UNICENP CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO

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1 UNICENP CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO SISTEMA DE BIOTELEMETRIA PARA MONITORAÇÃO DE ATIVIDADE FÍSICA EM TEMPO REAL Autor: Bruna Segantini Prof. Orientador: José Carlos da Cunha Curitiba 2003

2 Sistema de Biotelemetria Para Monitoração de Atividade Física em Tempo Real José Carlos da Cunha 1, Bruna Segantini 2 1 Professor de Engenharia da Computação 2 Aluna do 4 o ano do Curso de Engenharia da Computação Departamento de Engenharia da Computação, Centro Universitário Positivo (UNICENP), Brasil, Fone: , Fax: cunha@unicenp.br, bruna@unicenp.br Resumo Problemas cardíacos são uma das grandes causas de mortes no Brasil. O eletrocardiograma (ECG), que consiste no registro da atividade elétrica do coração, é um exame essencial para o acompanhamento da função cardíaca e, conseqüentemente, é de extrema importância no diagnóstico de suas patologias.com a monitoração da freqüência cardíaca, a pessoa tem maior segurança e eficiência durante a realização do exercício físico. A freqüência cardíaca deve variar sempre entre um limite máximo e mínimo. Esta varia de pessoa para pessoa. No caso de alguma variação que não esteja nesses limites, pode-se constatar desde uma baixa eficiência do condicionamento físico e em caso extremo, até o óbito do indivíduo.o monitoramento cardíaco em práticas de exercícios físicos é de extrema importância para se detectar um possível problema ou alguma alteração indesejada. Em face disso, o projeto objetiva ser uma ferramenta que fará uma monitoração contínua da freqüência cardíaca durante a prática do exercício, proporcionando uma maior segurança à saúde da pessoa e uma maior eficiência no processo de condicionamento físico. Este trabalho tem o intuito de desenvolver um equipamento eletrônico portátil, capaz de transmitir o eletrocardiograma do indivíduo a ser monitorado. Este dispositivo é interfaceado a um computador para o cálculo da freqüência registrada em tempo real, bem como, a visualização do eletrocardiograma. Com este projeto pretende-se facilitar o monitoramento da atividade física para uma detecção rápida e eficiente de algum problema indesejado. Palavras-chave: Eletrocardiograma, Biotelemetria, Freqüência Cardíaca. Abstract Cardiac problems are one of the biggest causes of death in Brazil. The electrocardiogram (ECG), which is a registry of the electrical activity from the heart, is a very important examination for accompaniment s heart function and, consequently, is a great tool in diagnostic s pathologies. The accompaniment of the cardiac frequency offers more security and efficiency along physical exercises. Cardiac frequency must be, always, between a maximum value and a minimum one. If appears a different value from those limits, it can cause a low efficiency in the physical activity or, in a extreme case, causes the death. In face of this, the project pretends to be a tool to accompany cardiac frequency in real time though the exercises, offering a better security to person s health and a bigger efficiency in physical activity. Keywords: Electrocardiogram, Biotelemetry, Heart Frequency.

3 SUMÁRIO, i LISTA DE ABREVIATURAS...ii LISTA DE FIGURAS...iii LISTA DE TABELAS...iv 1. INTRODUÇÃO ESPECIFICAÇÃO Descrição Objetivo geral Objetivo específico Fundamentação Teórica Arritmias e freqüência cardíaca durante o exercício físico Fisiologia do coração Eletrocardiograma A aquisição e o registro do eletrocardiograma Transmissão via rádio Especificação do Hardware Amplificador de instrumentação Filtros ativos Conversor A/D Módulo de transmissão e recepção Porta paralela Eletrodos Conversão tensão-freqüência e freqüência-tensão Diagrama de blocos do hardware Especificação do Software Ferramentas de desenvolvimento Linguagem C/C Software no sistema Diagrama de blocos do software DFD

4 2.5. Especificação de Validação PROJETO Visão geral Funcionamento Módulos Descrição do hardware Lista de componentes Diagrama do hardware Descrição do software Casos de uso Diagrama de classes Diagrama de seqüência Interface Ciclo de execução IMPLEMENTAÇÃO Circuito de alimentação Amplificador de instrumentação e filtros Conversão tensão/ freqüência e transmissão Aquisição do sinal Conversão A/D Software RESULTADOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS

5 LISTA DE ABREVIATURAS,ii A/D - Analógico /Digital AI Amplificador de instrumentação Bpm Batimentos por minuto CMRR Common mode rejection rate ou Razão de rejeição em modo comum db decibéis ECG Eletrocardiograma EEG Eletroencefalograma EMG Eletromiograma FCM Freqüência cardíaca máxima FM - Frequency Modulation (Modulação em freqüência) FPF Filtro passa faixa freq Freqüência F/V freqüência/ tensão kbps Kilo bits por segundo ma Mili Ampères MHz - Mega Hertz RC Resistor /capacitor Rx Módulo de recepção Tx Módulo de transmissão V Volts V/F tensão/ freqüência 5

6 LISTA DE FIGURAS,iii Fig.1. As partes principais do coração...15 Fig.2. Eletrofisiologia do coração...16 Fig.3. Ondas do Eletrocardiograma...17 Fig.4. Eletrocardiograma padrão...19 Fig.5. Circuito de amplificador do ECG...21 Fig.6. Circuito mais simplificado de amplificador do ECG...21 Fig.7. Amplificador de instrumentação INA118 da Texas Instruments...25 Fig.8. Curva de resposta em freqüência de um filtro passa faixa...27 Fig.9. Tipos de antenas...30 Fig.10. Eletrodos metal plate...31 Fig.11. Diagrama em blocos do conversor V/F...32 Fig.12. Diagrama em blocos do conversor F/V...33 Fig.13. Exemplo da conversão V/F e F/V...33 Fig.14.Diagrama em blocos do hardware...34 Fig.15. Cálculo usado para saber a faixa de freqüência indicada para o individuo...36 Fig.16. Diagrama em blocos do software...37 Fig.17. DFD (Diagrama de Fluxo de Dados)...38 Fig.18. Diagrama em blocos do projeto...41 Fig.19. Módulo de transmissão do projeto...44 Fig.20. Módulo de aquisição do projeto...44 Fig.21. Protótipo da tela do software...47 Fig.22. Fluxograma do ciclo de processamento do software...48 Fig.23. Circuito de estabilização de tensão...49 Fig.24. Circuito de aquisição do ECG e do filtro passa-faixa...50 Fig.25. Forma de onda do ECG capturado do simulador...51 Fig.26. Forma de onda do ECG capturado do simulador...51 Fig.27. Circuito do conversor V/ F LM331 (Texas Instruments)...52 Fig.28. Formas de onda do ECG capturado e de sua modulação digital...52 Fig.29. Circuito de transmissão via rádio...53 Fig.30. Circuito de aquisição via rádio

