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CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO - UnicenP
Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas
Curso de Engenharia da Computação
“Sistema Invasivo de Monitoração de Pressão Arterial
para Ratos em Laboratório”
CURITIBA – 2002
2
THIAGO OTTO KRUSZIELSKI BREDOW
“Sistema Invasivo de Monitoração de Pressão Arterial
para Ratos em Laboratório”
Projeto Final do Curso de Engenharia da
Computação do Centro Universitário Positivo –
UnicenP.
Orientador: Profº. José Carlos da Cunha
CURITIBA – 2002
3
PROFESSOR(ES) ORIENTADOR(ES)
• JOSÉ CARLOS DA CUNHA, Graduado em Engenharia da Computação (PUC/PR) e
Pós-Graduado com o título de Mestre em Engenharia Biomédica (UFPR/PR). Professor do
Centro Universitário Positivo – UnicenP, e responsável pelo Departamento de Engenharia
Clínica do Hospital das Clínicas – HC (Curitiba).
4
TERMO DE APROVAÇÃO
Autor: THIAGO OTTO KRUSZIELSKI BREDOW
Projeto: “SISTEMA INVASICO DE PRESSÃO ARTERIAL PARA RATOS EM
LABORATÓRIO”
Membros da Banca Examinadora:
PROFº VALFREDO PILLA JR.,
PROFº MARCELO MYCKOZ GONÇALVES,
PROFº ROBERTO SELOW,
PROFº ALESSANDRO ZIMMER,
PROFº JOSÉ CARLOS DA CUNHA,
PROFº EDSON PEDRO FERLIN.
Data da Aprovação: 02/12/2002
5
"O único lugar onde o sucesso vem antes do trabalho,
é no dicionário"
Albert Einstein
6
“Dedico este trabalho a Deus,
por ter me iluminado e me dado a oportunidade
de estar onde estou, fazer o que faço
e ser o que sou...”
7
“Meus sinceros agradecimentos a todas as pessoas
que colaboraram com este projeto, meus amigos, colegas de classe
e de trabalho, meu orientador de projeto, meus pais e parentes e minha namorada que foi
sempre paciente o bastante para não enlouquecer junto comigo!”
8
ÍNDICE
1. INTRODUÇÃO 11
2. DESCRIÇÃO DO PROJETO 12
3. ESTUDO TEÓRICO 14
4. DESENVOLVIMENTO 16
4.1. Aquisição do Sinal
4.2. Condicionamento do Sinal
4.2.1. Amplificadores Operacionais
4.2.2. Amplificador de Instrumentação
4.3. Conversão do Sinal
4.3.1. Método de Conversão A/D com Emprego de Contador
4.3.2. Método da Aproximação Sucessiva
4.4. Transmissão
4.5. Processamento e Saída do Sinal
16
17
17
18
19
20
21
22
23
5. ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE 24
5.1. Cateter
5.2. Sensor de Pressão
5.3. Conversor A/D
24
25
27
6. ESPECIFICAÇÃO DE SOFTWARE 29
7. ESPECIFICAÇÃO DE VALIDAÇÃO DO PROJETO 31
8. ÉTICA APLICADA A PESQUISA EM ANIMAIS 33
9. CONCLUSÃO 36
10. BIBLIOGRAFIA 37
9
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Diagrama em Blocos do Projeto 13
Figura 2 - Sinal típico da curva da pressão arterial 14
Figura 3 - Circuito de Entrada de um Amp. Operacional 17
Figura 4 - Esquema típico de AI com 03 Amp-Ops 18
Figura 5 - Circuito da placa de amplificação do sinal 19
Figura 6 - Conversão A/D com emprego de contador 21
Figura 7 - Conversão A/D por aproximação sucessiva 21
Figura 8 - Catéter 25
Figura 9 - Tipos de extensômetros elétricos 27
Figura 10 - Linearidade do Transdutor - mm/Hg x mV 28
Figura 11 - Pinagem ADC0808 29
Figura 12 - Circuito Impresso Conversor ADC0808 29
Figura 13 - Interface do Software 30
Figura 14 - Fluxograma básico de funcionamento do software. 31
10
RESUMO
A monitoração de parâmetros fisiológicos, tais como pressão arterial, ecg,
temperatura, etc. em pequenos animais de laboratório, particularmente ratos e camundongos,
é de grande importância na avaliação da ação de drogas ou outros agentes físico-químicos
com relação à resposta fisiológica destes, servindo de base para novos estudos, pesquisas e
descobertas. São vários os métodos que podem ser utilizados para estes tipos de avaliações,
principalmente considerando-se os vários sistemas fisiológicos dos mamíferos e a diversidade
de informações que podem ser coletadas destas. Desta forma, no presente trabalho, propõe-se
o desenvolvimento de um sistema invasivo de monitoração de pressão arterial, a ser utilizado
com ratos, sedados, em laboratório, a fim de se observar de forma contínua a resposta
fisiológica destes sob a ação de drogas. O sistema de aquisição e processamento de sinal
estará baseado em um transdutor de pressão invasivo, que fará a interface com o sistema de
aquisição e processamento das informações baseadas em um microcomputador. Neste, um
software de análise dedicado, especialmente desenvolvido para o equipamento, mostrará as
curvas e valores tabulados das pressões, que poderão ser analisados de forma contínua. O
trabalho poderá servir de base para o desenvolvimento futuro de um sistema de monitoração
multiparamétrico que poderá ser utilizado por pesquisadores e profissionais ligados às áreas
de fisiologia, farmacologia, veterinária, etc.
