UNICENP – CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO · Sistema de Biotelemetria Para Monitoração de Atividade Física em Tempo Real José Carlos da Cunha 1, Bruna Segantini 2 1Professor

UNICENP – CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO

SISTEMA DE BIOTELEMETRIA PARA MONITORAÇÃO DE ATIVIDADE FÍSICA EM TEMPO REAL

Autor: Bruna Segantini Prof. Orientador: José Carlos da Cunha

Curitiba 2003

Sistema de Biotelemetria Para Monitoração de Atividade Física em Tempo Real

José Carlos da Cunha1, Bruna Segantini2

1Professor de Engenharia da Computação

2Aluna do 4o ano do Curso de Engenharia da Computação Departamento de Engenharia da Computação,

Centro Universitário Positivo (UNICENP), Brasil, 81280-330 Fone: +55 41 317 3000, Fax: +55 41 317 3000

[email protected], [email protected] Resumo – Problemas cardíacos são uma das grandes causas de mortes no Brasil. O eletrocardiograma (ECG), que consiste no registro da atividade elétrica do coração, é um exame essencial para o acompanhamento da função cardíaca e, conseqüentemente, é de extrema importância no diagnóstico de suas patologias.Com a monitoração da freqüência cardíaca, a pessoa tem maior segurança e eficiência durante a realização do exercício físico.

A freqüência cardíaca deve variar sempre entre um limite máximo e mínimo. Esta varia de pessoa para pessoa. No caso de alguma variação que não esteja nesses limites, pode-se constatar desde uma baixa eficiência do condicionamento físico e em caso extremo, até o óbito do indivíduo.O monitoramento cardíaco em práticas de exercícios físicos é de extrema importância para se detectar um possível problema ou alguma alteração indesejada.

Em face disso, o projeto objetiva ser uma ferramenta que fará uma monitoração contínua da freqüência cardíaca durante a prática do exercício, proporcionando uma maior segurança à saúde da pessoa e uma maior eficiência no processo de condicionamento físico.

Este trabalho tem o intuito de desenvolver um equipamento eletrônico portátil, capaz de transmitir o eletrocardiograma do indivíduo a ser monitorado. Este dispositivo é interfaceado a um computador para o cálculo da freqüência registrada em tempo real, bem como, a visualização do eletrocardiograma.

Com este projeto pretende-se facilitar o monitoramento da atividade física para uma detecção rápida e eficiente de algum problema indesejado.

Palavras-chave: Eletrocardiograma, Biotelemetria, Freqüência Cardíaca. Abstract – Cardiac problems are one of the biggest causes of death in Brazil. The electrocardiogram (ECG), which is a registry of the electrical activity from the heart, is a very important examination for accompaniment’s heart function and, consequently, is a great tool in diagnostic’s pathologies. The accompaniment of the cardiac frequency offers more security and efficiency along physical exercises. Cardiac frequency must be, always, between a maximum value and a minimum one. If appears a different value from those limits, it can cause a low efficiency in the physical activity or, in a extreme case, causes the death. In face of this, the project pretends to be a tool to accompany cardiac frequency in real time though the exercises, offering a better security to person’s health and a bigger efficiency in physical activity. Keywords: Electrocardiogram, Biotelemetry, Heart Frequency.

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SUMÁRIO , i LISTA DE ABREVIATURAS..............................................................................................ii LISTA DE FIGURAS...........................................................................................................iii LISTA DE TABELAS..........................................................................................................iv 1. INTRODUÇÃO.............................................................................................................09

2. ESPECIFICAÇÃO........................................................................................................10 2.1. Descrição........................................................................................................................................... 10

2.1.1. Objetivo geral.......................................................................................................................10

2.1.2. Objetivo específico...............................................................................................................10

2.2. Fundamentação Teórica.....................................................................................................................11

2.2.1.Arritmias e freqüência cardíaca durante o exercício físico........................................................11

2.2.2.Fisiologia do coração..................................................................................................................13

2.2.3. Eletrocardiograma.....................................................................................................................15

2.2.4. A aquisição e o registro do eletrocardiograma..........................................................................19

2.2.5. Transmissão via rádio................................................................................................................22

2.3. Especificação do Hardware................................................................................................................24

2.3.1. Amplificador de instrumentação...............................................................................................24

2.3.2. Filtros ativos..............................................................................................................................26

2.3.3. Conversor A/D...........................................................................................................................28

2.3.4. Módulo de transmissão e recepção............................................................................................28

2.3.5. Porta paralela.............................................................................................................................30

2.3.6. Eletrodos................................................................................................................................... 32

2.3.7. Conversão tensão-freqüência e freqüência-tensão....................................................................32

2.3.8. Diagrama de blocos do hardware..............................................................................................34

2.4. Especificação do Software.................................................................................................................35

2.4.1. Ferramentas de desenvolvimento..............................................................................................35

2.4.2. Linguagem C/C++.....................................................................................................................35

2.4.3. Software no sistema...................................................................................................................35

2.4.4. Diagrama de blocos do software...............................................................................................37

2.4.5. DFD...........................................................................................................................................38

4

2.5. Especificação de Validação...............................................................................................................38

3. PROJETO.............................................................................................................................................40 3.1. Visão geral.........................................................................................................................................40

3.2. Funcionamento...................................................................................................................................40

3.3. Módulos.............................................................................................................................................43

3.3.1. Descrição do hardware..............................................................................................................43

3.3.1.1. Lista de componentes...............................................................................................43

3.3.1.2. Diagrama do hardware.............................................................................................43

3.3.2. Descrição do software...............................................................................................................45

3.3.2.1. Casos de uso.............................................................................................................45

3.3.2.2. Diagrama de classes.................................................................................................46

3.3.2.3. Diagrama de seqüência.............................................................................................46

3.3.2.4. Interface....................................................................................................................47

3.3.2.4. Ciclo de execução.....................................................................................................48

4. IMPLEMENTAÇÃO........................................................................................................................49 4.1. Circuito de alimentação.....................................................................................................................49

4.2. Amplificador de instrumentação e filtros...........................................................................................50

4.3. Conversão tensão/ freqüência e transmissão......................................................................................51

4.4. Aquisição do sinal..............................................................................................................................53

4.5. Conversão A/D............................................. .....................................................................................56

4.6. Software................................................................ ............................................................................57

5. RESULTADOS....................................................................................................................................59

6. CONCLUSÃO.................................................................................................................................... 63

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................................64

8. ANEXOS... ............................................................................................................................................65

5

LISTA DE ABREVIATURAS,ii A/D - Analógico /Digital AI – Amplificador de instrumentação Bpm – Batimentos por minuto CMRR – Common mode rejection rate ou Razão de rejeição em modo comum dB – decibéis ECG – Eletrocardiograma EEG – Eletroencefalograma EMG – Eletromiograma FCM – Freqüência cardíaca máxima FM - Frequency Modulation (Modulação em freqüência) FPF – Filtro passa – faixa freq – Freqüência F/V – freqüência/ tensão kbps – Kilo bits por segundo mA – Mili Ampères MHz - Mega Hertz RC – Resistor /capacitor Rx – Módulo de recepção Tx – Módulo de transmissão V – Volts V/F – tensão/ freqüência

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LISTA DE FIGURAS,iii

Fig.1. As partes principais do coração.................................................................................15

Fig.2. Eletrofisiologia do coração........................................................................................16

Fig.3. Ondas do Eletrocardiograma......................................................................................17

Fig.4. Eletrocardiograma padrão..........................................................................................19

Fig.5. Circuito de amplificador do ECG..............................................................................21

Fig.6. Circuito mais simplificado de amplificador do ECG.................................................21

Fig.7. Amplificador de instrumentação INA118 da Texas Instruments...............................25

Fig.8. Curva de resposta em freqüência de um filtro passa – faixa......................................27

Fig.9. Tipos de antenas.........................................................................................................30

Fig.10. Eletrodos metal plate ..............................................................................................31

Fig.11. Diagrama em blocos do conversor V/F...................................................................32

Fig.12. Diagrama em blocos do conversor F/V...................................................................33

Fig.13. Exemplo da conversão V/F e F/V............................................................................33

Fig.14.Diagrama em blocos do hardware.............................................................................34

Fig.15. Cálculo usado para saber a faixa de freqüência indicada para o individuo.............36

Fig.16. Diagrama em blocos do software.............................................................................37

Fig.17. DFD (Diagrama de Fluxo de Dados).......................................................................38

Fig.18. Diagrama em blocos do projeto...............................................................................41

Fig.19. Módulo de transmissão do projeto...........................................................................44

Fig.20. Módulo de aquisição do projeto...............................................................................44

Fig.21. Protótipo da tela do software...................................................................................47

Fig.22. Fluxograma do ciclo de processamento do software...............................................48

Fig.23. Circuito de estabilização de tensão..........................................................................49

Fig.24. Circuito de aquisição do ECG e do filtro passa-faixa..............................................50

