ELETROCARDIOGRÁFO DIGITAL PORTÁTIL PARA O MONITORAMENTO DE SINAIS ECG

Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012. ELETROCARDIOGRÁFO DIGITAL PORTÁTIL PARA O MONITORAMENTO DE SINAIS ECG PAULO C. N. CUNHA1, ROBERTA V. V. LOPES1, LUIS C. CORADINE1, LEANDRO D. SILVA1 E CLEUMAR S. MOREIRA2 1 Instituto da Computação, Universidade Federal de Alagoas E-mails: paulo.cunha65@gmail.com, rvvl@hotmail.com, leandrodias@if.ufal.br 2 Coordenadoria de Eletrônica, Instituto Federal de Alagoas E-mails: cleumar.moreira@ifal.edu.br Abstract A portable digital electrocardiograph to ECG signals monitoring is presented here. The conditioning subsystem collect the signals from three electrodes and, by using amplification and filtering processes, provides the ECG monitoring data to the processing subsystem which is based on microcontroller. It digitalizes the data and transmits them to a remote terminal, which has a user-friendly interface in order to visualize ECG signal and cardiac frequency. The design and development of these subsystems are described as like as the experimental results and a comparison with a commercial cardiac signal monitor are also presented. Keywords ECG signals monitoring, microcontroller, digital electrocardiograph Resumo Um eletrocardiógrafo digital portátil para o monitoramento de sinais ECG é apresentado neste trabalho. O subsistema de condicionamento capta os sinais de três eletrodos e, usando processos de amplificação e filtragem, disponibiliza os dados do monitoramento ECG ao subsistema de processamento, baseado em microcontrolador. Este subsistema digitaliza os dados e os transmite para um terminal remoto, que contém uma interface amigável para visualização do sinal ECG e batimento cardíaco. O projeto e desenvolvimento dos subsistemas são descritos, assim como são apresentados os resultados experimentais e uma comparação realizada com um monitor de sinais cardíacos comercial. Palavras-chave Monitoramento de sinais ECG, Microcontrolador, Eletrocardiógrafo digital 1 Introdução Um sistema de monitoramento cardíaco foi proposto recentemente através do projeto de cooperação acadêmica entre o Mestrado Multidisciplinar em Modelagem Computacional de Conhecimento da Universidade Federal de Alagoas e o Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação da Universidade Federal de Pernambuco (PROCAD 1493/2007). O sistema proposto é composto de alguns subsistemas, conforme é ilustrado pelo diagrama de blocos da Figura 1. O eletrocardiograma ou ECG (Figura 1) é o exame primário e essencial para o monitoramento pretendido. O sinal adquirido é, portanto, filtrado (Ramos Júnior, 2011) e as ondas do sinal ECG são detectadas (Melo, 2011). Finalmente, um diagnóstico (Ferreira, 2011) é realizado pela análise das ondas detectadas. Esse diagnóstico visa identificar quaisquer arritmias cardíacas ventriculares presentes no sinal ECG, de forma a auxiliar os laudos emitidos por cardiologistas e proporcionar um atendimento de melhor qualidade, seguido de uma prescrição farmacológica coerente (Ferreira, 2011). Os subsistemas de filtragem, detecção das ondas ECG e diagnóstico utilizaram para sua construção computacional de um algoritmo genético baseado em tipos abstratos de dados GAADT (Lopes, 2003). Neste trabalho é apresentado o eletrocardiógrafo digital que será utilizado para aquisição dos sinais ECG do sistema de monitoramento cardíaco da Figura 1. Trata-se de um dispositivo portátil que utiliza microcontrolador e componentes eletrônicos SMD de baixo custo e fáceis de encontrar para os subsistemas de aquisição, condicionamento e visualização do sinal adquirido, respectivamente. O sinal bruto ECG e adquirido por três eletrodos e, posteriormente, é amplificado e filtrado. Finalmente, tais sinais condicionados são transmitidos remotamente para um computador, no qual os resultados são apresentados ao usuário por uma interface amigável. A teoria de sinais cardíacos e de eletrocardiógrafos, a descrição do projeto e desenvolvimento dos subsistemas componentes do eletrocardiógrafo proposto, testes experimentais, comparação com um dispositivo comercial e análise dos resultados obtidos serão apresentados neste trabalho. 2 Teoria de Sinais ECG O exame eletrocardiográfico ou eletrocardiograma ou ECG, registra graficamente os potenciais de um campo elétrico com origem no coração. Os sinais elétricos são detectados por eletrodos metálicos, em forma de disco, devidamente posicionados na superfície do tórax e em periféricos, o que caracteriza uma técnica de captação não invasiva. É necessária a presença de uma substância fixadora entre o eletrodo e a pele. Além disso, um gel condutor permite que toda a superfície do eletrodo possa captar o sinal, além de minimizar interferências indesejáveis devido à movimentação do eletrodo. A eletrocardiografia convencional é constituída de 12 derivações divididas em dois grupos, seis derivações dos membros e seis derivações precordiais (Tompkins, 1995). A análise da maioria das doenças cardiovasculares é realizada com as derivações DII 2721