11
1. INTRODUÇÃO
A descoberta de novos medicamentos é sempre apresentada com muita empolgação,
seja em telejornais ou em algumas matérias de revistas, anunciando a descoberta de novas
drogas que ajudarão pessoas a terem uma melhor qualidade de vida. Por mais que chegue a
parecer que esses medicamentos poderão ser receitados por médicos num curto espaço de
tempo, o que realmente ocorre é que, geralmente no fim destas matérias, o que as pessoas
encontrarem são a informações que esclarecem que tais medicamentos só estarão disponíveis
no mercado no prazo de 5 a 10 anos. Surgem dúvidas quanto a necessidade de prazos tão
longos de testes, mas de maneira geral, a explicação mais comum é de que a droga está sendo
testada em cobaias, e possivelmente, no fim deste prazo, estará pronta para ser
comercializada.
O presente projeto enfocará este período, no qual os testes de determinado
medicamento são realizados, a fim de descobrir, analisar e avaliar o comportamento de um ser
vivo, quando submetido a tratamentos e drogas. Neste projeto, pretende-se utilizar a pressão
arterial para avaliar a resposta fisiológica destes em função da dose de droga injetada. Novos
estudos, pesquisas e descobertas poderão ser feitas a partir desta resposta fisiológica.
Propõe-se, desta forma, o desenvolvimento de um sistema que monitore
continuamente a pressão arterial, a fim de se observar a resposta fisiológica destes ratos sob a
ação de drogas. O sistema de aquisição e processamento de sinal estará baseado em um
transdutor de pressão invasivo, que fará a interface com o sistema de aquisição e
processamento das informações baseadas em um microcomputador. Neste, um software de
análise dedicado, especialmente desenvolvido para o equipamento, mostrará as curvas e
valores das pressões, que podem ser analisados de forma contínua na tela do
microcomputador e posteriormente analisados com base em relatórios emitidos resultantes do
experimento realizado.
O Centro Universitário Positivo – UnicenP – possui, entre outros, cursos de
graduação nas áreas de farmácia, nutrição e cursos que estudam a fisiologia humana e animal,
além de contar com um Biotério no próprio campus. Sendo assim, um monitor de pressão
arterial poderá ser utilizado por profissionais das áreas citadas, na intenção e verificar a forma
como a pressão arterial de um ser vivo reage quando este é submetido a drogas ou
medicamentos específicos.
12
2. DESCRIÇÃO DO PROJETO
A pressão sanguínea é a pressão que o sangue circulante exerce sobre a parede dos
vasos. Uma artéria, por sua vez, é um vaso responsável por conduzir e distribuir o sangue
oxigenado proveniente do coração por todo o organismo, podendo ser de diversos calibres.
Tal pressão pode ser medida, basicamente, por dois métodos de monitoração/aquisição: não-
invasivo e invasivo. No método não-invasivo, as informações ou ações são obtidas de forma
indireta, ou de forma a não invadir o corpo do indivíduo, como por exemplo, utilizando-se um
esfigmomanômetro*. No caso do método invasivo, as avaliações ou ações invadem o corpo
do indivíduo, como por exemplo, a monitoração invasiva de pressão arterial. Os dois métodos
são certamente bem diferenciados, porém, o objetivo é o mesmo: obter informações
diagnosticas e auxiliar na escolha das ações terapêuticas. [1]
Este projeto utilizará como procedimento de monitoração/aquisição, o método
invasivo, pois se trata, de maneira geral, do método mais confiável pois oferece melhores
resultados. Outro motivo que leva a utilização deste método diz respeito a forma como podem
ser apresentados os resultados, ou seja, quando se trabalha com aquisição de variáveis
fisiológicas por método não-invasivo, deve-se levar em consideração que o sinal é amostrado,
enquanto quando se utiliza o método invasivo tem-se um sinal contínuo, possibilitando, desta
forma, que tal variação seja monitorada.
Esta é apenas uma etapa do projeto, etapa esta que é considerada uma das mais
importantes, e que certamente merece mais atenção e cuidados. Cautela e precisão são
exigidas, pois após a aquisição do sinal fisiológico, todo o restante do processo está baseado
nestas informações, de forma que um erro nesta etapa pode distorcer os resultados gerando
erros.
Em virtude da relativa complexidade do projeto, este foi divido em cinco etapas,
visando facilitar o estudo e os testes. Cada etapa foi implementada e testada separadamente
buscando sempre os melhores resultados possíveis. De modo geral, as etapas do projeto
totalizam cinco blocos fundamentais: aquisição, condicionamento, conversão, transmissão e
processamento/saída do sinal. Cabe ao processo de aquisição, capturar o sinal, onde esta
informação passará pelo processo de condicionamento/tratamento, neste caso, filtros,
amplificadores e demais circuitos foram implementados de modo a torná-lo confiável, e ao
mesmo tempo, eliminando sinais indesejáveis, como por exemplo, ruídos de modo comum e
*Esfigmomanômetro: instrumento utilizado para a medida da pressão arterial de forma indireta
13
interferências externas. O próximo passo foi realizar a conversão analógica/digital. Com o
sinal já convertido, este é enviado para o computador, que por sua vez realiza os cálculos
necessários, bem como o processamento dos sinais a fim de e imprimi-los em um monitor de
saída. Na figura 1, estas etapas podem ser melhor visualizadas, tornando mais claro o
processo empregado.