Fig.25. Forma de onda do ECG capturado do simulador.....................................................51

Fig.26. Forma de onda do ECG capturado do simulador.....................................................51

Fig.27. Circuito do conversor V/ F LM331 (Texas Instruments)........................................52

Fig.28. Formas de onda do ECG capturado e de sua modulação digital..............................52

Fig.29. Circuito de transmissão via rádio.............................................................................53

Fig.30. Circuito de aquisição via rádio.................................................................................54

7

Fig.31. Circuito do comparador de zero...............................................................................54

Fig.32. Circuito do conversor F/V LM331 (Texas Instruments).........................................55

Fig.33. Formas de onda do sinal recuperado após a transmissão e o sinal de ECG após a

conversão F/V.......................................................................................................................56

Fig.34. Circuito de conversão A/D.......................................................................................57

Fig.35. Teste realizado com simulador..... ..........................................................................60

Fig.36. Teste realizado com indivíduo 1..............................................................................60



Fig.39. Tela do software do teste com simulador.................................................................61

Fig.40. Tela do software do teste com simulador.................................................................62

8

LISTA DE TABELAS,iv Tab.1. Tabela das atividades de teste do sistema proposto..................................................39

9

1. INTRODUÇÃO

Problemas cardíacos são uma das grandes causas de mortes no Brasil. O

eletrocardiograma (ECG), que consiste no registro da atividade elétrica do coração, é um

exame essencial para o acompanhamento da função cardíaca e, conseqüentemente, é de

extrema importância no diagnóstico de suas patologias.

O projeto tem como objetivo fazer a monitoração da freqüência cardíaca e do

eletrocardiograma (ECG) da pessoa, em tempo real, enquanto a mesma está praticando sua

atividade física. Tal monitoração é de extrema importância, tanto para indivíduos com

histórico de problemas cardíacos quanto para indivíduos tidos como saudáveis, pois podem

ser diagnosticadas patologias cardíacas e arritmias que se detectadas precocemente, podem

ser tratadas e não ocasionar danos ao indivíduo. Além disso, o monitoramento pode ser

interpretado de maneira que um professor de educação física, fisioterapeuta, médico ou

qualquer outro profissional da saúde possa dizer se a atividade está de acordo com as

expectativas. Esta pode estar resultando em um desempenho físico baixo, ocasionando uma

baixa eficiência do exercício físico, e por outro lado, o paciente pode estar excedendo a

freqüência cardíaca máxima, o que pode comprometer sua saúde.

Para realizar este procedimento, a pessoa a ser monitorada deve estar conectada a

eletrodos, os quais levantarão os dados os dados de sua atividade elétrica cardíaca, que

serão transmitidos em tempo real a um módulo de aquisição. Este módulo está conectado a

um computador com o software do projeto, que permite a visualização do ECG da pessoa e

a freqüência cardíaca da mesma em tempo real. Além disso, um flag de alerta é acionado

sempre que a freqüência da pessoa esteja fora da faixa ideal para a mesma durante a prática

do exercício físico.

Vários tópicos foram estudados para a realização desse projeto, entre eles, pode-se

citar: transmissão via rádio, aquisição do sinal de ECG, circuitos de tratamento e

recuperação do sinal, conversão analógica/ digital. Nesse documento estão os princípios de

funcionamento de tais circuitos, bem como, o estudo da parte teórica necessária para o

entendimento do assunto para a realização do projeto.

10

2. ESPECIFICAÇÃO

2.1. Descrição

Durante a prática de exercícios físicos, alterações indesejadas podem ocorrer

colocando em risco a vida da pessoa. Desta forma, o monitoramento da freqüência cardíaca

durante a atividade é de extrema importância para a segurança da pessoa bem como para a

eficiência do treinamento ou condicionamento.

Problemas cardíacos são uma das grandes causas de mortes no Brasil. O

eletrocardiograma (ECG), que consiste no registro da atividade elétrica do coração, é um

exame essencial para o acompanhamento da função cardíaca e, conseqüentemente, é de

extrema importância no diagnóstico de suas patologias [2].

2.1.1. Objetivo Geral

O monitoramento cardíaco em práticas de exercícios físicos é de extrema

importância para se detectar um possível problema ou alguma alteração indesejada. Em

face disso, o projeto teve por objetivo ser uma ferramenta que fará um monitoramento

contínuo da freqüência cardíaca durante a prática do exercício, proporcionando uma maior

segurança à saúde da pessoa e uma maior eficiência no processo de condicionamento

físico.

2.1.2. Objetivo Específico

Para monitorar o indivíduo durante a prática do exercício, será necessário conhecer

a idade do mesmo e sua freqüência basal, que consiste na freqüência em repouso. Esta será

medida durante a calibração do sistema. Antes de começar a atividade física, a pessoa

coloca três eletrodos no tórax. Com base na idade calcula - se a freqüência mínima e

máxima da pessoa [10].

11

A freqüência cardíaca em tempo real será mostrada na tela, bem como flags de

‘okay’ e ‘alerta’. Se a freqüência registrada estiver entre a freqüência mínima e a máxima,

o flag de ‘okay’ estará acionado, do contrário, o flag ‘alerta’ será acionado.

2.2. Fundamentação Teórica

2.2.1. Arritmias e freqüência cardíaca durante o exercício físico

O ECG [6] pode ser valioso na detecção de anormalidades cardíacas anatômicas,

fisiológicas ou funcionais. Devido ao seu baixo custo, simplicidade e uso comum durante

os últimos 50 anos, o ECG ainda é um dos instrumentos clínicos mais eficiente em toda

medicina. Além do ECG de repouso, que se tornou um estudo diagnóstico essencial na

investigação cardiológica, existem duas aplicações especiais do ECG que têm utilidade

clínica em situações: eletrocardiografia ambulatorial e eletrocardiografia durante esforço.

A freqüência cardíaca nos indivíduos normais é determinada pela freqüência de

descarga das células marcapasso no nódulo sinoatrial. Embora as células marcapasso

tenham uma freqüência intrínseca da formação do impulso, a freqüência cardíaca normal é

influenciada por controle extrínseco que inclui o sistema nervoso autônomo, as

catecolaminas circulantes e outras substâncias bioquímicas produzidas no organismo ou

administradas como drogas [10].

Em repouso, a freqüência cardíaca está em geral entre 60 e 90 batimentos por

minuto (bpm) e fica, predominantemente, sob influência do sistema nervoso

parassimpático. Durante atividades físicas, a freqüência cardíaca aumenta, na medida em

que a atividade nervosa parassimpática diminui e os estímulos simpáticos e catecolaminas

circulantes aumentam [10].

Nos indivíduos sadios a freqüência máxima de descarga do nódulo sinoatrial é

determinada pela idade, sendo aproximadamente 220 menos a idade. Existe uma variação

considerável da freqüência cardíaca máxima entre os indivíduos da mesma idade, com

desvio-padrão de mais ou menos 10 bpm. Por essa razão, com o avanço da idade, a

freqüência cardíaca máxima diminui em aproximadamente 1 bpm/ano [6].

12

A realização bem-sucedida de exercícios físicos requer a interação coordenada de

três importantes sistemas orgânicos: os músculos esqueléticos, o sistema cardiovascular e o

sistema respiratório. Esses três sistemas estão diretamente acoplados para prover a troca

gasosa homeostática, isto é, oxigênio e dióxido de carbono entre o ambiente externo e as

fibras musculares em atividade. Durante atividades progressivas de exercício cada sistema

ajusta sua função em uma base de momento a momento, de acordo com as necessidades

metabólicas do organismo, principalmente aquelas dos músculos em exercício [7].

É importante observar que um distúrbio ou queda dentro de um ou mais desses

sistemas orgânicos pode ser a causa de uma tolerância limitada do individuo ao exercício

[7]. O trabalho de constatação de uma incapacidade suspeita ou da intolerância ao

exercício pode necessitar de uma avaliação abrangente de todos os três sistemas orgânicos

a fim de determinar os mecanismos específicos responsáveis pela alteração do paciente.

O ecocardiograma e o eletrocardiograma têm um papel essencial no diagnostico de

distúrbios cardiovasculares que podem predispor atletas jovens à morte cardíaca repentina

durante atividades relacionadas a esportes. Com este método de diagnóstico,

anormalidades estruturais do miocárdio, da aorta e das válvulas cardíacas podem ser

detectadas e acompanhadas permitindo verificar a progressão da enfermidade que pode

impedir a participação segura em esportes [8].

Métodos especiais de registro da freqüência e do ritmo cardíaco podem ser eficazes

na detecção de alterações do ECG. A telemetria, ou registro do ECG sem fio, pode ser

apropriada em quadros nos quais a freqüência e o ritmo podem ser acompanhados

visualmente por um técnico em ECG: isto pode ser realizado durante jogos como basquete

ou futebol. O registro de eventos (com o uso de um dispositivo de gravação portátil

acionado pelo individuo) pode revelar distúrbios do ritmo de uma pessoa sintomática

durante o evento e que consegue acionar a gravação durante o quadro clínico [9].

