Estimativa de massa corporal por bioimpedância elétrica

UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
ALESSANDRO ZITTLAU SONCINI
RICARDO DUARTE RAMLOW
Estimativa de massa corporal por
bioimpedância elétrica
Trabalho de Conclusão de Curso.
Prof M.Sc. José Carlos da Cunha
Orientador
Curitiba, novembro de 2009.
UNIVERSIDADE POSITIVO
Reitor: Prof. Oriovisto Guimarães
Vice-Reitor: Prof. José Pio Martins
Pró-Reitoria de Graduação: Prof. Renato Casagrande
Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas: Prof. Marcos José Tozzi
Coordenador do Curso de Engenharia da Computação: Prof. Edson Pedro Ferlin
TERMO DE APROVAÇÃO
Alessandro Zittlau Soncini
Ricardo Duarte Ramlow
Estimativa de massa corporal por bioimpedância elétrica
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso Engenharia da
Computação da Universidade Positivo, pela seguinte banca examinadora:
Prof. M. Sc. José Carlos da Cunha (Orientador)
Prof. M. Sc. Maristela Maristela Regina Weinfurter Teixeira (Membro)
Prof. M. Sc. Valfredo Pilla Jr. (Membro)
Curitiba, novembro de 2009
Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer aos nossos pais, pela educação a qual nos foi dada, os
valores a nós ensinados e pela oportunidade de estudo e conclusão dessa monografia e do
projeto em si. Nossas irmãs que por mais que mesmo não tendo grande influência no
projeto, ajudaram na construção de nosso caráter.
Também devemos grande gratidão à Janice de Fatima Gonçalves, pela idéia de
desenvolver algo no sentido de auxiliar na mensuração da massa corporal em âmbito
hospitalar.
Agradecemos aos voluntários, que em parte foram constituídos por familiares e
agregados muito receptivos além dos congregantes da Comunidade Alcance, e dos alunos e
alunas graduandos em fisioterapia pela Universidade Positivo, os quais aceitaram a nossa
causa em prol da dificuldade semelhante que tiveram em encontrar pessoas dispostas a
ajudar em vossos projetos.
Devemos gratidão a nossos amigos e colegas que estavam sempre lá em época de
gripe suína compartilhando espirros e também populando a universidade em época de
férias. Esses mesmos amigos que colocavam o dedo no projeto alheio a fim de auxiliar na
resolução dos problemas, muitas vezes abandonando seus próprios projetos.
Agradecemos a Doutora Estela Iraci Rabito pelo fornecimento de material de
consulta de seu próprio trabalho.
A todos aqueles que não foram citados, mas que ajudaram de alguma forma no
desenvolvimento do projeto.
A todos vocês, o nosso muito obrigado.
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS............................................................ 8
LISTA DE FIGURAS.......................................................................................... 9
LISTA DE TABELAS ....................................................................................... 11
1
INTRODUÇÃO ......................................................................................... 14
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................... 15
2.1 Bioimpedância ............................................................................................................................... 15
2.1.1
Histórico da bioimpedância.................................................................................................... 15
2.1.2
Impedância Elétrica................................................................................................................ 16
2.1.2.1
Impedância aplicada aos tecidos biológicos .................................................................. 16
2.1.3
Obtenção da bioimpedância ................................................................................................... 17
2.1.4
Variação das características elétricas em função da freqüência ............................................. 17
2.2 Filtros ............................................................................................................................................. 18
2.2.1
Filtro Passa-Baixa .................................................................................................................. 22
2.2.2
Filtros Passa-Faixa ................................................................................................................. 25
2.3
Amplificador de instrumentação ................................................................................................. 25
2.4
Bateria............................................................................................................................................ 27
2.5
Circuito oscilador.......................................................................................................................... 28
2.6
Detector de pico............................................................................................................................. 29
2.7
Microcontrolador.......................................................................................................................... 30
2.8
Reguladores de tensão .................................................................................................................. 31
2.9
Amplificadores operacionais........................................................................................................ 33
2.10
3
Display ....................................................................................................................................... 36
ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO ........................................................... 37
3.1 Funcionamento do sistema ........................................................................................................... 38
3.1.1
Módulo do Hardware ............................................................................................................. 39
3.1.2
Componentes do Hardware .................................................................................................... 39
3.1.2.1
Microcontrolador PIC.................................................................................................... 39
3.1.2.2
Gerador de ondas........................................................................................................... 40
3.1.2.3
Reguladores de tensão: .................................................................................................. 41
3.1.2.4
Filtros ............................................................................................................................ 42
3.1.2.5
Detector de pico............................................................................................................. 42
3.1.2.6
Display .......................................................................................................................... 43
3.1.2.7
Amplificador de instrumentação ................................................................................... 44
3.1.2.8
Baterias.......................................................................................................................... 45
4
DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO ......................................... 47
4.1 Hardware....................................................................................................................................... 47
4.1.1
Alimentação ........................................................................................................................... 47
4.1.2
Osciladores............................................................................................................................. 48
4.1.3
Aquisição ............................................................................................................................... 49
4.1.4
Amplificação .......................................................................................................................... 50
4.1.5
Filtros ..................................................................................................................................... 51
4.1.6
Detector de pico ..................................................................................................................... 53
4.1.7
Microcontrolador.................................................................................................................... 54
4.1.8
Display ................................................................................................................................... 55
4.1.9
Interface ................................................................................................................................. 55
4.2 Modulo do Software...................................................................................................................... 57
4.2.1
Diagrama de caso de uso:....................................................................................................... 58
4.2.2
Fluxogramas:.......................................................................................................................... 59
4.2.2.1
Menu inicial................................................................................................................... 59
4.2.2.2
Cadastro......................................................................................................................... 60
4.2.2.3
Alteração ....................................................................................................................... 61
4.2.2.4
Busca ............................................................................................................................. 62
4.2.2.5
Deleção.......................................................................................................................... 63
4.2.2.6
Gravação........................................................................................................................ 64
4.2.2.7
Medição ......................................................................................................................... 65
4.2.3
Bibliotecas.............................................................................................................................. 66
4.3
Tabela de componentes................................................................................................................. 66
5
VALIDAÇÃO E RESULTADOS ............................................................... 67
5.1 Calibração...................................................................................................................................... 67
5.1.1
Teste ....................................................................................................................................... 67
5.1.2
Colocação dos eletrodos e medidas antropométricas ............................................................. 67
5.1.2.1
Tríceps........................................................................................................................... 67
5.1.2.2
Abdômen ....................................................................................................................... 69
5.1.2.3
Panturrilha ..................................................................................................................... 70
5.1.2.4
Acionamento do sistema................................................................................................ 71
5.1.2.5
Pesagem......................................................................................................................... 72
5.1.2.6
Materiais para medição.................................................................................................. 72
5.1.3
Tamanho da amostra .............................................................................................................. 72
5.1.4
Regressão linear ..................................................................................................................... 75
5.1.5
Cálculo da estimativa da massa corporal................................................................................ 76
5.2
Resultados encontrados ................................................................................................................ 80
6
CONCLUSÃO .......................................................................................... 84
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................ 85
ANEXO A - ARTIGO........................................................................................ 87
ANEXO B - MANUAL ...................................................................................... 91
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Hz – Hertz
Amp. Op – Amplificador Operacional
k – Kilo
M – Mega
EEPROM – Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory
B – Byte
A/D – Analógico/Digital
RAM – Random Access Memory
I/O – Input/Output (Entrada/Saída)
Vpp – Volts pico a pico
V – Volt
A – Ampère
CI – Circuito Integrado
µ – Micro
s – Segundos
dB – Decibel
CMRR – Common-Mode Rejection Ratio
MFB – Multiple Feedback
m – Mili
Ah – Ampére hora
n – Nano
F – Faraday
p – Pico
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Medida Assimétrica – GRIMNES e MARTINSEN, 2000)............................................................ 16
Figura 2.2 – Corrente em tecidos para baixas e altas freqüências (THOMASSET, 1997) .............................. 18
Figura 2.3 – [A] Gráfico ideal de atenuação do filtro passa-baixa; [B] Gráfico de atenuação de um filtro
passa baixa....................................................................................................................................................... 19
Figura 2.4 – Gráfico de atenuação do filtro passa-alta................................................................................... 19
Figura 2.5 - Gráfico de atenuação do filtro passa-faixa.................................................................................. 20
Figura 2.6 - Gráfico de atenuação do filtro rejeita-faixa. ............................................................................... 20
Figura 2.7 – Gráfico da atenuação da função-resposta de diferentes tipos de filtro....................................... 21
Figura 2.8 – Exemplo de filtro VCVS............................................................................................................... 22
Figura 2.9 – Exemplo de filtro MFB ................................................................................................................ 22
Figura 2.10 - Passa-Baixa MFB de segunda ordem (Pertence, 2003)............................................................. 22
Figura 2.11 - Filtro Passa-Faixa (Pertence, 2003).......................................................................................... 25
Figura 2.12 – Exemplo de circuito de um amplificador de instrumentação .................................................... 26
Figura 2.13 – Exemplo de montagem do resistor para calculo do ganho........................................................ 26
Figura 2.14 – Exemplo de um sinal antes e depois do tratamento de um amplificador de instrumentação .... 27
Figura 2.16 – Circuito oscilador composto por capacitor e indutor ............................................................... 28
Figura 2.17 – Gráfico da relação sinal de entrada x sinal de saída de um detector de pico........................... 29
Figura 2.18 – Circuito detector de pico ........................................................................................................... 29
Figura 2.19 – Microcontrolador PIC18F452 .................................................................................................. 31
Figura 2.20 - Diagrama de blocos de regulador de tensão de três terminais.................................................. 32
Figura 2.21 - Regulador de tensão positiva da série 78XX.............................................................................. 32
Figura 2.22 - Regulador de tensão negativa da série 79XX............................................................................. 32
Figura 2.23 – representação de um amplificador operacional........................................................................ 33
Figura 2.24 – Representação de um amplificador operacional com realimentação negativa......................... 35
Figura 2.25 – Display gráfico por pixels de 128 x 64. ..................................................................................... 36
Figura 3.1 - Diagrama de blocos do hardware................................................................................................ 37
Figura 3.1: Microcontrolador PIC18F452. ..................................................................................................... 40
Figura 3.3: Diagrama de blocos do MAX038. ................................................................................................ 41
Figura 3.4: Amplificador operacional LF351.................................................................................................. 42
Figura 3.5: Amplificador operacional duplo LF353........................................................................................ 43
Figura 3.6: Diagrama de blocos do display gráfico SSC12A64DNLW-E. ...................................................... 44
Figura 3.7: Amplificador de instrumentação INA118P. .................................................................................. 45
Figura 3.8: Baterias de 7,2V e 1300mAh. ........................................................................................................ 46
Figura 4.1: Esquema da montagem do circuito de alimentação do sistema. A) Mostra a configuração das
baterias para fornecimento de tensão negativa e positiva. B) Mostra a configuração dos CIs LM7805 e
LM7905 para e regulagem da tensão em 5V e -5V. ......................................................................................... 48
Figura 4.2: Esquema da montagem do MAX038 com a ligação dos eletrodos. A “Carga” representa a
bioimpedância da região corpórea a ser medida............................................................................................. 49
Figura 4.3: Circuito série equivalente formado entre a fonte e a impedância da região. ............................... 49
Figura 4.4: Esquemático da montagem do circuito de aquisição do sinal. A fonte osciladora representada
pela abreviação “OSC” representa o sinal senoidal gerado pelo oscilador. .................................................. 50
Figura 4.5: Esquemático da montagem da malha de amplificação do sistema. .............................................. 51
Figura 4.6: Filtro passa-baixa. ........................................................................................................................ 52
Figura 4.7: Gráfico da atenuação do filtro passa-baixa.................................................................................. 52
Figura 4.8: Esquemático da montagem do filtro passa-alta. ........................................................................... 52
Figura 4.9: Gráfico de atenuação do filtro passa-alta. ................................................................................... 53
Figura 4.10: Esquemático da montagem do detector de pico utilizando o amplificador operacional LF353. 54
Figura 4.11: Esquemático da montagem do microcontrolador, interface de botões e display. ....................... 56
Figura 4.12: Foto dos botões que constituem a interface com o usuário. ....................................................... 57
Figura 4.14: Diagrama de caso de uso. ........................................................................................................... 58
Figura 4.14: Fluxograma do menu inicial. ...................................................................................................... 59
Figura 4.15: Fluxograma da função de cadastro............................................................................................. 60
Figura 4.16: Fluxograma da função de alteração. .......................................................................................... 61
Figura 4.17: Fluxograma da função de busca do sistema. .............................................................................. 62
Figura 4.18: Fluxograma da função de deleção. ............................................................................................. 63
Figura 4.19: Fluxograma da função de gravação dos dados na EEPROM do microcontrolador. ................. 64
Figura 4.20: Fluxograma da função de medição da estimativa da massa corporal. ....................................... 65
Figura 5.1: Posicionamento dos eletrodos na região tricipital. 1) Posição do primeiro eletrodo. 2) Posição
do segundo eletrodo. ........................................................................................................................................ 68
Figura 5.2: Posição da fita antropométrica para a medição perimétrica do tríceps (PETROSKI, 1999)....... 68
Figura 5.3: Posicionamento dos eletrodos na região abdominal. 1) Posição do primeiro eletrodo. 2) Posição
do segundo eletrodo. ........................................................................................................................................ 69
Figura 5.4: Posição da fita antropométrica para medição da circunferência abdominal (PETROSKI, 1999).
.......................................................................................................................................................................... 70
Figura 5.5: Posicionamento dos eletrodos na região da panturrilha. 1) Posição do primeiro eletrodo. 2)
Posição do segundo eletrodo............................................................................................................................ 70
Figura 5.6: Posicionamento da fita antropométrica e posição do avaliado para a medição perimetral da
panturrilha (PETROSKI, 1999)........................................................................................................................ 71
Figura 5.7: Exemplificação do calculo da circunferência do tríceps por meio da equação da regressão,
juntamente com o calculo da estimativa da massa corporal utilizando-se desses valores............................... 80
Figura 5.8: Gráfico da relação entre a massa corporal real e a massa corporal estimado pelo cálculo
utilizado no aparelho, nos quais os parâmetros de entrada são os valores convertidos pelo conversor A/D. 81
Figura 5.9: Gráfico da relação entre a massa corporal real e a massa corporal estimado, nos quais os
parâmetros de entrada da equação da estimativa da massa corporal são os valores dos perímetros das
regiões medidas com a fita antropométrica. .................................................................................................... 81
Figura 5.10: Gráfico da relação entre a massa corporal estimado pelo aparelho, tendo como entrada os
valores do conversor A/D, a massa corporal real e a massa corporal estimado calculado, tendo como entrada
os valores das circunferências das regiões medidas com a fita antropométrica. ............................................ 83
Figura 5.11: Gráfico das relações dos percentuais de erro das duas formas da estimativa da massa corporal.
