinal, garantindo que ele esteja em valor adequado para as etapas seguintes. Foi implementada em dois estágios: O primeiro oferece uma amplificação diferencial utilizando um amplificador de instrumentação INA121, com ganho fixo em 250x e razão de rejeição em modo comum (CMRR) de 106dB. O segundo estágio oferece uma amplificação programável de 1x a 32x em 8 passos, utilizando o MCP6S21, totalizando um ganho combinado de 250x a 8000x.

• Filtragem – Etapa necessária para eliminar componentes espectrais indesejadas, sejam elas originadas de interferência, ou pertinentes ao sinal medido, evitando principalmente o problema do aliasing. Foi implementado através de um filtro programável MAX7410, de resposta butterworth.

D. Digitalização

É o processo de transformação do sinal contínuo em valores digitais. Foi implementado utilizando-se um conversor ADS7807 de 16 bits, com tempo de conversão máxima de 25μs, possibilitando a aquisição dos quatro canais em 2KHz.

E. Transmissão

A transmissão dos sinais se dá por transceptores nRF2401 de 125 canais que suportam frequency hopping, utilizando modulação GFSK na faixa de 2.4GHz. Os pacotes transmitidos são checados via CRC-16 em hardware, e aqueles que apresentem falha na verificação são descartados.

O controle do módulo de coleta é realizado por um microcontrolador PIC18F252, responsável por controlar o ganho dos amplificadores programáveis, o processo de conversão e a processo de transmissão.

O controle do módulo de recepção é realizado por um microcontrolador PIC16F873, responsável pelo controle do processo de recepção e comunicação com o PC. A comunicação do módulo receptor com o computador se dá via USB, através do módulo DLP2232. Este dispositivo fornece 2 canais I/O seriais/paralelos e encapsulamento dos dados, liberando portanto o controlador do módulo de recepção da tarefa da necessidade de controle do protocolo USB.

A figura abaixo ilustra respectivamente o protótipo dos módulos de coleta e recepção desenvolvidos:

Fig. 2. Protótipo dos módulos de coleta e recepção

F. Processamento

O programa executado no PC, desenvolvido de forma modular na plataforma LabVIEW 8, permite o controle remoto do módulo de coleta, além de exibir os dados coletados em tempo real e permitir análises dos sinais coletados. Foi implementado com os seguintes módulos:

• Configuração do dispositivo remoto – através desta interface, é possível configurar os ganhos dos canais de entrada individualmente, a freqüência do filtro, a potência e canal de transmissão, além do tempo de coleta dos sinais.

• Cadastro – A interface de cadastro é responsável por manter uma lista dos pacientes com suas informações e respectivas coletas de dados.

• Processamento – Através desta interface é possível determinar diversas características dos sinais coletados, como espectro de freqüência, densidade espectral de potência, valores RMS e análises estatísticas, como média e variância.

III. EXPERIMENTOS E AVALIAÇÕES

A avaliação da confiabilidade e fidelidade nos processos de captura e transmissão foram realizadas no Biolab, em ambiente sujeito a interferências de um hotspot WiFi, que opera na mesma faixa de freqüência do equipamento a ser analisado. Os seguintes experimentos foram realizados:

• Através de um sinal simulado, verificou-se a perda de pacotes e erros na transmissão através de obstáculos, com transmissor e receptor a uma distância de 30 metros, durante 300s. A figura a seguir ilustra o resultado obtido.

Fig. 3. Resultado da transmissão de um sinal emulado

Como é possível observar, não houve perda de pacotes ou erros de transmissão.

• Utilizando um gerador de funções, aplicou-se uma senóide de 30Hz aos quatro canais para avaliar a resposta dos mesmos. Os quatro canais apresentaram resultados idênticos, de uma única componente de freqüência em 30Hz, conforme esperado.

Fig. 4. Espectro de freqüência da senóide de 30Hz coletada

• Utilizando um gerador de funções, aplicou-se uma senóide de 500Hz aos quatro canais para avaliação da resposta em freqüência. Como esperado, foi encontrada uma única componente espectral na freqüência de 500Hz, mostrando a eficiência do filtro como anti-aliasing.

Fig. 5. Espectro de freqüência da senóide de 500Hz coletada

• Eletrocardiografia – um voluntário foi preparado para uma sessão de coleta de sinais eletrocardiográficos, com eletrodos posicionados de acordo com a derivação I, e o voluntário caminhando normalmente.

Fig. 6. Voluntário durante a coleta de sinal Eletrocardiográfico

O sinal capturado, bem como seu espectro de freqüência e densidade espectral de potência podem ser visualizados na figura abaixo.

Fig. 7. Resultados da coleta de sinal Eletrocardiográfico

derivação I, tendo conteúdo espectral e densidade espectral de potência em acordo com a literatura [5].

• Eletromiografia – um voluntário foi preparado para uma sessão de coleta de sinais eletromiográficos, com eletrodo de referência no acrômio e eletrodos de captura no bíceps

Fig. 8. Voluntário durante a coleta de sinal Eletromiográfico

O voluntário foi instruído a realizar contrações isométricas do bíceps. O sinal capturado, bem como seu espectro de freqüência e densidade espectral de potência podem ser visualizados na figura abaixo.

Fig. 9. Resultados da coleta de sinal Eletromiográfico

Observa-se que o sinal coletado se apresenta conforme o esperado, e o conteúdo espectral bem como a densidade espectral de potência estão em conformidade com a literatura [6].

• Eletroencefalografia – um voluntário foi preparado para uma sessão de coleta de sinais eletroencefalográficos, como eletrodo de referência no lóbulo da orelha direita, e eletrodos de coleta situados no lóbulo da orelha esquerda e

sobre o escalpo na região F2. O voluntário foi instruído a permanecer sentado e de olhos fechados.

Fig. 10. Voluntário durante a coleta de sinal Eletroencefalográfico

O sinal resultante da coleta, bem como seu espectro de freqüência e densidade espectral de potencia podem ser observados na figura abaixo.

Fig. 11. Resultados da coleta de sinal Eletroencefalográfico

O sinal coletado se apresenta de acordo com o esperado. Observa-se predominância de ondas nas faixas beta e alfa, condizentes com o estado de vigília do voluntário. O conteúdo espectral, bem como a densidade espectral de potência resultantes da coleta do sinal EEG estão de acordo com a literatura [7].

IV. CONCLUSÕES

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] M. Aires, Fisiologia Básica, Editora Guanabara Koogan S/A, Rio de Janeiro, 1985.

[2] A. C. Guyton, Tratado de Fisiologia Médica, Editora Guanabara Koogan S/A, Rio de Janeiro, 2002.

[3] V. N. Button, Introdução à Instrumentação Biomédica, DEB/FEEC Unicamp, Campinas, 2000.

[4] C. J. DeLuca, Fundamental Concepts in EMG acquisition, DELSYS white papers. Acedido em 16 de Abril de 2008, em: http://www.delsys.com

[5] E. J. Berbari, “Principles of Electrocardiography” in The Biomedic Engineering Handbook, CRC Press, Boca Raton, 1995.

[6] C. J. DeLuca, “Physiology and Mathematics of Myoelectric Signal”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1979.