ANEXO 2. TÍTULO DO PROJETO: Desenvolvimento de um protótipo para aquisição de sinais de ECG

Transcrição

1 ANEXO 2 INSTITUCIONAL/IFSP PROJETO DE PESQUISA TÍTULO DO PROJETO: Desenvolvimento de um protótipo para aquisição de sinais de ECG Área do Conhecimento (Tabela do CNPq): RESUMO No Brasil, de acordo com dados do Ministério da Saúde em 2013, as maiores causas de óbito são em decorrência de doenças do aparelho circulatório. Destas mortes, 31,5% são de patologias relacionadas com doenças isquêmicas do coração. O principal exame feito para diagnosticar doenças cardiovasculares é o Eletrocardiograma (ECG), um exame não invasivo que registra graficamente a atividade elétrica do coração. O exame é realizado através de um equipamento denominado Eletrocardiógrafo e o sinal elétrico é captado com o uso de eletrodos metálicos posicionados no corpo do paciente. O presente trabalho propõe o estudo e projeto de um circuito elétrico capaz de fazer a captação dos sinais elétricos do coração. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA De acordo com dados da Organização Mundial de Saúde (OMS), as doenças cardiovasculares são a principal causa de morte no mundo (principalmente as doenças do coração) (ELGENDI et al., 2014; ZHANG, WANG & CHEN, 2011; KO et al., 2012). No Brasil, de acordo com dados do Ministério da Saúde em 2013, as maiores causas de óbito são em decorrência de doenças do aparelho circulatório. Destas mortes, 31,5% são de patologias relacionadas com doenças isquêmicas do coração (DATASUS, 2013). Esses dados mostram a importância dos equipamentos que fazem o diagnóstico precoce de doenças do coração. O principal exame feito para diagnosticar doenças cardiovasculares é o Eletrocardiograma (ECG) (YEN, CHANG & YU, 2013), um exame não invasivo, de baixo custo, que registra graficamente a atividade elétrica do coração (WANG et al., 2008). O equipamento responsável por gerar o ECG é o eletrocardiógrafo. 2.1 Ciclo Cardíaco O ciclo cardíaco consiste de um período de relaxamento (diástole), período em que o coração se enche de sangue, seguido por um período de contração (sístole). Cada ciclo cardíaco é desencadeado por uma geração espontânea de um potencial de ação (potenciais elétricos que são gerados decorrentes das diferenças de concentrações de íons entre o meio intracelular e o meio extracelular), no nodo sinusal (conjunto de células auto-excitáveis). O nodo fica situado na parte superior da parede lateral do átrio direito, e o potencial de ação passa rapidamente pelos

2 dois átrios para, em seguida, atingir os ventrículos (em um tempo de aproximadamente 1/10s). Esse atraso permite que os átrios se contraiam antes dos ventrículos, funcionando como bombas de escorva para os ventrículos que fornecem a maior parte da força que vai propelir o sangue pelo corpo (GUYTON & HALL, 2010). 2.2 Eletrocardiograma O exame do ECG é realizado com o uso de eletrodos metálicos posicionados no corpo do paciente e registra a variação das diferenças de potenciais entre dois eletrodos (LEE et al., 2011; WANG et al., 2008). A amplitude do sinal captado pelos eletrodos é extremamente baixa. Mesmo o sinal mais forte que se pode captar possui uma amplitude menor do que 10mV, o que torna necessário a utilização de amplificadores. Normalmente, a amplitude captada está situada entre 0.05mV 10mV (KUMAR, 2010). A Figura 1 apresenta a curva característica de um eletrocardiograma (em um ciclo cardíaco). A curva é o resultado da superposição de todos os potenciais de ação em cada parte do músculo cardíaco, começando pelo nodo sinusal. Figura 1 - Eletrocardiograma de um ciclo cardíaco. O sinal ECG é resultado da superposição de todos os potenciais de ação (KESTO, 2013). É possível visualizar no ECG cinco ondas principais: P, Q, R, S e T. Cada onda aparece no ECG em momentos específicos da contração e relaxamento de determinadas partes do músculo cardíaco. A onda P é causada pela despolarização dos átrios (dando início a contração atrial). Cerca de 0,16s depois do início da onda P surge o complexo QRS, resultado

