Sistema de Processamento e Difusão de Sinais Cardíacos na Web

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1 Sistema de Processamento e Difusão de Sinais Cardíacos na Web Ricardo Godoi Vieira, Ciro José Egoavil Montero Grupo de Pesquisa de Ciência da Computação Faculdades Intergradas FACVEST Mal. Floriano, Lages SC Brasil rgv.vieira@terra.com.br, ciro.egoavil@gmail.com Abstract. The described system in this article shows the processing and diffusion of cardiac signals through the web. The processing of these cardiac signals will be assist the specialists to eliminate components (noises) inserted in the moment of the acquisition, thus being able to identify with accuracy some alteration in the cardiac tracing. After the register stored in the system, a specialist will be able to visualize and to analyze them at any place, and to make a diagnosis based on the information. With the diagnosis the responsible of the signal acquisition, will be able to direct the patient for a place that have a specialized attendance, case is necessary. Resumo. O sistema descrito neste artigo apresenta o processamento e difusão de sinais cardíacos através de um portal web. O processamento destes sinais cardíacos auxiliará aos especialistas a eliminar componentes (ruídos) inseridos no momento da aquisição dos sinais cardíacos, podendo assim identificar com maior acurácia alguma alteração no traçado cardíaco. Após o registro armazenado no sistema, um especialista poderá visualizar e analisar o traçado cardíaco de qualquer lugar, e efetuar um diagnóstico baseado nas informações. Com o diagnóstico o responsável pela aquisição do sinal, poderá encaminhar o paciente para um local que possua um atendimento especializado, caso seja necessário. 1. Introdução Na área da saúde, o avanço computacional e de equipamentos médicos têm um crescimento muito rápido. Como conseqüência disso a automação de atividades repetitivas elaborada por profissionais da área se torna necessário. Entretanto, com a intenção de auxiliar o especialista na realização do diagnóstico de doenças cardíacas com maior acurácia, foi desenvolvido um sistema de processamento e difusão de sinais cardíacos via WEB. Através deste sistema, será possível o processamento e a disponibilização de registros cardíacos juntamente com informações dos pacientes na WEB. Com isso, médicos e especialistas poderão acessar, realizar um processamento no sinal, se necessário for, e analisar os registros cardíacos juntamente com outras informações disponibilizadas no sistema, de qualquer lugar e a qualquer momento. A disponibilização de recursos médicos na Internet tem um vasto universo de possibilidades a serem estudadas. Enquanto isso, o processamento e a análise de sinais cardíacos através da Internet, apresenta-se como sendo uma ferramenta poderosa e de extrema utilidade para o especialista, já que as dificuldades de análise do ser humano 11

2 são elevadas, devido principalmente, a quantidade, a qualidade e ao nível de abstração dos dados disponíveis nos registros médicos. Enquanto os softwares até então são locais, ou seja, são limitados a uma máquina local, esse sistema será disponibilizado pela Internet, o que permitirá o acesso aos dados e informações dos pacientes. É um sistema que irá diminuir o tempo de análise dos sinais cardíacos, possibilitando que o médico efetue o diagnóstico com base nos registros visualizados de forma eficiente, eficaz e com um grau de acurácia ainda maior. Com isso, a patologia poderá ser diagnosticada mais rapidamente, evitando complicações para o paciente. Também irá diminuir as despesas com materiais, pois os sistemas existentes para aquisição de sinais cardíacos, possuem um custo muito alto, devido a impressão dos registros em fita. Através do sistema desenvolvido, o exame ficará armazenado na base de dados, não ocupando espaço físico para o médico, sendo de fácil acesso, e possibilitando retrocesso a exames realizados anteriormente, sem a perda de informações. Outro aspecto importante é se o paciente vier a mudar de cidade, o seu novo médico ou especialista, poderá visualizar os registros cardíacos do seu paciente feitos anteriormente, inclusive realizando comparações, verificando assim a evolução do mesmo. 2. Eletrocardiograma O eletrocardiograma (ECG) é a captura dos sinais elétricos emitidos pelo músculo cardíaco (coração). O eletrocardiograma normal é constituído por uma onda P, um complexo QRS e uma onda T. O complexo QRS, na maioria das vezes aparece sob a forma de três ondas. A onda P origina-se através dos potenciais elétricos gerados pelos átrios (direito e esquerdo) ao se despolarizarem antes de se contraírem. Já o complexo QRS é causado pelos potenciais gerados quando os ventrículos se despolarizam antes de se contraírem. Com isso, nota-se que tanto a onda P quanto o complexo QRS, são ondas de despolarização. Enquanto, a onda T é uma onda de repolarização, causada por potenciais gerados à medida que os ventrículos se recuperam do processo de despolarização. Desta maneira, o eletrocardiograma é composto por ondas que se despolarizam e repolarizam conforme pode ser visualizado na Figura 1 [1, 2, 3]. A faixa de concentração do ECG varia de 1 a 10mV e 0.05 a 100 Hz para amplitude e freqüências respectivamente. Porém, para estudos de eletrocardiografia de alta resolução torna-se necessário considerar sinais com valores de amplitude mais baixos. Isto se deve ao fato que manifestações eletrofisiológicas destas condições dão origem a sinais de amplitude menor que 10µV e que normalmente se apresentam superpostas por ruído além de apresentarem em uma faixa de freqüências mais alta (entre 100Hz e 1kHz), que as do ECG convencional [4]. Figura 1. Exemplo de uma onda de ECG [4]. 12