(usando três eletrodos) e a precordial V5 (usando seis eletrodos) (Moreira,2002). No eletrocardiógrafo, a captação dos sinais elétricos cardíacos é realizada por eletrodos em forma de disco, devidamente posicionados na superfície do tórax e em periféricos. O sinal detectado pelo eletrodo é então amplificado, filtrado e visualizado. Na figura 4a, o diagrama em blocos de um eletrocardiógrafo é ilustrado. Esse diagrama representa a configuração do eletrocardiógrafo para um sistema de diagnóstico típico. Esse sistema utiliza um eletrodo em cada membro periférico (braços e pernas) e seis eletrodos nas posições precordiais. O circuito de perna direita é usado para reduzir interferência elétrica. Os eletrodos LL, LA e RA (Figura 4a) são conectados à rede de resistores conhecida como central de Wilson, a partir da qual se obtém as derivações de membros I, II, III e as aumentadas avl, avr e avf. Além disso, a isolação elétrica deve fornecer proteção ao paciente contra riscos de choque elétrico. Para sistemas de monitoramento, o diagrama em blocos do eletrocardiógrafo é apresentado na Figura 4b. Normalmente, o sistema de monitoramento usa de três a cinco eletrodos. O circuito de perna direita é também usado para reduzir interferência elétrica, assim como no caso do diagnóstico. Há normas específicas para eletrocardiógrafos no que tange à proteção e elementos de condicionamento e processamento do sinal. Para a fabricação de um eletrocardiógrafo comercial, seguem alguns valores normalmente utilizados para os sistemas de condicionamento e processamento do sinal cardíaco (Cardoso,2010; Bonho, 2006): Impedância da Entrada = 2,5 MΩ; Ganho de amplificação: 1000 db; Faixa de Passagem = 0,01-250 Hz (Diagnóstico) e 0,5-40 Hz (monitoramento). Figura 1 Diagrama de Blocos do Sistema de monitoramento cardíaco proposto pelo PROCAD 1493/2007 As letras P, Q, R, S, T e U são utilizadas para identificar as ondas elétricas produzidas pelo funcionamento do coração. O sinal ECG corresponde às ondas P e T e ao complexo QRS, conforme exibido na Figura 2. Dependendo do estado das ondas elétricas, dos segmentos e dos intervalos do sinal ECG, conforme as derivações utilizadas, anomalias cardíacas podem ser identificadas e diagnosticadas (Moreira,2002; Coutinho,2008; Botelho,2008). A banda de frequência utilizada para aquisição dos sinais ECG depende do tipo de aplicação desejada, conforme pode ser visualizado na Figura 3. A eletrocardiografia clínica demanda uma faixa de frequência entre 0,05 e 100 Hz; já o monitoramento utiliza banda entre 0,5 e 50 Hz. Para determinação da frequência cardíaca, a faixa de frequência utilizada é centrada em 17 Hz (Moreira,2002). Finalmente, conforme a configuração dos sinais ECG, o ritmo cardíaco pode ser identificado, assim como anomalias cardiovasculares. Figura 2 Assinatura ECG apresentando as ondas e segmentos 2.1 Eletrocardiógrafo Figura 3 Faixas de frequência da eletrocardiografia Figura 4 Diagramas de blocos de eletrocardiógrafos para a) diagnóstico e b) monitoramento 2722

3 Subsistemas de aquisição e condicionamento, processamento e visualização/análise O eletrocardiógrafo digital proposto é destinado ao monitoramento de sinais cardíacos (Figura 4b) usando apenas a derivação DII. Para o projeto desse equipamento foram observadas as normas estabelecidas para eletrocardiógrafos, no tocante a eletrônica a ser utilizada (Bonho,2006). Ele é composto de três subsistemas: um subsistema de aquisição e condicionamento do sinal ECG, cuja entrada é proveniente de três eletrodos e a saída é um sinal filtrado, amplificado e com uma linha base ajustada; um subsistema de processamento baseado em microcontrolador, que digitaliza o sinal de saída do subsistema de condicionamento e transmite-o usando comunicação sem fio para um computador remoto. O sinal digitalizado é transmitido remotamente