3 da despolarização dos ventrículos (dando início a contração ventricular). A onda T ventricular representa a repolarização dos ventrículos (aparece um pouco antes do fim da contração ventricular) (GUYTON & HALL, 2010). A frequência fundamental para o complexo QRS na superfície do corpo é de aproximadamente 10Hz e a maioria das informações necessárias para o diagnóstico de doenças do coração estão situadas abaixo de 100Hz em adultos. Na prática, frequências abaixo de 0.5Hz não são comuns (o que corresponde a uma frequência cardíaca de 30bpm) (MASON, HANCOCK & GETTES, 2007). A filtragem do sinal ECG dentro da faixa de 1Hz a 30Hz produz um sinal estável, normalmente livre de artefatos. Porém, essa largura de banda não é utilizada normalmente para diagnósticos, e sim para monitoramento pois produz distorções nas componentes de alta e baixa frequências (MASON, HANCOCK & GETTES, 2007). Normalmente, existem três etapas básicas para a geração de um sinal de ECG: aquisição, amplificação e filtragem. A Figura 2 apresenta uma amostra de um circuito elétrico para aquisição dos sinais elétricos do coração produzida pela Texas Instruments no Datasheet do amplificador de instrumentação INA128 na qual é possível visualizar 2 etapas: aquisição e amplificação. É uma configuração básica com uso de 3 diferentes eletrodos posicionados no corpo do paciente: um no braço direito, outro no braço esquerdo e, um terceiro, na perna direita. O amplificador de instrumentação irá amplificar a diferença dos sinais captados pelos eletrodos RA e LA (no exemplo da figura o amplificador possui um ganho de 10). O eletrodo na perna direita, conectado à saída de um amplificador operacional auxiliar, é comumente utilizado para a redução do ruído de modo comum (INSTRUMENTS, 1995)(NETO et al., 2012). Figura 2 - Amostra de um circuito de aquisição do sinal ECG com eletrodo da perna direita (INSTRUMENTS, 1995) Importante salientar que existem inúmeros artefatos que interferem de maneira destrutiva no sinal analisado, tais como: movimento do corpo ao fazer a captação do sinal (músculos), respiração (ruído de baixa frequência) e ruídos provenientes da rede elétrica (50Hz/60Hz) (MASON, HANCOCK & GETTES, 2007; WEBSTER, 1998). Para eliminação desses ruídos faz-se necessário a utilização de filtros analógicos.

4 3. OBJETIVOS Objetivo Geral: Projetar um circuito elétrico para captação de sinais elétricos do coração Objetivos Específicos: Estudar a fisiologia do sistema circulatório Compreender os conceitos de filtros elétricos e amplificadores operacionais e de instrumentação Estudar os ruídos gerados por diferentes fontes nos sinais elétricos captados do coração 4. MATERIAIS E MÉTODOS Serão utilizados os seguintes materiais para a elaboração do projeto proposto: Protoboard Componentes Eletrônicos Básicos (Resistores, Capacitores, Leds, Diodos) Amplificadores Operacionais e de Instrumentação Eletrodos Baterias 9V Placa Arduino Uno Rev 3 Osciloscópio Multímetro Digital Computador Pessoal Software LtSpice Inicialmente será feita uma revisão bibliográfica em revistas científicas da área e um estudo sobre a fisiologia do sistema circulatório. Como o projeto é multidisciplinar, o pleno entendimento de como ocorre todo o processo de condução elétrica no coração é extremamente necessário para o projeto do circuito elétrico de aquisição dos sinais de ECG. Além disso, deve-se fazer um estudo sobre os amplificadores operacionais, de instrumentação e um estudo sobre filtros analógicos. Será utilizado o software LtSpice, um simulador de circuitos elétricos, para auxiliar no projeto do circuito e verificar o funcionamento dos componentes utilizados. O protótipo do circuito será feito utilizando os materiais citados acima. Serão feitos exaustivos testes com diferentes amplificadores e configurações de filtros a fim de verificar a melhor configuração para eliminação dos ruídos e captação dos sinais ECG. O presente projeto é parte de um trabalho maior que propõe o desenvolvimento de um eletrocardiógrafo portátil de baixo custo com uso de Smartphones Android para monitoramento do sinal ECG. Esse projeto maior será enviado para um edital (interno ou externo ao IFSP) para viabilizar o ingresso de mais alunos no desenvolvimento do trabalho.