7 Fig.31. Circuito do comparador de zero...54 Fig.32. Circuito do conversor F/V LM331 (Texas Instruments)...55 Fig.33. Formas de onda do sinal recuperado após a transmissão e o sinal de ECG após a conversão F/V...56 Fig.34. Circuito de conversão A/D...57 Fig.35. Teste realizado com simulador Fig.36. Teste realizado com indivíduo Fig.37. Teste realizado com indivíduo Fig.38. Teste realizado com indivíduo Fig.39. Tela do software do teste com simulador...61 Fig.40. Tela do software do teste com simulador

8 LISTA DE TABELAS,iv Tab.1. Tabela das atividades de teste do sistema proposto

9 1. INTRODUÇÃO Problemas cardíacos são uma das grandes causas de mortes no Brasil. O eletrocardiograma (ECG), que consiste no registro da atividade elétrica do coração, é um exame essencial para o acompanhamento da função cardíaca e, conseqüentemente, é de extrema importância no diagnóstico de suas patologias. O projeto tem como objetivo fazer a monitoração da freqüência cardíaca e do eletrocardiograma (ECG) da pessoa, em tempo real, enquanto a mesma está praticando sua atividade física. Tal monitoração é de extrema importância, tanto para indivíduos com histórico de problemas cardíacos quanto para indivíduos tidos como saudáveis, pois podem ser diagnosticadas patologias cardíacas e arritmias que se detectadas precocemente, podem ser tratadas e não ocasionar danos ao indivíduo. Além disso, o monitoramento pode ser interpretado de maneira que um professor de educação física, fisioterapeuta, médico ou qualquer outro profissional da saúde possa dizer se a atividade está de acordo com as expectativas. Esta pode estar resultando em um desempenho físico baixo, ocasionando uma baixa eficiência do exercício físico, e por outro lado, o paciente pode estar excedendo a freqüência cardíaca máxima, o que pode comprometer sua saúde. Para realizar este procedimento, a pessoa a ser monitorada deve estar conectada a eletrodos, os quais levantarão os dados os dados de sua atividade elétrica cardíaca, que serão transmitidos em tempo real a um módulo de aquisição. Este módulo está conectado a um computador com o software do projeto, que permite a visualização do ECG da pessoa e a freqüência cardíaca da mesma em tempo real. Além disso, um flag de alerta é acionado sempre que a freqüência da pessoa esteja fora da faixa ideal para a mesma durante a prática do exercício físico. Vários tópicos foram estudados para a realização desse projeto, entre eles, pode-se citar: transmissão via rádio, aquisição do sinal de ECG, circuitos de tratamento e recuperação do sinal, conversão analógica/ digital. Nesse documento estão os princípios de funcionamento de tais circuitos, bem como, o estudo da parte teórica necessária para o entendimento do assunto para a realização do projeto. 9

10 2. ESPECIFICAÇÃO 2.1. Descrição Durante a prática de exercícios físicos, alterações indesejadas podem ocorrer colocando em risco a vida da pessoa. Desta forma, o monitoramento da freqüência cardíaca durante a atividade é de extrema importância para a segurança da pessoa bem como para a eficiência do treinamento ou condicionamento. Problemas cardíacos são uma das grandes causas de mortes no Brasil. O eletrocardiograma (ECG), que consiste no registro da atividade elétrica do coração, é um exame essencial para o acompanhamento da função cardíaca e, conseqüentemente, é de extrema importância no diagnóstico de suas patologias [2] Objetivo Geral O monitoramento cardíaco em práticas de exercícios físicos é de extrema importância para se detectar um possível problema ou alguma alteração indesejada. Em face disso, o projeto teve por objetivo ser uma ferramenta que fará um monitoramento contínuo da freqüência cardíaca durante a prática do exercício, proporcionando uma maior segurança à saúde da pessoa e uma maior eficiência no processo de condicionamento físico Objetivo Específico Para monitorar o indivíduo durante a prática do exercício, será necessário conhecer a idade do mesmo e sua freqüência basal, que consiste na freqüência em repouso. Esta será medida durante a calibração do sistema. Antes de começar a atividade física, a pessoa coloca três eletrodos no tórax. Com base na idade calcula - se a freqüência mínima e máxima da pessoa [10]. 10

11 A freqüência cardíaca em tempo real será mostrada na tela, bem como flags de okay e alerta. Se a freqüência registrada estiver entre a freqüência mínima e a máxima, o flag de okay estará acionado, do contrário, o flag alerta será acionado Fundamentação Teórica Arritmias e freqüência cardíaca durante o exercício físico O ECG [6] pode ser valioso na detecção de anormalidades cardíacas anatômicas, fisiológicas ou funcionais. Devido ao seu baixo custo, simplicidade e uso comum durante os últimos 50 anos, o ECG ainda é um dos instrumentos clínicos mais eficiente em toda medicina. Além do ECG de repouso, que se tornou um estudo diagnóstico essencial na investigação cardiológica, existem duas aplicações especiais do ECG que têm utilidade clínica em situações: eletrocardiografia ambulatorial e eletrocardiografia durante esforço. A freqüência cardíaca nos indivíduos normais é determinada pela freqüência de descarga das células marcapasso no nódulo sinoatrial. Embora as células marcapasso tenham uma freqüência intrínseca da formação do impulso, a freqüência cardíaca normal é influenciada por controle extrínseco que inclui o sistema nervoso autônomo, as catecolaminas circulantes e outras substâncias bioquímicas produzidas no organismo ou administradas como drogas [10]. Em repouso, a freqüência cardíaca está em geral entre 60 e 90 batimentos por minuto (bpm) e fica, predominantemente, sob influência do sistema nervoso parassimpático. Durante atividades físicas, a freqüência cardíaca aumenta, na medida em que a atividade nervosa parassimpática diminui e os estímulos simpáticos e catecolaminas circulantes aumentam [10]. Nos indivíduos sadios a freqüência máxima de descarga do nódulo sinoatrial é determinada pela idade, sendo aproximadamente 220 menos a idade. Existe uma variação considerável da freqüência cardíaca máxima entre os indivíduos da mesma idade, com desvio-padrão de mais ou menos 10 bpm. Por essa razão, com o avanço da idade, a freqüência cardíaca máxima diminui em aproximadamente 1 bpm/ano [6]. 11