O músculo cardíaco, ao contrário do que ocorre com os músculos esqueléticos,

encontra-se em constante atividade. A mobilização energética para o constante trabalho de

contração dá-se, sobretudo através de processos aeróbicos. A grande quantidade de

mitocôndrias das células cardíacas denota sua especialização neste tipo de mobilização

energética – até 30% do volume cardíaco pode se dever às mitocôndrias, enquanto que em

células musculares esqueléticas de pessoas treinadas este percentual atinge de 5 a 10%-, as

13

células cardíacas apresentam também uma grande atividade de enzimas envolvidas na

mobilização aeróbica de energia. A oxidação de ácidos graxos é responsável pelo

fornecimento de até 80% da energia; a glicose e lactose, por 10% [10].

Um grande débito cardíaco é a base para o trabalho cardíaco de atletas treinados em

resistência em âmbito submáximo e um pré-requisito para o trabalho cardíaco sob carga

máxima.

É interessante notar que o volume cardíaco não apresenta correlação somente com o

volume sistólico, com a concentração de oxigênio fornecida (menos a quantia de oxigênio

consumida para o trabalho cardíaco), com o consumo máximo de oxigênio e com a

capacidade de resistência, mas também com o volume total de sangue, com a quantidade

total de hemoglobina, com a capilarização na musculatura, e com um intenso

funcionamento hepático, devido ao fato do fígado ser um órgão central nas trocas

metabólicas. Deste modo observa-se que o treinamento possibilita o aprimoramento dos

parâmetros participantes do desempenho esportivo e da correlação harmônica entre os

mesmos.

2.2.2. Fisiologia do Coração

A função primária do sistema cardiovascular é a de levar sangue para os tecidos,

fornecendo, dessa maneira, os nutrientes essenciais para o metabolismo das células,

enquanto, ao mesmo tempo, remove os produtos finais de metabolismo das células [2].

O coração atua como uma bomba, ao se contrair, gerando a pressão necessária para

deslocar o sangue ao longo da seqüência dos vasos sangüíneos. Os vasos que conduzem o

sangue do coração para os tecidos são chamados de artérias. As artérias funcionam com

pressão elevada e contém porcentagem pequena de volume sangüíneo. Já as veias são

aquelas que conduzem o sangue dos tecidos de volta ao coração; estas funcionam com

pressão baixa e contém a maior porcentagem do volume sangüíneo. As trocas de nutrientes

de produtos finais do metabolismo e de líquido ocorrem através das paredes dos vasos

capilares. Estes são vasos sangüíneos de paredes muito finas localizados nos tecidos [2].

14

O sistema cardiovascular também participa de diversas funções homeostáticas,

como:

• Regulação da pressão arterial;

• Entrega de hormônios reguladores, de seus locais de secreção, as glândulas

endócrinas, a seus locais de ação, nos órgãos-alvo;

• Regulação da temperatura corporal;

• Está envolvido nos ajustes homeostáticos em estados fisiológicos alterados,

como hemorragia, exercício e alterações posturais.

O coração pode ser visto como uma bomba pulsátil, que possui fibras musculares

especializadas na produção e condução de estímulos elétricos que promovem a contração

sincronizada do músculo cardíaco e assim, impulsionando o sangue para a circulação dos

pulmões e de todo o corpo.

Para atuar como uma bomba, os ventrículos devem ser eletricamente ativados e, em

seguida, contrair. No músculo cardíaco, a ativação elétrica se deve ao potencial de ação

cardíaco que, normalmente, se origina do nodo sinoatrial (SA ou NSA). Os potenciais de

ação, gerados no nodo SA são conduzidos para todo o miocárdio, em seqüência ordenada e

temporalmente definida. A contração também segue uma seqüência ordenada. Esta

seqüência é crítica, visto que os átrios devem ser ativados e contraídos antes dos

ventrículos e, os ventrículos devem contrair, do ápice para a base, para a ejeção eficiente

de sangue [2]. A Fig.1 ilustra um coração, mostrando suas partes principais.

15

2.2.3. Eletrocardiograma

Nas células dos músculos do coração, a ativação elétrica acontece pela mesma

razão que nas células nervosas, pelo fluxo de íons de sódio cruzando a membrana da

célula. A amplitude também é similar (100 mV) para os nervos e músculos. A duração do

impulso do músculo cardíaco é duas vezes superior que qualquer célula nervosa ou

muscular do corpo humano.

Uma fase de platô segue a despolarização cardíaca, e a seguir ocorre a

repolarização que é conseqüência do fluxo de íons de potácio saindo pela membrana da

célula. Associado a ativação elétrica das células do músculo cardíaco, existe a sua

contração mecânica, que ocorre com um pequeno atraso [5].

Uma importante diferença entre os músculos cardíacos e os músculos comuns é que

no músculo cardíaco a ativação pode se propagar de uma célula para qualquer outra

Fig.1- As partes principais do coração

16

direção, por isso o sinal do coração possui uma onda característica de forma mais

complexa. A única exceção é a barreira entre o átrio e os ventrículos, onde a ativação

normalmente não pode atravessar visto que uma barreira não-condutora está presente [5].

A Fig.2 ilustra a eletrofisiologia da célula cardíaca.

O eletrocardiograma é a medida das pequenas diferenças de potencial que refletem

a atividade elétrica do coração. Essas diferenças de potencial podem ser medidas, na

superfície do corpo, em função das seqüências temporal e da despolarização e

repolarização do coração. Observa-se que o miocárdio não é despolarizado a um só tempo

[5].

Os átrios despolarizam antes dos ventrículos e estes despolarizam em seqüência

definida. Os átrios repolarizam enquanto os ventrículos estão despolarizando e os

ventrículos repolarizam em seqüência específica. Em virtude dessa seqüência e dos tempos

da propagação e da repolarização, são produzidos no miocárdio diferenças de potencial

entre as diversas regiões do coração, que podem ser detectadas por eletrodos colocados na

superfície do tórax.

Fig.2- Eletrofisiologia do coração

Direção de condução Tempo

Despolarização Repolarização Restauração iônica

17

As diferentes formas de onda para cada uma das células especializadas encontradas

no coração são demonstradas na Fig.3. As diferenças de tempo são referentes ao que é

comumente encontrado em um coração saudável [2].

Para um estudo completo das formas de ondas, foi isolado um coração de um

indivíduo que tinha tido morte cerebral, e que não apresentava nenhum histórico de

doenças cardíacas. O coração foi removido somente 30 minutos após ser decretada a morte

cerebral. Posteriormente, 870 eletrodos foram colocados nos músculos cardíacos e a

atividade elétrica do coração foi gravada e reproduzida em papel, com uma resolução de

amostragem de 1 ms [2].

A Fig.3 mostra o resultado destes dados. Os ventrículos são mostrados com a

parede anterior e parte do ventrículo direito abertos; as superfícies isocrônicas mostram

claramente que a ativação ventricular começa na parede interna do ventrículo esquerdo e

procede radialmente para o epicárdio. Na parte terminal da ativação ventricular, a

excitação procede mais tangencialmente. Este fenômeno e seus efeitos são utilizados no

eletrocardiograma, para avaliação da saúde de um paciente [2].

Fig.3- Ondas do eletrocardiograma

18

As diversas ondas representam despolarizações ou repolarizações das diferentes

partes do miocárdio e recebem rótulos por letras, como pode ser visto pela Fig.4. Os

intervalos e os segmentos, entre essas ondas, também são identificados. A diferença entre

intervalos e segmentos é a de que os intervalos incluem as ondas, enquanto os segmentos

não o fazem. As seguintes ondas, intervalos e segmentos estão representados no ECG [5]:

1. Onda P: representa a despolarização dos átrios. A duração da onda P está

correlacionada com o tempo de condução pelos átrios. Por exemplo, se a velocidade de

condução ficar diminuída, a onda P aparecerá alargada;

2. Onda Q: representa a deflexão negativa inicial da despolarização ventricular;

normalmente é uma onda pequena e negativa;

3. Onda R: primeira deflexão positiva. É geralmente mais pronunciada e positiva;

4. Onda S: deflexão negativa que segue a onda R. É similar à Q;

5. Intervalo PR: é o tempo decorrido, desde a despolarização inicial dos átrios até a

despolarização inicial dos ventrículos. Assim, o intervalo PR inclui a onda P e o

segmento PR, parte isoelétrica (em linha reta) do ECG. Normalmente, o intervalo PR é

de 160ms, tempo da primeira despolarização dos átrios até a primeira despolarização

dos ventrículos;

6. Complexo QRS: consiste em três ondas, Q, R e S. Em seu conjunto, essas ondas

representam a despolarização dos ventrículos. A duração total do complexo QRS é

semelhante à da onda P. Isso acontece pois os ventrículos despolarizam tão

rapidamente quanto os átrios, visto que sua velocidade de condução é muito maior do

que a do sistema condutor dos átrios;

7. Onda T: representa a repolarização dos ventrículos;

8. Intervalo QT: inclui o complexo QRS, o segmento ST e a onda T. Representa a

primeira despolarização ventricular até a última repolarização ventricular. O segmento

ST é um trecho isoelétrico do intervalo QT;

9. Onda U: raramente vista, ainda não se conhece seu significado.

19

2.2.4. A Aquisição e o Registro do Eletrocardiograma

Os batimentos cardíacos geram um sinal elétrico que pode ser usado como

ferramenta de diagnóstico para examinar algumas das funções do coração. Esses sinais

podem ser captados através de quaisquer pontos com a mesma diferença de potencial da

linha de campo elétrico do coração, como pulsos direito e esquerdo do paciente.

