No telemóvel o sinal recebido é desmodulado digitalmente e o ECG é filtrado e analisado.

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1 Resumo Sistema de monitorização e análise do ECG baseado em telemóvel para geração automática de mensagens de emergência em situações de acidentes cardiovasculares graves. No presente invento é apresentado um sistema de monitorização e análise do traçado ECG com geração automática de chamadas de emergência a partir de equipamento electrónico dedicado e de um telemóvel. Um circuito amplificador, acoplado ao microfone de um auricular Bluetooth, envia as medições do sinal electrocardiográfico para o telemóvel ao qual se encontra emparelhado. O sinal adquirido é desmodulado e filtrado e posteriormente analisado. Em caso de detecção de anomalia cardíaca, por exemplo acidente cardiovascular (ACV) ou arritmias, é automaticamente gerada uma mensagem de emergência contendo todos os dados importantes para uma rápida identificação do utilizador assim como as suas coordenadas de GPS, de forma a permitir uma rápida assistência por parte do serviço de emergência. O módulo de aquisição do sinal de electrocardiograma (ECG) assim como o auricular Bluetooth ao qual está ligado, são de dimensões reduzidas e estão ligados ao peito do paciente através de uma cinta de fixação. As reduzidas dimensões do sistema permitem a sua utilização de forma a provocar o menor incómodo possível ao paciente. O circuito electrónico dedicado, destinado à aquisição do sinal de ECG é essencialmente constituído por um conjunto de andares amplificadores que amplificam a diferença de tensões entre as duas derivações e que ao mesmo tempo atenuam o ruído de alta frequência de origem eléctrica e fisiológica que corrompe geralmente o sinal de ECG. O último andar é um modulador de largura de impulso (Pulse Width Modulator PWM) cuja portadora é modulada pelo ECG amplificado de forma a permitir a sua transmissão pelo canal de áudio do auricular Bluetooth. No telemóvel o sinal recebido é desmodulado digitalmente e o ECG é filtrado e analisado. O programa de análise permite detectar anomalias cardíacas tais como arritmias sinusais, bloqueios de ramo, taquicardias sinusais, fibrilhações auriculares, bradicardias sinusais, entre outras. Consoante o tipo de anomalia detectada, a frequência e duração com que ocorrem, podem ser geradas chamadas de emergência para notificar o médico ou, em caso de anomalias catastróficas, um serviço

2 de emergência médica que rapidamente possa socorrer o paciente. Em todos os casos, o ECG é armazenado no cartão de memória do telemóvel e as anomalias são todas anotadas e registadas numa lista de eventos de forma a permitir uma inspecção rápida de todo o ECG sempre que o médico assim o deseje. Figura para publicação Figura 1 - Sistema de análise e geração automática de chamadas de alarme de acidente cardiovascular. 1- Telemóvel 2- Ligação Bluetooth 3- Circuito de aquisição, amplificação e modulação do sinal ECG 4- Cinta elástica para fixação do sistema ao corpo do doente 5- Ponto de massa 6- Ponto de contacto negativo 7- Ponto de contacto positivo 2

3 Descrição Sistema de monitorização e análise do ECG baseado em telemóvel para geração automática de mensagens de emergência em situações de acidentes cardiovasculares graves. No presente evento é apresentado um sistema de aquisição, processamento, monitorização e análise em tempo real do electrocardiograma humano através de um telemóvel para detecção de anomalias cardíacas graves e correspondente geração automática de mensagens telefónicas de emergência para um serviço de emergência médica. Palavras-chave Biomedicina, ECG, Telemóvel, Bluetooth, ACV Estado da arte Os problemas cardíacos são uma das principais causas de morte na população ocidental. De acordo com dados do Instituto Nacional de Estatística Português (Davidson, 2006), estima-se que no ano 2003, as doenças vasculares cerebrais e cardio-vasculares sejam a causa directa de morte a 26,3% dos portugueses. Neste tipo de acidentes a rapidez da resposta no socorro aos pacientes é uma questão de vida ou de morte e assim o desenvolvimento de sistemas de monitorização e geração automática de mensagens de emergência são de grande utilidade. Esta invenção descreve um equipamento altamente portátil, baseado num telemóvel, que recolhe e analisa em tempo real a actividade cardíaca do seu utilizador de forma a aproveitar a elevada capacidade de processamento, armazenamento e transmissão dos telemóveis actuais para desenvolver um sistema altamente sofisticado para gerar chamadas de emergência em caso de falhas catastróficas do músculo cardíaco. Desta forma pretende-se reduzir de forma significativa o tempo da resposta médica neste tipo de acidentes. Actualmente existem no mercado vários equipamentos portáteis para adquiri o ECG assim como várias patentes registadas relacionadas com o ECG. Por exemplo a Apparatus and Method for Cordless Recording and Telecommunication 1