12 A realização bem-sucedida de exercícios físicos requer a interação coordenada de três importantes sistemas orgânicos: os músculos esqueléticos, o sistema cardiovascular e o sistema respiratório. Esses três sistemas estão diretamente acoplados para prover a troca gasosa homeostática, isto é, oxigênio e dióxido de carbono entre o ambiente externo e as fibras musculares em atividade. Durante atividades progressivas de exercício cada sistema ajusta sua função em uma base de momento a momento, de acordo com as necessidades metabólicas do organismo, principalmente aquelas dos músculos em exercício [7]. É importante observar que um distúrbio ou queda dentro de um ou mais desses sistemas orgânicos pode ser a causa de uma tolerância limitada do individuo ao exercício [7]. O trabalho de constatação de uma incapacidade suspeita ou da intolerância ao exercício pode necessitar de uma avaliação abrangente de todos os três sistemas orgânicos a fim de determinar os mecanismos específicos responsáveis pela alteração do paciente. O ecocardiograma e o eletrocardiograma têm um papel essencial no diagnostico de distúrbios cardiovasculares que podem predispor atletas jovens à morte cardíaca repentina durante atividades relacionadas a esportes. Com este método de diagnóstico, anormalidades estruturais do miocárdio, da aorta e das válvulas cardíacas podem ser detectadas e acompanhadas permitindo verificar a progressão da enfermidade que pode impedir a participação segura em esportes [8]. Métodos especiais de registro da freqüência e do ritmo cardíaco podem ser eficazes na detecção de alterações do ECG. A telemetria, ou registro do ECG sem fio, pode ser apropriada em quadros nos quais a freqüência e o ritmo podem ser acompanhados visualmente por um técnico em ECG: isto pode ser realizado durante jogos como basquete ou futebol. O registro de eventos (com o uso de um dispositivo de gravação portátil acionado pelo individuo) pode revelar distúrbios do ritmo de uma pessoa sintomática durante o evento e que consegue acionar a gravação durante o quadro clínico [9]. O músculo cardíaco, ao contrário do que ocorre com os músculos esqueléticos, encontra-se em constante atividade. A mobilização energética para o constante trabalho de contração dá-se, sobretudo através de processos aeróbicos. A grande quantidade de mitocôndrias das células cardíacas denota sua especialização neste tipo de mobilização energética até 30% do volume cardíaco pode se dever às mitocôndrias, enquanto que em células musculares esqueléticas de pessoas treinadas este percentual atinge de 5 a 10%-, as 12

13 células cardíacas apresentam também uma grande atividade de enzimas envolvidas na mobilização aeróbica de energia. A oxidação de ácidos graxos é responsável pelo fornecimento de até 80% da energia; a glicose e lactose, por 10% [10]. Um grande débito cardíaco é a base para o trabalho cardíaco de atletas treinados em resistência em âmbito submáximo e um pré-requisito para o trabalho cardíaco sob carga máxima. É interessante notar que o volume cardíaco não apresenta correlação somente com o volume sistólico, com a concentração de oxigênio fornecida (menos a quantia de oxigênio consumida para o trabalho cardíaco), com o consumo máximo de oxigênio e com a capacidade de resistência, mas também com o volume total de sangue, com a quantidade total de hemoglobina, com a capilarização na musculatura, e com um intenso funcionamento hepático, devido ao fato do fígado ser um órgão central nas trocas metabólicas. Deste modo observa-se que o treinamento possibilita o aprimoramento dos parâmetros participantes do desempenho esportivo e da correlação harmônica entre os mesmos Fisiologia do Coração A função primária do sistema cardiovascular é a de levar sangue para os tecidos, fornecendo, dessa maneira, os nutrientes essenciais para o metabolismo das células, enquanto, ao mesmo tempo, remove os produtos finais de metabolismo das células [2]. O coração atua como uma bomba, ao se contrair, gerando a pressão necessária para deslocar o sangue ao longo da seqüência dos vasos sangüíneos. Os vasos que conduzem o sangue do coração para os tecidos são chamados de artérias. As artérias funcionam com pressão elevada e contém porcentagem pequena de volume sangüíneo. Já as veias são aquelas que conduzem o sangue dos tecidos de volta ao coração; estas funcionam com pressão baixa e contém a maior porcentagem do volume sangüíneo. As trocas de nutrientes de produtos finais do metabolismo e de líquido ocorrem através das paredes dos vasos capilares. Estes são vasos sangüíneos de paredes muito finas localizados nos tecidos [2]. 13

14 O sistema cardiovascular também participa de diversas funções homeostáticas, como: Regulação da pressão arterial; Entrega de hormônios reguladores, de seus locais de secreção, as glândulas endócrinas, a seus locais de ação, nos órgãos-alvo; Regulação da temperatura corporal; Está envolvido nos ajustes homeostáticos em estados fisiológicos alterados, como hemorragia, exercício e alterações posturais. O coração pode ser visto como uma bomba pulsátil, que possui fibras musculares especializadas na produção e condução de estímulos elétricos que promovem a contração sincronizada do músculo cardíaco e assim, impulsionando o sangue para a circulação dos pulmões e de todo o corpo. Para atuar como uma bomba, os ventrículos devem ser eletricamente ativados e, em seguida, contrair. No músculo cardíaco, a ativação elétrica se deve ao potencial de ação cardíaco que, normalmente, se origina do nodo sinoatrial (SA ou NSA). Os potenciais de ação, gerados no nodo SA são conduzidos para todo o miocárdio, em seqüência ordenada e temporalmente definida. A contração também segue uma seqüência ordenada. Esta seqüência é crítica, visto que os átrios devem ser ativados e contraídos antes dos ventrículos e, os ventrículos devem contrair, do ápice para a base, para a ejeção eficiente de sangue [2]. A Fig.1 ilustra um coração, mostrando suas partes principais. 14