% Erro (aparelho) refere-se aos valores provenientes do conversor A/D para estimar a massa corporal
enquanto que o % Erro (calculado) refere-se aos valores das circunferências medidas com a fita
antropométrica. O eixo da esquerda representa a escala da massa corporal em quilogramas e a escala da
direita representa o % do erro. ........................................................................................................................ 83
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Valores de a e b até ordem 8 para montagens de filtros Butterworth.......................................... 24
Tabela 2.2 - Valores de a e b até ordem 6 para montagens de filtros Chebyshev............................................ 24
Tabela 2.3 - CIs reguladores de tensão positiva série 78XX............................................................................ 33
Tabela 2.4 - CIs Reguladores de tensão negativa fixada série 79XX............................................................... 33
Tabela 4.1: Lista de componentes utilizados no projeto. ................................................................................. 66
Tabela 5.2: Média dos valores amostrados e calculados................................................................................. 72
Tabela 5.3: Estudo dos dados amostrados e calculados organizados em ordem crescente do peso. * Números
correspondentes ao valor convertido pelo aparelho variando entre 0 e 1024. ** medidas em centímetros
efetuadas usando a fita antropométrica. *** Peso em Kg. .............................................................................. 74
Tabela 5.4: Tabela com os 5 primeiros valores amostrados, relacionando o valor do conversor A/D, a
medida real do perímetro do músculo e o valor perimetral calculado do tríceps............................................ 75
Tabela 5.5: Tabela com os 5 primeiros valores amostrados, relacionando o valor do conversor A/D, a
medida real do perímetro do músculo e o valor perimetral calculado do abdômen. ....................................... 76
Tabela 5.6: Tabela com os 5 primeiros valores amostrados, relacionando o valor do conversor A/D, a
medida real do perímetro do músculo e o valor perimetral calculado da panturrilha. ................................... 76
Tabela 5.7: Relação entre peso real, peso calculado usando os parâmetros do conversor A/D e percentual de
erro junto com o percentual médio do erro...................................................................................................... 78
Tabela 5.8: Relação entre peso real, peso calculado usando as circunferências das regiões medidas com a
fita antropométrica e o percentual de erro de cada amostra junto com o percentual médio do erro. ............. 79
RESUMO
O projeto tem por objetivo auxiliar profissionais da área da saúde na estimativa de
massa corporal de pacientes que se encontram na UTI, tanto para a alimentação correta do
paciente quanto para a medicação do mesmo. O projeto foi desenvolvido com base em uma
dissertação de mestrado que consiste na estimativa de peso a partir dos valores da
circunferência de três músculos específicos: tríceps, abdômen e panturrilha.
A partir dessa dissertação, foi utilizado o conceito de bioimpedância, sendo este
aplicado por meio de pares de eletrodos conectados nos músculos citados, gerando assim
um circuito equivalente e, após uma calibração com alguns testes, foi possível estimar a
massa corporal do paciente com um erro de 10% do seu peso real.
O dispositivo é uma caixa de metal, seguindo o principio de gaiola de Faraday, ou seja,
os circuitos do dispositivo não sofrerão interferência de ondas eletromagnéticas ou qualquer
outro tipo de interferência externa. Na caixa estão conectados três pares de fios que serão
conectados aos eletrodos para que a mensuração seja realizada. Na parte superior do
dispositivo existe um display gráfico responsável por mostrar o menu do sistema e dados
obtidos da medida e o cadastro do paciente que pode ser realizado e em seguida realizada a
medição ou apenas a visualização dos cadastros já realizados. O dispositivo possui também
um sistema de navegação por meio de cinco botões que possuem função de acordo com o
que é mostrado no display.
O software é responsável pela navegação do menu na parte de medição e de cadastro do
paciente, além claro de realizar a ponderação e aplicação da fórmula a partir da qual o
sistema foi desenvolvido. Ele realiza o cálculo com as variáveis obtidas na medição e
mostra no display.
Palavras chave: bioimpedância, estimativa de peso, circunferência do músculo.
ABSTRACT
The Project has the objective to help health professionals with the weight estimate of
patients that are in the ICU for much the correct source of the patient that medicaid him.
The project was developed based on a Master Thesis that is about estimate weight with
values of the circumference of three specific muscles: Triceps, Abdomen and Calf.
Based on this thesis, was used the concept of bioimpedance, that is applied through
pairs electrodes connected in the specificated muscles, creating an equivalent circuit and,
after an calibration with some tests, it already possible estimate the weight of the patient
with an error of 10% in relation with the patient real weight.
The device is a metal case, according with the Faraday’s cage, ie the circuits of the
dispositive will not be interfered for electromagnetic waves or another type of extern
interference. In the box are connected three wired pairs that will plugged at electrodes for
measurement begins. Upon the dispositive, it has an graphic display that show the menu of
the system and all data from the measurement and the register of the patient that can be
done after the register and all the information of the register patients can be viewed. The
dispositive has an navigator system with five buttons that have an specific function
according of what shows up in display.
The software is responsible by the navigation of the menu, the register and the
measurement of the patient and the calculation and application of the equation. It performs
the calculation with all the variables obtained in measurement e shows up on display.
Key words: bioimpedance, weight estimate, muscles circumference.
14
1
INTRODUÇÃO
Sabe-se, a partir de pesquisas, que a bioimpedância é de grande ajuda para todas as
áreas médicas, sendo cada vez mais utilizada como uma solução em diversos problemas e
alternativas mais eficientes em muitos tratamentos. O histórico da bioimpedância se inicia
com a descoberta da dispersão de corrente B (beta) correspondente ao comportamento
elétrico de tecidos em médias freqüências. Essa descoberta foi realizada por Hoeber, em
1911. A partir de então, muitos outros fatores influenciaram para o conceito e utilização da
bioimpedância, dentre os mais importantes, pode-se citar Nyoebr, em 1940, com a noção de
resistividade do sangue (ohm.m), a atividade elétrica do cérebro, em 1960 por Thomasset
através da Lei de Ohm que se pode determinar a resistência do tecido de todo o corpo.
O objetivo deste projeto foi o de desenvolver um sistema capaz de estimar a massa
corporal de um determinado paciente que se encontra na UTI. O dispositivo proposto foi
idealizado obtendo-se informações a respeito da forma da estimativa da massa corporal dos
pacientes acamados em hospitais. Utiliza-se principalmente a antropometria para a
estimativa, assim como camas-balança, entretanto o método mais utilizado é o menos
parametrizado, sendo a massa corpórea do paciente estimada a partir da experiência
profissional em que o paciente é avaliado somente por contato visual.
O conceito de bioimpedância utilizado neste projeto foi adaptado a uma dissertação de
mestrado elaborada pela Doutora Estela Iraci Rabito. A dissertação em questão consiste em
estimar a massa corporal de uma determinada pessoa utilizando-se dos valores da
circunferência tricipital, abdominal e da panturrilha. Por meio desses dados, utilizando-se
da equação de regressão linear múltipla conforme a equação 1.1, é obtida a massa corporal.
Peso estimado(Kg) = 0.5759*(AC)+0.5263*(AbC)+1.2452*(CC)-4.8689*(S)-32.9241
(1.1)
A equação 1.1 é a equação da estimativa da massa corporal em Kg. (AC) =
circunferência tricipital, medido em centímetros. (AbC) = circunferência abdominal,
medido em centímetros. (CC) = circunferência da panturrilha, medida em centímetros. (S)
= sexo do avaliado, sendo 1 para masculino e 2 para feminino (RABITO, 2008).
O funcionamento do projeto consiste na adaptação do conceito de bioimpedância à
dissertação de mestrado. São colocados na pessoa três pares de eletrodos, dispostos nos
músculos acima especificados. Estes eletrodos são responsáveis por juntamente com o
músculo realizar um circuito equivalente de modo que um determinado valor seja recebido
pelo sistema. O valor recebido é ponderado, seguindo uma calibração para que se aproxime
do valor de circunferência do músculo e então ponderado de acordo com a equação da
estimativa da massa corporal formulada na dissertação.
15
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo é apresentada a teoria necessária para o entendimento do projeto. São
abordadas todas as áreas, desde a parte médica até a parte de engenharia.
2.1 Bioimpedância
A bioimpedância, também chamada de biorresistência, consiste na resposta ou na
capacidade do organismo em resistir (atrasar) a passagem de uma corrente elétrica
(alternada). A bioimpedância é injetada no organismo do paciente e a passagem dos sinais
elétricos pela gordura, tecido magro e pela água retorna uma medida confiável e precisa da
quantidade de cada um destes componentes que formam a massa corporal total.
2.1.1 Histórico da bioimpedância
A bioimpedância é uma aplicação da área médica que cresce a cada dia. Seu estudo
iniciou-se por volta de 1911 quando Hoeber descobriu a dispersão de corrente B que
consiste no comportamento elétrico de tecidos em freqüências de caráter médio. Em 1940,
um estudo realizado por Nyober, apresentou como resultado a resistividade do sangue,
medida em (Ohm.m).
Com a crescente utilização desses conceitos e a evolução da pesquisa na área de
biomédica, Thomasset utilizou-se da Lei de Ohm, para determinar a resistência do tecido
cerebral e, conseqüentemente a resistência de todo o corpo, ao mesmo tempo em que
observava a atividade elétrica do cérebro. (THOMASSET, 1997).
Segundo Geddes e Baker (1989), a descoberta entre a bioimpedância e a quantidade
total de água no corpo foi encontrada por Thomasset, no ano de 1962. A partir dessa
descoberta, diversos outros estudos puderam ser realizados e desenvolvidos chegando até
os dias de hoje, sendo a bioimpedância elétrica (BIA) utilizada para diversos tipos de
medições.
De acordo com o posicionamento dos eletrodos, a impedância entre eles pode ser
capaz de refletir valores proporcionais ao fluxo sanguíneo, atividade cardíaca, freqüência
respiratória, volume renal, estado da bexiga, contrações uterinas, atividades nervosas e
pressão arterial (GEDDES e BAKER, 1989).
16
2.1.2 Impedância Elétrica
A impedância elétrica ou simplesmente impedância, em circuitos elétricos, é a
relação entre o valor da diferença de potencial entre dois pontos do circuito em
consideração, e o valor da corrente resultante no circuito. É expresso por um fasor (um
vetor bidimensional utilizado para representar uma onda em movimento harmônico
simples), que na forma de número complexo possui uma parte real, equivalente à
resistência R, e uma parte imaginária, dada pela reatância X.
Os circuitos elétricos, quando formados pela associação de resistores, capacitores e
indutores, a oposição total a corrente é dada pela impedância. Ela é expressa em ohms, e
designada pelo símbolo Z. Um circuito em geral possuirá uma resposta em freqüência, no
qual a impedância varia de acordo com a freqüência. Para um sinal genérico, partindo para
uma decomposição em ondas senoidais (como por transformadas de Fourier), a resposta do
circuito será a soma das respostas de cada parcela senoidal. Esta hipótese somente é válida
para circuitos lineares.
2.1.2.1 Impedância aplicada aos tecidos biológicos
Em metais puros, o movimento dos elétrons corresponde ao valor da corrente. Nas
soluções, como por exemplo, ácidos e sais, são os íons os responsáveis por realizar o
transporte de cargas elétricas. Entretanto, estas substâncias podem ser influenciadas por
fatores externos como temperatura e concentração. A corrente dos organismos é
predominantemente iônica, tanto dentro quanto fora das células (GEDDES e BAKER,
1989). Caso seja aplicada uma corrente contínua nestas soluções, haverá o efeito de
polarização, onde uma camada de íons é formada em cada eletrodo, dificultando a
passagem de corrente. Portanto, somente sinais alternados podem ser utilizados na
bioimpedanciometria (GRIMNES e MARTINSEN, 2000).
Enquanto os músculos (que são os responsáveis pela maior parte dos valores que
são medidos em grandeza de impedância) e o sangue são bons condutores, a pele, gordura e
ossos atuam como isolantes. Esses tecidos isolados, podem mudar de característica elétrica
de acordo com o posicionamento do eletrodo, conforme a Figura 2.1. Na Figura 2.1, para o
mesmo órgão, encontra-se uma menor resistência usando os eletrodos 3 e 4, do que através
dos eletrodos 1 e 2.
Figura 2.1 – Medida Assimétrica (GRIMNES e MARTINSEN, 2000).
17
2.1.3 Obtenção da bioimpedância
Os dados obtidos por meio da análise da bioimpedância elétrica é a tensão
produzida com a passagem de uma corrente de amplitude constante na região do corpo
humano em que o estudo esteja sendo realizado. Mesmo com variações dos estudos
realizados, as ondas senoidais são as mais utilizadas na área de bioimpedância, devido a sua
facilidade na geração do sinal e no tratamento das respectivas informações. Conforme a Lei
de Ohm, a impedância é obtida através da razão entre a tensão medida e a corrente aplicada,
conforme a equação 2.1:
V = Z*I
(2.1)
Onde,
x V é a tensão, V (Volt);
x Z é a impedância, O (Ohm);
x I é a corrente elétrica, A (Ampère).
Para obter-se a bioimpedância deve-se levar em consideração um fator importante que,
é o posicionamento dos eletrodos, pois eles de acordo com sua posição podem obter valores
de diversos órgãos, fluxo sanguíneo ou atividade cardíaca por exemplo. A vantagem dos
eletrodos é que, ao contrário dos transdutores, eles não sofrem influencias externas
(temperatura e pressão) e devido ao tamanho físico, seu funcionamento não interfere em
eventos fisiológicos.
2.1.4 Variação das características elétricas em função da freqüência
Os tecidos são formados por várias células semelhantes entre si ligadas e envoltas
por meio de um líquido eletrolítico. Cada célula é revestida por uma membrana que é
composta por lipídios, com características isolantes e proteínas, responsáveis pelo
transporte de água, íons e outras substâncias químicas que atravessam sua estrutura por
osmose. Esse comportamento é semelhante ao de um capacitor.
Em correntes alternadas de baixa freqüência, consideradas as freqüências até 5 kHz,
as células apresentam alta reatância capacitiva e, por isto, em baixas freqüências a corrente
apenas tangencia o fluído extracelular do órgão, contornando as células. Ao contrário, nas
altas freqüências ao corrente atravessa essa membrana.