4 Transmission of Three Special ECG Leads and Their Processing, United States Patent Nesta patente, é descrito um sistema de recolha do sinal ECG que no caso de ocorrência de uma situação urgente envia os dados para um centro de diagnóstico, um PC ligado a um telemóvel. O envio dos dados é feito por um outro telemóvel utilizado pelo doente que se encontra acoplado a um dispositivo de medição do sinal ECG. Nesta patente, o telemóvel serve apenas para efectuar a transmissão dos dados do utilizador para o centro de diagnóstico. Um outro sistema de aquisição e monitorização do sinal ECG é o descrito na patente, Portable ECG Monitor/Recorder, United States Patent Neste caso, o sistema de recolha efectua a medição e gravação do sinal ECG apenas quando o utilizador agarra em dois eléctrodos específicos. Posteriormente, existe a hipótese de agregação do aparelho a um modem para possibilitar uma transmissão do sinal recolhido para um dispositivo externo. Em Mobile Telephone with a GPS Receiver and EKG Electrodes, United States Patent , é descrito um sistema que utiliza dois ou quatro sensores para adquirir o sinal ECG, modula-o de uma forma adequada para transmissão para ser posteriormente transmitido. Este sistema corre num telemóvel com capacidade de armazenamento, de transmissão e de recepção e a ênfase é colocada na correcta identificação e localização do paciente de forma a garantir uma acção de emergência o mais pronta possível. No entanto, contrariamente à nossa proposta, esta patente não analisa o ECG em tempo real e a realização da chamada de emergência está dependente da acção do paciente ou de uma outra qualquer pessoa que o tente socorrer. Existem mais alguns tipos de equipamentos, tanto de medição como de monitorização do sinal cardíaco, mas nenhum com as características apresentadas no equipamento descrito nesta patente, designadamente, que utilizem o canal de áudio do auricular Bluetooth para transmitir o sinal de ECG, que analisem o sinal ECG directamente no telemóvel e que usem o telemóvel para realizar chamadas de emergência automáticas em caso de acidente vascular. Esta invenção descreve um sistema de aquisição e monitorização do sinal ECG em tempo real através de um telemóvel. A característica mais importante da invenção proposta neste documento é a análise em tempo real do ECG no próprio telemóvel e a realização de uma chamada de emergência independentemente da vontade do paciente. 2

5 O objectivo é utilizar o grande poder de cálculo, de armazenamento e de comunicação dos telemóveis actuais, disseminados por todo o mundo, para obter um sistema de medição e monitorização do sinal ECG sofisticado, sem utilizar circuitos dedicados de processamento que são em geral dispendiosos. O sistema é composto por um auricular Bluetooth comercial ao qual foi física e electricamente acoplado um sistema de medição e amplificação do sinal ECG. A informação é enviada para o telemóvel pelo canal de voz de um auricular Bluetooth através de uma portadora modulada em PWM (Pulse Width Modulation Modulação por largura do impulso) e que é desmodulada digitalmente no telemóvel. O algoritmo de processamento do sinal de ECG é uma máquina de estados que permite a análise do sinal de forma a detectar vários tipos de anomalias cardíacas e actuar consoante o nível de gravidade da anomalia detectada. Em caso de anomalias graves o algoritmo envia uma mensagem de aviso com os dados pessoais do utilizador para um serviço de emergência médica de forma a permitir uma intervenção rápida e principalmente de forma independente da vontade do doente em crise. Caso o telemóvel utilizado contenha GPS, este sistema aproveitará a capacidade do telemóvel, enviando juntamente com a mensagem de emergência as coordenadas GPS de forma a permitir a localização exacta do paciente. 3