15 Fig.1- As partes principais do coração Eletrocardiograma Nas células dos músculos do coração, a ativação elétrica acontece pela mesma razão que nas células nervosas, pelo fluxo de íons de sódio cruzando a membrana da célula. A amplitude também é similar (100 mv) para os nervos e músculos. A duração do impulso do músculo cardíaco é duas vezes superior que qualquer célula nervosa ou muscular do corpo humano. Uma fase de platô segue a despolarização cardíaca, e a seguir ocorre a repolarização que é conseqüência do fluxo de íons de potácio saindo pela membrana da célula. Associado a ativação elétrica das células do músculo cardíaco, existe a sua contração mecânica, que ocorre com um pequeno atraso [5]. Uma importante diferença entre os músculos cardíacos e os músculos comuns é que no músculo cardíaco a ativação pode se propagar de uma célula para qualquer outra 15

16 direção, por isso o sinal do coração possui uma onda característica de forma mais complexa. A única exceção é a barreira entre o átrio e os ventrículos, onde a ativação normalmente não pode atravessar visto que uma barreira não-condutora está presente [5]. A Fig.2 ilustra a eletrofisiologia da célula cardíaca. Direção de condução Tempo Despolarização Repolarização Restauração iônica Fig.2- Eletrofisiologia do coração O eletrocardiograma é a medida das pequenas diferenças de potencial que refletem a atividade elétrica do coração. Essas diferenças de potencial podem ser medidas, na superfície do corpo, em função das seqüências temporal e da despolarização e repolarização do coração. Observa-se que o miocárdio não é despolarizado a um só tempo [5]. Os átrios despolarizam antes dos ventrículos e estes despolarizam em seqüência definida. Os átrios repolarizam enquanto os ventrículos estão despolarizando e os ventrículos repolarizam em seqüência específica. Em virtude dessa seqüência e dos tempos da propagação e da repolarização, são produzidos no miocárdio diferenças de potencial entre as diversas regiões do coração, que podem ser detectadas por eletrodos colocados na superfície do tórax. 16

17 As diferentes formas de onda para cada uma das células especializadas encontradas no coração são demonstradas na Fig.3. As diferenças de tempo são referentes ao que é comumente encontrado em um coração saudável [2]. Para um estudo completo das formas de ondas, foi isolado um coração de um indivíduo que tinha tido morte cerebral, e que não apresentava nenhum histórico de doenças cardíacas. O coração foi removido somente 30 minutos após ser decretada a morte cerebral. Posteriormente, 870 eletrodos foram colocados nos músculos cardíacos e a atividade elétrica do coração foi gravada e reproduzida em papel, com uma resolução de amostragem de 1 ms [2]. A Fig.3 mostra o resultado destes dados. Os ventrículos são mostrados com a parede anterior e parte do ventrículo direito abertos; as superfícies isocrônicas mostram claramente que a ativação ventricular começa na parede interna do ventrículo esquerdo e procede radialmente para o epicárdio. Na parte terminal da ativação ventricular, a excitação procede mais tangencialmente. Este fenômeno e seus efeitos são utilizados no eletrocardiograma, para avaliação da saúde de um paciente [2]. Fig.3- Ondas do eletrocardiograma 17

18 As diversas ondas representam despolarizações ou repolarizações das diferentes partes do miocárdio e recebem rótulos por letras, como pode ser visto pela Fig.4. Os intervalos e os segmentos, entre essas ondas, também são identificados. A diferença entre intervalos e segmentos é a de que os intervalos incluem as ondas, enquanto os segmentos não o fazem. As seguintes ondas, intervalos e segmentos estão representados no ECG [5]: 1. Onda P: representa a despolarização dos átrios. A duração da onda P está correlacionada com o tempo de condução pelos átrios. Por exemplo, se a velocidade de condução ficar diminuída, a onda P aparecerá alargada; 2. Onda Q: representa a deflexão negativa inicial da despolarização ventricular; normalmente é uma onda pequena e negativa; 3. Onda R: primeira deflexão positiva. É geralmente mais pronunciada e positiva; 4. Onda S: deflexão negativa que segue a onda R. É similar à Q; 5. Intervalo PR: é o tempo decorrido, desde a despolarização inicial dos átrios até a despolarização inicial dos ventrículos. Assim, o intervalo PR inclui a onda P e o segmento PR, parte isoelétrica (em linha reta) do ECG. Normalmente, o intervalo PR é de 160ms, tempo da primeira despolarização dos átrios até a primeira despolarização dos ventrículos; 6. Complexo QRS: consiste em três ondas, Q, R e S. Em seu conjunto, essas ondas representam a despolarização dos ventrículos. A duração total do complexo QRS é semelhante à da onda P. Isso acontece pois os ventrículos despolarizam tão rapidamente quanto os átrios, visto que sua velocidade de condução é muito maior do que a do sistema condutor dos átrios; 7. Onda T: representa a repolarização dos ventrículos; 8. Intervalo QT: inclui o complexo QRS, o segmento ST e a onda T. Representa a primeira despolarização ventricular até a última repolarização ventricular. O segmento ST é um trecho isoelétrico do intervalo QT; 9. Onda U: raramente vista, ainda não se conhece seu significado. 18

19 Fig.4- Eletrocardiograma padrão A Aquisição e o Registro do Eletrocardiograma Os batimentos cardíacos geram um sinal elétrico que pode ser usado como ferramenta de diagnóstico para examinar algumas das funções do coração. Esses sinais podem ser captados através de quaisquer pontos com a mesma diferença de potencial da linha de campo elétrico do coração, como pulsos direito e esquerdo do paciente. Os amplificadores são bastante importantes na medida dos biopotenciais do corpo. Eles são necessários para aumentar a amplitude do sinal mantendo sua forma original. A função essencial dos amplificadores de biopotenciais é pegar um sinal original biológico elétrico, geralmente de baixíssima amplitude, e aumentá-la. Para que, posteriormente, seja possível o processamento, gravação, análise e a apresentação dos sinais capturados do corpo do indivíduo. 19