Os amplificadores são bastante importantes na medida dos biopotenciais do corpo.

Eles são necessários para aumentar a amplitude do sinal mantendo sua forma original. A

função essencial dos amplificadores de biopotenciais é pegar um sinal original biológico

elétrico, geralmente de baixíssima amplitude, e aumentá-la. Para que, posteriormente, seja

possível o processamento, gravação, análise e a apresentação dos sinais capturados do

corpo do indivíduo.

Fig.4- Eletrocardiograma padrão

20

Os amplificadores de ECG possuem alguns requisitos para um bom funcionamento,

como:

• Alta impedância de entrada;

• Alto CMRR;

• Alto ganho;

• Baixo ruído;

• Resposta em freqüência de 0,1 a 100Hz.

O sinal captado diretamente do paciente possui uma diferença de potencial muito

baixa, sendo necessário um circuito capaz de amplificar essa diferença de potencial, para

que o sinal possa ser representado na forma de um ECG. Um ganho considerável seria

maior ou igual a 500.

Na tentativa de diminuir os ruídos existentes no circuito, é aconselhável utilizar

baterias, ao invés da fonte de alimentação que gera mais ruído, principalmente 60 Hz.

Além disso, em especial nesse projeto, o equipamento final deveria ser bastante pequeno,

já que será carregado durante o exercício físico, reforçando a necessidade do uso de

baterias.

Dois exemplos do circuito de aquisição do ECG são descritos. O primeiro deles,

visto na Fig. 5, mostra que o eletrodo da perna da pessoa é ligado à saída de um

amplificador operacional auxiliar. Este feedback negativo aumenta a rejeição de modo

comum, diminuindo os ruídos. Além disso, esse tipo de circuito proporciona maior

segurança elétrica. Em caso de uma tensão entre o paciente e o terra, o amplificador

auxiliar satura, isolando o paciente.

Já na Fig.6, observa-se um circuito bastante similar, porém com a perna do

indivíduo ligada diretamente no terra.

21

Fig.5- Circuito de amplificador do ECG

Fig.6- Circuito mais simplificado de amplificador do ECG

22

A freqüência cardíaca é medida pela contagem dos complexos QRS por minuto [5].

O comprimento do ciclo é o intervalo R-R (período de tempo entre duas ondas R

sucessivas). A freqüência cardíaca é relacionada à duração do ciclo da forma seguinte:

As variações de freqüência cardíaca provocam variações na duração do potencial de

ação e, por isso, alterações nas durações dos períodos refratários e da excitabilidade [2].

Se a freqüência cardíaca aumenta, ocorre redução da duração do potencial de ação.

Não apenas serão gerados mais potenciais de ação, por unidade de tempo, como esses

potenciais de ação terão menor duração e menores períodos refratários. Devido à relação

entre freqüência cardíaca e período refratário, o aumento da freqüência cardíaca poderá ser

fator para a gênese de arritmias, isto é, ritmos cardíacos anormais. À medida que a

freqüência cardíaca aumenta e os períodos refratários encurtam, as células miocárdias

passam a ficar excitáveis precocemente e com maior freqüência.

2.2.5. Transmissão via Rádio

Neste projeto, a transmissão do eletrocardiograma adquirido da pessoa deve ser

transmitido via rádio. Para esse tipo de transmissão faz-se necessário a modulação do sinal

que se deseja transmitir.

Para melhor entender essa teoria temos os seguintes conceitos: o sinal que contém a

informação é dito sinal modulante e o sinal de alta freqüência é chamado de onda

portadora. O resultado da interferência de um sinal sobre o outro é um terceiro sinal

elétrico chamado sinal modulado e o processo que envolve a geração desse sinal a partir

dos dois primeiros é conhecido por modulação. Resumindo, modulação é um processo que

consiste em se alterar uma característica da onda portadora, proporcionalmente ao sinal

modulante[4].

Freqüência cardíaca = 1/ duração do ciclo (unidade bpm)

23

A partir desse conceito de modulação, podemos dividir os sistemas de comunicação

em dois grandes grupos:

- um que usa portadora senoidal

- outro que utiliza como portadora um trem de pulsos.

Para portadora senoidal, há duas características alteráveis: a amplitude e a

freqüência, gerando a modulação em amplitude – AM (Amplitude Modulation) e a

modulação em fase – PM(Phase Modulation) ou em freqüência –FM (Frequency

Modulation). Devido a grande semelhança entre PM e FM, estas são classificadas como

Modulação Angular.

Na implementação do projeto deu-se a prioridade em utilizar a modulação do tipo

Angular, já que esta é menos vulnerável aos ruídos.

Esse tipo de modulação pode ser classificado em dois tipos[4]:

- FM de Faixa Estreita

Essa técnica é utilizada quando se necessita agrupar vários sinais modulados em

FM em uma faixa relativamente restrita de freqüências, que consiste basicamente

em limitar o índice de modulação para restringir a largura de faixa ocupada.

- FM de Faixa Larga

O processo consiste em escolher uma freqüência do gerador senoidal,

suficientemente grande, para não causar problemas na filtragem do filtro mecânico

e reduzir a amplitude da senóide a praticamente zero.

Basicamente, existem dois métodos de se obter um sinal modulado em freqüência.

Um deles age diretamente sobre a freqüência de ressonância de um circuito oscilador e

outro método, indireto, é o sistema Armstrong de obtenção do sinal FM de Faixa Estreita,

seguido de uma multiplicação de freqüência e heterodinação. Uma terceira alternativa

24

bastante aproveitada é a geração do sinal FM a partir de um PFM (Pulse Frequency

Modulation-Modulação em Freqüência de Pulso), o que não deixa de ser forma indireta,

mas é normalmente conhecido como método digital.

A modulação em FM implementada no projeto foi feita através de um conversor

tensão-freqüência, pois se trata de um circuito de relativa fácil implementação e supriu as

necessidades do projeto. Nesse tipo de modulação, para cada valor de tensão de ECG há a

conversão do mesmo para uma freqüência diferente.

2.3. Especificação do Hardware

2.3.1. Amplificadores de Instrumentação

Os amplificadores de instrumentação (AI) são amplificadores diferenciais

acoplados diretamente e que apresentam alto ganho, alta impedância de entrada e uma alta

rejeição de modo comum (CMRR) [1].

Os AIs amplificam sinais diferenciais de baixa amplitude, como, por exemplo, os

produzidos por transdutores, que podem ter um alto nível de ruído em modo comum.

As CMRRs podem chegar facilmente a 80 ou 120 dB de atenuação [1].

A Fig.7 mostra um amplificar de instrumentação acoplado em um único circuito

integrado, como é o caso do INA118 fabricado pela Texas Instruments. Esse tipo de

circuito integrado foi utilizado no projeto.

25

Com base na Fig.7 pode-se observar que os amplificadores operacionais do

primeiro estágio (de entrada) estão configurados como amplificadores não inversores. O

circuito elimina a desvantagem da baixa impedância de entrada do amplificador

operacional diferencial, o que reduz o carregamento na fonte de sinal, visto se tratarem de

buffers.

Como os buffers têm ganho unitário, o amplificador do segundo estágio (de saída)

terá uma alta CMRR.

No amplificador da Fig.7 o ganho é calculado pela fórmula abaixo e depende do

resistor Rg [Texas Instruments]:

Fig.7. Amplificador de Instrumentação, INA118 Texas Instruments

G= 1+ 50kO Rg

26

2.3.2. Filtros Ativos

Há algum tempo, os filtros eram feitos com componentes passivos como indutores

e capacitores. O problema é que para baixas freqüências os indutores se apresentam

muito volumosos e caros [3]. Utilizando-se amplificadores operacionais, é possível

construir um filtro RC ativo eliminando o problema dos indutores volumosos em baixas

freqüências. Qualquer filtro que usa um amplificador operacional é chamado de filtro

ativo. O filtro é um dispositivo que tem por finalidade eliminar sinais de uma

determinada freqüência ou de uma faixa de freqüências acima ou abaixo de um valor

limite. Pode ser passivo, quando empregam apenas componentes passivos (resistores,

capacitores e indutores), ou ativo, quando empregam componentes ativos (transistores,

circuitos integrados). Há várias configurações de projeto de filtros ativos, conhecidos

como Butterworth, Chebyshev, Bessel e outros.