Figura 1 – Diagrama em Blocos do Projeto
14
3. ESTUDO TEÓRICO
O sangue bombeado pelo coração é transportado para todos os tecidos e órgãos do
corpo humano através de vasos chamados artérias e veias. Essas artérias ou veias são os vasos
por onde o sangue corre vindo do coração e estão distribuídas como se fossem uma grande
rede de abastecimento por todo o corpo, podendo ser palpadas em alguns locais, onde estão
mais na superfície, como por exemplo na face interna do punho, na região da virilha e no
pescoço. A pressão arterial é a força que o sangue exerce sobre as paredes destas artérias. Esta
pressão é considerada um indicador do sistema cardiovascular, pois quando se encontra
elevada pode indicar um “estrangulamento” das artérias ou outros distúrbios. [2] [3]
A pressão arterial é determinada por dois valores, onde o primeiro, ou o de maior
valor, é chamado de pressão sistólica, e corresponde a pressão arterial no momento em que o
sangue é bombeado pelo coração. O segundo valor, menor, é chamado de pressão diastólica, e
corresponde a pressão no momento em que o coração está relaxado após uma contração (veja
figura 2). [2][3]
A forma com que a pressão arterial se comporta, seja em seres humanos ou em
animais, segue basicamente este padrão. É certo que esta pressão pode sofrer algumas
alterações em seus valores, em virtude do estado psicológico ou físico do ser avaliado, muito
embora saiba-se, que existe sempre uma pressão ideal/padrão, seja para seres humanos ou
para ratos de laboratório. Tanto para seres humanos quanto para ratos de laboratório, esta
pressão varia entre 80 e 120mm/Hg. De modo geral, valores acima de 120mm/Hg podem
significar uma hipertensão arterial, e da mesma forma, pressões que estejam abaixo de
80mm/Hg podem indicar uma possível pressão arterial baixa.
Figura 2 - Sinal típico da curva da pressão arterial
Pressão Sistólica
Pressão Diastólica
15
O presente projeto tem por objetivo auxiliar o diagnóstico e a tomada de decisões.
Para isto, além da curva padrão que será impressa na tela, o profissional envolvido poderá
comparar variações na pressão sistólica e na pressão diastólica. Para exemplificar, imagine
que determinado graduando do curso de farmácia criou/desenvolveu um determinado
medicamento ou droga. Com relação a pressão arterial, poderia-se dizer, após os experimentos
em laboratório, se o medicamento tem ação benéfica, maléfica ou neutra. Conclusões como
estas seriam tomadas com base na curva padrão disponível continuamente no monitor do
microcomputador e no valor máximo e mínimo da pressão, além do relatório contendo os
valores relativos a pressão arterial do rato no espaço de tempo do experimento.
Anteriormente foi citada que a pressão sistólica pode ser medida quando o sangue é
expulso do coração, isto é, quando o coração é contraído e o sangue percorre as artérias.
Portanto, como pode ser visto na Figura 2, de acordo com a pressão sistólica, pode-se
monitorar a freqüência cardíaco, já que basta verificar quantas vezes foi identificada a pressão
sistólica no intervalo de tempo. Desta forma, mais um parâmetro muito importante é oferecido
ao profissional envolvido, na intenção de auxiliá-lo, onde pode-se verificar se há alguma
anormalidade, aceleração ou desaceleração, da freqüência cardíaca.
16
4. DESENVOLVIMENTO
De maneira geral, e pouco abrangente, todos os as fases do projeto já foram citadas.
Vale agora detalhar cada uma destas fases, com o intuito de descrever mais profundamente
qual função cada uma das etapas vai desempenhar, bem como a maneira que isto será feito.
4.1. Aquisição do Sinal
O processo de aquisição do sinal fisiológico é feito com a utilização de um transdutor
de pressão invasiva, utilizando um cateter, que é um dispositivo cuja função é transmitir a
variação da pressão nas artérias até o sensor de pressão. Tal aquisição futuramente se dará em
um rato de laboratório, previamente sedado. Todo o processo de sedagem, bem como a
introdução do catéter no animal, se dará sob o acompanhamento de profissionais da área de
fisiologia, do Centro Universitário Positivo - UnicenP. O cateter será introduzido em uma das
principais artérias do animal e estará completamente preenchido com soro fisiológico, até a
entrada do transdutor. Desta forma, a medida em que o sangue exerce uma pressão nas
paredes desta artéria, onde estará o cateter, esta pressão poderá ser sentida pelo transdutor.
Com isto, tem-se uma variação física, pois na medida em que a pressão existir, o soro será
deslocado o suficiente para transformar esta pequena variação física em uma informação
muito valiosa. Vale salientar que as principais características do sensor, bem como a descrição
do sensor utilizado, podem ser conferidas na seção 5. (Especificação do hardware/5.2.
Sensor).
a) b)
17
4.2. Condicionamento do Sinal
Feita a aquisição do sinal, este deve ser tratado, isto é, recursos como a utilização de
amplificadores, filtros, casadores de impedância, etc., são usados, a fim de melhorar as
características do sinal. O sinal elétrico, por ser proveniente de um sensor e não de um ser
humano, exige uma amplificação objetivando um melhor resultado. Para isto, foi projetado
um amplificador de instrumentação com ganho variável (veja tópico 4.2.2).
4.2.1. Amplificadores Operacionais
Amplificadores operacionais trabalham tanto com tensão contínua quanto com tensão
alternada e possuem, basicamente, como características principais alta impedância de entrada,
baixa impedância de saída, alto ganho e possibilidade de operar como amplificador
operacional. O amplificador de diferença tem como tensão de saída um valor proporcional a
diferença entre as entradas (V1 – V2). Da mesma forma, os transistores T1 e T2 são idênticos,
tal como os resitores de coletor, o que faz a tensão de saída ser igual a zero, V1 = V2 (veja
Figura 3).
Figura 3 - Circuito de Entrada de um Amp. Operacional
18
4.2.2. Amplificador de Instrumentação
Em muitos casos há a necessidade de medir sinais analógicos de baixa amplitude,
provenientes de termopares, extensômetros, sondas biológicas, entre outros. Nestes casos,
utilizam-se Amplificadores de Instrumentação (AI) para a amplificar tais sinais, os quais são
utilizados em situações em que a aquisição do sinal é difícil.