A figura 2.2, mostra a corrente quando aplicada em um tecido, para baixas
freqüências (BF) e altas freqüências (AF):
18
Figura 2.2 – Corrente em tecidos para baixas e altas freqüências (THOMASSET, 1997)
2.2 Filtros
O objetivo na implementação dos filtros é limpar o sinal que passa pelo sistema. Todo
sinal gerado possui um ruído que interfere diretamente na medida realizada em cima do
mesmo, sendo assim, é de fundamental importância que projetos que trabalhem com sinais
possuam esse tipo de tratamento de sinal. Os filtros podem ser classificados a partir de três
características:
• Quanto à função executada;
• Quanto à função-resposta utilizada.
• Quanto à tecnologia empregada;
A primeira característica permite a seguinte classificação:
• Passa-Baixa (PB): apenas freqüências inferiores a um valor de freqüência específico
pré-determinado (fc – Freqüência de corte) não recebem atenuação. As demais são
atenuadas.
19
Figura 2.3 – [A] Gráfico ideal de atenuação do filtro passa-baixa; [B] Gráfico de
atenuação de um filtro passa baixa
Fonte: Adaptado de (NOVAELETRONICA, 2009)
• Passa-Alta (PA): apenas freqüências superiores a um valor de freqüência específico
pré-determinado (fc – Freqüência de corte) não recebem atenuação. As demais são
atenuadas.
Figura 2.4 – Gráfico de atenuação do filtro passa-alta.
Fonte: Adaptado de (NOVAELETRONICA, 2009)
• Passa-Faixa (PF): são estabelecidas duas freqüências fc1 e fc2 que representam a
freqüência de corte inferior e superior, respectivamente, onde apenas as freqüências
contidas nessa faixa passam pelo filtro. As demais são atenuadas.
20
Figura 2.5 - Gráfico de atenuação do filtro passa-faixa.
Fonte: Adaptado de (NOVAELETRONICA, 2009)
• Rejeita-Faixa (RF): são estabelecidas duas freqüências fc1 e fc2 que representam a
freqüência de corte inferior e superior, respectivamente, onde apenas as freqüências
contidas fora dessa faixa passam pelo filtro. As demais são atenuadas.
Figura 2.6 - Gráfico de atenuação do filtro rejeita-faixa.
Fonte: Adaptado de (NOVAELETRONICA, 2009)
A segunda característica refere-se à função-resposta, o que classifica o filtro em:
• Butterworth
• Chebyshev
• Bessel
• Entre outros.
21
Figura 2.7 – Gráfico da atenuação da função-resposta de diferentes tipos de filtro.
Fonte: Adaptado de (CIRCUITSTODAY, 2009)
A terceira característica para classificação é quando a tecnologia utilizada para a
montagem do filtro. Sendo assim, os filtros podem ser:
• Filtros Passivos: são construídos apenas com elementos passivos, tais como:
resistores, capacitores e indutores.
• Filtros Ativos: são construídos com elementos passivos associados a elementos ativos,
tais como válvulas, transistores ou amplificadores operacionais.
• Filtros Digitais: utilizam componentes digitais, onde o sinal é convertido por um
conversor analógico-digital, filtrado e reconvertido para analógico.
Os filtros podem ser de estrutura VCVS ou MFB. A diferença entre elas é quanto ao
sistema re alimentação delas. A estrutura MFB (multiple-feedback) é uma estrutura que
possui realimentação múltipla. A VCVS (voltage-controlled voltage source) é uma
estrutura de fonte de tensão controlada por tensão.
Para ambos os casos, sua utilização é definida de acordo com a necessidade do projeto.
Dentre suas vantagens, pode-se citar a baixa impedância de saída, estabilidade, facilidade
de ajuste de freqüência, facilidade de ajustes com relação ao ganho e a não obrigatoriedade
de muitos componentes externos.
Dentre as desvantagens, cabe citar que o valor máximo da ordem dos filtros é 10.
VCVS – Fonte de tensão controlada por tensão
22
Figura 2.8 – Exemplo de filtro VCVS
x MFB – Realimentação múltipla.
Figura 2.9 – Exemplo de filtro MFB
2.2.1 Filtro Passa-Baixa
A Figura 2.10 mostra um filtro Passa-Baixa de segunda ordem utilizando a estrutura
MFB.
Figura 2.10 - Passa-Baixa MFB de segunda ordem (PERTENCE, 2003).
Os resistores R1 e R2 controlam o ganho do filtro, conforme a equação 2.2. Essa
estrutura possui fase invertida, o que explica o sinal negativo na fórmula do ganho:
23
(2.2)
Os cálculos de R1, R2, R3, R4, C1 e C2 estão indicados nas equações 2.3, 2.4, 2.5, 2.6 e
2.7, respectivamente:
(2.3)
(2.4)
(2.5)
(2.6)
(2.7)
Por definição, o valor de C2 é pré-determinado. Este valor escolhido é um em geral
comercial, pois é mais simples realizar uma associação de resistores para se chegar ao valor
calculado ao invés de uma associação de capacitores. A partir da escolha de C2 os demais
valores dos outros componentes podem ser calculados seguindo as fórmulas acima
apresentadas.
As variáveis a e b são valores pré-determinados de acordo com a tabela x, onde n
corresponde à ordem do filtro. Para a montagem de filtros Butterworth, utiliza-se os valores
da Tabela 2.1.
24
Tabela 2.1 - Valores de a e b até ordem 8 para montagens de filtros Butterworth
Quando a montagem é do tipo Chebyshev, utilizam-se os valores da Tabela 2.2. PR
corresponde às amplitudes dos RIPPLES.
Tabela 2.2 - Valores de a e b até ordem 6 para montagens de filtros Chebyshev
25
2.2.2 Filtros Passa-Faixa
Os filtros Passa-Faixa, podem ser implementados utilizando-se de ambas as estruturas
MFB ou VCVS e podem ser ativos ou passivos variando, portanto, de acordo com a
necessidade do projeto.
Para projetar filtros Passa-Faixa, em geral utiliza-se uma associação em cascata de
filtros Passa-Baixa e Passa-Alta. A Figura 2.11 ilustra essa forma de elaboração do filtro.
(Pertence, 2003)
Figura 2.11 - Filtro Passa-Faixa (PERTENCE, 2003).
Em um filtro Passa-Faixa, apenas freqüências entre a fc1 e fc2 que são as freqüências de
corte inferior e superior, respectivamente, são permitidas a passagem. Todas as freqüências
fora dessa faixa são atenuadas. Para determinar a freqüência de corte central do filtro, f0,
utilizamos a equação 2.8:
(2.8)
2.3 Amplificador de instrumentação
Os amplificadores de instrumentação são freqüentemente utilizados em diversas
aplicações na área de processamento de sinais. Essa grande utilização se dá devido ao fato
desses amplificadores possuírem como detalhes principais, dentre outros: uma alta taxa de
rejeição a sinais de modo comum (CMRR), baixa tensão de offset e baixo ruído. Essas
características permitem que eles sejam facilmente utilizados em sistemas de aquisição de
dados, sistemas industriais e sistemas biomédicos.
É um dos mais úteis e versáteis circuitos implementáveis, pois utiliza-se apenas de
amplificadores operacionais e resistores. É conhecido basicamente por ser uma extensão do
amplificador diferencial que amplifica a diferença entre os sinais de entrada, ou seja, ele
aumenta a diferença dos sinais de tensão superpostos a grandes tensões de modo comum.
Devido às tensões de modo comum serem iguais, elas se anulam.
26
Figura 2.12 – Exemplo de circuito de um amplificador de instrumentação
Fonte: Adaptado de (EE.PUCRS, 2009)
O Amplificador de instrumentação possui três características
1. O ganho de tensão é ajustado por um resistor externo RG.
Figura 2.13 – Exemplo de montagem do resistor para calculo do ganho
Fonte: Adaptado de (EE.PUCRS, 2009)
(2.9)
Equação 2.9 – Fórmula para o cálculo de ganho do Amplificador de instrumentação
2. A impedância de entrada dos dois terminais é muito alta e não varia quando o ganho
é ajustado.
3. A tensão de saída vo depende da diferença entre as entradas v1 e v2 e não da tensão
comum entre elas (tensão de modo comum).
27
Figura 2.14 – Exemplo de um sinal antes e depois do tratamento de um amplificador de
instrumentação
Fonte: Adaptado de (EE.PUCRS, 2009)
2.4 Bateria
Uma bateria é um dispositivo composto por elementos eletroquímicos que
são transformados em energia elétrica. Basicamente, ocorrem dois processos químicos
opostos, a redução e a oxidação. Enquanto um dos materiais químicos perde elétrons, ou
seja, vai oxidando, o outro recebe elétrons. Esse processo é chamado de REDOX. Se a
bateria é colocada na tomada, a fim de que a mesma seja recarregada, o carregador inverte
o processo acima, ou seja, ele reduz o material oxidado. Isto se dá devido à tecnologia
utilizada em baterias que é capaz de realizar essa inversão do processo e conseqüentemente
realizar o mesmo processo diversas vezes, o que não é possível em uma pilha comum, por
exemplo.
Principalmente por se tratar de um processo químico, à medida que o mesmo
processo é repetido diversas vezes, a capacidade total da bateria é reduzida e ela perde
potência devido a não mais conseguir perder e ganhar elétrons como antes.
A capacidade de uma bateria é expressa em ampère-hora que, representa a quantidade
de carga que ela possui. Os elementos químicos que a compõe que também são chamados
de eletrólitos determinam a capacidade da bateria, ou seja, são eles que determinam o
quanto à bateria dura.
Um ampère-hora equivale a 3600 coulombs. Uma bateria que fornece 10 ampères
(10A) de corrente (fluxo) por hora, ela possui uma capacidade de 10 Ah, considerando-se
que a descarga dessa carga é de 1h (C1). Se ela for capaz de fornecer 10 A por 100 horas,
sua capacidade é de 100 Ah, considerando-se a descarga de 100h (C100).
Sendo assim, podemos dizer que quanto maior a capacidade de uma bateria, maior é
a sua vida útil, considerando-se as condições normais de descargas que são: temperatura,
valor da corrente elétrica, a tensão máxima que a bateria fornece, entre outros.
Ao descarregar uma bateria em correntes menores, a energia que a mesma fornece é
mais eficiente do que quando a mesma é solicitada utilizando-se correntes maiores. Esse
processo que acarreta uma maior eficiência da bateria é conhecido como lei de Peukert.
28
Uma bateria normal possui duas saídas: uma referência e uma positiva. Quando
existe a necessidade de utilização de uma tensão negativa, existem dois métodos para
utilização. O primeiro consiste em um circuito inversor de tensão e o segundo consiste na
ligação de duas baterias iguais em série. Para realizar essa ligação em série, basta liga a
referência de uma das baterias na saída positiva da segunda. Tem-se assim, a partir das
outras duas saídas uma positiva e uma negativa.
2.5 Circuito oscilador
Os circuitos osciladores têm a função de gerar ondas ajustáveis em amplitude, forma
e freqüência. São responsáveis pela geração do sinal utilizado para um determinado
objetivo. Os osciladores são amplamente utilizados no cotidiano como, por exemplo, um
transmissor de rádio AM usa um oscilador para estabelecer a onda portadora da estação,
assim como detectores de metal e até armas de defesa pessoal também se utilizam de
osciladores como principio básico de funcionamento.
Os osciladores mecânicos necessitam da transformação de energia potencial em
energia cinética que, é o princípio de funcionamento de um pêndulo. Os osciladores
eletrônicos, ou seja, os circuitos integrados, também precisam passar de uma forma de
energia para outra. Essa transformação, porém se dá utilizando-se de maneira mais simples
apenas um capacitor e um indutor juntos. Devido a ambos os componentes armazenarem
energia, o primeiro a armazena na forma de um campo eletrostático, enquanto o segundo
utiliza uma forma de campo magnético.
Temos o seguinte circuito:
Figura 2.16 – Circuito oscilador composto por capacitor e indutor
Fonte: Adaptado de (HOWSTUFFWORKS, 2009)
Se você carregar ao capacitor com uma bateria e, então, inserir o indutor dentro do
circuito, verifica-se que:
x O capacitor começará a descarregar através do indutor, que produzirá um campo
magnético;
x Assim que o capacitor se descarregar, o indutor tentará manter o fluxo de corrente
no circuito carregando a outra placa do capacitor;
x Quando o campo do indutor é nulo, o capacitor foi recarregado, mas com polaridade
oposta. Sendo assim, ele se descarregará novamente através do indutor.
29
A oscilação continua até que o circuito fique sem energia devido à resistência no
fio. Ele oscilará em uma freqüência que depende dos valores do indutor e do capacitor.
Entendendo a necessidade de osciladores nos dispositivos eletrônicos, algumas
empresas desenvolveram circuitos integrados que realizam a mesma função do circuito na
figura 2.16. Esses circuitos possuem a necessidade de outros componentes externos,
entretanto, essa necessidade se dá devido à configuração do sinal de saída desejado.
Alguns circuitos osciladores possuem capacidade de geral três tipos diferentes de
ondas - senoidal, triangular e quadrada – uma vasta faixa de freqüência funcional e sua
utilização é em maior quantidade, em relação a circuitos convencionais, devido ao espaço
que utilizam, pois um circuito integrado mesmo com os componentes externos, ocupa uma
menor quantidade de espaço na montagem, menor consumo de energia e a possibilidade de
problemas eletrônicos comuns acontecerem é mais reduzida, gerando uma maior garantia
de vida útil estendida do equipamento.
2.6 Detector de pico
Um detector de pico é utilizado sempre que houver a necessidade de manterse a tensão de pico da entrada (Vi) na saída, ou seja, Vo = Vpico. Para que este objetivo
seja alcançado, o circuito em questão acompanha a tensão de entrada até que a tensão de
pico seja alcançada. Assim que esta tensão é detectada, o valor é mantido indefinidamente
(idealmente), até que um novo valor de pico superior ao primeiro seja detectado pelo
circuito e, caso isto aconteça, o valor de saída é atualizado para o novo valor.
A figura 2.17 demonstra de maneira gráfica a saída (vo) de um detector de pico de
acordo com o sinal de entrada (Vi):
Figura 2.17 – Gráfico da relação sinal de entrada x sinal de saída de um detector de pico
A figura 2.18 apresenta um circuito básico de um detector de pico. O capacitor é
carregado quando S1 está fechado e, descarregado quando S2 está fechado.
Figura 2.18 – Circuito detector de pico
30
2.7 Microcontrolador
Os microcontroladores são circuitos integrados conhecidos por chips que possuem em
seu interior outros circuitos integrados, como por exemplo uma memória e um conversor
A/D, entre outros.