para um computador; um subsistema de visualização/análise, onde uma interface amigável com o usuário apresenta os sinais ECG, assim como o batimento cardíaco. paciente em monitoramento (Moreira, 2002). Para uma proteção mais adequada contra as interferências eletromagnéticas, os eletrodos também foram interligados ao eletrocardiógrafo por cabos blindados. Para eliminar a influência do sinal de 60 Hz, proveniente da rede elétrica, um filtro ativo rejeitafaixas (filtro Notch) foi utilizado. Com a utilização desses elementos de filtragem o sinal na saída do circuito de condicionamento elétrico foi bem mais limpo e adequado para o monitoramento do sinal ECG. O processo de desenvolvimento do circuito eletrônico de aquisição e condicionamento foi iniciado com sua modelagem e estudo através de ferramenta de simulação de circuitos elétricos como ponto de partida (Cunha, 2011). 3.1 Subsistema de aquisição e condicionamento Os sinais de entrada do subsistema de aquisição e condicionamento (sinais ECG) são providenciados por um simulador comercial de sinais cardíacos calibrados, mostrado na Figura 5. Apenas três eletrodos, correspondentes às posições de braços direito e esquerdo e perna esquerda (derivação DII), foram utilizados. O diagrama de blocos do subsistema de aquisição e condicionamento dos sinais ECG de entrada é exibido na Figura 6, correspondendo às etapas de aquisição, filtragem e amplificação do sinal. O sinal adquirido foi da ordem de unidades de mv e, portanto, uma amplificação adequada foi necessária. Um ganho de 1000dB foi escolhido e propiciado por três etapas de amplificação (Figura 6). O primeiro ganho foi de 5 db, realizado pelo amplificador de instrumentação INA321, que possui baixo consumo de corrente (40 µa) e alto CMRR (94 db). A segunda etapa, com ganho de 10 db, correspondeu a um filtro ativo passa-altas com banda passante de 0,5 Hz. A função desse filtro era manter inalterada a linha base do sinal ECG, eliminando interferências ocasionadas por sinais espúrios e movimentação do corpo. A terceira etapa de amplificação, com ganho de 20 db, foi um filtro ativo passabaixas com frequência de corte de 40 Hz, que corresponde à frequência máxima utilizada para monitoramento dos sinais cardíacos (Figura 3). A segunda e terceira etapas foram realizadas com o amplificador OPA4140, que possui entrada JFET e baixo consumo de potência. Na Figura 6 é também exibido o driver de perna direita. O objetivo deste circuito de realimentação é aumentar a rejeição de modo comum (CMRR) do sistema de amplificação do sinal ECG, tendo em vista a grande quantidade de interferência eletromagnética que pode ser acoplada à pele do corpo do Figura 5 Simulador comercial de sinais ECG Figura 6 Diagrama de blocos dos sistemas elétricos de captação, amplificação e filtragem do sinal ECG. Figura 7 Placa SMD desenvolvida do subsistema de condicionamento do sinal ECG 2723

amplitude de 100 mv e frequência de 1,25Hz, aproximadamente. Finalmente, o subsistema de aquisição e condicionamento foi acoplado ao subsistema de processamento para digitalização dos dados adquiridos, transmissão sem fio dos resultados e interface com o subsistema de visualização/análise, que está contido num terminal remoto. Figura 8 Sistema de condicionamento construído, conectado ao simulador de sinais ECG Após o estudo teórico e a definição dos dispositivos eletrônicos a ser utilizados, o circuito elétrico foi montado numa placa de circuito impresso de dupla face com dimensões de 4x4 cm (Figura 7). O layout dessa placa foi projetada com dois objetivos. O primeiro foi minimizar as interferências eletromagnéticas. Isso foi providenciado por uma grande malha de aterramento (Figura 7) e tendo os cabos de aquisição dos sinais (eletrodos) posicionados próximos ao aterramento. O segundo foi reduzir as distâncias entre os componentes presentes nos loops (realimentações) do circuito. Esse estudo teórico possibilitou também a especificação dos dispositivos elétrico-eletrônicos presentes no circuito, de forma a atender a construção de um eletrocardiógrafo de baixo consumo. Componentes de baixa potência e fáceis de encontrar foram utilizados. Antes da montagem da PCI, testes foram realizados num protoboard, utilizando-se os amplificadores operacionais e de instrumentação do circuito de aquisição e condicionamento ECG. A alimentação do subsistema de condicionamento do sinal ECG foi providenciada por duas pilhas alcalinas de 1,5V