Um amplificador de instrumentação é um amplificador diferencial com as seguintes
características:
1 - CMRR elevado: 120 dB aproximadamente
2 - Impedância de entrada elevada: 1.000 MΩ
3 - Impedância de saída baixa: 0,1Ω
4 - Ruído baixo: 1µVpp
5 - Desvios baixos: 2µV/ºC
6 - Baixa não linearidade : 0,01% max
7 - Banda moderada: (GxB) 25 -50 MHz
8 - Ganho estável e programável: 1 a 1000
Para este projeto foi utilizado o AI diferencial de 03 Amp-Ops, o qual pode ser
analisado no esquema típico apresentado na figura 4. O circuito impresso da placa de
amplificação do sinal pode ser conferida na figura 5.
A
R2
R3A
R2
R1
A
R3 R4
R4
Vo
V1
V2
Controlo de ganho
V1
V2
i
i
i
Vo1
Vo2
Figura 4 - Esquema típico de AI com 03 Amp-Ops
19
Uma das características mais importantes de um amplificador diferencial é a
capacidade de cancelar ou rejeitar certos tipos de sinais de tensão indesejáveis, os chamados
"ruídos", que podem resultar de tensões induzidas por campos eletro-magnéticos, ou nos
condutores que levam o sinal ou variações da fonte de tensão. O importante nesta
consideração é que não desejamos amplificar estes sinais de ruído com o amplificador
diferencial. A característica particular deste amplificador é que este sinal de ruído aparece
igualmente nas duas entradas do circuito. Portanto podemos dizer que qualquer sinal
indesejável que aparece com a mesma polaridade nos dois terminais de entrada será
fortemente rejeitado (cancelado) na saída do amplificador diferencial. A rejeição em modo-
comum do amplificador é uma medida desta rejeição de sinais comuns em ambas as entradas
(provável ruído), e o valor atribuído é chamado taxa de rejeição em modo-comum (commum
rejection ratio-CMRR).
4.3. Conversão do Sinal
De modo geral, os computadores trabalham com dados digitais, diferindo do mundo
exterior, onde os dados encontram-se de forma analógica, ou seja, forma contínua. Uma
conversão analógica/digital (A/D) se faz necessária para que possam ser obtidos os dados
Figura 5 –Placa de circuito impresso do amplificador
Trimpot regulador do ganho
Trimpot regulador de Offset
Sinal Amplificado Alimentação do Circuito e entradas do sinal
20
digitais. Para isso, utiliza-se um conversor A/D, o qual fará a conversão de tensão ou corrente
analógicas em uma palavra digital equivalente.
O processo de conversão do sinal permite a conexão entre o microcomputador e o
mundo exterior. Por se tratar de uma etapa de grande importância, a escolha do conversor A/D
deve ser feita de forma cautelosa, de forma atenta a pequenos detalhes e observando
cuidadosamente as características do conversor escolhido, como por exemplo, tensão
máxima/mínima suportadas, vantagens e desvantagens, etc.
Existem diversos métodos de conversão A/D, porém, normalmente são utilizados
pelos conversores modernos, os métodos com emprego de contador e aproximação sucessiva.
4.3.1. Método de conversão A/D com emprego de contador
Para uma melhor compreensão, a figura 5 mostra o mais simples e o menos usado
dos métodos de conversão A/D.
Vent, é a tensão de entrada analógica e D7 a D0 constituem o a saída digital. É esta
saída digital que comanda um conversor D/A, que produz uma saída analógica Vsaída. Quando
CONT estiver alta, o contador entrará em ação, contanto para cima, e quando CONT estiver
baixa, o contador parará. No exemplo da figura 3, foi utilizado um conversor D/A (conversor
digital/analógico) de 8 bits e um contador de 8 bits, porém, a idéia pode ser aplicada a
qualquer número de bits.
A conversão A/D ocorre da seguinte forma: a saída do contador comanda um
conversor D/A, portanto a saída deste conversor é uma onda em escada de tensão positiva. O
que ocorre em seguida é uma séria de comparações. Enquanto Vent for maior do que vsaída, o
amplificador operacional terá em sua saída um sinal positivo, enquanto CONT permanece em
alta e a tensão em escada continua crescendo. Quando Vsaída for maior que Vent, CONT retorna
baixa e o contador, por sua vez, pára. Portanto, a saída digital D7 a D0 corresponde os dados
digitais relativos a entrada analógica. Sabe-se que a conversão chegou ao fim, através dos
sinais crescentes negativos do sinal CONT.
O método é simples, porém a principal desvantagem deste método é a baixa
velocidade. Ao se trabalhar com conversores de 8 bits, o tempo de conversão é de 255
21
períodos do clock. Já para conversores de 12 bits, este tempo de conversão é, obviamente,
mais alto, chegando a 4.095 períodos do clock.
Figura 6 - Conversão A/D com emprego de contador.
4.3.2. Método da Aproximação Sucessiva
O método de aproximação sucessiva é o método mais comumente usado para se fazer
a conversão A/D (figura 6). Da mesma forma que o método com emprego de contador, a
entrada de inversão de um comparador é comandada pela saída de um conversor D/A, porém,
a diferença está em como o registrador de aproximações sucessivas converge de acordo com o
sinal digital. Ao fim da conversão, o equivalente digital será enviado para o buffer de saída,
que nada mais é do que um registrador da memória intermediária de saída.
Figura 7 - Conversão A/D por aproximação sucessiva
22
Este método de conversão trabalha de forma que em vez de contar para cima um (1)
bit cada vez, ele começa setando o bit mais significativo (MSB), isto é, durante o primeiro
pulso de relógio, o circuito de controle carrega um MSB alto no registrador de aproximações
sucessivas (RAS). A saída, portanto, fica igual a 10000000. Aparecendo esta saída digital,
Vsaída salta para 128/255 vezes a escala total. Se isto for maior que Vent, a saída negativa do
computador avisará o circuito de controle que o MSB deve ser zerado. Da mesma forma, se
vsaída for menor que Vent, a saída positiva do computador avisará o circuito de controle que o
MSB deve continuar setado. Se o MSB não for zerado, o próximo pulso de relógio setará D6,
tendo como resultado a saída digital 1100000. Vsaída agora avança para 192/255 vezes a escala
total. Se Vsaída for maior do que Vent, a saída negativa do amplificador operacional fará com
que D6 seja zerado. Do contrário, se Vsaída for menor do que Vent, D6 continuará setado.