Filtro Butterworth é um filtro projetado para produzir a resposta mais uniforme

possível até a freqüência de corte. Em outras palavras, a tensão de saída permanece

constante por quase todo o percurso até a freqüência de corte. Em seguida, ela diminui

20n dB por década, onde n é o número da ordem do filtro.

A freqüência de corte é dada por: 1/ (2πRC). Abaixo dessa freqüência, a tensão de

saída diminui 20 dB por década em filtro de primeira ordem.

Um filtro ativo permite a passagem de todas as freqüências até a freqüência de

corte. Acima desta a resposta de freqüência cai. Um filtro como esse é chamado de filtro

passa baixa.

É possível transformar um filtro Butterworth passa baixa (FPB) num filtro

Butterworth passa alta (FPA) usando circuitos de acoplamento em vez de redes de

desvio. Um circuito como esse permite a passagem das freqüências altas, porém

bloqueia as freqüências baixas.

Os principais pontos que se deve ter em mente em se tratando de filtros, de maneira

resumida, são [3]:

- os amplificadores operacionais podem ser utilizados na construção de filtros

- filtro passa baixa permite a passagem de todas as freqüências, a partir de zero

até a freqüência de corte;

27

- filtro passa alta permite a passagem de todas as freqüências, a partir da

freqüência de corte até o infinito;

- o número de pólos em um filtro ativo é igual ao número de circuitos de

acoplamento ou desvio. Cada pólo produz uma diminuição ou atenuação de 20

dB por década.

Para um correto tratamento do sinal, faz-se necessário a montagem de um filtro

passa-faixa, ou seja, que permita a passagem de uma faixa de freqüência definida.

Um filtro passa-faixa (Bandpass Filter) nada mais é que um circuito que só permite

a passagem de sinais de freqüências compreendidas entre dois valores estabelecidos. Ou

seja, é possível a passagem de uma faixa de freqüência desejada. Como resultado do

circuito, obtemos um filtro que só permite que uma faixa de freqüência passe, o que

acaba resultando em um filtro passa-faixa. A resposta em freqüência de onda resultante

desse filtro pode ser visto pela Fig.8.

Fig.8- Curva de resposta em freqüência de um filtro passa- faixa

28

2.3.3. Conversor A/D

Muitas tensões e correntes em eletrônica variam continuamente ao longo de uma

faixa de valores. Em circuitos digitais, os sinais estão em um de dois níveis, representando

os valores binários de um ou zero. Um conversor analógico-digital produz uma tensão

digital a partir de uma tensão analógica de entrada.

Um método bastante popular de conversão A/D [1]usa um circuito em escada com

circuitos contadores e comparadores. Um contador digital avança zero enquanto um

circuito em escada fornece, através das saídas do contador, uma tensão em escada, a qual

aumenta por um incremento de tensão em cada passo de contagem. Um circuito

comparador, recebendo as tensões em escada e a tensão de entrada analógica, fornece um

sinal para parar a contagem quando a tensão da escada se eleva acima da tensão de entrada.

O valor do contador neste instante é a saída digital desejada.

O incremento de tensão do sinal em escada depende do número de bits de contagem

utilizado. A taxa de clock do contador afeta o tempo requerido para fazer a conversão. O

tempo de contagem necessário para realizar uma conversão varia entre os extremos

máximos e mínimos. Um contador, usando poucos estágios de contagem, faz mais

conversão por segundo. A precisão da conversão depende da precisão do comparador.

2.3.4. Módulo de Transmissão e Recepção

Uma das melhores opções encontrada no mercado para a transmissão dos dados é

constituída por um módulo de transmissão e outro de recepção fabricado pela empresa

inglesa Radiometrix, cujo modelo é o TX2&RX2 [Radiometrix].

Esses módulos transmitem a uma taxa de 160kbps e seu alcance é de 75 metros em

ambientes fechados e 300 metros em área externa. Opera na freqüência de 433.92 MHz, o

que é muito bom, já que essa freqüência é liberada para o uso. Além disso, a modulação é

do tipo FM, menos vulnerável aos ruídos. Por se tratar de um módulo pequeno e de

alimentação baixa, este é ideal para aplicações portáteis e alimentação feita com baterias.

29

O módulo de transmissão opera com uma alimentação entre 2V a 6V e é disponível

na freqüência de 433.92MHz. O receptor possui uma taxa de recepção de 160kbps e

alimentação de 3V a 6V, drenando uma corrente de 14mA quando está recebendo dados.

A descrição dos pinos do transmissor é a seguinte:

• RF GND: Pino do terra;

• RF out: Saída RF para a antena, isolado internamente;

• Vcc: Pino de alimentação;

• 0V: Conexão de alimentação do terra;

• TXD: Aceita dados digitais (níveis 0V a Vcc) ou sinais lineares de alto

nível.

Já descrição dos pinos do módulo de recepção é dada por:

• RF in: Entrada RF da antena;

• RF GND: Pino de alimentação;

• CD (Carrier Detect): Usado para ligar um transistor PNP para obter um

nível lógico de detecção de sinal. Se não for requerido no projeto, ligar ao

pino de Vcc.

• 0V: Conexão de alimentação do terra;

• Vcc: Pino de alimentação;

• AF: Trata-se da saída com buffer e filtrada do demodulador FM;

• RXD (Data out): Essa saída interna é a versão ao quadrado do sinal de AF.

Pode ser ligado a um decodificador externo.

Para aumentar o alcance da transmissão se faz necessário a construção de uma

antena, para a utilização desses módulos, há a sugestão de três tipos de projetos de antenas,

que podem ser vistos pela Fig.9.

30

A antena utilizada no projeto foi a vertical, já que esta pôde ser facilmente

implementada e ficar localizada dentro dos módulos de transmissão e recepção, sem

atrapalhar a pessoa durante a atividade física. Além disso, seu alcance é maior em relação

aos outros dois tipos de antena.

2.3.5. Porta Paralela

A porta paralela é uma interface de comunicação entre o computador e um

periférico [1]. Quando a IBM criou o primeiro PC (Personal Computer) ou Computador

Pessoal, a idéia era conectar a essa porta uma impressora, mas atualmente, são vários os

periféricos que se utilizam desta porta para enviar e receber dados para o computador

(exemplos: scanners, câmeras de vídeo, unidade de disco removível e outros).

Na transmissão bidirecional, a porta avançada EPP ( Enhanced Parallel Port ) chega a

atingir uma taxa de transferência de 2 MB/s. Já a porta avançada ECP (Enhanced

Fig.9- Tipos de antenas: (A) Antena helicoidal, (B) Antena em curva, (C) Antena vertical

31

Capabilities Port) tem as mesmas características que a EPP, porém, utiliza DMA (acesso

direto à memória), sem a necessidade do uso do processador, para a transferência de dados.

Utiliza também um buffer FIFO de 16 bytes.

2.3.6. Eletrodos

A fim de medir e registrar os biopotenciais do corpo, faz-se necessárias uma

interface entre o corpo e o dispositivo eletrônico. Esta interface é obtida pela utilização de

eletrodos de biopotenciais, que desempenham um papel de transdutores nos quais são

convertidas correntes iônicas, que circulam pelo corpo, em correntes de elétrons.

Com o passar do tempo vários tipos de eletrodos vêm sendo desenvolvidos para

registrar os biopotenciais[5]. Existem eletrodos externos, internos, microeletrodos,

flexíveis e muitos outros.

No projeto foram utilizados eletrodos externos conhecidos como metal plate. Em

sua forma simplista, este consiste de um condutor metálico em contato com a pele.

Geralmente usa-se um gel apropriado para manter o contato elétrico do eletrodo com a

pele. Esse tipo de eletrodo pode ser visto pela Fig.10.

(topo) (atrás)

Superfície adesiva

Alça de metal Disco de metal e eletrólito

Fig.10. Eletrodo metal plate

32

O eletrodo pode ser feito de diferentes tipos de materiais. Sua estrutura faz com que

possa ser conectado ao tórax da pessoa para detecção do ECG ou monitoração cardíaca por

um longo período de tempo. Para essas aplicações o disco do eletrodo é fabricado com

cloreto de prata. O eletrodo metal plate também é utilizado na monitoração de EMG e de

EEG, porém, nesses casos o eletrodo usado é menor.

Para utilizar os eletrodos corretamente, sugere-se seguir os seguintes

procedimentos:

• o gel deve ser aplicado de maneira correta e na quantidade certa;

• pressionar levemente o eletrodo contra a pessoa;

• para não cair o eletrodo é aconselhável o uso de esparadrapos.