20 como: Os amplificadores de ECG possuem alguns requisitos para um bom funcionamento, Alta impedância de entrada; Alto CMRR; Alto ganho; Baixo ruído; Resposta em freqüência de 0,1 a 100Hz. O sinal captado diretamente do paciente possui uma diferença de potencial muito baixa, sendo necessário um circuito capaz de amplificar essa diferença de potencial, para que o sinal possa ser representado na forma de um ECG. Um ganho considerável seria maior ou igual a 500. Na tentativa de diminuir os ruídos existentes no circuito, é aconselhável utilizar baterias, ao invés da fonte de alimentação que gera mais ruído, principalmente 60 Hz. Além disso, em especial nesse projeto, o equipamento final deveria ser bastante pequeno, já que será carregado durante o exercício físico, reforçando a necessidade do uso de baterias. Dois exemplos do circuito de aquisição do ECG são descritos. O primeiro deles, visto na Fig. 5, mostra que o eletrodo da perna da pessoa é ligado à saída de um amplificador operacional auxiliar. Este feedback negativo aumenta a rejeição de modo comum, diminuindo os ruídos. Além disso, esse tipo de circuito proporciona maior segurança elétrica. Em caso de uma tensão entre o paciente e o terra, o amplificador auxiliar satura, isolando o paciente. Já na Fig.6, observa-se um circuito bastante similar, porém com a perna do indivíduo ligada diretamente no terra. 20

21 Fig.5- Circuito de amplificador do ECG Fig.6- Circuito mais simplificado de amplificador do ECG 21

22 A freqüência cardíaca é medida pela contagem dos complexos QRS por minuto [5]. O comprimento do ciclo é o intervalo R-R (período de tempo entre duas ondas R sucessivas). A freqüência cardíaca é relacionada à duração do ciclo da forma seguinte: Freqüência cardíaca = 1/ duração do ciclo (unidade bpm) As variações de freqüência cardíaca provocam variações na duração do potencial de ação e, por isso, alterações nas durações dos períodos refratários e da excitabilidade [2]. Se a freqüência cardíaca aumenta, ocorre redução da duração do potencial de ação. Não apenas serão gerados mais potenciais de ação, por unidade de tempo, como esses potenciais de ação terão menor duração e menores períodos refratários. Devido à relação entre freqüência cardíaca e período refratário, o aumento da freqüência cardíaca poderá ser fator para a gênese de arritmias, isto é, ritmos cardíacos anormais. À medida que a freqüência cardíaca aumenta e os períodos refratários encurtam, as células miocárdias passam a ficar excitáveis precocemente e com maior freqüência Transmissão via Rádio Neste projeto, a transmissão do eletrocardiograma adquirido da pessoa deve ser transmitido via rádio. Para esse tipo de transmissão faz-se necessário a modulação do sinal que se deseja transmitir. Para melhor entender essa teoria temos os seguintes conceitos: o sinal que contém a informação é dito sinal modulante e o sinal de alta freqüência é chamado de onda portadora. O resultado da interferência de um sinal sobre o outro é um terceiro sinal elétrico chamado sinal modulado e o processo que envolve a geração desse sinal a partir dos dois primeiros é conhecido por modulação. Resumindo, modulação é um processo que consiste em se alterar uma característica da onda portadora, proporcionalmente ao sinal modulante[4]. 22

23 A partir desse conceito de modulação, podemos dividir os sistemas de comunicação em dois grandes grupos: - um que usa portadora senoidal - outro que utiliza como portadora um trem de pulsos. Para portadora senoidal, há duas características alteráveis: a amplitude e a freqüência, gerando a modulação em amplitude AM (Amplitude Modulation) e a modulação em fase PM(Phase Modulation) ou em freqüência FM (Frequency Modulation). Devido a grande semelhança entre PM e FM, estas são classificadas como Modulação Angular. Na implementação do projeto deu-se a prioridade em utilizar a modulação do tipo Angular, já que esta é menos vulnerável aos ruídos. Esse tipo de modulação pode ser classificado em dois tipos[4]: - FM de Faixa Estreita Essa técnica é utilizada quando se necessita agrupar vários sinais modulados em FM em uma faixa relativamente restrita de freqüências, que consiste basicamente em limitar o índice de modulação para restringir a largura de faixa ocupada. - FM de Faixa Larga O processo consiste em escolher uma freqüência do gerador senoidal, suficientemente grande, para não causar problemas na filtragem do filtro mecânico e reduzir a amplitude da senóide a praticamente zero. Basicamente, existem dois métodos de se obter um sinal modulado em freqüência. Um deles age diretamente sobre a freqüência de ressonância de um circuito oscilador e outro método, indireto, é o sistema Armstrong de obtenção do sinal FM de Faixa Estreita, seguido de uma multiplicação de freqüência e heterodinação. Uma terceira alternativa 23

24 bastante aproveitada é a geração do sinal FM a partir de um PFM (Pulse Frequency Modulation-Modulação em Freqüência de Pulso), o que não deixa de ser forma indireta, mas é normalmente conhecido como método digital. A modulação em FM implementada no projeto foi feita através de um conversor tensão-freqüência, pois se trata de um circuito de relativa fácil implementação e supriu as necessidades do projeto. Nesse tipo de modulação, para cada valor de tensão de ECG há a conversão do mesmo para uma freqüência diferente Especificação do Hardware Amplificadores de Instrumentação Os amplificadores de instrumentação (AI) são amplificadores diferenciais acoplados diretamente e que apresentam alto ganho, alta impedância de entrada e uma alta rejeição de modo comum (CMRR) [1]. Os AIs amplificam sinais diferenciais de baixa amplitude, como, por exemplo, os produzidos por transdutores, que podem ter um alto nível de ruído em modo comum. As CMRRs podem chegar facilmente a 80 ou 120 db de atenuação [1]. A Fig.7 mostra um amplificar de instrumentação acoplado em um único circuito integrado, como é o caso do INA118 fabricado pela Texas Instruments. Esse tipo de circuito integrado foi utilizado no projeto. 24