6 Antecedentes e descrição do invento O electrocardiograma (ECG) é uma representação gráfica da actividade eléctrica do coração reflectindo a actividade do pacemaker natural que comanda o ritmo cardíaco assim como a actividade nos circuitos eléctricos responsáveis pela propagação deste sinal de sincronismo a toda a superfície cardíaca. O ECG reflecte as correntes de polarização e de despolarização que percorrem a superfície do músculo cardíaco e que são responsáveis pela contracção e relaxação síncronas dos ventrículos e das aurículas, tal como se pode ver na Figura 2. Figura 2 Figura ilustrativa das correntes que percorrem o coração. Cada batimento cardíaco começa com um impulso do pacemaker fisiológico principal do coração, o nó sinoauricular. Este impulso, activa primeiro as cavidades superiores do coração, as aurículas, representando esta activação na onda P. Seguidamente, a corrente eléctrica flui na direcção das câmaras inferiores do coração, os ventrículos, originando assim o complexo QRS que representa a activação destes. A onda T representa a onda de recuperação, enquanto a corrente eléctrica se difunde para trás, sobre os ventrículos na direcção oposta. Existe ainda uma onda U, mas nem todos os ECG a representam, por apresentar um valor de tensão muito baixo tornando-a de difícil detecção. Para registar um ECG, colocam-se pequenos contactos metálicos (eléctrodos) sobre a pele do lado esquerdo do tórax do doente, em locais estrategicamente seleccionados, de forma a permitir a medição/estimação da intensidade e direcção das correntes eléctricas que se propagam ao longo do coração em cada ciclo cardíaco. A forma do ECG depende 4

7 fortemente da localização dos eléctrodos (tipo de derivação) e portanto o seu posicionamento deve ser feito de acordo com uma das configurações normalizadas contidas no triângulo de Eindhoven, de forma a permitir uma correcta interpretação do sinal de ECG adquirido. Nesta invenção utiliza-se a derivação tipo II em que são usados três eléctrodos posicionados no lado esquerdo do tórax do doente, tal como se pode observar na. Figura 3 - Triângulo de Einthoven O sinal de ECG em cada ciclo cardíaco, obtido com esta derivação, é caracterizado por um conjunto típico de parâmetros que têm que ser estimados de forma a permitir desvios em relação ao traçado considerado normal, representado na Figura 4, e desta forma, identificar diferentes tipos de anomalias. Figura 4 Traçado típico do ECG na derivação tipo II. Os principais parâmetros a estimar são a amplitude e posição (atraso) das principais estruturas presentes no ECG 5

8 normal: ondas P, QRS, T e U e os respectivos intervalos entre eles, nomeadamente PR e QT. 6

9 Descrição do sistema Esta invenção, representada na Figura 1, é constituída por 3 componentes principais: i) circuito electrónico para a aquisição analógica e modulação em PWM (pulse width modulation) do sinal ECG, ii) auricular Bluetooth (adaptado) para transmitir para o telemóvel o sinal de ECG modulado e iii) um programa a correr no telemóvel que desmodula, analisa e armazena sinal de ECG, que detecta algumas anomalias do ECG e que gera os alarmes respectivos. Os possíveis alarmes podem ir de simples anotações no ECG armazenado no cartão de memória para que o médico os possa analisar mais tarde a chamadas para serviços de emergência médica em casos de falhas catastróficas do coração como sejam ataques cardíacos ou arritmias severas. Sistema de Aquisição O sistema de aquisição, representado em esquema na Figura 5, é composto por um primeiro andar de elevado ganho que amplifica a tensão correspondente à tensão associada à derivação II, representada na. Os andares seguintes são amplificadores passa baixo com ajuste de ganho e de offset. O último andar é um modulador de largura de pulso (Pulse Width Modulator PWM). Desta forma o valor médio do sinal modulado varia com o sinal modulante o que permite, no telemóvel, implementar um desmodulador digital computacionalmente eficiente constituído por filtro passa baixo de janela deslizante. A frequência base da portadora é de 1kHz para que o pulso quadrado de largura variável não seja severamente distorcido ao passar pelo canal de áudio que possui uma largura de banda de 4kHz. O sinal modulado é directamente injectado no circuito do microfone do auricular Bluetooth para ser transmitido para o telemóvel. As baterias de alimentação deste módulo de aquisição podem ser substituídos facilmente de forma a permitir uma monitorização de 24 sobre 24 horas. Figura 5 Sistema de aquisição e modulação em PWM (pulse width modulation) do sinal de ECG 7

10 Análise do sinal ECG e geração dos alarmes. Nesta invenção, após a recepção e desmodulação do sinal, o sinal é analisado de acordo com o fluxograma apresentado na Figura 6 com o objectivo de obter os intervalos P, QRS, T, PR, QT e ainda o ritmo cardíaco que são os parâmetros utilizados na caracterização e detecção das possíveis anomalias cardíacas. Figura 6 - Diagrama de funcionamento do programa para determinação dos intervalos de ondas necessários à correcta detecção de anomalias cardíacas 8