3 3. Portal Web O Portal WEB, desenvolvido em JSP e JAVA, é responsável pela difusão e processamento dos sinais cardíacos na WEB. O portal WEB utiliza o Banco de Dados MySQL, local onde ficam armazenadas todas as informações dos usuários do portal, bem como todas as informações dos pacientes e médicos cadastrados. Os médicos/especialistas possuem uma senha de autenticação do WEB site, possibilitando assim o armazenamento e visualização das informações dos pacientes na WEB. Para a visualização e processamento dos sinais cardíacos, foi desenvolvida uma applet, visando à segurança das informações, registros do paciente e também a utilização do sistema na grande maioria dos sistemas operacionais e navegadores, desde que os mesmos possuam a máquina virtual do Java instalada. O médico pode visualizar todo o sinal cardíaco avançando ou retrocedendo o traçado plotado, de forma manual ou automática. Estas ferramentas foram implementadas na Applet para auxiliar na visualização do sinal. 4. Processamento e Difusão de Sinais Cardíacos na WEB O processamento e a difusão dos sinais cardíacos na WEB facilitarão ainda mais o diagnóstico de doenças cardíacas, pois o médico/especialista pode visualizar os registros cardíacos em qualquer lugar e a qualquer hora, através de um microcomputador conectado a Internet. 5. Processamento de Sinais Digitais O interesse mais recente de processamento de sinais digitais apareceu em 1950 com a disponibilização de um número crescente de computadores digitais. As aplicações iniciais foram a simulação de métodos de processamento analógico de sinais. O processamento digital de sinais analógicos consiste basicamente de três passos: conversão do sinal analógico para digital, processamento da versão digital e a conversão do sinal digital de volta em analógico. Como a amplitude do sinal analógico varia com o tempo um circuito de sample-and-hold (S/H) é utilizado para amostrar o sinal analógico em intervalos periódicos mantendo o valor da amostra com valor constante na entrada do circuito de conversão analógico-digital (A/D), permitindo, desta forma, uma maior fidelidade na conversão dos dados. Diferentemente dos circuitos analógicos, as operações nos circuitos digitais não dependem de valores precisos dos sinais digitais. Como resultado, um circuito digital é menos sensível às tolerâncias dos valores dos componentes, é razoavelmente independente da temperatura, envelhecimento e da maioria dos parâmetros externos. Um circuito digital pode ser reproduzido facilmente em larga escala e não requer nenhum ajuste durante a fabricação ou em sua utilização [5]. 5.1 Filtros Digitais Filtro é um sistema desenvolvido para alterar o conteúdo espectral de um sinal através de uma maneira específica. Comumente os filtros têm o objetivo de melhorar a qualidade de um sinal, extraindo informações, ou separando componentes dos sinais que são previamente combinadas. Um filtro digital é um algoritmo matemático implementado em hardware, firmware e/ou em software que opera em um sinal digital de entrada produzindo um sinal digital de saída. A Figura 2 a seguir, é uma representação típica de um filtro digital. 13

4 Figura 2. Filtro Digital, com sinal de entrada ruidoso e sinal de saída sem ruído. O relacionamento entre o domínio do tempo e o domínio da freqüência pode ser utilizado para explicar porque o filtro Brick Wall ou Parede de Tijolos não existe. O filtro Brick Wall seria a resposta ideal para um filtro digital, ou seja, efetuar o corte somente na freqüência selecionada, o que não existe. A razão pela qual um filtro Brick Wall não pode ser construído é pela relação entre o domínio do tempo e o domínio da freqüência. Apenas porque uma função da etapa de tensão (uma mudança repentina no domínio de tempo) tem os componentes da freqüência que se estende através de uma banda maior, uma função da etapa no domínio da freqüência tem os componentes da tensão que estendem através de um período de tempo maior. Mais importante ainda, é que ele pode ser utilizado para explicar como é o funcionamento de um filtro digital de resposta ao impulso finito. Essa relação da resposta ao impulso com um filtro Brick sin( x) Wall, que tem o inserido no domínio do tempo. Se tal impulso é aplicado na x entrada do filtro, a energia da freqüência espectral na saída será a mesma que a resposta em freqüência do filtro. Isto ocorre porque o espectro de saída do filtro é o espectro de entrada do filtro multiplicado pela freqüência de resposta. A resposta ao impulso mensurada no domínio do tempo na saída do filtro terá consequentemente uma forma que possa ser relacionada à resposta da freqüência mensurada no domínio da freqüência. Filtros digitais são usualmente classificados pela duração da resposta ao impulso, o qual pode ser finito ou infinito [6, 7]. O sistema de processamento do sistema desenvolvido utiliza a filtragem digital, para eliminar os componentes indesejáveis que são inseridos no sinal cardíaco, durante a aquisição. Foram implementados filtros FIR, ou seja, um filtro com impulso único e duração finita Filtros FIR Uma propriedade inerente dos filtros digitais FIR é que eles podem realizar uma resposta em freqüência com fase linear. Reconhecendo que uma resposta em fase linear corresponde a um retardo constante, o problema da aproximação no projeto de filtros digitais FIR torna-se então muito simplificado. Pode-se admitir que h[n] denote a resposta ao impulso de um filtro digital FIR, definida como a transformada inversa de Fourier de tempo discreto da resposta em freqüência. Admite-se que M denote a ordem do filtro, correspondente a um comprimento de filtro M, ímpar. Para projetar o filtro é necessário que sejam determinados os coeficientes do filtro, h[n] = 0, 1,...,M-1, de forma que a resposta em freqüência real do filtro, forneça uma boa aproximação para uma resposta em freqüência desejada ao longo do intervalo de freqüência. Existem vários métodos para projeto de filtros FIR. Dentre eles, podemos citar o método das 14