25 Fig.7. Amplificador de Instrumentação, INA118 Texas Instruments Com base na Fig.7 pode-se observar que os amplificadores operacionais do primeiro estágio (de entrada) estão configurados como amplificadores não inversores. O circuito elimina a desvantagem da baixa impedância de entrada do amplificador operacional diferencial, o que reduz o carregamento na fonte de sinal, visto se tratarem de buffers. Como os buffers têm ganho unitário, o amplificador do segundo estágio (de saída) terá uma alta CMRR. No amplificador da Fig.7 o ganho é calculado pela fórmula abaixo e depende do resistor Rg [Texas Instruments]: G= 1+ 50kO Rg 25

26 Filtros Ativos Há algum tempo, os filtros eram feitos com componentes passivos como indutores e capacitores. O problema é que para baixas freqüências os indutores se apresentam muito volumosos e caros [3]. Utilizando-se amplificadores operacionais, é possível construir um filtro RC ativo eliminando o problema dos indutores volumosos em baixas freqüências. Qualquer filtro que usa um amplificador operacional é chamado de filtro ativo. O filtro é um dispositivo que tem por finalidade eliminar sinais de uma determinada freqüência ou de uma faixa de freqüências acima ou abaixo de um valor limite. Pode ser passivo, quando empregam apenas componentes passivos (resistores, capacitores e indutores), ou ativo, quando empregam componentes ativos (transistores, circuitos integrados). Há várias configurações de projeto de filtros ativos, conhecidos como Butterworth, Chebyshev, Bessel e outros. Filtro Butterworth é um filtro projetado para produzir a resposta mais uniforme possível até a freqüência de corte. Em outras palavras, a tensão de saída permanece constante por quase todo o percurso até a freqüência de corte. Em seguida, ela diminui 20n db por década, onde n é o número da ordem do filtro. A freqüência de corte é dada por: 1/ (2πRC). Abaixo dessa freqüência, a tensão de saída diminui 20 db por década em filtro de primeira ordem. Um filtro ativo permite a passagem de todas as freqüências até a freqüência de corte. Acima desta a resposta de freqüência cai. Um filtro como esse é chamado de filtro passa baixa. É possível transformar um filtro Butterworth passa baixa (FPB) num filtro Butterworth passa alta (FPA) usando circuitos de acoplamento em vez de redes de desvio. Um circuito como esse permite a passagem das freqüências altas, porém bloqueia as freqüências baixas. Os principais pontos que se deve ter em mente em se tratando de filtros, de maneira resumida, são [3]: - os amplificadores operacionais podem ser utilizados na construção de filtros - filtro passa baixa permite a passagem de todas as freqüências, a partir de zero até a freqüência de corte; 26

27 - filtro passa alta permite a passagem de todas as freqüências, a partir da freqüência de corte até o infinito; - o número de pólos em um filtro ativo é igual ao número de circuitos de acoplamento ou desvio. Cada pólo produz uma diminuição ou atenuação de 20 db por década. Para um correto tratamento do sinal, faz-se necessário a montagem de um filtro passa-faixa, ou seja, que permita a passagem de uma faixa de freqüência definida. Um filtro passa-faixa (Bandpass Filter) nada mais é que um circuito que só permite a passagem de sinais de freqüências compreendidas entre dois valores estabelecidos. Ou seja, é possível a passagem de uma faixa de freqüência desejada. Como resultado do circuito, obtemos um filtro que só permite que uma faixa de freqüência passe, o que acaba resultando em um filtro passa-faixa. A resposta em freqüência de onda resultante desse filtro pode ser visto pela Fig.8. Fig.8- Curva de resposta em freqüência de um filtro passa- faixa 27

28 Conversor A/D Muitas tensões e correntes em eletrônica variam continuamente ao longo de uma faixa de valores. Em circuitos digitais, os sinais estão em um de dois níveis, representando os valores binários de um ou zero. Um conversor analógico-digital produz uma tensão digital a partir de uma tensão analógica de entrada. Um método bastante popular de conversão A/D [1]usa um circuito em escada com circuitos contadores e comparadores. Um contador digital avança zero enquanto um circuito em escada fornece, através das saídas do contador, uma tensão em escada, a qual aumenta por um incremento de tensão em cada passo de contagem. Um circuito comparador, recebendo as tensões em escada e a tensão de entrada analógica, fornece um sinal para parar a contagem quando a tensão da escada se eleva acima da tensão de entrada. O valor do contador neste instante é a saída digital desejada. O incremento de tensão do sinal em escada depende do número de bits de contagem utilizado. A taxa de clock do contador afeta o tempo requerido para fazer a conversão. O tempo de contagem necessário para realizar uma conversão varia entre os extremos máximos e mínimos. Um contador, usando poucos estágios de contagem, faz mais conversão por segundo. A precisão da conversão depende da precisão do comparador Módulo de Transmissão e Recepção Uma das melhores opções encontrada no mercado para a transmissão dos dados é constituída por um módulo de transmissão e outro de recepção fabricado pela empresa inglesa Radiometrix, cujo modelo é o TX2&RX2 [Radiometrix]. Esses módulos transmitem a uma taxa de 160kbps e seu alcance é de 75 metros em ambientes fechados e 300 metros em área externa. Opera na freqüência de MHz, o que é muito bom, já que essa freqüência é liberada para o uso. Além disso, a modulação é do tipo FM, menos vulnerável aos ruídos. Por se tratar de um módulo pequeno e de alimentação baixa, este é ideal para aplicações portáteis e alimentação feita com baterias. 28

29 O módulo de transmissão opera com uma alimentação entre 2V a 6V e é disponível na freqüência de MHz. O receptor possui uma taxa de recepção de 160kbps e alimentação de 3V a 6V, drenando uma corrente de 14mA quando está recebendo dados. A descrição dos pinos do transmissor é a seguinte: RF GND: Pino do terra; RF out: Saída RF para a antena, isolado internamente; Vcc: Pino de alimentação; 0V: Conexão de alimentação do terra; TXD: Aceita dados digitais (níveis 0V a Vcc) ou sinais lineares de alto nível. Já descrição dos pinos do módulo de recepção é dada por: RF in: Entrada RF da antena; RF GND: Pino de alimentação; CD (Carrier Detect): Usado para ligar um transistor PNP para obter um nível lógico de detecção de sinal. Se não for requerido no projeto, ligar ao pino de Vcc. 0V: Conexão de alimentação do terra; Vcc: Pino de alimentação; AF: Trata-se da saída com buffer e filtrada do demodulador FM; RXD (Data out): Essa saída interna é a versão ao quadrado do sinal de AF. Pode ser ligado a um decodificador externo. Para aumentar o alcance da transmissão se faz necessário a construção de uma antena, para a utilização desses módulos, há a sugestão de três tipos de projetos de antenas, que podem ser vistos pela Fig.9. 29