O PIC18F452, fabricado com a tecnologia CMOS pela Microchip dispõe de:
x Processador RISC (Reduce Instrution Set Computer)
* 75 instruções de 18 bits;
* Freqüência máxima de funcionamento - 40Mhz (freqüência do cristal);
* Cada ciclo de relógio corresponde à freqüência do cristal / 4 = 10Mhz, efetuando a
cada segundo 10 MIPS (milhões de instruções por segundo);
* Tempo de execução das instruções normais: 1 ciclo de relógio;
* Tempo de execução das instruções de salto condicional (decfsz, incfsz, btfss, btfsc),
quando a executada a instrução de salto: 2 ciclos de relógio;
* Tempo de execução de instruções de salto incondicional (goto): 2 ciclos de relógio.
x As seguintes características da memória;
* Memória de programa (FLASH) de 32K (words) de 14 bits;
* Cada instrução é codificada numa word de 14 bits;
* Memória de dados RAM de 1536 bytes;
* Memória de dados EEPROM de 256 bytes;
* Stack de 31 níveis.
As seguintes características de periféricos:
* 33 pinos de entrada/saída, agrupadas em 5 portas (PORTA com 6 pinos, PORTB,
PORTC e PORTD com 8 pinos e PORTE com 3 pinos);
* 4 timers, 2 de 8 bits(Timer0 e Timer 2) e 1 de 16 bits (Timer1);
* Conversor analógico/digital de 10 bits, com 8 canais de entrada analógica;
* USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter);
31
* 13 tipos de interrupções.
Figura 2.19 – Microcontrolador PIC18F452
Fonte: Adaptado de (MICROCHIP, 2009)
2.8 Reguladores de tensão
Equipamentos eletrônicos possuem uma característica básica que é a necessidade de
uma fonte de alimentação. Sendo assim, é explícita a necessidade e a importância de um
regulador de tensão com circuito integrado para o bom funcionamento do equipamento,
evitando danos aos circuitos internos e demais componentes do próprio aparelho.
A função deste circuito integrado regulador de tensão é receber uma determinada tensão
corrente-contínua de entrada e gerar uma tensão corrente-contínua de saída com uma boa
estabilidade e principalmente sem as ondulações da fonte de alimentação. Ao conectar um
aparelho qualquer a uma bateria, por exemplo, assim que o mesmo seja ligado e devido ao
consumo aumentar, a tendência é a de que a tensão baixe. Neste caso, o regulador de tensão
atua de modo a garantir que a tensão de saída seja sempre a mesma dentro de uma variação
esperada, ou seja, com a diminuição da tensão de entrada, ele irá aumentar a tensão de saída
ou o contrário caso o consumo diminua e a tensão aumente caso o aparelho esteja
desligado.
Muitas vezes, o regulador de tensão possui um limite de corrente a fim de proteger não
apenas o dispositivo, mas também o próprio regulador de tensão contra excessos e
ondulações possíveis.
32
Os reguladores de tensão que produzem uma tensão regulada positiva para uma faixa
fixa de corrente de carga estão representados esquematicamente na fig.x. O regulador de
tensão possui uma tensão não regulada, Vin, aplicada a um termina. É realizada a entrega
de uma tensão de saída regulada, V0, em um segundo terminal, e possui ainda um terceiro
terminal conectado à terra. Para uma unidade CI particular, as especificações do dispositivo
ou uma faixa de tensão sobre a qual a tensão de entrada pode variar para manter a tensão de
saída regulada V0 ou ainda para uma faixa de corrente de carga, I0, deve-se manter uma
diferença de tensão de saída-entrada, o que significa que a tensão de entrada variante deve
sempre ser mantida suficientemente grande para manter a queda de tensão nos terminais do
CI a fim de permitir a operação adequada do circuito interno.
Figura 2.20 - Diagrama de blocos de regulador de tensão de três terminais.
Fonte: Adaptado de (CEFETERIO, 2009)
Um grupo de reguladores de tensão positiva é a série 78, que produz tensões fixadas
entre 5V e 24V. A figura 2.20 mostra como muitos desses reguladores são conectados. A
entrada Vin, é uma tensão corrente-contínua não regulada retificada e filtrada, aplicada ao
pino 1 do regulador CI. Os capacitores conectados da entrada ou saída para o terra ajudam a
manter a tensão cc e, além disso, filtrar qualquer variação de tensão de freqüência alta. A
tensão de saída do pino 2 é então disponível para a conexão da carga. O pino 3 é a
referência do circuito CI ou terra.
Figura 2.21 - Regulador de tensão positiva da série 78XX.
Fonte: Adaptado de (CEFETERIO, 2009)
Figura 2.22 - Regulador de tensão negativa da série 79XX.
Fonte: Adaptado de (CEFETERIO, 2009)
33
Para a seleção da tensão de saída regulada desejada, deve-se ter em mente que os dois
dígitos após o prefixo 78XX indicam a tensão de saída do regulador. A tabela 2.3 dá alguns
dados típicos. Na série 79(ver figura 2.22 – anterior a este texto) são CIs reguladores de
tensão negativa, que constituem uma série de CIs semelhante à série 78, porém que operam
com tensões negativas produzindo uma tensão de saída negativa regulada. A tabela 2.4
apresenta a série 79XX dos reguladores de tensão negativa e suas tensões reguladas
correspondentes.
Tabela 2.3 - CIs reguladores de tensão positiva série 78XX.
Fonte: Adaptado de (CEFETERIO, 2009)
Tabela 2.4 - CIs Reguladores de tensão negativa fixada série 79XX.
Fonte: Adaptado de (CEFETERIO, 2009)
2.9 Amplificadores operacionais
São componentes eletrônicos largamente utilizados em instrumentação analógica,
pois permitem diversos tipos de operações lógicas e matemáticas e recentemente, passaram
a ser implementados nos circuitos integrados.
Um amplificador operacional é representado na figura 2.23:
Figura 2.23 – representação de um amplificador operacional
Fonte: Adaptado de (MSPC, 2009)
34
De acordo com a figura 2.21, temos:
• uma saída vo.
• uma entrada não inversora (+) v1.
• uma entrada inversora (í) v2.
A relação entre entradas e saída é:
vo = a ( v1 í v2 )
(2.10)
O “a” na equação 2.10 representa o ganho do amplificador. Sendo assim, temos um
amplificador linear, cuja tensão de saída é proporcional à diferença entre as tensões
aplicadas nas entradas.
Um amplificador operacional possui muitas características, das quais a grande maioria
deveria ser ou infinita ou zero. Devido ao fato de isto não ser possível, os valores quanto
mais próximos do ideal, classificam a qualidade do componente. Dentre as características,
temos:
x Ganho (a): no ideal, seria infinito. Na prática, valores tão altos como 200000 são
possíveis.
x Impedância de entrada: infinita no ideal. Na prática, valores como 10 Mȍ são
possíveis (impedância de entrada infinita seria o amplificador não consumir corrente
pelas entradas).
x Impedância de saída: nula no ideal. Valores como 75 ȍ são encontrados na prática,
significando ausência de queda de tensão interna na saída.
x Resposta de freqüência: de 0 ao infinito no ideal. Na prática escolhem-se tipos com
resposta bastante acima da freqüência na qual irão operar para dar uma aproximação
do ideal.
Relação de rejeição em modo comum: conhecido por CMRR (common mode rejection
ratio). Conforme igualdade da equação 2.9 do tópico anterior, um amplificador operacional
ideal tem saída nula se as entradas são iguais. Nos circuitos práticos, há sempre uma
pequena saída com as entradas iguais, condição esta chamada de modo comum. A condição
usual, isto é, com tensões de entrada diferentes, é denominado modo diferencial. E o
parâmetro é definido pela relação, expressa em decibéis, dos ganhos em ambas as
condições:
ganho no modo diferencial
CMRR = 20
log
ganho no modo comum
35
Um circuito ideal teria CMRR infinito.
No circuito da Figura 2.24, uma tensão Vi é aplicada à entrada inversora através de uma
resistência R1, e esta última recebe uma realimentação da saída através de R2. A entrada
não inversora é levada a um potencial nulo.
Considerando que a impedância das entradas é muito alta, pode-se supor que nenhuma
corrente será drenada pela entrada inversora. Assim, segundo a lei das correntes de
Kirchhoff aplicada ao nó S, a corrente em R1 deve ser igual à corrente em R2:
Figura 2.24 – Representação de um amplificador operacional com realimentação
negativa.
Fonte: Adaptado de (MSPC, 2009)
Sendo assim, temos que:
i
(vi í v2) / R1 = (v2 í vo) / R2.
ii
R2 (vi í v2) = R1 (v2 í vo).
Da relação básica, temos que:
iii vo = a (v1 ív2) = ía v2 , pois v1=0. Substituindo na anterior,
iv R2vi + R2vo/a = íR1vo/a í R1vo.
Desde que o ganho (a) é muito alto, pode-se considerar nulas as parcelas que têm esse
valor como divisor e, portanto, R2 vi = í R1 vo ou
R2
vo = í
vi
R1
(2.11)
36
Ou seja, a tensão de saída é igual ao inverso da tensão de entrada multiplicada pelo fator
dado pela relação entre R2 e R1.
2.10 Display
Os displays gráficos são muito utilizados principalmente devido ao fato de eles
funcionarem por pixels ao invés de caracteres definidos, ou seja, pode ser formado qualquer
caractere de qualquer fonte ou ainda um desenho de diferentes tamanhos. Os displays mais
utilizados são os conforme a figura 2.25, composto de 128 x 64 pixels, ou seja, possui
comprimento de 128 pixels e altura de 64 pixels.
Figura 2.25 – Display gráfico por pixels de 128 x 64.
O principio de todos os displays LCD’s que funcionam a partir de pixels são os
mesmos, ou seja, todos possuem um controlador que controla cada pixel de maneira
independente como se cada pixel fosse uma unidade de uma matriz, deixando esse ponto
aceso ou apagado de acordo com a programação realizada.
37
3
ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO
O medidor de massa corpórea por bioimpedância foi desenvolvido para ser um aparelho
portátil, de fácil manuseio e que seja possível colocá-lo próximo ao paciente, minimizando
a movimentação do mesmo que encontra-se acamado.
Atualmente existem opções no mercado para a medição de massa corpórea, utilizandose da técnica de bioimpedância, porém, em forma de balanças convencionais inviabilizando
o seu uso para pacientes em situações de repouso em uma cama.
A medição de somente três músculos para a estimativa da massa corporal torna viável o
uso do sistema sem necessidade de grandes transtornos ao repouso do paciente.
Na Figura 3.1 é possível observar o diagrama de blocos do hardware.
Figura 3.1 - Diagrama de blocos do hardware.
38
3.1 Funcionamento do sistema
O sistema proposto está dividido em dois módulos: software e hardware.
O software tem a função de efetuar os cálculos para a estimativa da massa corporal,
assim como controlar as informações que são mostradas no display e a interface de cadastro
dos pacientes num banco de dados. Já o hardware é responsável pela geração da senoide
que será injetada no paciente, bem como a recepção do sinal de resposta, conversão dos
dados para serem trabalhados pelo software, armazenamento dos dados do cadastro e
indicação dos dados por meio de um display.
O hardware foi dividido nas seguintes categorias:
x
Geração do sinal: Utilizando-se um gerador de onda senoidal, em que esse sinal
senoidal será injetado no avaliado.
x
Injeção do sinal: Ocorrendo por intermédio de eletrodos, ligados aos pares nos
respectivos músculos a serem mensurados.
x
Aquisição do sinal: Em que o sinal proveniente da bioimpedância é recebido em
forma de corrente circulante no circuito e é convertido em tensão.
x
Amplificação: Nessa etapa, o sinal na ordem de mV ou até µV é amplificado em
mil e duzentas vezes, eliminando boa parte do ruído em modo comum.
x
Filtros: Acontece a filtragem do sinal, atenuando as tensões nas freqüências
diferentes a de 50KHz.
x
Detector de pico: A senoide é transformada numa tensão contínua em relação ao
tempo, ficando possível a conversão dessa tensão em um valor digital.
x
Microcontrolador: Efetua a conversão da tensão em um valor digital entre 0 e
1024. É responsável por efetuar os cálculos e por responder aos comandos do
usuário, alem do controle do display.
x
Interface: Responsável por possibilitar a interação do usuário com o sistema.
x
Display: Dispositivo que possibilita a visualização das informações.
O software foi dividido em:
x
Calculo da massa corporal: Utilizando-se três equações de regressão linear para
conversão de valores e mais uma equação de regressão linear múltipla para
estimativa da massa corporal.
x
Cadastro: Em que o usuário alimenta o sistema com informações do avaliado e
esses dados são salvos em um banco de dados.
39
3.1.1 Módulo do Hardware
Descritos abaixo, estão os componentes usados para a elaboração do hardware.
3.1.2 Componentes do Hardware
x PIC18F452A: Microcontrolador utilizado para efetuar o controle geral do
sistema, bem como o processamento dos dados, conversão do sinal analógico em
digital, armazenagem dos dados cadastrados, controle do display e controle da
interface com o usuário.
x MAX038: Circuito integrado utilizado para gerar sinais senoidais na ordem
de 2V pico a pico com freqüência de 50KHz, que serão injetados no músculo do
paciente.
x INA118P: Circuito integrado amplificador de instrumentação usado para
amplificar o sinal recebido do eletrodo e eliminação do ruído em modo comum.
x LF351: Circuito integrado amplificador operacional utilizado para confecção
dos filtros
x LF353: Circuito integrado amplificador operacional duplo utilizado para a
confecção do detector de pico.
x LM7805: Circuito integrado que possui a característica de regulador de
tensão positiva.
x LM7905: Circuito integrado que possui a característica de regulador de
tensão negativa.
x SSC12A64DLNW-E: Display gráfico usado para a visualização dos dados e
interação visual com o usuário.
x
Eletrodo: Utilizado para a injeção e aquisição do sinal.
3.1.2.1 Microcontrolador PIC
O microcontrolador utilizado foi o PIC18F452A da Microchiop. Possui as seguintes
características:
x
Espaço para código de 32KB;
x
Memória EEPROM de 256 bytes;
x
8 canais A/D de 10bits;
x
Memória RAM de 1536 bytes;
x
Clock máximo de 40MHz;
x
33 pinos de I/O.
40
Figura 3.1: Microcontrolador PIC18F452.