Todos os bits são setados, testados e zerados quando necessário. Os testes e as
setagens podem ser feitos, sucessivamente, durante os pulsos restantes do relógio, e sempre
que um bit fizer com que Vsaída exceda Vent. O bit será zerado. Após oito ciclos do relógio, em
circuitos mais rápidos, o processo de conversão é concluído, e em circuitos mais lentos, maior
tempo é consumido por exigirem mais pulsos de relógio utilizados para setar, testar e se
preciso zerar bit por bit. Ao fim da conversão, o circuito de controle emite um sinal baixo, e o
equivalente digital é carregado no registrador buffer.
Como vantagem deste método, diferentemente do método de conversão com
emprego de contador, pode ser citada a velocidade com que a conversão é realizada. Mesmo
em circuitos considerados mais lentos, o método das aproximações sucessivas apresenta-se
mais rápido do que o método de conversão com contador.
4.4. Transmissão
No processo de transmissão, o sinal é enviado para o computador. Basicamente, duas
maneiras podem ser utilizadas para que este sinal seja transmitido para o PC: comunicação
serial ou paralela. No caso de se transmitir os dados pela porta serial, estes serão enviados
seqüencialmente. Do contrário, se o processo de transmissão for feito pela porta paralela,
bytes são enviados (vários bits de uma só vez).
23
Neste projeto, especificamente, o processo de transmissão se dá por meio da
utilização da porta paralela do PC. Um dos motivos para a escolha da porta paralela como
meio de transmissão, é a velocidade com que os bytes são enviados. Quando em um projeto
opta-se por utilizar a transmissão de dados pela porta paralela, leva-se em conta, além da
velocidade, na complexidade do hardware, que se torna mais simples de ser desenvolvido.
Mas, se por um lado a complexidade diminui, o tamanho do hardware para comunicação
paralela é muito maior. Portanto, de modo geral, a comunicação paralela foi escolhida, pois o
tempo de implementação deste módulo diminui consideravelmente.
O fato da comunicação paralela se dar apenas em distâncias curtas e a baixa
imunidade a ruídos, constituem uma desvantagem da utilização deste meio de transmissão.
4.5. Processamento e Saída do Sinal
O sinal transmitido é capturado e interpretado por um software dedicado,
especialmente desenvolvido para o equipamento, o qual foi desenvolvido em Builder C++ 5.0
da Borland. A principal função do software foi calcular e permitir a visualização das curvas e
valores das pressões, valores estes que puderam ser analisados de forma contínua com curvas
e valores definidos. De posse de tais informações, o especialista poderá acompanhar as
alterações na pressão arterial do animal, podendo portanto, tomar algumas decisões
importantes, conduzindo os resultados que demonstrem uma melhor eficácia do tratamento ou
verificando qual reação na pressão arterial ocorre quando utiliza-se determinado medicamento
ou droga. Do ponto de vista do profissional que utilizará o equipamento, esta é a principal
fase do projeto, pois é neste ponto que ele pode acompanhar os resultados.
Nesta fase, são calculados os valores relativos a pressão sistólica e diastólica, de
acordo com o sinal fisiológico adquirido. Tais cálculos baseiam-se em pressões consideradas
normais, ou seja, compreendida entre 80 e 120mm/Hg. Qualquer valor que ultrapasse esta
margem, deve ser encarado como ponto negativo, pois poderia colocar em risco a vida da
cobaia. É nesta fase também que poderão ser calculados e mostrados a freqüência cardíaca do
rato. [2][6]
24
5. ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE
Este projeto tem por finalidade monitorar a pressão arterial de ratos de laboratório,
com o objetivo de ajudar na avaliação da ação de drogas, ou outros agentes físico-químicos,
de acordo com a resposta fisiológica destes. Isto foi feito pelo método invasivo, utilizando
para isso, um cateter e um transdutor de pressão invasivo. Esta avaliação será feita de forma
contínua, isto é, na medida em que a substância for sendo injetada no animal, a resposta
fisiológica deste poderá ser acompanhada em tempo real, podendo então o profissional
responsável pela experiência, intervir se necessário ou conduzir a melhores resultados.
Nos itens 5.1, 5.2 e 5.3 são apresentados detalhes referentes a parte física do projeto,
ou seja, alguns dos principais componentes do projeto serão visto com um pouco mais de
detalhes, como é o caso do Cateter, do Sensor de Pressão e do Conversor ADC0808.
5.1. Cateter
Cateters de diferentes tamanhos são utilizados para medições de pressão. Os tipos
mais comuns de cateters são basicamente constituídos de materiais plásticos flexíveis com
conectores em sua extremidade, de modo a possibilitar a conexão deste com demais
instrumentos ou circuitos de aquisição e tratamento. O tamanho de um cateter algumas vezes
é dado por uma escala francesa, sendo que cada unidade (Fr ou F) eqüivale a 0,33mm de
diâmetro exteriormente. [4]
Figura 8 – a) Cateter; b) Idéia de tamanho de um cateter ao lado de uma lapiseira.
25
A monitoração utilizando Raio-X algumas vezes é utilizada durante a inserção do
cateter afim de inserir o cateter em um vaso sangüíneo com precisão. Previne-se, desta forma,
que ocorra coagulação do sangue e demais complicações. Muito embora os cateters sejam
fabricados de forma a evitar esse tipo de problema, utilizando materiais especiais em sua
fabricação, nenhum material é completamente dito anticoagulante. Desta forma, para
medições com maior tempo de duração, recomenda-se a utilização de alguns produtos
anticoagulantes, como soluções salinas acrescidas de produtos específicos (eparina).