30 Fig.9- Tipos de antenas: (A) Antena helicoidal, (B) Antena em curva, (C) Antena vertical A antena utilizada no projeto foi a vertical, já que esta pôde ser facilmente implementada e ficar localizada dentro dos módulos de transmissão e recepção, sem atrapalhar a pessoa durante a atividade física. Além disso, seu alcance é maior em relação aos outros dois tipos de antena Porta Paralela A porta paralela é uma interface de comunicação entre o computador e um periférico [1]. Quando a IBM criou o primeiro PC (Personal Computer) ou Computador Pessoal, a idéia era conectar a essa porta uma impressora, mas atualmente, são vários os periféricos que se utilizam desta porta para enviar e receber dados para o computador (exemplos: scanners, câmeras de vídeo, unidade de disco removível e outros). Na transmissão bidirecional, a porta avançada EPP ( Enhanced Parallel Port ) chega a atingir uma taxa de transferência de 2 MB/s. Já a porta avançada ECP (Enhanced 30

31 Capabilities Port) tem as mesmas características que a EPP, porém, utiliza DMA (acesso direto à memória), sem a necessidade do uso do processador, para a transferência de dados. Utiliza também um buffer FIFO de 16 bytes Eletrodos A fim de medir e registrar os biopotenciais do corpo, faz-se necessárias uma interface entre o corpo e o dispositivo eletrônico. Esta interface é obtida pela utilização de eletrodos de biopotenciais, que desempenham um papel de transdutores nos quais são convertidas correntes iônicas, que circulam pelo corpo, em correntes de elétrons. Com o passar do tempo vários tipos de eletrodos vêm sendo desenvolvidos para registrar os biopotenciais[5]. Existem eletrodos externos, internos, microeletrodos, flexíveis e muitos outros. No projeto foram utilizados eletrodos externos conhecidos como metal plate. Em sua forma simplista, este consiste de um condutor metálico em contato com a pele. Geralmente usa-se um gel apropriado para manter o contato elétrico do eletrodo com a pele. Esse tipo de eletrodo pode ser visto pela Fig.10. Alça de metal Disco de metal e eletrólito Superfície adesiva (topo) (atrás) Fig.10. Eletrodo metal plate 31

32 O eletrodo pode ser feito de diferentes tipos de materiais. Sua estrutura faz com que possa ser conectado ao tórax da pessoa para detecção do ECG ou monitoração cardíaca por um longo período de tempo. Para essas aplicações o disco do eletrodo é fabricado com cloreto de prata. O eletrodo metal plate também é utilizado na monitoração de EMG e de EEG, porém, nesses casos o eletrodo usado é menor. Para utilizar os eletrodos corretamente, sugere-se seguir os seguintes procedimentos: o gel deve ser aplicado de maneira correta e na quantidade certa; pressionar levemente o eletrodo contra a pessoa; para não cair o eletrodo é aconselhável o uso de esparadrapos Conversão tensão -freqüência e freqüência-tensão Para a realização da transmissão via rádio, fez-se necessário converter o sinal de ECG em pulsos digitais, pois os módulos de transmissão/ recepção a serem utilizados não fazem a transmissão analógica do mesmo sinal. Uma alternativa encontrada foi converter a tensão do sinal de ECG em freqüências e fazer o processo inverso para se recuperar o sinal, ou seja, converter as freqüências recebidas em valores de tensão. A Fig.11 mostra o diagrama em blocos do conversor tensão-freqüência, já a Fig.12 mostra o diagrama do conversor freqüência-tensão. Valor de tensão da onda Conversão da tensão para um valor em freqüência Fig.11- Diagrama em blocos do conversor V/F 32

33 Freqüência dos pulsos digitais Conversão da freqüência para um determinado valor de tensão Fig.12- Diagrama em blocos do conversor F/V No projeto foi implementado um conversor V/F que gera como saída uma freqüência máxima de 100k Hz para a onda de ECG, para que não haja perda de sinal na transmissão. A Fig.13 ilustra uma foto do osciloscópio com um sinal de ECG convertido em freqüência e posteriormente recuperado em valores de tensão. Sinal original Puls os digitais recuperados da transmissão Conversão V/F do sinal original Sinal original recuperado pela conversão F/V Fig.13- Exemplo da conversão V/F e F/V 33

34 Diagrama de blocos do Hardware O diagrama em blocos do hardware pode ser visto pela Fig.14. Eletrodos Amplificador de Instrumentação Filtro passa-faixa Conversor tensãofreqüência Módulo de transmissão Detetor de zero Conversor freqüênciatensão Módulo de recepção Conversor A/D via porta paralela Fig.14- Diagrama em blocos do hardware 34

35 2.4. Especificação do Software Ferramentas de Desenvolvimento Para a realização do software fez-se necessário a utilização de uma linguagem de programação de conhecimento relativo. Além disso, tal linguagem deveria possuir os recursos necessários para o desenvolvimento do programa Linguagem C/C++ A linguagem de programação escolhida para o desenvolvimento do programa foi a linguagem C/C++ que possui as ferramentas necessárias para o software do projeto. Para a comunicação entre o computador remoto e o transmissor foram utilizadas as rotinas outputb e importb que faz a comunicação com a porta paralela. O restante do software não utiliza recursos específicos, mas sim, os recursos usuais de programação Software no Sistema O software desenvolvido teve como objetivo mostrar os dados na tela utilizando uma interface clara e amigável para o usuário. Este mostra os dados da pessoa, os sinais de ECG capturados da pessoa e dois flags de monitoração. O programa é responsável por mostrar o ECG em tempo real do indivíduo. Além disso, com base nas freqüências mínima e máxima o programa deve acionar um determinado flag. Há dois flags: okay e alerta. Caso a freqüência registrada esteja entre os valores de mínimo e máximo o flag okay é acionado, do contrário, o flag alerta acionará. O usuário deve digitar seu nome e sua idade para que o programa possa calcular a freqüência ideal ao longo do exercício físico. As freqüências máximas e mínimas são 35