cada, conforme ilustrado na Figura 8. O circuito foi acondicionado numa caixa pequena, juntamente com o subsistema de processamento dos dados adquiridos. A Figura 8 exibe também a conexão do subsistema com o simulador de sinais ECG, usando três eletrodos. Testes experimentais foram realizados para observar as saídas dos estágios de amplificação e filtragem. A medição dos resultados ocorreu pela utilização de um osciloscópio digital. Na saída do amplificador de 5dB (Figura 9a), observou-se a ausência do sinal ECG e a presença apenas de ruído, proveniente principalmente da rede elétrica (60 Hz). Considerando o acréscimo do estágio de 10 db de amplificação e a presença do filtro passa-altas com frequência de corte de 0,5 Hz, a onda S do complexo QRS foi observada, conforme é indicada na Figura 9b. Adicionando o último estágio de amplificação e os filtros Notch (rejeita-faixas de 60 Hz) e passa-baixas (frequência de corte de 40 Hz), o sinal ECG foi visualizado (Figura 9c) e praticamente não houve a presença de ruído. Além disso, observa-se que a linha base está ajustada. O sinal ECG apresenta Figura 9 Resultados dos estágios de amplificação de a) 5 db, b)10 db e c) 20 db 3.2 Subsistema de processamento A digitalização e transmissão dos dados ECG adquiridos e condicionados, usando comunicação sem fio (ZigBee), foram realizadas pelo microcontrolador MSP430F2274 da Texas Instruments, que está incluso ao kit ez430rf2500 (Figura 10). Trata-se de um dispositivo de baixa potência que possui as se- 2724

guintes características básicas: faixa de tensão de alimentação variando de 1,8 V a 3,6 V; arquitetura RISC de 16 bits; Conversor A/D de 10 bits e presença de memórias Flash e RAM. A arquitetura do microcontrolador é combinada com cinco modos de baixa potência para alcançar um maior tempo de funcionamento com bateria em aplicações portáteis. Para utilização do ZigBee foi utilizada a comunicação SPI do microcontrolador através do SimpliciTI (Texas,2012). Esse protocolo permite a identificação de cada eletrodo presente. Após vários testes de comunicação, foi construído o código para transmissão e recepção do sinal ECG em linguagem C. O elemento de transmissão sem fio (Figura 10a) foi integrado à placa de circuito impresso do subsistema de condicionamento, enquanto o elemento de recepção sem fio (Figura 10b) foi conectado ao terminal remoto através uma porta USB. Figura 10 Estrutura do microcontrolador, exibindo a estrutura a) transmissora (integrado ao subsistema de condicionamento) e b) receptora (conectada ao terminal remoto) Figura 11 Interface gráfica desenvolvida no MATLAB detecção e visualização do batimento cardíaco para o indivíduo em posição de repouso e em movimento (Figura 11). O sinal ECG resultante é observado na interface, assim como a estabilidade da linha de base. Um sistema de alerta sonoro foi providenciado para melhor percepção dos batimentos e uma opção para gravação das amostras. 4 Resultados Preliminares As amostras adquiridas com o detector foram, portanto, analisadas. Foi observada a presença das ondas P e T e do complexo QRS (Figura 12). A estabilidade da linha de base foi mantida inalterada. O batimento cardíaco também foi monitorado e o valor também é apresentado na Figura 12. Também foram realizados testes afastando o receptor e o transmissor ZigBee. Foi observado que houve perda do sinal com o afastamento acima de 70m. Vários outros testes foram realizados, considerando batimentos de 30 bpm, 60 bpm, 80 bpm, 120 bpm e 180 bpm, conforme pode ser visualizado na Figura 13. Alguns valores de batimento cardíaco foram gerados pelo simulador e adquiridos, condicionados, processados e visualizados simultaneamente pelo dispositivo proposto aqui e por um monitor multiparâmetros, marca MX-300 da empresa EMAI. Os resultados foram obtidos e visualizados simultaneamente e algumas fotos registradas são apresentadas na Figura 14. Os resultados do batimento cardíaco e a conformação das curvas ECG foram bastante similares. Os valores de amplitude e duração das ondas ECG também foram bem próximos. Nas Figuras 14a-d são feitas as indicações de trechos dos sinais ECG obtidos para ambos os equipamentos. Há a inexistência visual de ruídos obtido pelo eletrocardiógrafo proposto. Nesses ensaios, a linha base ficou estável e a autonomia da bateria do eletrocardiógrafo proposto foi de algumas horas. 