A Figura 8 a mostra um cateter fisicamente, e da mesma forma, a Figura 8 b tem por
finalidade mostrar o quão pequeno é este cateter, comparando-o, como no exemplo, à ponta
de uma lapiseira. Desta forma, em função do fato de o cateter ter aproximadamente 0,4mm de
diâmetro, pode-se afirmar que não há nenhuma influência do cateter na pressão arterial do
rato monitorado. O diâmetro é tão pequeno que não chega a ter influência alguma, seja ela
positiva ou negativa, portanto, fica claro que o cateter somente faz sua tarefa, que é a de
buscar a “informação” desejada no ponto adequado. Logicamente, deve-se levar em conta a
habilidade do profissional que efetivamente fará a experiência, pois pessoas despreparadas ou
muito inexperientes poderiam vir a colocar a vida da cobaia em risco, ou até mesmo, em
função da má utilização do cateter poderiam ser feitos testes errôneos e de má qualidade.
5.2. Sensor de Pressão
De modo geral, um transdutor de pressão pode ser descrito com um dispositivo
elástico (strain gauges) que transforma a pressão exercida pelo sangue nas paredes da artéria,
em um sinal elétrico. Quando uma barra metálica é esticada, ela sofre um alongamento em seu
comprimento e também uma diminuição do seu volume, resultado da diminuição da área da
seção transversal desta barra. A resistência elétrica da barra metálica aumenta quando esta
barra é esticada, também resultado da diminuição da seção transversal e do aumento do
comprimento da barra. Da mesma maneira, quando a barra é comprimida, a resistência
diminui devido ao aumento da área transversal e diminuição do comprimento. Em outras
palavras, quando o transdutor sofre uma pressão, sua estrutura física é alterada, gerando então
um sinal elétrico. Este tipo de transdutor é conhecido como transdutor modulador, pois
precisa de energia auxiliar para que seja realizada a medida e produzido um sinal proporcional
26
na saída. A Figura 9 mostra os tipos de extensômetros elétricos existentes, e a Figura 10
mostra o gráfico da linearidade do transdutor.
Figura 9 - Tipos de extensômetros elétricos
27
Os extensômetros elétricos têm as seguintes características gerais, que denotam sua
importância e grande utilização:
• alta precisão de medida;
• baixo custo;
• excelente linearidade;
• excelente resposta dinâmica;
• fácil instalação;
• pode ser imerso em água ou em atmosfera de gases corrosivos (com tratamento
adequado);
• possibilita realizar medidas à distância.
5.3. Conversor A/D
Os conversores A/D são muito utilizados quando se deseja interfacear o PC com o
mundo externo. É ele que transforma os sinais analógicos em sinais digitais, o que possibilita
que o computador interprete estas informações, já que este somente trabalha com dados
digitais.
Especificamente para este projeto, utilizou-se o conversor ADC0808. Trata-se de um
conversor de boa velocidade de conversão (100ms) e com resolução máxima de 75mV. É um
conversor de 8 bits, que contém 8 entradas multiplexadas, saída em tri-state, clock interno,
entre outras. Este conversor trabalha com uma tensão de alimentação que pode variar de 4,5
Figura 10 – Linearidade do Transdutor - mm/Hg x mV
28
até 6,5 Volts e uma potência dissipada de aproximadamente 875 mW. Sua freqüência de clock
varia entre 10 e 1280 Khz, e o pulso de start mínimo é dado entre 100 e 200 ns. O ADC0808
pode trabalhar perfeitamente em temperaturas variando entre –64ºC e +150ºC.
A pinagem do ADC0808 é apresentada na Figura 11 e a placa de circuito impresso
pode ser vista na Figura 12.
Figura 11 – Pinagem ADC0808
Figura 12 – Circuito Impresso Conversor ADC0808
ADC0808
DB25 para conexão com a porta paralela
Cristal para clock
29
6. ESPECIFICAÇÃO DE SOFTWARE
Uma das fases mais importantes deste projeto, certamente foi a fase de
processamento e saída do sinal. É nesta fase em que os resultados puderam ser vistos, isto é,
pode-se acompanhar na tela do computador, em tempo real, a pressão arterial do rato de
laboratório. Isto é feito por um software de análise, especialmente desenvolvido para o
equipamento. Além de mostrar o sinal de saída, de acordo com as informações obtidas,
demais valores e curvas correspondentes podem ser impressas, como por exemplo, pressão
sistólica e disatólica (veja figura 10).
A pressão sistólica e diastólica, assim como demais valores, poderão ser salvos em
uma tabela para acompanhamento passo a passo. De acordo com a dosagem/quantidade de
produto injetado, valores correspondente de pressão poderão ser conferidos. Para isso, faz-se
necessário que o profissional envolvido forneça a quantidade de medicamento injetado.
O software foi desenvolvido em plataforma Windows 2000 professional, sistema
operacional este que se encontra disponível em grande parte dos laboratórios da UnicenP.
Como ferramenta de programação, foi utilizado o software Borland C++ Builder 5.0, pois se
trata de um software que possuí muitas funções, é rápido e conhecido do programador. O
Figura 13 - Interface do Software
/
0,5 mL 73 110
30
modo com o software se comporta, pode ser conferido na figura 11, facilitando o
entendimento dos principais passos que este terá que dar.
De modo geral, o programa lê as informações enviadas, grava estes dados para que
se possa trabalhar com eles, em seguida realiza os cálculos necessários e traça na tela as
curvas correspondentes. Ao final, se necessário, o processo pode ser finalizado, assim como
pode continuar o ciclo de leitura, salvamento, cálculos e impressão.
As pressões sistólica e diastólica são informadas de acordo com sucessivas
comparações com valores padrões, isto é, os ratos tem sua pressão considera normal se esta
estiver compreendida entre 80 e 120 mm/Hg, portanto, todos os valores que ultrapassarem
esta margem são mostrados na tela.