Fonte: Adaptado de (MICROCHIP, 2009)
A escolha do microcontrolador deve-se principalmente pelo seu espaço de código, pelo
espaço disponível na memória EEPROM e pela resolução de 10 bits no conversor A/D. É
responsável pela conversão do sinal analógico em digital, calculo da estimativa da massa
corporal, controle do display e interface com o usuário. Na Figura 3.1 é possível observar a
estrutura externa do microcontrolador PIC18F452.
3.1.2.2 Gerador de ondas
O gerador de onda senoidal escolhido foi o MAX038 da Maxim/Dallas. O circuito
integrado possui as características:
x
Opera nas faixas de freqüência entre 0,1 Hz e 20 MHz;
x
Gera ondas senoidais, triangulares e quadradas;
x
Ajustes de freqüência e Duty-Cicle independentes.
41
Figura 3.3: Diagrama de blocos do MAX038.
Fonte: Adaptado de (MAXIM-IC, 2009)
Esse CI foi escolhido pela sua vasta faixa de freqüência operacional, pela possibilidade
de aquisição do componente por meio de amostra grátis e pela facilidade de seleção do tipo
de onda. Entretanto, esse componente encontra-se atualmente obsoleto e sua produção
descontinuada.
Tem a função de gerar uma senoide com freqüência de 50KHz com amplitude de 2Vpp,
de forma a ser injetada no paciente por meio de eletrodos. A Figura 3.3 mostra a estrutura
externa do MAX038.
3.1.2.3 Reguladores de tensão:
Para manter a tensão do sistema em 5V, foram utilizados os CIs LM7805 e LM7905 da
fairchild. Tem como características:
x
Corrente máxima de 1A;
x
Proteção contra superaquecimento.
Os CIs foram escolhidos por seu baixo custo e confiabilidade, além da facilidade de
encontrá-los em mercados nacionais.
42
Os reguladores de tensão objetivam a limitar a tensão da fonte em 5V. Em função das
baterias utilizadas que possuem 7,2V e por todos os componentes do sistema funcionar com
5V, optou-se pelo uso desses componentes. Em virtude do uso da tensão negativa para o
funcionamento adequado do display, utilizou-se o LM7905 que possui funcionamento
semelhante ao LM7805, porém, para tensões negativas.
3.1.2.4 Filtros
A confecção dos filtros foi efetuada utilizando-se o CI LF351 da ST Microelectronics.
O LF351 possui as seguintes características:
x
Slew Rate de 16V/us;
x
CMRR de 86dB;
x
Rise time de 0,1us.
Figura 3.4: Amplificador operacional LF351.
Fonte: Adaptado de (ST, 2009)
Esse amplificador operacional foi escolhido pelo seu baixo custo, fácil implementação e
por atender as necessidades de tensão de saída na freqüência de 50KHz.
Os filtros do sistema consistem num filtro passa-baixa com freqüência de corte em
50KHz na configuração Butterworth MFB e um filtro passa-alta com freqüência de corte
em 50KHz também na configuração Butterworth MFB. A Figura 3.4 mostra a estrutura
externa do LF351.
3.1.2.5 Detector de pico
Para configurar o detector de pico, optamos pela utilização do CI LF353 da ST
Microeletronics. Possui características iguais ao LF351 descrito no item “1.1.2.4 Filtros”,
43
com o adicional que possui dois amplificadores operacionais LF351 em uma estrutura
unificada.
Figura 3.5: Amplificador operacional duplo LF353.
Fonte: Adaptado de (ST, 2009)
A montagem do detector de pico necessitava de uma composição com dois
amplificadores operacionais, por esse motivo, com a finalidade de reduzir o tamanho da
montagem, optou-se por esse componente, além da facilidade de implementação. Na Figura
3.5 podemos observar a estrutura externa do LF353.
3.1.2.6 Display
Para a visualização dos dados, usaremos o display gráfico SSC12A64DLNW-E da
Lumatronic. Possui as seguintes características:
x
Consumo de corrente de 9mA;
x
Tensão de alimentação de 5V;
x
Controlador KS107/108;
x
Display gráfico de 128x64 pontos.
44
Figura 3.6: Diagrama de blocos do display gráfico SSC12A64DNLW-E.
Fonte: Adaptado de (LUMATRONIC, 2009)
O baixo consumo de corrente desse display foi de grande relevância para a sua escolha,
assim como o seu controlador KS107/108 que é bem difundido o que facilita a busca de
informações a respeito das funcionalidades e bibliotecas de controle. O preço em relação
aos outros displays gráficos também foi um requisito analisado. A Figura 3.6 mostra o
diagrama de blocos do display.
3.1.2.7 Amplificador de instrumentação
O amplificador de instrumentação escolhido foi o INA118P da Burr-Brown, possuindo
as características a seguir:
x
CMRR de 110dB;
x
Ganho do sinal de 100V/V a 70KHz;
x
Tensão de alimentação entre ±1.35 e ±18V.
45
Figura 3.7: Amplificador de instrumentação INA118P.
Fonte: Adaptado de (TI, 2009)
Esse componente foi escolhido pela sua disponibilidade no mercado brasileiro, pela
facilidade na implementação e por possuir um bom CMRR mesmo na freqüência de
50KHz.
O uso desse componente vem da necessidade de se amplificar o sinal e eliminar os
ruídos provenientes da aquisição. A Figura 3.7 mostra a estrutura do INA118.
3.1.2.8 Baterias
Em se tratando de um dispositivo portátil, surge a necessidade de uso de baterias. Para o
desenvolvimento do projeto, optamos pela utilização de duas baterias, uma para a tensão
positiva e uma para a tensão negativa. A bateria escolhida é a AN1300SC da Vinnic e
possui as seguintes características:
x
Tensão de 7,2V;
x
Composição de Níquel-Cadmio (Ni-Cd);
x
Corrente de 1300mAh.
A escolha dessa bateria deve-se a forma de aquisição da mesma, uma vez que não
houveram custos envolvidos. Contribuíram também para a escolha, a tensão de 7,2V e a
46
corrente de 1300mAh, fornecendo tensão e corrente suficientes para suprir a demanda do
dispositivo.
A Figura 3.8 ilustra as baterias usadas na alimentação do dispositivo.
Figura 3.8: Baterias de 7,2V e 1300mAh.
47
4
DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO
Nesse tópico, serão detalhadas cada uma das etapas de desenvolvimento do software e
do hardware.
4.1 Hardware
Para o hardware, será utilizada a estrutura de tópicos que segue:
Alimentação, osciladores, aquisição,
microcontrolador, display e interface.
amplificação,
filtros,
detector
de
pico,
4.1.1 Alimentação
A alimentação de todos os componentes do projeto foi feita utilizando duas baterias de
7,2V e 1300mAh. Entretanto, houve a necessidade de reduzir essa tensão em virtude alguns
componentes que eram alimentados com 5V. Para isso, foram utilizados os CIs reguladores
de tensão LM7805 e LM7905.
Para fornecer tensão negativa ao circuito, utilizamos duas baterias iguais ligadas em
série.
A Figura 4.1 item “A” mostra a configuração da montagem das baterias.
A tensão positiva é regulada para 5V por meio do LM7805 enquanto que a tensão
negativa é regulada para -5V pelo LM7905. Os detalhes da montagem aparecem na Figura
4.1.
48
B)
A)
Figura 4.1: Esquema da montagem do circuito de alimentação do sistema. A) Mostra a
configuração das baterias para fornecimento de tensão negativa e positiva. B) Mostra a
configuração dos CIs LM7805 e LM7905 para e regulagem da tensão em 5V e -5V.
4.1.2 Osciladores
Conforme destacado anteriormente, a implementação dos osciladores foi feita a partir
do CI MAX038, gerando uma onda senoidal com amplitude de 2Vpp e com freqüência de
50KHz.
A seleção da freqüência é feita por meio de um capacitor cerâmico de 2,2nF.
Os ajustes finos da onda ficam por conta dos três trimpots de 50 kŸ alimentados pela
tensão de referência do próprio CI.
A seleção do tipo de onda ocorre quando o nível lógico alto é enviado para a entrada
“A0”, dessa forma, o sinal de saída contida no pino “out” é uma senoide de 50KHz de
amplitude igual a 2Vpp. Um dos eletrodos é ligado a essa saída.
Na Figura 4.2 é possível observar o esquema da montagem do MAX038, já ligado aos
eletrodos.
49
Carga
Figura 4.2: Esquema da montagem do MAX038 com a ligação dos eletrodos. A
“Carga” representa a bioimpedância da região corpórea a ser medida.
4.1.3 Aquisição
A aquisição do sinal é feita a partir da colocação de um par de eletrodos no músculo
indicado. Dessa forma, podemos considerar a região entre os eletrodos como uma carga
possuindo uma impedância.
Um dos eletrodos contém o sinal senoidal de 50KHz que é injetado no músculo do
paciente, enquanto que o segundo eletrodo tem a função de receptor do sinal.
A configuração dos eletrodos junto à impedância da região medida pode ser considerada
equivalente a um circuito de um resistor em série com a fonte conforme mostra a Figura
4.3.
Carga
Figura 4.3: Circuito série equivalente formado entre a fonte e a impedância da região.
Fonte: Adaptado de (DAVIDDARLING, 2009)
50
Como a impedância é a oposição ao fluxo de elétrons, a corrente que circula no circuito
série, é o valor da resposta a essa oposição. Portanto, a corrente circulante no circuito incide
também no resistor de shunt de 1ohm, em que a corrente que circula por esse resistor é
igual à tensão encontrada nesse resistor.
Segundo a primeira lei de ohm, a tensão é proporcional à intensidade de corrente
conforme a Equação 4.1 (LOURENÇO, 1998).
V=RxI
(4.1)
Equação que relaciona a tensão, a resistência e a corrente. Conhecida como “Lei de
Ohm”.
Ao fixarmos a resistência em 1 ohm, temos uma relação de um para um entre a corrente
e a tensão, ou seja, o valor da tensão é igual ao valor da corrente circulante no resistor de
shunt.
O amplificador de instrumentação então é colocado sobre esse resistor de forma que a
tensão incidente no resistor seja amplificada. A Figura 4.4 mostra o esquemático do circuito
de aquisição juntamente com o amplificador de instrumentação.
Figura 4.4: Esquemático da montagem do circuito de aquisição do sinal. A fonte
osciladora representada pela abreviação “OSC” representa o sinal senoidal gerado pelo
oscilador.
4.1.4 Amplificação
O sinal proveniente do eletrodo receptor encontra-se na ordem de 800uV e, para ser
trabalhado adequadamente e convertido em um sinal digital, a tensão precisa ser elevada. O
amplificador de instrumentação INA118 eleva a tensão na ordem de cem vezes para um,
além de eliminar boa parte do ruído incidente no sinal aquisicionado. O ganho do
amplificador é dado a partir da colocação de um resistor de 500 ohms entre os pinos 1 e 8.
Para elevarmos ainda mais a tensão, usou-se um outro circuito de ganho construído
utilizando-se de um amplificador operacional LF351.
51
A opção de utilizar um segundo circuito para a amplificação do sinal ocorreu pelo fato
de que ao aumentar o ganho no amplificador de instrumentação, conseqüentemente se esta
dando um ganho ao ruído incidente no sinal.
A configuração do segundo amplificador corresponde a um amplificador inversor com
ganho igual a 12 vezes o sinal de entrada.
Na Figura 4.5 são observadas as montagens dos dois amplificadores responsáveis pela
elevação da tensão do sinal aquisicionado.
Figura 4.5: Esquemático da montagem da malha de amplificação do sistema.
4.1.5 Filtros
A etapa de filtragem do sinal sucede a de amplificação. Em decorrência de ruídos e
freqüências parasitas no sinal aquisicionado, utiliza-se então um filtro passa faixa,
atenuando as freqüências acima e abaixo de 50KHz.
O filtro confeccionado portanto é um passa faixa de 2ª ordem na configuração
butterworth MFB. O filtro passa faixa é composto por um filtro passa baixa de 2ª ordem e
um filtro passa alta também de 2ª ordem.
A seguir constam as figuras: Figura 4.6 e Figura 4.7 onde se pode observar o
esquemático da montagem, juntamente com o gráfico da atenuação do filtro passa-baixa.
Nas Figuras 4.8 e 4.9, observa-se o esquemático da montagem e o gráfico de atenuação do
filtro passa-alta.
52
Figura 4.6: Filtro passa-baixa.
Figura 4.7: Gráfico da atenuação do filtro passa-baixa.
Figura 4.8: Esquemático da montagem do filtro passa-alta.
53
Figura 4.9: Gráfico de atenuação do filtro passa-alta.
4.1.6 Detector de pico
Mesmo depois da passagem do sinal pelos filtros, continua-se com uma senoide.
Entretanto, para que haja a conversão desse sinal analógico em digital, deve-se converter tal
senoide em uma tensão constante no tempo. Uma forma simplificada de se conseguir um
sinal constante no tempo pode ser conseguida confeccionando um detector de pico.
O detector de pico mantém o valor da tensão de maior amplitude da senoide. Ao
alcançar a tensão equivalente à amplitude máxima da senoide, qualquer outro valor de
amplitude menor que o máximo detectado, não afetará a medida.
Por motivos de minimização da montagem, preferiu-se usar um LF353 a dois LF351.
A Figura 4.10 mostra o esquemático da montagem do detector de pico utilizando o
amplificador operacional LF353.
54
Figura 4.10: Esquemático da montagem do detector de pico utilizando o amplificador
operacional LF353.
4.1.7 Microcontrolador
É nesse estágio que o sinal é convertido para uma grandeza digital, gerando um valor
entre 0 e 1024, possibilitando que o cálculo seja efetuado pelo microcontrolador.
De acordo com a Figura 3.1 que mostra a estrutura externa do PIC18F452A, é possível
perceber que o dispositivo possui 8 portas de conversão A/D, sendo que somente 3 serão
utilizadas.
O microcontrolador também é responsável pelo controle do display gráfico.
A configuração da resolução do conversor A/D é dada codificando-se no cabeçalho o
seguinte comando:
x
#DEVICE ADC=10
Para se configurar as porta A como portas de entrada, usamos o comando:
x
set_tris_a(0xff);
Ao se definir a porta A como analógica e a taxa de amostragem, utilizamos os
comandos:
x
setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);
x
setup_adc_ports(ALL_ANALOG);
55
4.1.8 Display
O display tem como funções principais a interface de navegação entre o usuário e as
funções executadas pelo sistema, assim como mostrar os resultados para os usuários.
O dispositivo é ligado independentemente da parte de aquisição, ficando dependente
somente do microcontrolador que faz todo o controle das funções do display.