2.3.7. Conversão tensão -freqüência e freqüência-tensão

Para a realização da transmissão via rádio, fez-se necessário converter o sinal de

ECG em pulsos digitais, pois os módulos de transmissão/ recepção a serem utilizados não

fazem a transmissão analógica do mesmo sinal.

Uma alternativa encontrada foi converter a tensão do sinal de ECG em freqüências

e fazer o processo inverso para se recuperar o sinal, ou seja, converter as freqüências

recebidas em valores de tensão.

A Fig.11 mostra o diagrama em blocos do conversor tensão-freqüência, já a Fig.12

mostra o diagrama do conversor freqüência-tensão.

Valor de tensão da onda

Conversão da tensão para um

valor em freqüência

Fig.11- Diagrama em blocos do conversor V/F

33

No projeto foi implementado um conversor V/F que gera como saída uma

freqüência máxima de 100k Hz para a onda de ECG, para que não haja perda de sinal na

transmissão. A Fig.13 ilustra uma foto do osciloscópio com um sinal de ECG convertido

em freqüência e posteriormente recuperado em valores de tensão.

Fig.12- Diagrama em blocos do conversor F/V

Freqüência dos pulsos digitais

Conversão da freqüência para um determinado valor

de tensão

Sinal original

Conversão V/F do sinal original

Puls os digitais recuperados da

transmissão

Sinal original recuperado pela conversão F/V

Fig.13- Exemplo da conversão V/F e F/V

34

2.3.8. Diagrama de blocos do Hardware

O diagrama em blocos do hardware pode ser visto pela Fig.14.

via porta paralela

Eletrodos

Amplificador de

Instrumentação

Filtro passa-faixa

Módulo de transmissão

Módulo de recepção

Conversor A/D

Fig.14- Diagrama em blocos do hardware

Conversor tensão-freqüência

Conversor freqüência-tensão Detetor de zero

35

2.4. Especificação do Software

2.4.1. Ferramentas de Desenvolvimento

Para a realização do software fez-se necessário a utilização de uma linguagem de

programação de conhecimento relativo. Além disso, tal linguagem deveria possuir os

recursos necessários para o desenvolvimento do programa.

2.4.2. Linguagem C/C++

A linguagem de programação escolhida para o desenvolvimento do programa foi a

linguagem C/C++ que possui as ferramentas necessárias para o software do projeto.

Para a comunicação entre o computador remoto e o transmissor foram utilizadas as

rotinas outputb e importb que faz a comunicação com a porta paralela. O restante do

software não utiliza recursos específicos, mas sim, os recursos usuais de programação.

2.4.3. Software no Sistema

O software desenvolvido teve como objetivo mostrar os dados na tela utilizando

uma interface clara e amigável para o usuário. Este mostra os dados da pessoa, os sinais de

ECG capturados da pessoa e dois flags de monitoração.

O programa é responsável por mostrar o ECG em tempo real do indivíduo. Além

disso, com base nas freqüências mínima e máxima o programa deve acionar um

determinado flag. Há dois flags: ‘okay’ e ‘alerta’. Caso a freqüência registrada esteja entre

os valores de mínimo e máximo o flag ‘okay’ é acionado, do contrário, o flag ‘alerta’

acionará.

O usuário deve digitar seu nome e sua idade para que o programa possa calcular a

freqüência ideal ao longo do exercício físico. As freqüências máximas e mínimas são

36

calculadas com base na FCM, ou seja, freqüência cardíaca máxima. Esta é calculada da

seguinte maneira [10]:

A Fig.15 ilustra o cálculo utilizado no software para calcular a freqüência mínima e

máxima no exercício físico.

FCM = 220 – idade da pessoa

Fig.15- Cálculo usado para saber a faixa de freqüência indicada para o individuo

ZONA ALVO DE TREINAMENTO (segundo Karvonen e col., 1957)

(o indivíduo deve procurar controlar seus batimentos entre a faixa mínima e máxima durante o exercício)

FCM x 0,60 = freqüência cardíaca mínima FCM x 0,70 = freqüência ideal na atividade aeróbica FCM x 0,85 = freqüência cardíaca máxima

37

2.4.4. Diagrama de Blocos do Software

O diagrama do software pode ser visualizado pela Fig.16 abaixo:

Aquisição dos valores vindos

da porta paralela

Plotagem desses valores em um

gráfico para formar a onda do ECG da

pessoa

Cálculo da freqüência cardíaca

Aciona flag ALERTA

Aciona flag OKAY

Valor calculado > freq.máx ou Valor calculado < freq.mín

Valor calculado está entre freq.mín e freq.máx

Fig.16- Diagrama em blocos do software

38

2.4.5. DFD

2.5. Teste de Validação

Para a validação do projeto foram feitos testes com um simulador de arritmias

cardíacas, bem como, com indivíduos conectados aos eletrodos e deverá ocorrer a

transmissão dos seus dados para o módulo remoto.

O módulo de aquisição dos sinais onde está o responsável pelo exercício (professor,

médico, fisioterapeuta ou outro) deve estar a uma distância inferior a 200 metros da pessoa

e este deve visualizar a freqüência cardíaca e o sinal de ECG em tempo real do indivíduo

através da tela do software do projeto.

A tabela Tab.1 descreve as atividades de teste do sistema.

Estado do flag

Flag

Idade do usuário usuário Plotagem do ECG

Cálculo da freqüência

cardíaca ideal

Acionamento do flag

Valores do ECG

Fig.17- DFD do software do projeto

39

Fase do Projeto Descrição do Teste Resposta Esperada

Implementação da captação

do ECG

Colocação dos eletrodos na

pessoa

Visualizar o ECG do

individuo através de um

osciloscópio

Conversão tensão -

freqüência (V/F)

Na entrada do conversor

V/F o ECG e a saída na

entrada do conversor

freqüência- tensão (F/V)

Reconstrução do ECG

inicial na saída do conversor

F/V

Implementação da

transmissão

Separar os módulos de

transmissão e aquisição do

sinal

Transmissão correta doa

dados, sem perdas que

possam comprometer o sinal

original

Tab.1- Tabela das atividades de teste do sistema proposto

40

3. PROJETO

3.1. Visão Geral

O projeto se insere na disciplina de Instrumentação Biomédica, por se tratar de um

projeto que utilizará ferramentas da engenharia para solucionar um problema na área

médica. O sistema a ser desenvolvido visa ser uma ferramenta para ajudar na monitoração

da atividade cardíaca de um indivíduo sob atividade física em tempo real.

Uma aplicação bastante clara do projeto é no caso da prática de exercício físico. A

pessoa é monitorada através de três eletrodos e os sinais de seu eletrocardiograma (ECG)

são transmitidos a um módulo remoto. Nesse módulo remoto será feito o processamento

dos sinais recebidos e, então, os parâmetros (ECG) da pessoa serão transmitidos a um outro

computador, um lap top, por exemplo, onde estará o profissional responsável pelo

exercício físico. Em posse das informações da pessoa, o treinador poderá monitorar o

indivíduo de uma maneira bastante segura e orientar o exercício de forma mais eficiente.

3.2. Funcionamento

O sistema faz a aquisição do ECG do indivíduo, utilizando-se de três eletrodos que

deve estar conectados a mesma. Após a aquisição do sinal, este passa para o estágio de

processamento e só então é transmitido, via rádio, ao computador do profissional (técnico,

professor, médico, etc) responsável pelo exercício físico da pessoa. A faixa de freqüência

utilizada fica em torno de 433 MHz e o tipo de modulação é em FM.

Após a transmissão do sinal, ocorre a recepção bem como o processamento e

recuperação do mesmo. Depois de recuperado, o sinal passa por uma conversão analógica/

digital, para então ser enviado ao computador via porta paralela. A Fig.18 exemplifica o

projeto.

41

No computador há o software que tem as seguintes funções:

• Receber os dados vindos da porta paralela e amostrar o eletrocardiograma

(ECG) da pessoa na tela;

• Com base nos dados da pessoa, emitir um pequeno diagnóstico a seu respeito.

Aquisição do ECG

Processamento do sinal

Transmissão via rádio

Recepção do sinal

Conversão A/D

via porta paralela

Processamento e recuperação

do sinal

Fig.18- Diagrama em blocos do projeto

42

A pessoa a ser acompanhada deve, após colocar os eletrodos, ficar em repouso por

alguns instantes para que seja registrada sua freqüência cardíaca basal. É com base nesta,

as freqüências mínimas e máximas serão calculadas pelo software. Caso a freqüência

registrada seja maior ou menor que as freqüências máxima e mínima calculadas,

respectivamente, um sinal de alerta é acionado no software.

3.3. Módulos

O projeto pode ser dividido em cinco módulos:

1. transmissão/ Recepção dos dados;

2. circuito de detecção do eletrocardiograma;

3. união dos módulos 1 e 2;

4. desenvolvimento do software;

5. integração dos quatro módulos acima.