11 Tal como se pode ver pela figura anterior, o sistema procura os picos positivos (P, R e T) do sinal. Após a detecção de um desses picos, é chamada uma função que recebe o sinal cardíaco e a posição do pico e devolve o inicio e fim da onda em causa. No caso das ondas P e T, a função procura o ponto para o qual o sinal deixa de diminuir encontrando assim o inicio da onda, para a procura antes do pico, e o fim da mesma, para o caso da procura ser feita para pontos a seguir ao pico, visível na Figura 2. No caso do complexo QRS, a função recebe o pico R e executa o algoritmo descrito no parágrafo anterior detectando assim os picos negativos Q e S, continuando a procura pelos pontos onde a tensão deixa de crescer encontrando assim o inicio do QRS e o fim do QRS, visível na Figura 2. Sempre que é encontrada uma onda é verificado se a ou as ondas anteriores esperadas existiram, actualizando as variáveis caso isso não tenha acontecido. Após encontrar a onda T ou, caso esta não exista, encontrar a onda P, o sistema possuirá todos as medidas necessárias à detecção de anomalias. O processo de análise residente no telemóvel deverá efectuar as seguintes operações: 1) Automaticamente estabelecer a comunicação com o auricular Bluetooth para adquirir o sinal modulado, 2) Filtrar passa baixo o sinal modulado com um filtro de janela deslizante para remover o ruído e ao mesmo tempo calcular o seu valor médio que está relacionado com o valor do ECG, desmodulando desta forma a portadora transmitida pelo canal de áudio 3) Processar o sinal desmodulado para detectar o seguinte conjunto de anomalias: a) Paragem cardíaca b) Taquicardia Atrial c) Sindroma Wolff-Parkinson-white d) Bloqueio Atrioventricular de primeiro grau e) Fibrilação auricular f) Bradicardia sinusal g) Taquicardia sinusal h) Bloqueio de ramo i) Arritmia sinusal 9

12 Tabela 1 Anomalias detectadas e respectivas acções a tomar Anomalia Descrição Acção Paragem Cardíaca Quando não é detectado o complexo QRS durante mais de 10 segundos ou quando a sua ausência ocorre repitamente durante 20 segundos. Taquicardia Atrial Ritmo cardíaco elevado, maior que 100bpm, duração das ondas P inferior a 0.06s ou superior a 0.1s e duração dos Sindroma Wolff- Parkinson-white Bloqueio Atrioventricular de primeiro grau Fibrilação auricular Bradicardia sinusal Taquicardia sinusal Bloqueio de Ramo intervalos entre ondas P superior ao normal. Duração do QRS igual ou superior a 0.12s, ritmo cardíaco maior que 100bpm e intervalo PR menor que 0.12s. Intervalo entre o início da onda P e o início do complexo QRS é superior a 0.22s, a onda P e o intervalo QRS entre 0.06s e 0.1s. Sinal irregular ao longo de 10 segmentos sem onda P e com complexos QRS irregulares. Ritmo cardíaco baixo, menor que 60bpm e intervalos P constantes. Ritmo cardíaco elevado, maior que 100bpm. Duração do QRS igual ou superior a 0,12 segundos. Arritmia sinusal Ritmo cardíaco inferior a 60bpm e intervalos P variáveis. Uma chamada de alarme é executada automaticamente para um sistema de emergência médica para que o paciente possa ser socorrido o mais rapidamente possível. É gerado um sinal sonoro e é enviada uma mensagem para o médico e para um familiar do doente. 10

13 4) Para cada anomalia detectada são tomadas as acções listadas na Tabela 1. 5) Em caso de falência catastrófica será gerada uma mensagem de emergência com os dados do utilizador e a respectiva posição de GPS 6) O programa gera um alarme sonoro quando a carga da bateria do auricular ou do telemóvel está a terminar, para que se possa substituir sem interromper o serviço. Nesta invenção descreve-se um sistema sofisticado de aquisição contínua e análise do electrocardiograma (ECG) usando a elevada capacidade computacional, de armazenamento e de transmissão dos telemóveis actuais. A utilização de um auricular Bluetooth comercial normal permite reduzir substancialmente a complexidade dos circuitos electrónicos dedicados associados a este sistema. O circuito electrónico de aquisição está implementado em tecnologia SMD (Surface Mount Device) o que permite a sua implementação com dimensões muito reduzidas. Lisboa, 3 de Agosto de