Houve a necessidade de efetuar a sua alimentação utilizando tanto tensão positiva
quanto negativa, assim como para o controle do contraste. O controle do contraste é feito
usando um trimpot ligado à tensão negativa e ao display. Conforme a resistência ajustada
no trimpot deixa-se o display com mais brilho ou com brilho menor.
O brilho do display também é influenciado pela tensão da bateria, quando a mesma
encontra-se com carga baixa e necessitando de recarga, percebe-se uma diminuição do
brilho.
4.1.9 Interface
Para que o usuário pudesse navegar e cadastrar os usuários com maior facilidade,
confeccionou-se uma interface composta de cinco botões que interagem diretamente com o
display e consequentemente com o microcontrolador. Para cada função executada pelo
microcontrolador, são mostradas no display as opções disponíveis sendo a seleção dessas
opções feita mediante o pressionamento dos botões presentes na interface.
Conforme as Figura 4.11 e Figura 4.12, observa-se respectivamente o esquemático da
montagem do display, microcontrolador e interface, e a foto dos botões da interface com o
usuário.
56
Figura 4.11: Esquemático da montagem do microcontrolador, interface de botões e
display.
57
Figura 4.12: Foto dos botões que constituem a interface com o usuário.
4.2 Modulo do Software
Nesse projeto optou-se pela utilização de linguagem C estruturada. Tal escolha vem da
possibilidade de programação do microcontrolador em C e levando em consideração que o
projeto é portátil e, portanto, não sofrerá mudanças de grande porte após sua finalização.
Para o software usaremos a seguinte estrutura de tópicos:
Diagrama de caso de uso, fluxogramas e bibliotecas.
58
4.2.1 Diagrama de caso de uso:
Visando esclarecer o funcionamento do software do dispositivo, na Figura 4.13 é
possível visualizar o diagrama de caso de uso do sistema.
Figura 4.14: Diagrama de caso de uso.
59
4.2.2 Fluxogramas:
Dividiram-se os fluxogramas em relação às funções executadas pelo dispositivo, dessa
forma, pode-se visualizar e entender mais facilmente os detalhes da implementação do
software.
4.2.2.1 Menu inicial
Referente às funções disponíveis ao usuário assim que o aparelho é ligado. O
fluxograma das opções desse menu é apresentado na Figura 4.14.
Figura 4.14: Fluxograma do menu inicial.
60
4.2.2.2 Cadastro
Foi desenvolvida uma interface de cadastro para o armazenamento dos dados do
paciente. Dessa forma, utilizando-se dos botões de navegação, é possível selecionar a letra,
passar para o próximo caractere, voltar para o caractere anterior e concluir o cadastramento.
Na Figura 4.15 é possível visualizar o fluxograma da função de cadastro.
não
sim
Figura 4.15: Fluxograma da função de cadastro.
61
4.2.2.3 Alteração
Em função da necessidade de alteração dos dados armazenados, uma função de
alteração do cadastro foi implementada. A Figura 4.16 mostra o fluxograma da função de
edição dos dados cadastrados.
Figura 4.16: Fluxograma da função de alteração.
62
4.2.2.4 Busca
Foi implementada uma função de busca, fazendo a interação com a EEPROM onde os
dados ficam armazenados. Para a seleção dos cadastros a serem alterados ou deletados, há a
chamada da função de busca. Segundo consta na Figura 4.17, observa-se o fluxograma
dessa função.
Figura 4.17: Fluxograma da função de busca do sistema.
63
4.2.2.5 Deleção
A função de deleção é chamada quando há o comando do usuário para retirada de um
cadastro armazenado na EEPROM. Na Figura 4.18 é possível observar o fluxograma da
função de deleção.
Figura 4.18: Fluxograma da função de deleção.
64
4.2.2.6 Gravação
Assim que o usuário conclui a etapa de cadastro, o sistema chama a função de gravação
para que os dados sejam armazenados na EEPROM. O fluxograma da função de gravação é
observado na Figura 4.19.
Figura 4.19: Fluxograma da função de gravação dos dados na EEPROM do
microcontrolador.
65
4.2.2.7 Medição
Assim como já foi visualizado na Figura 4.14 (MENU), existem duas opções no menu
inicial, sendo uma delas e de medição. A função de medição executa os procedimentos para
recepção do sinal, conversão dos valores analógicos em digitais e calculo da massa
corporal.
Essa função pode ser chamada em três momentos. O primeiro momento ocorre já no
menu inicial, no caso de o usuário necessitar estimar a massa corporal do paciente sem
efetuar o cadastro. O segundo momento ocorre assim que o usuário conclui o cadastro, para
que o valor da massa corpórea do paciente também fique armazenado na EEPROM. O
terceiro momento acontece logo após a conclusão da alteração do cadastro, necessitando da
confirmação do usuário para que a função seja chamada, senão, os dados serão atualizados
conforme a edição do usuário, com exceção da massa corporal que continuará com seu
valor intacto.
Na Figura 4.20 é possível observar o fluxograma da função de medição.
Figura 4.20: Fluxograma da função de medição da estimativa da massa corporal.
66
4.2.3 Bibliotecas
Para a implementação do firmware, algumas bibliotecas foram utilizadas. Sendo elas:
x
18f452.h - Responsável
microcontrolador.
x
HDM64GS12.c - Responsável pelo controle do Display gráfico.
x
graphics.c - Complementa a biblioteca HDM64GS12.c para controle do display
gráfico.
x
stdlib.h - Possui funções básicas de manipulação de string, conversão de tipos,
entrada de dados e saída de dados.
pelo
interfaceamento
entre
4.3 Tabela de componentes
Na Tabela 4.1 são discriminados os componentes usados no projeto.
Tabela 4.1: Lista de componentes utilizados no projeto.
Componente
18F452A
Capacitor 100pF
Capacitor 10nF
Capacitor 10pF
Capacitor 10uF
Capacitor 150pF
Capacitor 1nF
Capacitor 2,2nF
Cristal 20MHz
Diodo 1N4007
INA118
LF351
LF353
LM7805
LM7905
MAX038
Push button
Resistor 100 ohm
Resistor 100K ohm
Resistor 10K ohm
Resistor 12K ohm
Resistor 1K ohm
Resistor 2,2K ohm
Resistor 22K ohm
Resistor 33K ohm
Quantidade
1
3
2
1
6
3
18
6
1
6
3
9
3
1
1
3
5
3
12
11
3
15
6
3
3
SSC12A64DNLW-E
1
1
6
Trimpot 10K ohm
Trimpot 50K ohm
o
código
e
o
67
5
VALIDAÇÃO E RESULTADOS
Será abordado nesse capítulo as etapas de calibração e resultados encontrados.
5.1 Calibração
Na etapa de calibração foram efetuados testes parametrizados em voluntários.
5.1.1 Teste
O teste consistiu na ligação dos três pares de eletrodos em três músculos específicos do
paciente simultaneamente. O sistema é ligado e então é efetuada a medição, os dados do
aparelho são anotados e inicia-se a etapa de medição da circunferência dos músculos prédefinidos.
A massa corporal dos voluntários foi medida usando-se uma balança comum digital.
Para obtenção de dados consistentes, efetuou-se então uma parametrização para os
testes. Os detalhes das parametrizações encontram-se nos tópicos que seguem.
5.1.2 Colocação dos eletrodos e medidas antropométricas
A colocação dos eletrodos foi padronizada para cada um dos três músculos, sendo
colocados sempre no braço direito e na perna direita. Isso ocorre devido ao padrão já
existente para se efetuar medidas antropométricas, que diz que as medidas devem ser feitas
no lado direito do avaliado.
5.1.2.1 Tríceps
O primeiro eletrodo é colocado na parte posterior, logo acima do cotovelo. O segundo
eletrodo é colocado na parte interior do braço, posicionado próximo à axila.
A Figura 5.1 mostra o posicionamento dos eletrodos na região tricipital.
68
2
1
Figura 5.1: Posicionamento dos eletrodos na região tricipital. 1) Posição do primeiro
eletrodo. 2) Posição do segundo eletrodo.
Fonte: Adaptado de (DAVIDDARLING, 2009)
Ambas as medições, antropométrica e pelo aparelho, necessitam que o voluntário não
esteja com o braço flexionado e que esteja relaxado, não havendo contração muscular.
A medida da circunferência muscular, segundo Petroski (1999) é feita da seguinte
forma:
“Localiza-se o ponto de referência anatômica pedindo ao avaliado que flexione o
cúbito a 90º com a palma da mão voltada para cima. Calcula-se então a distância absoluta
entre os pontos de referencia anatômica e marca-se o ponto central com lápis
demográfico. Envolvendo o braço com a fita, de forma que esta se aloje sobre o ponto
marcado, faz-se a medida.”
Na Figura 5.2 visualizamos a forma correta de se efetuar tal medição.
Figura 5.2: Posição da fita antropométrica para a medição perimétrica do tríceps Fonte:
Adaptado de (PETROSKI, 1999)
69
5.1.2.2 Abdômen
No caso do abdômen, os eletrodos são colocados lateralmente na altura da cicatriz
umbilical. O primeiro eletrodo é posicionado a direita e o segundo posicionado a esquerda,
como mostra a Figura 5.3.
2
1
Figura 5.3: Posicionamento dos eletrodos na região abdominal. 1) Posição do primeiro
eletrodo. 2) Posição do segundo eletrodo.
Fonte: Adaptado de (A.D.A.M., 2009)
Na região abdominal tanto a medição pelo aparelho quanto a antropométrica devem ser
feitas com o abdômen relaxado.
Petroski (1999) nos mostra a forma correta da medição do perímetro abdominal:
“Passa-se a fita em torno do avaliado de trás para frente, tendo-se o cuidado de manter
a mesma no plano horizontal. A seguir faz-se a leitura, após o avaliado realizar uma
expiração normal”.
Conforme a Figura 5.4, observa-se como deve ser posicionada a fita para se efetuar a
medição do perímetro abdominal.
70
Figura 5.4: Posição da fita antropométrica para medição da circunferência abdominal
Fonte: Adaptado de (PETROSKI, 1999).
5.1.2.3 Panturrilha
A colocação dos eletrodos na panturrilha acontece de modo que o primeiro eletrodo
fique posicionado na parte frontal da perna, próxima a região do tornozelo, enquanto que o
segundo eletrodo é posicionado na parte posterior da perna logo abaixo da patela. A Figura
5.5 ilustra o posicionamento dos eletrodos na região da panturrilha.
2
1
Figura 5.5: Posicionamento dos eletrodos na região da panturrilha. 1) Posição do
primeiro eletrodo. 2) Posição do segundo eletrodo.
Fonte: Adaptado de (MSD-BRAZIL, 2009)
71
A técnica correta para a medição da circunferência da panturrilha nos é mostrada por
Petroski (1999) diz:
“Verifica-se a região correspondente ao maior perímetro da panturrilha movendo-se a
fita métrica em torno da perna e ao longo desta. Faz-se a leitura da medida tenso-se o
cuidado de manter a fita métrica paralela ao chão”.
A perna direita necessita ficar flexionada, formando um ângulo de 90º entre a perna e a
coxa, apoiando os pés no chão. Na Figura 5.6, pode-se observar a forma correta de efetuar a
medição da circunferência da panturrilha.
Figura 5.6: Posicionamento da fita antropométrica e posição do avaliado para a medição
perimetral da panturrilha
Fonte: Adaptado de (PETROSKI, 1999).
5.1.2.4 Acionamento do sistema
A medição efetuada pelo aparelho foi parametrizada da seguinte forma.
Após a colocação correta dos eletrodos e conexão dos cabos nos eletrodos, o dispositivo
é ligado e a opção 1 do menu é selecionada, fazendo com que o sistema chame a função de
medição retornando os valores já convertidos. O processo de acionamento do equipamento
e visualização dos dados na tela não deve demorar mais do que cinco segundos. No caso do
procedimento demorar mais do que o tempo definido, a retirada dos cabos faz-se necessária
e o acionamento do aparelho sem nenhum cabo ligado, fazendo com que a tensão na saída
do detector de pico atinja um valor próximo de zero rapidamente, possibilitando outro teste.
72
5.1.2.5 Pesagem
Utilizou-se uma balança comum digital para a identificação da massa corporal dos
pacientes testados. Os avaliados foram requisitados a retirar os sapatos e peças de roupa
excedentes do vestuário, sendo assim, a pessoa a ser medida pelo sistema estava utilizando
no momento da medida apenas uma calça e uma camisa. Acessórios como cintos, brincos,
colares, relógios foram mantidos com os avaliados no decorrer do teste.
5.1.2.6 Materiais para medição
Alguns materiais específicos foram usados para efetuar as medições estando
relacionados abaixo:
x
Fita antropométrica fabricada pela Wiso correspondente ao modelo T87
possuindo medida máxima de dois metros.
x
Balança digital comum da fabricante Soehnle, com peso máximo de 130 kg.
x
Eletrodos descartáveis para monitoramente de eletrocardiograma Unilect
fabricados pela Unomedical, possuindo as dimensões de 43mm de comprimento
por 35mm de largura e composição de Ag/AgCl.
5.1.3 Tamanho da amostra
O tamanho da amostra foi de 40 avaliados sendo, desse total, 21 mulheres,
representando 52,5% e 19 homens representando 47,5%. A seleção dos avaliados deu-se
sob os seguintes critérios: Possuir idade entre 15 e 65 anos, não estar grávida ou
amamentando, dispor de boa saúde, sendo toleradas doenças passageiras e corriqueiras, ter
nacionalidade brasileira, não encontrar-se embriagado.
Na Tabela 5.2 observa-se a média dos valores, onde os valores dos músculos são os
valores medidos com a fita antropométrica. Os pesos estimados pelo aparelho são aqueles
onde os valores de entrada são os valores convertidos pelo conversor A/D. Os Pesos
calculados usam os valores das medidas das circunferências medidas para estimar a massa
corporal.
Tabela 5.2: Média dos valores amostrados e calculados.
Dados
Tríceps
Abdômen
Panturrilha
Peso real
Peso estimado (aparelho)
Peso estimado (calculado)
Média
28,31 cm
83,02 cm
36,81 cm
68,77 Kg
66,45 Kg
65,48 Kg
Conforme é possível observar na Tabela 5.3, os dados estão agrupados da seguinte
forma:
73
Valores provenientes do aparelho a partir da conversão do sinal analógico em digital.
Valores das medidas dos perímetros dos músculos do avaliado.
Sexo do avaliado, sendo o valor 1 representando o sexo masculino e o valor 2 para
representar o sexo feminino.
Valor da massa corporal medido com a balança digital.