Os módulos 1, 3 e 4 puderam ser desenvolvidos separadamente e

independentemente da ordem, desde que sejam realizados testes adequados para a correta

validação do módulo.

43

3.3.1. Descrição do Hardware

3.3.1.1. Lista de Componentes

Os componentes utilizados no desenvolvimento do projeto foram:

• amplificador de instrumentação modelo INA118 ou INA121 da Texas

Instruments;

• amplificadores operacionais;

• baterias de 9V;

• cabo blindado;

• capacitores;

• componentes diversos;

• conector DB-25 macho;

• conversor A/D;

• conversor F/V;

• conversor V/F;

• eletrodos;

• módulo TX2&RX2 (transmissão /recepção) da Radiometrix.

3.3.1.2. Diagrama do Hardware

O hardware foi dividido em dois circuitos diferentes: o da transmissão e o da

recepção.

Na transmissão, estão os circuitos de aquisição do ECG, de tratamento do sinal, de

conversão tensão/ freqüência e, é claro, o circuito de transmissão. A Fig.19 ilustra esse o

módulo.

44

Já no módulo de aquisição os seguintes circuitos estão presentes: circuito de

aquisição do sinal, conversor freqüência/ tensão, conversor analógico/ digital. A Fig.20

ilustra o módulo de aquisição.

antena

Amplificador de instrumentação Tratamento do sinal

Conversão tensão- freqüência

Transmissão via rádio

eletrodos

Fig.19- Módulo de transmissão do projeto

Conversor A/D

Conversão freqüência- tensão Aquisição via rádio

Porta paralela

Fig.20- Módulo de aquisição do projeto

antena

45

3.3.2 Descrição do Software

3.3.2.1 Casos de Uso

Roteiros dos casos de uso:

- Nome: Aquisicionar o sinal de ECG;

- Caminho Básico: Os eletrodos fazem a aquisição dos sinais de ECG e estes

são enviados para o sistema de tratamento dos dados;

- Caminho de exceção: Os eletrodos e/ou o circuito de aquisição do ECG não

estarem funcionando corretamente.

- Nome: Calcular a freqüência cardíaca;

- Caminho Básico: O sistema recebe os dados do ECG e calcula a freqüência

cardíaca registrada em tempo real;

- Caminho de exceção: O sistema não consegue adquirir os dados.

Aquisicionar o sinal de ECG

Calcular a freqüência cardíaca

usuário Porta paralela

flags

46

3.3.2.2 Diagrama de Classes

3.3.2.3 Diagrama de seqüência

Aquisicionar o sinal de ECG e Calcular a freqüência cardíaca

1. Ler_dados( );

:: Aquisição :: Controlador :: Flags

Porta paralela

:: Aquisição :: Controlador :: Flags

2. Set_dados( ); 3.Acende_Okay( );

3.Acende_Alerta( );

47

3.3.2.4 Interface

A tela do software pode ser visto pela Fig.21. Pode-se visualizar o flag de ‘okay’

acionado, os campos preenchidos com os dados da pessoa e o ECG deverá estar no gráfico.

Fig.21- Tela do software

48

3.3.2.5 Ciclo de execução

O ciclo de execução do software segue o fluxograma ilustrado pela Fig.22.

não sim

sim

sim

não

Campo de idade preenchido

Acionar botão “começa”

Leitura da porta paralela

não

thread

Plotagem do gráfico na tela

Cálculo da FCM e da freq mínima e

máxima

Freqüência cardíaca ideal

Aciona flag vermelho

Aciona flag verde

Fig.22- Fluxograma do ciclo de processamento do software

49

4 IMPLEMENTAÇÃO

4.1. Circuito de alimentação

Tanto no módulo de transmissão e de recepção do projeto foi necessário o uso de

baterias, por duas razões principais:

• os módulos são portáteis, logo, não se faz possível o carregamento de

fontes juntamente com os circuitos;

• principalmente no módulo de transmissão, onde há a aquisição do ECG da

pessoa, o circuito poderia sofrer interferência da rede caso fossem

utilizadas fontes de alimentação.

Por essas razões foram implementados dois circuitos iguais de estabilização da

tensão, um para o módulo transmissor e outro para o de aquisição que, utilizando-se de

duas baterias de 9V cada, consiga fornecer como saída os seguintes valores de tensão:

+5V, -5V e o terra do circuito. A Fig.23 ilustra o circuito implementado.

Fig.23- Circuito de estabilização de tensão

50

4.2. Amplificador de instrumentação e filtro

Após o amplificador de instrumentação fez-se necessário a utilização de um filtro

passa-faixa, cuja faixa de freqüência é de 0,5Hz até 80Hz. Foi implementado um filtro de

primeira ordem. Com sua utilização, o circuito fica protegido dos ruídos de alta freqüência

que poderiam comprometer o sinal de ECG captado pelos eletrodos.

A Fig.24 ilustra o circuito implementado de aquisição do sinal de ECG e o

tratamento desse sinal feito pelo filtro passa-faixa.

Foram realizados testes de validação tanto com o simulador de batimentos

cardíacos como com pacientes e os resultados foram ambos satisfatórios.

Após a implementação do filtro, o circuito não sofreu interferência de ruídos de alta

freqüência. Antes da implementação, o circuito apresentou problemas em algumas

situações, como perda do sinal de ECG em decorrência dos ruídos de 120 Hz das lâmpadas

de luz fria.

Fig.24- Circuito de aquisição do ECG e do filtro passa-faixa

51

As formas de onda do ECG captado tanto do simulador quanto de pessoas podem

ser vistas pelas Fig.25 e Fig.26, respectivamente. Podem-se observar as formas de ondas

satisfatoriamente.

4.3. Conversor tensão/ freqüência e transmissão

Após a saída do filtro o sinal é submetido a uma conversão tensão/ freqüência, a

fim de se realizar a modulação do sinal de ECG, para que este possa ser transmitido, para

tal foi utilizado o circuito integrado LM331. Feita a conversão o sinal transforma-se em

pulsos digitais. A Fig.27 ilustra o circuito implementado para fazer tal conversão. Um

exemplo da conversão da modulação do sinal de ECG pode ser visto pela Fig.28, onde

cada tensão do sinal de ECG é convertida para um dado valor de freqüência, resultando nos

pulsos digitais.

Fig.25- Forma de onda do ECG captado do simulador

Fig.26- Forma de onda do ECG captado do indivíduo

52

Fig.27- Circuito do conversor V/ F LM331 (Texas Instruments)

Fig.28- Formas de onda do ECG capturado e de sua modulação digital

53

Tais pulsos são transmitidos pelo TX2 da Radiometrix. O circuito de transmissão

desses dados é ilustrado na Fig.29. A saída do LM331(pino3) é conectada ao pino 5 do

transmissor. Como antena foi utilizada uma antena vertical de aproximadamente 12cm, no

pino 2 do transmissor.

4.4. Aquisição do sinal

A aquisição do sinal é feita utilizando-se o módulo RX2 da Radiometrix,

compatível com o transmissor. Na recepção também é utilizada uma antena de 12cm, no

pino 1. O circuito implementado pode ser visto na Fig.30. Os dados recebidos pelo módulo

podem ser vistos pelo pino 7 através de um osciloscópio.

Fig.29- Circuito de transmissão via rádio

Radiometrix TX2 UHF Transmitter

54

Para uma melhor precisão e confiabilidade dos dados recebidos, foi implementado

um circuito detector de zero que pode ser na pela Fig.31. Esse circuito tem como objetivo

detectar os picos que eventualmente chegam com alguma distorção e recuperá-los para a

correta recomposição do sinal.

Para a recuperação do sinal, faz-se necessário a implementação de um conversor

freqüência/ tensão. Porém, foram encontrados alguns problemas na sua implementação.

Primeiramente, foi montado o circuito de conversão V/F com o circuito integrado

LM331, depois o circuito de conversão F/V foi montado utilizando-se o circuito integrado

LM2907. Nessa primeira montagem, foi possível recuperar o sinal de ECG

satisfatoriamente. Quando separado os módulos, ou seja, foi realizada a transmissão do

Fig.30- Circuito de aquisição via rádio

Fig.31- Circuito de detecção de pico

55

sinal convertido, notou-se que acima de 12kHz havia perda de dados na transmissão.

Fazia-se necessário ajustar o conversor V/F para este apresentar como saída máxima de

10kHz, para que não houvesse perda na transmissão. Após o ajuste, a conversão F/V foi

implementada corretamente utilizando-se o LM331, que pode ser usado tanto como um

conversor tensão-freqüência quanto um conversor freqüência-tensão, dependendo da sua

configuração. O circuito do conversor F/V pode ser visto na Fig.32.

A recuperação da onda de ECG após a transmissão e demodulação pode ser vista

pela Fig.33. A primeira onda trata-se da saída do detector de zero, que é o sinal modulado e

recebido pelo receptor, já o segundo sinal é a saída do conversor F/V, ou seja, o sinal de

ECG recuperado.