5 5. PLANO DE TRABALHO Tabela 5.1 Metas estabelecidas para a pesquisa. METAS DESCRIÇÃO 1 Revisão Bibliográfica 2 Estudo da Fisiologia do Sistema Circulatório 3 Estudo de amplificadores operacionais e de instrumentação 4 Estudo de filtros de frequência (ativos e passivos) 5 Implementação do projeto e protótipo do circuito elétrico 6 Entrega do Relatório Parcial- até 10/06/15 7 Testes e análise dos resultados 8 Entrega do Relatório Final até 30/11/2015 Tabela 5.2 Cronograma proposto para cumprimento das metas. MESES METAS MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV 1 X X X 2 X 3 X X 4 X X 5 X X X X X X X 6 X 7 X X X 8 X 6. VIABILIDADE DE EXECUÇÃO A pesquisa será desenvolvida nas dependências internas do Campus do IFSP. O Campus possui laboratórios de eletrônica com os materiais necessários para o desenvolvimento do projeto. O espaço físico do laboratório será utilizado durante todo o processo de desenvolvimento. 7. RESULTADOS ESPERADOS E DISSEMINAÇÃO O presente projeto resultará em um protótipo de circuito elétrico para captação dos sinais elétricos do coração com o uso de componentes de baixo custo e placa Arduino para a conversão Analógico-Digital. Além disso, será feito um artigo a ser publicado em revista científica da área.

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DATASUS. Datasus: Mortalidade Brasil (2013). Disponível em: < Acesso em: 3 nov ELGENDI, M. et al. Revisiting QRS detection methodologies for portable, wearable, battery-operated, and wireless ECG systems. PLoS ONE, v. 9, GUYTON, A.; HALL, J. Tratado de Fisiologia Médica. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan S.A., p INSTRUMENTS, T. Datasheet: Precision, Low Power Instrumentation Amplifiers: INA128, INA KESTO, N. M. Electrocardiography Circuit Design. Disponível em: s/electrocardiographycircuitdesign.pdf. Acessado em: dezembro de KO, S. Y. et al. A portable ECG recorder. 2nd International Conference on Consumer Electronics, Communications and Networks, CECNet Proceedings, KUMAR, A. Wireless ECG using Bluetooth. [s.l.] Thapar University, LEE, H. C. et al. An ECG front-end subsystem for portable physiological monitoring applications. International Conference on Electric Information and Control Engineering, MASON, J. W.; HANCOCK, E. W.; GETTES, L. S. Recommendations for the standardization and interpretation of the electrocardiogram. Journal of the American College of Cardiology, v. 4, p , NETO, L. A. DE L. et al. Protótipo de um eletrocardiograma portátil com uma derivação e comunicação com celular via bluetooth. Revista Brasileira de Inovação e Tecnologia em Saude, WANG, Y. et al. Analysis of Human Electrocardiogram for Biometric Recognition. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, WEBSTER, J. C. Medical Instrumentation: Application and Design. 3. ed. Nova Iorque: John Wiley & Sons, p. 691 YEN, T.-H.; CHANG, C.-Y.; YU, S.-N. A portable real-time ECG recognition system based on smartphone. Conference proceedings : Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual Conference, v. 2013, p , jan

7 ZHANG, X.; WANG, Y.; CHEN, H. A system of portable ECG monitoring based on Bluetooth mobile phone. IEEE International Symposium on IT in Medicine and Education, dez