14 Resumo das características e vantagens do invento 1) Sistema de monitorização do sinal ECG para a detecção em tempo real de anomalias cardíacas 2) O sinal de ECG, adquirido por um circuito electrónico localizado no peito do paciente, é enviado para um telemóvel através do canal de voz/áudio de um auricular Bluetooth normal ao qual o circuito de electrónico de aquisição do ECG está acoplado através do microfone. 3) O sinal de ECG, modulado em PWM e enviado para o telemóvel pelo circuito do microfone do auricular, é desmodulado pelo software a correr no telemóvel que analisa o sinal do ECG em tempo real. 4) O software que analisa o sinal do ECG foi desenhado para detectar as seguintes anomalias cardíacas, ou outras que posteriormente serão introduzidas no sistema e que se baseiem no traçado do ECG. a. Paragem Cardíaca b. Bloqueio de ramo c. Hipertrofia Ventricular; d. Taquicardia Atrial; e. Sindroma Wolff-Parkinson-White; f. Bloqueio Atrioventricular de 1 Grau; g. Fibrilhação Auricular; h. Bradicardia Sinusal; i. Taquicardia Sinusal; j. Arritmia Sinusal; 5) O sistema permite a inclusão de informação adicional sobre a história clínica do paciente de forma a melhor caracterizar a gravidade do evento. 6) Para algumas destas anomalias, designadamente para a paragem cardíaca, o programa de análise realiza automaticamente uma chamada de emergência para um serviço de emergência médica com a identificação e localização (coordenadas GPS) do paciente para que este seja o mais rapidamente socorrido. 7) Sistema de monitorização do ECG em tempo real para detecção de anomalias cardíacas. De acordo com a reivindicação 1, é caracterizado por um auricular comercial, onde é externamente acoplado um sistema de medição do sinal ECG, para a medição da actividade cardíaca do seu utilizador, cujo traçado é enviado para um telemóvel com o qual o auricular se encontra 1

15 emparelhado, sendo que o subsistema do auricular é composto por: a) Um auricular comercial Bluetooth emparelhado com um telemóvel com os sistemas operativos compatíveis, e b) Um circuito electrónico amplificador para aquisição do traçado do ECG através da medição e cálculo da diferença entre as tensões medidas em três eléctrodos. c) Os três eléctrodos referidos em b) estão em contacto com a pele do peito do utilizador, posicionados de acordo com a derivação tipo II do triângulo de Eindhoven, através dos quais o sinal do ECG é obtido d) Um circuito electrónico, que contem modulador de largura de impulso (Pulse Width Modulator PWM) e que modula uma portadora rectangular de 300Hz com o sinal de ECG proveniente do circuito de amplificação referido em b) e) A Portadora modulada em PWM é injectada no circuito do microfone do auricular para ser transmitida para o telemóvel; 8) Sistema de monitorização do sinal ECG e de detecção de anomalias cardíacas, de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado por o auricular ser automaticamente activado pelo telemóvel, e o sinal com a informação do sinal cardíaco ser recebido no telemóvel, descodificado, e analisado, da seguinte forma: a) O telemóvel inquire o auricular Bluetooth continuamente recolhendo amostras do sinal cardíaco; b) A informação recolhida é processada localmente no telemóvel de forma a calcular os intervalos entre ondas R, calculando assim o ritmo cardíaco, assim como as durações de todos os intervalos de ondas relevantes para um correcto diagnóstico de doenças cardíacas, tais como, o intervalo PR, QRS, QT, P e T.; c) O sinal de ECG, recebido e demodulado no telemóvel e automaticamente anotado, é armazenado no cartão de memória do telemóvel e pode ser graficamente representados no telemóvel. 9) Sistema de monitorização do sinal ECG para detecção automática de anomalias cardíacas de acordo com as reivindicações anteriores, é caracterizado por não introduzir degradação no sinal ECG recolhido apesar da amostragem adaptativa destinada à redução da energia consumida pelo auricular. 10) Software para monitorização do sinal ECG para detecção de anomalias cardíacas de acordo com a reivindicações anteriores, caracterizado por: 2

16 a) Automaticamente estabelecer a comunicação com o auricular Bluetooth para adquirir o sinal modulado em largura de impulso (Pulse Width Modulation PWM) que contem a informação em tempo real da actividade cardíaca do utilizador; b) Efectuar uma filtragem, do tipo janela deslizante, que além de eliminar o ruído também desmodula o sinal recolhido. c) Analisar o sinal obtido através do auricular Bluetooth e detectar possíveis anomalias cardíacas no sinal recolhido, designadamente paragem cardíaca, arritmias, taquicardias e bradicardias d) Gerar mensagens automáticas de emergência em caso de detecção de anomalias cardíacas severas, tais como paragens cardíacas ou arritmias persistentes ou de longa duração, com os dados do utilizador assim como a sua posição de GPS; e) Gerar um alarme quando a carga da bateria do auricular ou do telemóvel está a terminar; f) Guardar o sinal de ECG adquirido no cartão de memória do telemóvel anotado com a localização das anomalias automaticamente detectadas. g) Permitir enviar o ECG armazenado para um centro médico ou hospitalar através de MMS ou . Lisboa, 3 de Agosto de