Fig.32- Circuito do conversor F/V LM331 da Texas Instruments

56

4.5. Conversão A/D

Para fazer a conversão analógica/ digital foi usado o conversor ADC0804. Foi

optado por se utilizar este conversor por possuir apenas 20 pinos e suprir as necessidades

do projeto. Além disso, o conversor ADC0804, não necessita da implementação de um

circuito de clock externo, pois possui um clock interno que pode ser configurado através

dos valores do resistor e capacitor ligados nos pinos CLK R (pino 19) e CLK IN (pino 4).

Os valores desses componentes configuram a freqüência de amostragem do

conversor através da fórmula abaixo:

Os valores do resistor e do capacitor utilizados foram: R= 10kO e C= 56pF e de

acordo com a fórmula acima, a freqüência de amostragem do conversor é de 1,05 M Hz. A

Fig.34 ilustra o circuito de conversão A/D.

Fig.33- Formas de onda do sinal recuperado após a transmissão e o sinal de ECG após a conversão F/V

1 F ck =

1.7 RC

57

4.6. Software

O software desenvolvido tem as seguintes funções básicas:

• mostrar o ECG na tela e

• acionar os flags de acordo com a freqüência registrada em tempo real.

Primeiramente, na versão do protótipo do software para a visualização do ECG foi

usado o componente gráfico do Borland Builder PerformanceGragh, porém, tal

componente foi substituído por outro, o TChart, pois a onda visualizada na tela foi de

melhor qualidade.

O único campo obrigatório a ser preenchido pelo usuário é o campo idade, pois os

valores de freqüência mínima e máxima são calculados com base nessa informação.

Além disso, há dois requisitos básicos para que o programa rode corretamente,

primeiramente, a porta paralela do computador deve estar liberada para que o envio dos

dados da onda do eletrocardiograma seja possível. Outro requisito é que a porta paralela

esteja configurada no modo EPP, configuração que pode ser feita pela BIOS do

computador.

Vin

Fig.34- Circuito de conversão A/D

58

No acionamento do flag vermelho, ou seja, quando a freqüência está fora dos

limites desejáveis, faz-se necessário um alerta de maior apelo visual. Por isso, além do

flag, inicialmente de cor verde, ficar na cor vermelha, a tela do sistema também fica na cor

vermelha, causando um alerta maior ao profissional que estará monitorando o indivíduo.

Não houve muitos problemas no desenvolvimento do software, a sua

implementação foi feita utilizando-se o mecanismo de programação chamado thread. As

threads de um programa são executadas sem interrupção e continuamente, até a finalização

da execução do programa. A implementação não poderia se dar de maneira diferente, já

que o sistema precisa fazer aquisições, processamentos e mostrar dados em tempo real e de

forma contínua.

O maior problema ao logo do desenvolvimento do programa foi a visualização da

onda do eletrocardiograma, inicialmente, houve perda significativa do sinal. Após

configuração da freqüência de leitura dos dados pela porta paralela, houve uma melhora na

forma de onda.

De forma geral, o programa funciona satisfatoriamente, mostrando o ECG de

maneira contínua e em tempo real, bem como, o valor da freqüência registrada e o

acionamento dos flags. Porém, eventualmente, pode haver uma pequena perda do sinal do

eletrocardiograma, ocasionando um valor errado da freqüência cardíaca. Através dos testes

realizados, observou-se que esse problema ocorre eventualmente, não sendo motivo de

comprometimento do programa.

59

4 RESULTADOS

Para a validação do sistema foram realizados vários testes, tanto com o simulador

de arritmias cardíacas como com indivíduos. Obviamente, o resultado final utilizando-se o

simulador foi de melhor qualidade em comparação com o resultado com pessoas, isso

porque o simulador não utiliza eletrodos e não existem outras atividades elétricas como

ocorre com pessoas. Neste caso, a correta colocação de eletrodos é essencial, do contrário,

há perda do sinal.

Além disso, o movimento do indivíduo pode prejudicar seriamente a aquisição do

sinal de ECG. Isso ocorre porque os músculos em movimento possuem atividade elétrica e

esta é captada pelos eletrodos, interferindo seriamente na detecção do sinal do

eletrocardiograma. Esse problema pode ser resolvido através da implementação de filtros

que façam com que essa atividade elétrica não prejudique a captação do ECG.

Outro problema encontrado nos testes foi na transmissão do sinal. Em lugares com

muitos dispositivos eletrônicos ligados, há perda significativa do sinal, porém tal problema

não será encontrado na aplicação final do sistema, já que o mesmo é para ser usado em

campo e não no interior de uma sala onde existam vários equipamentos funcionando. Com

a realização dos testes foi verificado que, eventualmente, pode ocorrer pequenas perdas de

sinal no caso de muitos anteparos entre o transmissor e o receptor, como várias pessoas

circulando entre eles. A distância máxima testada foi de aproximadamente 60 metros em

área interna. Em área externa não foram realizados testes.

Os testes feitos na captação do eletrocardiograma, modulação, transmissão,

aquisição e demodulação podem ser vistos a seguir. Esses testes foram realizados no

mesmo dia com uma distância aproximada de 20 metros em área interna. A Fig.35 mostra

o resultado dos testes realizados com o simulador. Já as Fig.36, Fig.37 e Fig.38 foram

realizadas com pessoas. A primeira parte da figura trata da captação do ECG do simulador

ou da pessoa pelos eletrodos, bem como a modulação do sinal. Já a segunda parte é o sinal

recebido pelo RX2, sendo a outra forma de onda, o sinal demodulado, recuperação do sinal

do eletrocardiograma.

60

Fig.37- Teste realizado com indivíduo2

Fig.35- Teste realizado com simulador


61

A seguir são mostrados os resultados de dois testes, o primeiro com simulador e o

segundo com pessoa. As figuras mostradas são da tela do sistema, a Fig.39 mostra a tela do

sistema para o simulador com uma freqüência de 60 Hz, já a Fig.40 mostra a tela

mostrando o ECG captado de um indivíduo.


Fig.39- Tela do software do teste realizado com simulador

62

Fig.40- Tela do software do teste realizado com indivíduo

63

5 CONCLUSÃO

O projeto implementado proporcionou um estudo sobre vários assuntos e detalhes

não vistos anteriormente, como a implementação dos conversores V/F e F/V e transmissão

via rádio. Os resultados obtidos no projeto foram satisfatórios em comparação com o

esperado, além disso, sua implementação mostrou-se viável.

Há vários aspectos que podem ser melhorados para que o projeto torne-se

comercialmente viável, entre eles, pode-se citar:

• implementação de filtros que permitam o movimento do indivíduo sem a

perda do sinal do eletrocardiograma;

• os módulos podem se tornar menores fisicamente, com a utilização de

circuitos integrados do tipo SMD e otimização do espaço durante a

montagem das placas;

• a substituição do cabo de ECG por um mais leve e com garras menores.

A perspectiva futura do projeto é bastante interessante para a implementação das

melhorias descritas acima. Pensa-se em tornar o sistema um Projeto de Iniciação Científica

para o próximo ano. Além disso, pretende-se apresentar o projeto no Congresso Latino-

Americano em Biomédica que ocorrerá em João Pessoa em 2004.

Com relação aos testes realizados, observou-se que apesar destes terem se mostrado

mais claros e precisos com o uso do simulador de arritmias, com indivíduos conseguiram-

se bons resultados em termos de sinal de ECG e da freqüência cardíaca. Observou-se que a

utilização de eletrodos de qualidade e novos gerou resultados mais precisos e eficientes, ou

seja, recomenda-se o uso de eletrodos descartáveis e do tipo teste de esforço.

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6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Janeiro: Editora Prentice Hall Ltda, 1998.

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[3] FRANCO, Sergio. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated

Circuits. Nova York: Mc Graw Hill Companies, 1997.

[4] GOMES, Alcides T. Telecomunicações: Transmissão e Recepção AM/FM. São

Paulo: Editora Érica Ltda, 2001.

[5] WEBSTER, John G. Medical Instrumentation Application and Design. Toronto:

John Wiley & Sons Inc., 1995.

[6] FARDY, P. S. et al. Reabilitação Cardiovascular Aptidão Física do Adulto e Teste

de Esforço. Rio de Janeiro: Editora Revinter Ltda, 1998.

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Conduta. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan S.A., 2002.

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Mayo Medical School, Mayo Clinic, Jacksonville, Florida 32224.

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Cardíaca Súbita em Atletas Jovens. Departamento de Cardiologia, The Cleveland

Clinic Foundation, Cleveland, Ohio 44195.

[10] WEINECK, J.. Treinamento Ideal. São Paulo: Editora Manole Ltda, 1999.

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7 ANEXOS

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UNICENP – CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO · Sistema de Biotelemetria Para Monitoração de Atividade Física em Tempo Real José Carlos da Cunha 1, Bruna Segantini 2 1Professor