Sistema de medição de dados biomédicos – ritmo cardíaco
Laboratório de Sistemas - LABSI
Introdução
O desenvolvimento da tecnologia permite a evolução dos equipamentos utilizados para monitorização da saúde humana. Em paralelo com a moda da IoT (Internet of Things) surge o desenvolvimento de soluções que permitem a monitorização remota de sinais vitais como eletroencefalograma, eletrocardioagrama, saturação do oxigénio no sangue, pressão sanguínea, fluxo sanguíneo e nível de glicose [1].
A monitorização contínua, fiável e minimamente invasiva revela um grande potencial económico e social, na medida em que permite o acompanhamento de pacientes, tanto em regime de internamento como em tratamento domiciliário. Possibilita ainda a antecipação de doenças e a monitorização de atividade física [2].
Esta temática, representa, sobretudo, a agilização de rotinas no contexto hospital e a intervenção precoce na necessidade de tratamento urgente.
O objetivo deste trabalho consiste em desenvolver um sistema de medição de dados biomédicos, com incidência na deteção do batimento cardíaco, a partir de um sensor simples, com recurso a eletrónica analógica. Pretende-se ainda criar uma aplicação para dispositivos móveis, tablets e telemóveis, onde se possa monitorizar os dados adquiridos, com a visualização de gráficos e com opção de guardar o histórico dos registos. No final do trabalho, será realizado o desenho da placa PCB.
O projeto iniciou-se com uma pesquisa sobre o estado da arte que serviu de guia para a obtenção da solução final. Ao longo do desenvolvimento utilizou-se o software PSPICE como ferramenta de simulação e como auxílio para validação dos cálculos de dimensionamento efetuados, que precede a implementação. A criação da APP foi realizada com o software Xamarin e o projeto da PCB com o KiCAD.
Coração e batimento cardíaco
O coração é um músculo que se contrai de forma cíclica para bombear o sangue para todo o corpo, através das aurículas e ventrículos.
A contração do coração, designada por sístole, é estimulada por um impulso elétrico. À fase de repouso, designa-se de diástole. O período cardíaco corresponde a três momentos distintos: sístole das aurículas, sístole dos ventrículos e diástole geral. Na figura que se segue encontra-se a forma de onda típica do batimento cardíaco.
A frequência cardíaca, ou pulsação, é em geral definida como o número de batimento do coração por minutos. Os valores rondam, normalmente, os 40 e os 200 bpm. O valor normal para o batimento cardíaco depende da faixa etária e do estado em que se encontra: repouso ou ou atividade física.
Técnicas de Monitorização
As técnicas de monitorização do batimento cardíaco assentam em métodos não invasivos: eletrocardiograma (ECG) e a fotopletismografia (PPG) [1].
Eletrocardiograma
O eletrocardiograma (ECG), é um procedimento realizado através de um dispositivo que juntamente com sensor/sensores, deteta os impulsos elétricos do coração, com base em alterações do potencial elétrico entre dois pontos do corpo. Os impulsos são amplificados e registados, permitindo a recolha de informação acerca do funcionamento do coração, nomeadamente sobre as vias de condução nervosa do coração e frequência cardíaca.
Muitos tipos de anormalidades podem ser detetadas em um ECG. Entre elas estão episódio de ataque cardíaco (infarto do miocárdio), ritmo cardíaco anormal (arritmia), oferta insuficiente de sangue e oxigênio para o coração (isquemia) e espessamento excessivo (hipertrofia) das paredes musculares
do coração.
Fotoplestimografia
A frequência cardíaca por ser estimada com base nas alterações do fluxo sanguíneo por um método ótico. Para isso, utilizam-se sensores de fotopletismografia, que têm como princípio de funcionamento a transmissão ou a reflexão de luz numa determinada zona do corpo. Este tipo de sensores mede a quantidade de luz infravermelha absorvida ou refletida pelo sangue, que varia com as alterações de volume provocadas pela variação da pressão arterial que ocorrem durante o ciclo cardíaco.
Para que as variações de fluxo sejam detetadas pelo sensor
de fotopletismografia, é necessário que seja colocado em zonas com poucas camadas de tecidos: orelha, ponta dos dedos ou têmpora.
Soluções Similares
Sendo os sistemas de medição de dados biomédicos abordados bastante vezes a nível académico, existem inúmeras soluções e abordagens [3].
A abordagem mais comum é usando um optocoupler, captar, filtrar (componente DC e frequências altas) e amplificar o sinal captado e com um microcontrolador tratar o sinal para fornecer um feedback.
Nos casos mais simples o feedback pode ser um LED a indicar a presença do pico sistólico, mas em projetos mais elaborados, procede-se ao cálculo do ritmo cardíaco pela diferença de tempo entre dois picos sistólicos consecutivos para este ser enviado para uma interface gráfica.
Para fazer a comunicação entre o microcontrolador e a interface gráfica existem inúmeras soluções, as mais encontradas são RS232, Wi-Fi, Bluetooth.
Este tipo de soluções são encontradas inúmeras vezes pois apenas são necessários componentes eletrónicos básicos, consequentemente baratos e mesmo assim obter resultados satisfatórios, sendo tipicamente um desafio de correto dimensionamento.