36 calculadas com base na FCM, ou seja, freqüência cardíaca máxima. Esta é calculada da seguinte maneira [10]: FCM = 220 idade da pessoa A Fig.15 ilustra o cálculo utilizado no software para calcular a freqüência mínima e máxima no exercício físico. ZONA ALVO DE TREINAMENTO (segundo Karvonen e col., 1957) (o indivíduo deve procurar controlar seus batimentos entre a faixa mínima e máxima durante o exercício) FCM x 0,60 = freqüência cardíaca mínima FCM x 0,70 = freqüência ideal na atividade aeróbica FCM x 0,85 = freqüência cardíaca máxima Fig.15- Cálculo usado para saber a faixa de freqüência indicada para o individuo 36

37 Diagrama de Blocos do Software O diagrama do software pode ser visualizado pela Fig.16 abaixo: Aquisição dos valores vindos da porta paralela Plotagem desses valores em um gráfico para formar a onda do ECG da pessoa Cálculo da freqüência cardíaca Valor calculado está entre freq.mín e freq.máx Valor calculado > freq.máx ou Valor calculado < freq.mín Aciona flag OKAY Aciona flag ALERTA Fig.16- Diagrama em blocos do software 37

38 DFD usuário Valores do ECG Idade do usuário Plotagem do ECG Flag Estado do flag Cálculo da freqüência cardíaca ideal Acionamento do flag Fig.17- DFD do software do projeto 2.5. Teste de Validação Para a validação do projeto foram feitos testes com um simulador de arritmias cardíacas, bem como, com indivíduos conectados aos eletrodos e deverá ocorrer a transmissão dos seus dados para o módulo remoto. O módulo de aquisição dos sinais onde está o responsável pelo exercício (professor, médico, fisioterapeuta ou outro) deve estar a uma distância inferior a 200 metros da pessoa e este deve visualizar a freqüência cardíaca e o sinal de ECG em tempo real do indivíduo através da tela do software do projeto. A tabela Tab.1 descreve as atividades de teste do sistema. 38

39 Fase do Projeto Descrição do Teste Resposta Esperada Implementação da captação do ECG Colocação dos eletrodos na pessoa Visualizar o ECG do individuo através de um osciloscópio Conversão tensão - freqüência (V/F) Na entrada do conversor V/F o ECG e a saída na entrada do conversor Reconstrução do ECG inicial na saída do conversor F/V freqüência- tensão (F/V) Implementação da transmissão Separar os módulos de transmissão e aquisição do sinal Transmissão correta doa dados, sem perdas que possam comprometer o sinal original Tab.1- Tabela das atividades de teste do sistema proposto 39

40 3. PROJETO 3.1. Visão Geral O projeto se insere na disciplina de Instrumentação Biomédica, por se tratar de um projeto que utilizará ferramentas da engenharia para solucionar um problema na área médica. O sistema a ser desenvolvido visa ser uma ferramenta para ajudar na monitoração da atividade cardíaca de um indivíduo sob atividade física em tempo real. Uma aplicação bastante clara do projeto é no caso da prática de exercício físico. A pessoa é monitorada através de três eletrodos e os sinais de seu eletrocardiograma (ECG) são transmitidos a um módulo remoto. Nesse módulo remoto será feito o processamento dos sinais recebidos e, então, os parâmetros (ECG) da pessoa serão transmitidos a um outro computador, um lap top, por exemplo, onde estará o profissional responsável pelo exercício físico. Em posse das informações da pessoa, o treinador poderá monitorar o indivíduo de uma maneira bastante segura e orientar o exercício de forma mais eficiente Funcionamento O sistema faz a aquisição do ECG do indivíduo, utilizando-se de três eletrodos que deve estar conectados a mesma. Após a aquisição do sinal, este passa para o estágio de processamento e só então é transmitido, via rádio, ao computador do profissional (técnico, professor, médico, etc) responsável pelo exercício físico da pessoa. A faixa de freqüência utilizada fica em torno de 433 MHz e o tipo de modulação é em FM. Após a transmissão do sinal, ocorre a recepção bem como o processamento e recuperação do mesmo. Depois de recuperado, o sinal passa por uma conversão analógica/ digital, para então ser enviado ao computador via porta paralela. A Fig.18 exemplifica o projeto. 40

41 No computador há o software que tem as seguintes funções: Receber os dados vindos da porta paralela e amostrar o eletrocardiograma (ECG) da pessoa na tela; Com base nos dados da pessoa, emitir um pequeno diagnóstico a seu respeito. Aquisição do ECG Processamento do sinal Transmissão via rádio Recepção do sinal Processamento e recuperação do sinal Conversão A/D via porta paralela Fig.18- Diagrama em blocos do projeto 41

42 A pessoa a ser acompanhada deve, após colocar os eletrodos, ficar em repouso por alguns instantes para que seja registrada sua freqüência cardíaca basal. É com base nesta, as freqüências mínimas e máximas serão calculadas pelo software. Caso a freqüência registrada seja maior ou menor que as freqüências máxima e mínima calculadas, respectivamente, um sinal de alerta é acionado no software Módulos O projeto pode ser dividido em cinco módulos: 1. transmissão/ Recepção dos dados; 2. circuito de detecção do eletrocardiograma; 3. união dos módulos 1 e 2; 4. desenvolvimento do software; 5. integração dos quatro módulos acima. Os módulos 1, 3 e 4 puderam ser desenvolvidos separadamente e independentemente da ordem, desde que sejam realizados testes adequados para a correta validação do módulo. 42

43 Descrição do Hardware Lista de Componentes Os componentes utilizados no desenvolvimento do projeto foram: amplificador de instrumentação modelo INA118 ou INA121 da Texas Instruments; amplificadores operacionais; baterias de 9V; cabo blindado; capacitores; componentes diversos; conector DB-25 macho; conversor A/D; conversor F/V; conversor V/F; eletrodos; módulo TX2&RX2 (transmissão /recepção) da Radiometrix Diagrama do Hardware O hardware foi dividido em dois circuitos diferentes: o da transmissão e o da recepção. Na transmissão, estão os circuitos de aquisição do ECG, de tratamento do sinal, de conversão tensão/ freqüência e, é claro, o circuito de transmissão. A Fig.19 ilustra esse o módulo. 43