Valores dos perímetros dos músculos calculados através do calculo de regressão linear.
Peso calculado utilizando-se a equação de regressão linear múltipla para estimativa da
massa corpórea, tendo como parâmetros de calculo os valores dos músculos calculados por
regressão linear.
Peso calculado utilizando-se a equação de regressão linear múltipla para estimativa da
massa corporal, tendo como parâmetro de cálculos os valores dos perímetros dos músculos.
74
Tabela 5.3: Estudo dos dados amostrados e calculados organizados em ordem crescente do peso. * Números correspondentes ao valor
convertido pelo aparelho variando entre 0 e 1024. ** medidas em centímetros efetuadas usando a fita antropométrica. *** Peso em Kg.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
Tríceps** Abdômen** Panturrilha**
Peso
Tríceps** Abdômen** Panturrilha**
(medido)
Tríceps* Abdômen* Panturrilha* (medido ) (medido)
Sexo real*** (calculado) (calculado) (calculado)
477,00
582,00
359,00
25,00
65,60
34,60
2,00 51,10 27,740431 84,792760 35,79007
408,00
417,00
395,00
25,60
75,00
31,90
2,00 51,40 27,421444 86,064910 36,05791
431,00
460,00
472,00
24,00
68,70
34,50
2,00 54,90 27,527773 85,733380 36,63079
215,00
690,00
317,00
26,10
72,20
33,50
2,00 55,00 26,529205 83,960080 35,47759
402,00
500,00
507,00
26,50
78,00
34,00
2,00 56,00 27,393706 85,424980 36,89119
453,00
553,00
448,00
26,10
79,50
33,20
2,00 57,80 27,629479 85,016350 36,45223
523,00
352,00
393,00
26,70
75,10
37,70
2,00 58,00 27,953089 86,566060 36,04303
165,00
112,00
286,00
26,50
81,50
35,70
2,00 58,30 26,298055 88,416460 35,24695
271,00
301,00
403,00
28,00
78,70
37,60
2,00 58,50 26,788093 86,959270 36,11743
415,00
232,00
285,00
27,00
76,60
36,00
2,00 58,80 27,453805 87,491260 35,23951
333,00
183,00
407,00
24,80
84,30
36,40
2,00 59,80 27,074719 87,869050 36,14719
481,00
412,00
510,00
24,00
68,70
34,80
2,00 59,90 27,758923 86,103460 36,91351
529,00
361,00
401,00
28,60
73,80
37,50
2,00 62,20 27,980827 86,496670 36,10255
504,00
194,00
435,00
27,00
78,00
36,90
2,00 62,40 27,865252 87,784240 36,35551
579,00
369,00
425,00
27,90
73,10
37,80
2,00 63,30 28,211977 86,434990 36,28111
404,00
263,00
418,00
29,00
74,90
34,40
1,00 64,30 27,402952 87,252250 36,22903
620,00
619,00
558,00
28,60
77,00
32,50
1,00 64,60 28,40152 84,507490 37,27063
359,00
264,00
358,00
28,00
76,50
40,00
2,00 65,80 27,194917 87,244540 35,78263
327,00
316,00
503,00
28,50
79,00
38,60
2,00 65,90 27,046981 86,843620 36,86143
389,00
544,00
556,00
28,00
81,00
37,00
2,00 66,30 27,333607 85,085740 37,25575
553,00
495,00
526,00
24,20
76,60
36,50
1,00 67,90 28,091779 85,463530 37,03255
542,00
481,00
361,00
26,90
79,60
36,40
1,00 68,40 28,040926 85,571470 35,80495
428,00
343,00
593,00
27,60
88,00
35,00
1,00 69,50 27,513904 86,635450 37,53103
572,00
470,00
596,00
24,20
76,60
36,50
1,00 70,00 28,179616 85,656280 37,55335
501,00
430,00
395,00
26,90
79,60
36,40
1,00 70,10 27,851383 85,964680 36,05791
378,00
256,00
307,00
30,00
87,50
42,00
2,00 70,10 27,282754 87,306220 35,40319
382,00
299,00
482,00
30,00
92,60
36,70
1,00 72,40 27,301246 86,974690 36,70519
451,00
343,00
578,00
30,40
98,60
38,10
1,00 73,10 27,620233 86,635450 37,41943
453,00
145,00
378,00
34,60
89,70
40,00
2,00 74,00 27,629479 88,162030 35,93143
567,00
344,00
443,00
28,10
93,30
36,40
1,00 74,40 28,156501 86,627740 36,41503
444,00
372,00
525,00
30,00
91,30
36,40
1,00 75,90 27,587872 86,411860 37,02511
536,00
660,00
603,00
32,20
92,70
39,00
2,00 77,90 28,013188 84,191380 37,60543
297,00
275,00
463,00
30,60
78,40
36,80
1,00 79,00 26,908291 87,159730 36,56383
567,00
670,00
596,00
29,20
91,40
38,00
1,00 79,50 28,156501 84,114280 37,55335
370,00
161,00
420,00
31,50
90,00
41,00
1,00 79,90 27,24577 88,038670 36,24391
423,00
327,00
493,00
29,00
96,50
36,60
1,00 81,50 27,490789 86,758810 36,78703
627,00
309,00
608,00
34,00
95,00
38,80
1,00 87,60 28,433881 86,897590 37,64263
531,00
336,00
482,00
34,40
108,20
41,60
1,00 93,10 27,990073 86,689420 36,70519
410,00
427,00
451,00
29,40
94,50
35,40
1,00 94,50 27,43069 85,987810 36,47455
567,00
585,00
575,00
33,30
103,40
40,00
1,00 97,70 28,156501 84,769630 37,39711
Legenda: 1,00 - Sexo masculino. 2,00 - Sexo feminino
Peso estimado
(aparelho)***
62,50603896
63,32538126
63,92548207
60,98115433
64,01021205
63,38433876
63,87678229
62,90623491
63,5054504
63,07563429
64,18639268
64,60541741
63,93035095
64,85642519
64,25335096
69,02160739
69,44911583
63,47298498
64,5201062
64,25100913
69,47744263
67,97635768
70,3821332
70,27797244
68,38913209
63,0835538
69,40986951
70,30440376
64,39140998
69,35850384
69,67708437
64,6070997
69,1049318
69,45310591
69,3635077
69,50731684
71,18887656
69,65642737
68,67782843
69,60346657
Peso estimado
(calculado)***
49,3448
51,27552
50,27591
52,08215
55,98765
55,55058
59,1838
59,94654
61,70263
58,02918
61,31279
50,64947
59,34478
59,88668
58,9468
61,16285
59,67184
63,53325
63,39367
62,166
61,90816
64,91747
67,99824
61,90816
64,91747
72,96475
73,91822
79,04966
74,28135
72,81886
72,86047
73,23289
66,91482
74,4447
78,76805
75,27037
80,09986
90,76394
72,95389
85,61189
75
5.1.4 Regressão linear
Para a transformação dos dados referentes ao valor convertido em valores
antropométricos dos perímetros dos músculos, utiliza-se o cálculo de regressão linear.
No caso do tríceps, a reta de regressão linear encontrada é dada pela Equação 5.1. A
equação 5.1 é a equação da regressão linear correlacionada com o valor do tríceps
proveniente do conversor A/D, resultando no valor do perímetro do músculo. TR É a
variável que possui o valor do conversor A/D referente ao tríceps.
Perímetro do tríceps = TR * 0,004623 + 25,53526
(5.1)
A tabela 5.4 ilustra os 5 primeiros valores da amostra dos dados, mostrando o valor do
conversor A/D, o valor medido com a fita antropométrica e finalmente o valor calculado
utilizando a Equação 5.1.
Tabela 5.4: Tabela com os 5 primeiros valores amostrados, relacionando o valor do
conversor A/D, a medida real do perímetro do músculo e o valor perimetral calculado do
tríceps.
1
2
3
4
5
Tríceps (TR)
477,00
408,00
431,00
215,00
402,00
Tríceps
medido (cm)
25,00
25,60
24,00
26,10
26,50
(Perímetro do tríceps)
Tríceps calculado (cm)
27,740431
27,421444
27,527773
26,529205
27,393706
O abdômen possui também uma equação de regressão linear como mostra a Equação
5.2. A equação 5.2 é a equação da regressão linear correlacionada com o valor do abdômen
proveniente do conversor A/D, resultando no valor do perímetro do músculo. AB É a
variável que possui o valor do conversor A/D referente ao abdômen.
Perímetro do abdômen = AB * -0,00771 + 89,27998
(5.2)
É possível observar na tabela 5.5 os 5 primeiros valores da amostra referente ao
abdômen, onde se observa o valor convertido pelo conversor A/D, o valor do abdômen
medido com a fita antropométrica e por último o valor calculado da circunferência
abdominal utilizando a Equação 5.2.
76
Tabela 5.5: Tabela com os 5 primeiros valores amostrados, relacionando o valor do
conversor A/D, a medida real do perímetro do músculo e o valor perimetral calculado do
abdômen.
1
2
3
4
5
Abdômen (AB)
582,00
417,00
460,00
690,00
500,00
Abdômen
medido (cm)
65,60
75,00
68,70
72,20
78,00
(Perímetro abdominal)
Abdômen calculado (cm)
84,792760
86,064910
85,733380
83,960080
85,424980
Para a panturrilha, a Equação 5.3 mostra a equação de regressão linear que diz respeito
a esse músculo. A equação 5.3 é a equação da regressão linear correlacionada com o valor
da panturrilha proveniente do conversor A/D, resultando no valor do perímetro do músculo.
PT É a variável que possui o valor do conversor A/D referente à panturrilha.
Perímetro da panturrilha = PT * 0,00744 +33,11911
(5.3)
Na tabela 5.6 encontram-se as 5 primeiras amostras referentes à panturrilha. É possível
observar o valor convertido pelo dispositivo, o valor da circunferência da panturrilha
medida com a fita antropométrica e o valor do perímetro da panturrilha calculado segundo a
Equação 5.3.
Tabela 5.6: Tabela com os 5 primeiros valores amostrados, relacionando o valor do
conversor A/D, a medida real do perímetro do músculo e o valor perimetral calculado da
panturrilha.
1
2
3
4
5
Panturrilha (PT)
359,00
395,00
472,00
317,00
507,00
Panturrilha
medida (cm)
34,60
31,90
34,50
33,50
34,00
(Perímetro da panturrilha)
Panturrilha calculada (cm)
35,79007
36,05791
36,63079
35,47759
36,89119
5.1.5 Cálculo da estimativa da massa corporal
O cálculo da estimativa da massa corporal é feita por meio de uma equação de regressão
linear múltipla, relacionando os parâmetros referentes às medidas perimétricas da região
tricipital, região abdominal e região da panturrilha. Outro fator considerado no calculo da
estimativa da massa corporal é o sexo do avaliado, sendo ponderado com o valor 1 o
avaliado do sexo masculino e com valor 2 o avaliado de sexo feminino.
A Equação 5.4 nos mostra os parâmetros necessários para a estimativa da massa
corporal. Sendo que todos os valores das circunferências das regiões devem ser medidas em
centímetros, fazendo com que a massa corporal estimado seja dada em quilogramas.
77
A equação 5.4 é a equação estimativa da massa corporal em Kg. (AC) = circunferência
tricipital, medido em centímetros. (AbC) = circunferência abdominal, medido em
centímetros. (CC) = circunferência da panturrilha, medida em centímetros. (S) = sexo do
avaliado, sendo 1 para masculino e 2 para feminino (RABITO, 2008).
Peso estimado(Kg) = 0.5759*(AC)+0.5263*(AbC)+1.2452*(CC)-4.8689*(S)-32.9241
(5.4)
Para efeitos de comparação, foram efetuadas duas estimativas da massa corporal. Uma
delas utilizando-se os valores das circunferências calculadas por meio das equações de
regressão linear, tendo como valores de entradas os valores convertidos pelo conversor A/D
do aparelho. A outra foi efetuada usando os valores das circunferências medidas com a fita
antropométrica, correspondendo ao valor real do perímetro das regiões medidas.
Na Tabela 5.7 é possível acompanhar a massa corporal real dos avaliados juntamente
com a massa corporal calculado pelo aparelho e a margem de erro para cada um dos
avaliados e o erro médio das medidas.
78
Tabela 5.7: Relação entre peso real, peso calculado usando os parâmetros do conversor A/D
e percentual de erro junto com o percentual médio do erro.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
Peso real Peso estimado
(Kg)
(aparelho) (Kg)
51,10
62,50603896
51,40
63,32538126
54,90
63,92548207
55,00
60,98115433
56,00
64,01021205
57,80
63,38433876
58,00
63,87678229
58,30
62,90623491
58,50
63,5054504
58,80
63,07563429
59,80
64,18639268
59,90
64,60541741
62,20
63,93035095
62,40
64,85642519
63,30
64,25335096
64,30
69,02160739
64,60
69,44911583
65,80
63,47298498
65,90
64,5201062
66,30
64,25100913
67,90
69,47744263
68,40
67,97635768
69,50
70,3821332
70,00
70,27797244
70,10
68,38913209
70,10
63,0835538
72,40
69,40986951
73,10
70,30440376
74,00
64,39140998
74,40
69,35850384
75,90
69,67708437
77,90
64,6070997
79,00
69,1049318
79,50
69,45310591
79,90
69,3635077
81,50
69,50731684
87,60
71,18887656
93,10
69,65642737
94,50
68,67782843
97,70
69,60346657
Percentual de erro médio:
Módulo do
percentual
de erro
22,32101559
23,20113086
16,43985806
10,87482606
14,30395008
9,661485739
10,13238326
7,900917517
8,556325463
7,271486887
7,335104808
7,855454767
2,781914711
3,936578831
1,50608367
7,343090805
7,506371255
3,536496993
2,093920789
3,090483962
2,323185015
0,619360111
1,269256409
0,397103483
2,440610434
10,00919572
4,130014494
3,824345067
12,98458111
6,776204511
8,198834816
17,06405687
12,52540278
12,63760263
13,18709925
14,71494866
18,73415918
25,18106619
27,32504928
28,75796667
10,01872307
Encontrou-se para a amostra avaliada, um erro percentual médio de aproximadamente
10%.
79
Na Tabela 5.8 observa-se o segundo método, usando os valores das circunferências dos
músculos medidos. Estão relacionados na tabela, a massa corporal real, a massa corporal
calculada usando as medidas da fita antropométrica e o percentual de erro.