5 séries de Fourier (ajanelamento). O método das séries de Fourier oferece um método muito simples e flexível de computar os coeficientes para o filtro FIR. A principal atração do método de amostragem de freqüência permite uma realização recursiva dos filtros FIR, que pode ser computado com eficiência [7]. O processamento digital utilizando filtros FIR, requer que sejam selecionados alguns parâmetros de configuração para o filtro, dentre eles: o tipo de filtro (passa-alta, passa-baixa, passa-banda e rejeita-banda), também é necessário escolher a ordem, que é o comprimento do filtro. Através desses parâmetros, tipo, ordem e freqüência de corte, são calculados os coeficientes do filtro. Após o cálculo dos coeficientes, é realizada a filtragem do sinal. Na Figura 3 a seguir, é possível visualizarmos a applet desenvolvida que é responsável pela plotagem e processamento do sinal cardíaco para o médico/especialista. Na parte superior é possível observar um registro cardíaco que contém inserido ao sinal componentes (ruídos) que não fazem parte do mesmo. Na parte inferior nota-se a filtragem do sinal, realizada com um filtro FIR Passa Baixa, de ordem 25 e freqüência de corte igual a 115Hz. É considerável a diferença entre os sinais plotados, uma vez que o processo de filtragem elimina os ruídos do sinal. Figura 3. Applet responsável pela plotagem e processamento do sinal. Na Figura 4 a seguir, podemos visualizar o processamento do mesmo registro, porém com um parâmetro diferente que foi passado para o filtro FIR. Neste caso, foi selecionado um filtro banda passante, de ordem 25, e freqüências de corte igual a 15 e 85Hz, respectivamente. Também foi selecionado o ajanelamento de Hanning. 15

6 6. Conclusão Figura 4. Applet responsável pela plotagem e processamento do sinal. Por ser uma idéia precursora na Medicina, um sistema de processamento e difusão de sinais cardíacos na WEB possui muitas vantagens em relação aos sistemas similares. Partindo do princípio que não é um sistema que se destina a somente uma máquina, e sim a uma rede composta de bilhões de máquinas torna-o de grande importância para a agilidade e a qualidade no atendimento médico, possibilitando assim uma maior velocidade na análise dos registros cardíacos, na organização dos resultados, na redução de papéis armazenados, além de um ambiente computadorizado. Através deste sistema, a acurácia e a precisão do diagnóstico realizado pelo médico/especialista serão maiores e em um período de tempo menor. Além de tornar possível o processamento dos registros cardíacos, a facilidade de acesso em qualquer lugar e a qualquer hora, transforma em uma ferramenta poderosa e de extrema utilidade tanto para o médico/especialista, quanto para o paciente, que tem um diagnóstico quase que imediato. 7. Referências [1] GUYTON, Arthur C.; HALL, Jonh E. Textbook of Medical Phisiology. 9th ed. USA : W.B.Sauders Company, [2] GANONG, Willian F. Fisiologia Médica. São Paulo, Atheneu Editora São Paulo S.A., [3] SCHAUF, C.L., MOFFETT, D.F., MOFFETT, S.B. Fisiologia Humana. Guanabara Koogan, [4] BRONZINO, Joseph D. The Biomedical Engineering HandBook. Florida, EUA. CRC Press LLC [5] ALBUQUERQUE, Márcio P. ALBUQUERQUE, Marcelo P. Processamento Digital de Sinais e Imagens Notas de Aula. Disponível em: Acessado em 20/11/2006. [6] LYONS, Richard G. Understanding Digital Signal Processing. NJ: PRENTICE HALL [7] WINDER, Steve. Analog and Digital Filter Design. 2ed. Woburn, USA. Elsevier Science