Figura 14 - Fluxograma básico de funcionamento do software.
31
7. VALIDAÇÃO DO PROJETO / RESULTADOS
A especificação de validação do projeto é a fase de testes do projeto, onde são
realizados diferentes tipos de testes, muitas vezes divididos em blocos, objetivando avaliar,
analisar e fazer as modificações necessárias (detalhes) no circuito. Estes blocos, no caso deste
projeto, são: transdutor de pressão (fase de aquisição), condicionamento do sinal, conversão
A/D, comunicação paralela (transmissão e recepção de dados) e processamento/saída dos
dados (software).
No caso do transdutor de pressão, os testes foram feitos de forma a se verificar o
comportamento do sensor, bem como sua resposta de acordo com a grandeza física. De
acordo com a Figura 15, pode-se ver que como resultado, no caso do transdutor de pressão,
obteve-se uma ótima linearidade, e pouca interferência dos sinais externos, isto é, ruídos e
variáveis externas não interferiram no resultado final.
Nos testes de condicionamento do sinal não foram verificados a presença de ruídos,
portanto, comprova-se que o transdutor superou as expectativas. Ao fim, o que se teve como
resposta, foi uma tensão muito próxima da variável medida.
O processo de conversão A/D foi testado de forma que analisou a conversão
propriamente dita, bem como a saída digital corresponde. Ao final dos testes de conversão,
conclui-se que o sinal foi convertido de maneira rápida e sem sinais interferidores (ruídos).
A comunicação paralela provocou um certo atraso, pelo fato de que o cabo de
comunicação havia sido feito com um comprimento muito grande, sendo que, desta forma, o
sinal saído do conversor não estava sendo lido pelo computador de maneira limpa, ou seja, o
sinal perdeu qualidade, impossibilitando até mesmo a leitura e impressão do sinal. Na medida
em que este cabo foi diminuído, ficando com um comprimento de não mais que 60cm, nos
testes subseqüentes verificou-se que os dados não estavam mais sendo perdidos. Notou-se daí
por diante que a transmissão estava sendo muito veloz e imune de ruídos e sem estouro de
buffer.
Um dos últimos testes em que o circuito foi submetido, foi o teste de software. Este
teste teve como principal finalidade verificar se os cálculos da pressão sistólica e diastólica,
bem como a freqüência cardíaca estavam sendo feitos de forma correta. Os testes de software,
sem dúvida alguma, foram muito importantes e, muito embora tenham sido muito demorados,
ajudaram a certificar o projeto com qualidade. Ao fim dos testes de hardware pôde-se ver que
32
os cálculos realmente estavam sendo feitos de maneira correta e eficiente, bem como o sinal
de saída estava sendo impresso na tela de maneira satisfatória, ou seja, os testes de software
provaram que os sinais de resposta estavam realmente de acordo com a pressão arterial do
animal, e estes podiam ser vistos sem problemas.
Por fim, testados os blocos de maneira individual, foram feitos testes de blocos em
conjuntos maiores, até que se pode unir todos os níveis, permitindo verificar a funcionalidade
do equipamento como um todo.
33
8. ÉTICA APLICADA A PESQUISA EM ANIMAIS
A utilização de animais em experimentos de cunho científico possibilitaram avanços
tecnológicos, principalmente na área saúde. A questão que trata dos direitos dos animais e a
sua utilização em pesquisas científicas vem sendo discutida a muito tempo. Por mais que não
exista nenhuma lei direta ou indireta que regulamente o uso de animais em tais experiências, o
meio acadêmico preocupa-se com isto. [7]
Em 1975, Peter Singer publicou o livro “Animal Liberation”, causando polêmica
devido as denúncias que relatavam as condições a que os animais eram submetidos, inclusive
na indústria de cosméticos e no processo de produção de alimentos. Em meio a muitas
denúncias, algumas delas se destacaram, principalmente testes de toxidade envolvendo
coelhos. Este teste é chamado de Draize Test e era utilizado para testar a irritabilidade de
substâncias colocadas nos olhos do animais. Para a realização destas experiências, o animal
era imobilizado, de forma que não pudesse mover a cabeça. A substância a ser avaliada era
colocada nos olhos do animal, e os pesquisadores aguardavam por horas, ou até mesmo dias,
para poder avaliar o estado dos olhos e a partir daé chegar a conclusões sobre o grau de
irritação causado. Esses testes eram realizados em meados dos anos 40 e geraram muitos
protestos, principalmente contra as indústrias de cosméticos. Os protestos foram tantos que o
jornal the New York Times publicou o anúncio: “Quantos coelhos a REVLON cega por causa
da beleza?”. Em virtude dos protestos terem chegado a este ponto, a REVLON anunciou em
seguida que seriam buscadas novas formas de fazer este tipo de avaliação. [7]
Em 27 de janeiro de 1987 foi publicado um documento contendo a Declaração dos
Universal dos Direitos dos Animais, e logo em seguida, em meados de 1979 foi publicada no
Brasil a lei nº 6.638/79, estabelecendo normas para a vivissecção de animais (vivissecção é a
dissecação anatômica feita em animais vivos com fins experimentais). Esta norma estabelece
que apenas instituições de terceiro grau podem realizar atividades didáticas com animais,
além de estabelecer que estas atividades devem ser feitas dentro de critério de não causar
sofrimento aos animais envolvidos. [7]
Vários projetos de lei foram apresentados aos Congresso Nacional do Brasil visando
a regulamentação da prática experimental envolvendo animais, contudo todos foram
rejeitados. Em 1998 foi sancionada no Brasil a Lei de Crimes Ambientais, que de acordo com
o capítulo V, mais precisamente seção I artigo 32, estabelece que é crime praticar atos de
34
abuso, maus tratos, ferir ou mutilar animais silvestres, domésticos ou domesticados, nativos
ou exóticos, sob pena de detenção por um período de três a doze meses, acrescido de multa.