Tabela 5.8: Relação entre peso real, peso calculado usando as circunferências das regiões
medidas com a fita antropométrica e o percentual de erro de cada amostra junto com o
percentual médio do erro.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
Peso real
Peso estimado
(Kg)
(calculado) (Kg)
51,10
49,3448
51,40
51,27552
54,90
50,27591
55,00
52,08215
56,00
55,98765
57,80
55,55058
58,00
59,1838
58,30
59,94654
58,50
61,70263
58,80
58,02918
59,80
61,31279
59,90
50,64947
62,20
59,34478
62,40
59,88668
63,30
58,9468
64,30
61,16285
64,60
59,67184
65,80
63,53325
65,90
63,39367
66,30
62,166
67,90
61,90816
68,40
64,91747
69,50
67,99824
70,00
61,90816
70,10
64,91747
70,10
72,96475
72,40
73,91822
73,10
79,04966
74,00
74,28135
74,40
72,81886
75,90
72,86047
77,90
73,23289
79,00
66,91482
79,50
74,4447
79,90
78,76805
81,50
75,27037
87,60
80,09986
93,10
90,76394
94,50
72,95389
97,70
85,61189
Percentual de erro médio:
Módulo do
percentual de erro
3,434833659
0,242178988
8,422750455
5,305181818
0,022053571
3,891730104
2,041034483
2,824253859
5,474581197
1,310918367
2,529749164
15,44328881
4,590385852
4,02775641
6,877093207
4,878926905
7,62873065
3,444908815
3,80323217
6,235294118
8,824506627
5,091418129
2,160805755
11,55977143
7,393052782
4,086661912
2,09698895
8,139069767
0,380202703
2,125188172
4,004650856
5,991155327
15,2976962
6,358867925
1,416708385
7,643717791
8,561803653
2,509194415
22,8001164
12,37268168
5,781078537
80
A estimativa da massa corporal quando calculada utilizando-se dos valores das
medições usando a fita para medidas de antropometria, resultou num erro médio de
aproximadamente 5,7%.
Com a finalidade explicativa, a Figura 5.7 mostra os passos para obtenção das
circunferências dos músculos e do uso desses valores para se estimar a massa corporal.
Figura 5.7: Exemplificação do calculo da circunferência do tríceps por meio da equação
da regressão, juntamente com o calculo da estimativa da massa corporal utilizando-se
desses valores.
5.2 Resultados encontrados
Comparando-se as duas formas de cálculo, encontrou-se um erro médio para a medição
feita pelo aparelho de 10% enquanto que o erro médio para o calculo usando as medidas
reais das circunferências das regiões, aproxima-se de 5,7%.
As figuras a seguir, mostram graficamente a relação entre os dados encontrados. No
caso da Figura 5.8, temos o gráfico que compara os valores da massa corporal real com a
massa corporal calculado pelo aparelho.
81
Peso real
Peso real x Peso estimado (aparelho)
Peso estimado (aparelho)
100,00
90,00
80,00
Peso (kg)
70,00
60,00
50,00
40,00
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
Figura 5.8: Gráfico da relação entre a massa corporal real e a massa corporal estimado
pelo cálculo utilizado no aparelho, nos quais os parâmetros de entrada são os valores
convertidos pelo conversor A/D.
Na Figura 5.9 observa-se a relação entre a massa corporal real e a massa corporal
calculado utilizando os valores das circunferências das regiões medidos com a fita
antropométrica.
Peso real
Peso real x Peso estimado (calculado)
Peso estimado (calculado)
100,00
90,00
80,00
Peso (Kg)
70,00
60,00
50,00
40,00
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
Figura 5.9: Gráfico da relação entre a massa corporal real e a massa corporal estimado,
nos quais os parâmetros de entrada da equação da estimativa da massa corporal são os
valores dos perímetros das regiões medidas com a fita antropométrica.
82
Observa-se na Figura 5.10 a relação entre os valores encontrados pelas duas formas de
estimativa da massa corporal e a massa corporal real do avaliado.
Na Figura 5.11 é possível visualizar a massa corporal real do avaliado juntamente com o
percentual de erro encontrado em cada amostra em relação à massa corporal real. O eixo da
esquerda representa os valores da massa corporal medido em quilogramas enquanto que o
eixo da direita representa os valores percentuais do erro.
83
Peso estimado (aparelho) x Peso real x Peso estimado (calculado)
100
90
Peso estimado (aparelho)
Peso (Kg)
80
Peso real
Peso estimado (calculado)
70
60
50
40
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
Figura 5.10: Gráfico da relação entre a massa corporal estimado pelo aparelho, tendo como entrada os valores do conversor A/D, a
massa corporal real e a massa corporal estimado calculado, tendo como entrada os valores das circunferências das regiões medidas
com a fita antropométrica.
% do Erro (aparelho) x Peso real x % do Erro (calculado)
100,00
30
90,00
25
80,00
Pes o real
70,00
% Erro (aparelho)
Peso(kg)
50,00
15
40,00
10
30,00
20,00
5
10,00
0,00
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
Figura 5.11: Gráfico das relações dos percentuais de erro das duas formas da estimativa da massa corporal. % Erro (aparelho)
refere-se aos valores provenientes do conversor A/D para estimar a massa corporal enquanto que o % Erro (calculado) refere-se aos
valores das circunferências medidas com a fita antropométrica. O eixo da esquerda representa a escala da massa corporal em
quilogramas e a escala da direita representa o % do erro.
%deerro
20
% Erro (calculado)
60,00
84
6
CONCLUSÃO
Concluída a parte de testes e analisando os resultados a partir das tabelas e gráficos,
constatamos que equação desenvolvida pela doutora Estela Iraci Rabito para a estimativa da
massa corporal a partir das circunferências das regiões tricipital, abdominal e da
panturrilha, somadas ao sexo do paciente, consegue efetuar essa predição com um nível de
precisão bastante aceitável, possuindo erro médio de 6%.
Contudo ao relacionar a bioimpedância dessas regiões com as suas respectivas
circunferências, encontramos valores muitas vezes defasados, gerando um percentual de
erro para cada uma das medias. Com isso, era esperado que a margem de erro em relação à
massa corporal real dos avaliados também tivesse uma defasagem o que de fato aconteceu,
gerando valores com erro médio de 10,01%.
De acordo com a amostra de 40 avaliados com peso médio de 68,77 Kg, e ao organizar
esses dados de forma a mostrar a massa corporal real em ordem crescente, observamos que
a predição da massa corporal utilizando o aparelho, teve uma margem de erro abaixo da
esperada nos intervalos entre 59,90 Kg e 73,10 Kg, possuindo erro médio de 3,8%. Os
valores da massa corporal dentro desse intervalo utilizando-se a equação usando os valores
das circunferências medidas com a fita antropométrica mantiveram a margem de erro
próxima de 6% atingindo o valor de 6,2%.
Ao que foge desse intervalo, ou seja, valores menores que 59,90 Kg e maiores que
73,10 Kg, a margem de erro das estimativas feitas com o aparelho sobe substancialmente
marcando 14,52% de erro médio, enquanto que o erro médio para os valores calculados
com as medidas das circunferências é de 5,34%.
Percebemos que a margem erro para ambas as medições é maior à medida que temos
valores de pesos mais altos.
Acreditamos que a proposta de estimativa de peso por bioimpedância é viável e ainda
teria uma viabilidade maior se os parâmetros de teste fossem mais rígidos, efetuando os
testes com o avaliado despido, deitado e com as condições recomendadas para a medição
de um sinal de bioimpedância, resultando em medidas mais precisas. No âmbito hospitalar,
o uso do aparelho teria sua utilidade no que tange a um distúrbio menor do repouso do
paciente, pois ao se utilizar a medição da circunferência das regiões, há a necessidade de
disturbar o paciente usando a fita antropométrica.
85
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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tape. Nutrición Hospitalaria [s.l], 2008.
PERTENCE, Antônio. Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos. Porto Alegre:
Bookman, 2003, 6ª Edição.
HALKIAS, Christos C.; MILLMAN, Jacob. Eletrônica: Dispositivos e Circuitos. São
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PEREIRA, F.; Microcontroladores PIC Programação Em C. Editora Érica. São Paulo.
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LOURENCO,A.C. et al.; Circuitos em Corrente Continua. Editora Érica. São Paulo. 2001.
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GRIMNES, Sverre; MARTINSEN, Orjan. Bioimpedance And Bioelectricity Basics. San
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86
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LUMATRONIC <http://www.lumatronic.com.br> Acessado em: Novembro de 2009
TI <www.ti.com> Acessado em: Novembro de 2009
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A.D.A.M <http://www.adam.com> Acessado em: Novembro de 2009
MSD-BRAZIL <http://www.msd-brazil.com> Acessado em: Novembro de 2009
87
ANEXO A - ARTIGO
88
89
90
91
ANEXO B - MANUAL
92
Descrito abaixo o manual de funcionamento do aparelho.
Manual
O presente manual tem o objetivo de auxiliar o usuário na utilização do sistema.
Ligando o aparelho
Na lateral direita do dispositivo, encontramos a chave para ligar e desligar o
sistema. Empurre a alavanca para iniciar o sistema.
Menu Principal
93
Ao ser iniciado, o sistema mostrará as duas opções disponíveis, e ao clicar no botão
1, o sistema entrará em modo de medição enquanto que o botão 2 entrará no modo de
cadastro.
1 - Medir
Ao se pressionar a opção 1, espera-se que os cabos já estejam conectados aos
eletrodos.
Logo acima da saída dos cabos, esta escrita a letra inicial de cada região a ser
medida. (T) para Tríceps, (A) para Abdômen e (P) para Panturrilha.
Após a ligação dos cabos nos eletrodos, o botão 1 para entrar em modo de medição
pode ser acionado.
94
Ao entrar em modo de medição, o sistema fará a leitura dos valores da
bioimpedância do avaliado. Ao concluir as medições, é requisitado ao usuário que
pressione o botão 1 para prosseguir com processo de medição.
É requisitado ao usuário que selecione o sexo do avaliado. Pressione o botão 1 para
o sexo masculino ou botão 2 para o sexo feminino. Nessa etapa não há como retornar
imediatamente ao menu, necessitando a conclusão do procedimento.
95
Após seleção do sexo, o resultado da massa corporal é dado na tela. O valor fica
visível até que o botão 1 seja pressionado.
É possível após a medição, entrar na interface de cadastro para que o paciente que
esta sendo medido seja cadastrado no sistema. O usuário é levado para a interface de
cadastro apertando o botão 1 e levado ao menu principal apertando o botão 5.
2 - Cadastro
96
Ao selecionar a opção 2 do menu principal, o usuário é levado até ao menu de
cadastro, onde pode selecionar as opções de Cadastrar, Buscar e Voltar ao Menu.
Cadastro >> 1 - Cadastrar
Ao apertar o botão 1 dentro do menu de cadastro, o usuário é levado até a tela de
cadastramento do paciente.
Os dados a serem cadastrados são: Nome, Sobrenome, Idade e Sexo.
O Nome e Sobernome tem tamanho máximo de 10 letras cada um, sendo que ao
extrapolar o tamanho máximo, o sistema automaticamente passa para o próximo item a ser
cadastrado.
Para navegar pela interface de cadastro, utiliza-se os botões 1 e 3 para fazer a
seleção das letras. O botão 1 caminha pelo alfabeto de forma crescente enquanto que o
botão 3 caminha pelo alfabeto de forma decrescente.
97
Para passar para a próxima letra do nome ou sobrenome, utiliza-se o botão 4
enquanto que o botão 2 é responsável por retroceder uma letra possibilitando sua edição.
Ao concluir o cadastro do nome, é necessário pressionar o botão 5 para que o
sistema então habilite o cadastramento do próximo campo.
Após cadastramento de todos os itens, uma mensagem de confirmação surgira na
tela.,
Ao pressionar qualquer um dos botões 3,4 ou 5, fará com que o sistema retorno ao
cadastro para que os dados sejam modificados.
Pressionando o botão 2, há o cancelamento do cadastro e o sistema retorna ao menu
de cadastro.
Confirmando o cadastro por meio do botão 1, iniciará o processo de medição
ocorrendo os passos semelhantes aos descritos no item “1 - Medir” come exceção do passo
de escolha do sexo.
98
Cadastro >> 2 - Buscar
No menu de cadastro ao pressionar o botão 2, o usuário é levado a tela de busca,
onde o primeiro cadastro é visualizado na tela.
É possível identificar todos os campos cadastrados, além da massa corporal medido
pelo sistema. No canto superior direito, consta o número do cadastro que está sendo
visualizado e ao lado, o numero total de pacientes cadastrados.
Para navegar pela interface de busca, utilize os botões 1 e 3, onde o botão 1 fará a
seleção do próximo cadastro enquanto que o botão 3 faz a seleção do cadastro anterior.
Ficam disponíveis ao usuário as opções de alteração, deleção e retorno ao menu.
Para retornar ao menu de cadastro, pressione o botão 5.
Apertando o botão 2, o usuário é levado ao sistema de cadastro novamente,
possibilitando que os dados do paciente sejam modificados com exceção da massa corporal.
Ao finalizar a edição o sistema requisita ao usuário se há necessidade de novo
cadastramento da massa corporal.
Se sim, o sistema entra em modo de medição, senão, faz as modificações mantendo
a massa corporal do paciente já cadastrado.
Apertando o botão 4, é possível deletar o cadastro selecionado, surgindo uma tela de
confirmação de exclusão.
99
O botão 1 deleta os dados do paciente selecionado e o botão 5 retorno ao modo de
busca.
Desligamento
Para desligamento do sistema, basta puxar a chave, cortando a alimentação do
sistema. Os dados cadastrados se mantêm armazenados mesmo depois do desligamento do
aparelho.
Soluções e Problemas:
1 - Valores convertidos estão muito baixos, em torno de 30.
R: Verificar conexão dos cabos aos eletrodos.
2 - Aperto no botão 5 uma vez e o sistema pula várias etapas.
R: Diminuir o tempo que se mantém segurado o botão.
3 - Mesmo soltando o botão rapidamente, o sistema continua a pular etapas.
R: Desligar o aparelho e desconectá-lo da bateria, religar as baterias após 1 minuto e ligar o
aparelho.
Obs: se não for possível desconectar a bateria, deixar desligado por cerca de 10 a 15
minutos.
4 - Display liga rapidamente, fica inteiro branco e depois apaga.
R: Verificar se os cabos da bateria não estão encostados entre si.
5 - Ao ligar o aparelho, o display perde o brilho até apagar.
R: Retirar as baterias e carregá-las.
6 - Algumas letras aparecem mal formadas no display.
R: Desligar e religar o aparelho. Ao persistir, considerar a hipótese da recarga das baterias.