5 Conclusões Figura 12 Resultado obtido para o eletrocardiógrafo digital, com a visualização das ondas P et e o complexo QRS 3.3 Subsistema de visualização/análise O sinal ECG proveniente dos sistemas de condicionamento e processamento é conduzido usando comunição sem fio a um computador remoto. Neste dispositivo, uma interface gráfica foi desenvolvida para visualização dos sinais ECG utilizando a ferramenta GUI (Graphical User Interface) do MATLAB. Também foi acrescido um sistema para O projeto e desenvolvimento de um eletrocardiógrafo digital portátil foi apresentado neste trabalho. Ele possui em seu subsistema de condicionamento (amplificação e filtragem) uma quantidade reduzida de componentes de baixo custo e consumo. Para a captação do sinal ECG são utilizados três eletrodos, o que corresponde ao monitoramento da derivação DII. Para reduzir interferências foi acrescentado o circuito de driver de perna direita, que também proporcionou estabilidade no sinal. Filtros foram também usados para retirar sinais espúrios e indesejáveis como o de 60 Hz. O subsistema de processamento usou um kit de microcontrolador da Texas Instruments que possui comunicação sem fio (ZigBee). O sinal captado, amplificado e filtrado foi transmitido para um terminal remoto cuja distância, estabelecida por testes, foi 2725

de 70 m. Para ampliar o alcance do sinal, repetidores devem ser acrescidos ao sistema. Uma interface foi desenvolvida e o sinal ECG, juntamente com o batimento cardíaco puderam ser visualizados em tempo real. Comparações foram também realizadas com um eletrocardiógrafo comercial e os resultados foram bastante satisfatórios. O eletrocardiógrafo apresentado aqui representa uma tentativa de prover um dispositivo portátil, de baixo custo e com tecnologia nacional aplicado ao monitoramento e diagnóstico de doenças cardiovasculares. Uma das vantagens dessa implementação é a simplicidade de sua arquitetura, o que torna possível aumentar o número de trabalhos voltados à monitoração e analise de sinais cardíacos, não acarretando assim nenhum custo adicional para o sistema. Agradecimentos Lown, B. and Wolf, M (1971). Approaches to sudden death from coronary heart disease. Circulation, pp. 130-142. Melo, B. R. P (2011). Um Sistema Adaptativo para Detecção de Ondas do Eletrocardiograma. 2011. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Alagoas. Ramos Júnior, V. W (2011). Uma Aplicação do Algoritmo Genético Baseado em Tipos Abstratos de Dados ao Problema de Separação Cega de Fontes com Não-Linearidade Posterior. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de A- lagoas. Stern, S.; Tzivoni, D. and Stern, Z (1975). Diagnostic accuracy of ambulatory in ischemic heart disease. Circulation, pp. 1045-1049. Tompkins, W. J (1995). Biomedical Digital Signal Processing. Prentice Hall. Os autores agradecem a CAPES pelo suporte financeiro através dos projetos PROCAD 1493/2007 e PROCAD 679/2010. Referências Bibliográficas Bonho, S (2006). Sistema microcontrolado para transmissão de sinais de ECG pela Internet. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina. Botelho, R.V (2008). Valor preditivo da teleeletrocardiografia no infarto agudo do miocárdio. Tese de Doutorado, Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo. Cardoso A. S. V (2010). Instrumentação e Metodologias de Medição de Biopotenciais, Tese de doutorado, Universidade Federal de Minas Gerais. Coutinho, P. S (2008). Análise de Sinais Eletrocardiográficos Atriais Utilizando Componentes Principais e Mapas Auto-Organizáveis, Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Alagoas. Cunha, P. C.N. e et. al. Detector de sinais ECG portátil aplicados a sistemas Home Care. CONNEPI 2011. Moreira L. Adelino, Chaves C. P (2002). Eletrocardiografia - Notas de Aula, Serviço de Fisiologia. Faculdade de Medicina da Universidade do Porto. Ferreira, A. M. V (2011). Uma especificação do Algoritmo Genético Baseado em Tipos Abstratos de Dados para Diagnóstico de Arritmias Ventriculares a ser Aplicada a partir do Eletrocardiograma. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Alagoas. Lopes, R. V. V. Um Algoritmo Genético Baseado em Tipos Abstratos de Dados e sua Especificação em Z. Tese de Doutorado. Universidade Federal de Pernambuco, 2003. Figura 13 Sinais obtidos com o eletrocardiógrafo proposto para vários batimentos cardíacos Figura 14 Dados obtidos pelo eletrocardiógrafo digital e a comparação com um eletrocardiógrafo comercial para batimentos cardíacos de a) 30 bpm; b) 60 bpm; c) 120 bpm e d) 180 bpm 2726