No artigo ainda podem ser lidas informações mais precisas, como: “incorre nas mesmas penas
quem realiza experiências dolorosas ou cruéis em animais vivos, ainda que para fins didáticos
ou científicos, quando existirem recursos alternativos. Atualmente tem-se somente dois
projetos de lei tramitando no Congresso, onde um deles trata da utilização de “cobaias” e o
outro dispõe sobre a criação e o uso de animais para atividades de ensino e pesquisa. O uso de
animais em atividades científicas dever ser substituído, sempre que possível, por outras
alternativas. Contudo, em função da inexistência de uma lei que vete a realização destas
atividades, deve-se, sempre que realizá-las, respeitar algumas diretrizes básicas, como:
a) utilização de animais em pesquisas científicas deve ocorrer somente após ser provada a
sua relevância para o avanço do conhecimento científico, considerando-se a
impossibilidade de utilização de métodos alternativos como: modelos matemáticos;
simulações computadorizadas; sistemas biológicos “in vitro” ou outro método adequado
b) a espécie utilizada e o cálculo do tamanho da amostra devem ser adequados para a
obtenção de resultados válidos;
c) deve ser oferecido alojamento, transporte, alimentação e cuidados adequados à espécie
através de assistência qualificada;
d) procedimentos que possam causar dor ou angústia devem ser desenvolvidos com sedação,
analgesia ou anestesia, salvo quando forem os mesmos o objetivo da pesquisa. Devem
ser, igualmente, observados cuidados com assepsia e prevenção de infecções, assim como
cuidados para minimizar o desconforto e estresse dos animais em estudo;
e) necessitando de imobilização física e/ou de privação alimentar ou hídrica, os
pesquisadores devem procurar manter estas condições pelo menor período de tempo
possível, evitando prolongar a angústia, desconforto e dor;
f) quando for necessário ao estudo, ou após o mesmo, se indicado, que os animais devam
ser sacrificados, este procedimento deve ser realizado de forma rápida indolor e
irreversível;
g) as técnicas aceitas para o sacrifício de animais são as seguintes: hipoxia por barbitúricos,
anestésicos inalatórios, dióxido de carbono e monóxido de carbono (engarrafado),
metanesulfonato de tricaína, benzocaína e irradiação por microondas;
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h) as técnicas aceitas, de forma condicional, são as seguintes: hipoxia por deslocamento
cervical, por nitrogênio ou argônio, decapitação, concussão cerebral e dano medular;
i) não serão aceitas, salvo exceções extremamente justificadas, as seguintes técnicas de
sacrifício de animais: sangramento, descompressão, congelamento rápido, embolismo
gasoso, afogamento, atordoamento, uso isolado de estriquinina, nicotina, sulfato de
magnésio, cloreto de potássio, agentes curariformes, clorofórmio e cianeto.
As diretrizes citadas acima referem-se a Resolução Normativa 04/97 da Comissão de
Pesquisa e Ética em Saúde/GPPG/HCPA., aprovada na reunião conjunta das Comissões
Científica e de Pesquisa e Ética em Saúde de 08 de maio de 1997.
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9. CONCLUSÃO
Projetos na área de engenharia biomédica são muito interessantes, tanto para o aluno
quanto para a instituição. Projetos desenvolvidos em prol de algum objetivo específico devem
sempre ser incentivados, como no caso deste projeto, que trata da monitoração da pressão
arterial em ratos de laboratório e poderá ser utilizado por instituições de ensino.
Um aspecto muito importante a ser citado é a relativa falta de bibliografia referente a
animais, principalmente a animais de laboratório. Grande parte das informações foram
retiradas de literaturas paralelas que não falavam diretamente em cobaias, por exemplo.
Contudo, ao término do projeto, verifica-se que a quantidade de informação disponível foi
suficiente para o bom andamento do projeto, permitindo que este pudesse ser concluído de
maneira satisfatória.
É de grande valia salientar que a monitoração de pressão arterial é feita na intenção
de possibilitar a realização de pesquisas científicas em ratos de laboratório. Portanto, espera-
se que com base nas informações disponibilizadas, o pesquisar possa avaliar continuamente a
ação fisiológica destes compostos. Desta forma, objetiva-se que tais pesquisadores possam
conduzir os experimentos a resultados que demonstrem a eficácia ou não de determinada
“terapia”. A monitoração de pressão arterial é uma das diversas formas que podem ser úteis
aos pesquisador, desta forma, como projeto futuro, sugere-se que seja implementado um ECG
(Eletroardiograma) em conjunto com o monitor de pressão. Com isto poderiam ser
correlacionadas estas duas grandezas: pressão arterial e freqüência/atividade cardíaca.
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10 . BIBLIOGRAFIA
[1] MEDICAL INSTRUMENTATION, Aplications and design - Webster, Jonh G.,
1978;
[2] FUNDAMENTALS OF TEMPERATURE, PRESSURE, ANDA FLOW
MEASUREMENTS – Benedict, Robert P., 3ª Edição – A Wiley-interscience Publication;
[3] MANUAL DE HIPERTENSÃO, O`brien, e., 3ª Edição, Editor Santos;
[4] RATUS ET AL, Kent Scientific Corporation, Março 2000
[5] BIOMEDICAL TRANSDUCERS AND INSTRUMENTS, Tatsuo Togawa,
Toshioyo Tamura e P. Ake Öberg – CRC Press
[6] COMPARATIVE ANIMAL PHYSIOLOGY, Philip C. Withers – The University
of Western Autralia;
[7] REVISTA DE BIOMÉDICA E ÉTICA MÉDICA, Márcia Mocellin Raymundo e
José Roberto Goldin. Revista publicada pelo Conselho Federal de Medicima – Volume 10.
Número 1 – 2002. Brasília DF.
