Relatório Técnico Sistema de aquisição de sinal de
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Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Departamento Acadêmico de Informática - DAINF Departamento Acadêmico de Eletrônica - DAELN Engenharia de Computação Oficina de Integração 3 (IF66J) – S71 – 2014/2 Relatório Técnico Sistema de aquisição de sinal de eletrocardiograma com aplicativo Android Cassiano Kazutaka Sugiyama – [email protected] Gabriel Resende Ferrari – [email protected] Henrique Gonçalves de Pádua Reis – [email protected] Fevereiro de 2015 Resumo A análise dos sinais bioelétricos emitidos pelo corpo humano é importante para o estudo de doenças e anormalidades, bem como para o desenvolvimento de equipamentos médicos. Este projeto consiste na construção de um sistema de aquisição do sinal de eletrocardiograma, sendo constituído por um circuito de aquisição, um microcontrolador que converte o sinal analógico para digital e um aplicativo para aparelho celular com sistema Android que recebe o sinal do microcontrolador e plota na tela, informando os batimentos. Ao fim, são apresentados os resultados, como a qualidade do sinal adquirido e a funcionalidade do aplicativo. Também são citadas possíveis melhorias no sistema e as principais dificuldades encontradas durante a execução do projeto, principalmente nas etapas de filtragem do sinal para eliminação de ruídos e envio do sinal ao smartphone. 1 Introdução Os potenciais bioelétricos são produzidos pela atividade eletroquímica de células ditas excitáveis. Em geral, essas células apresentam potencial de repouso, mas quando estimuladas, exibem potencial de ação, que pode ser capturado e analisado [15]. O estudo dos sinais bioelétricos do corpo humano é importante para a detecção de doenças e anormalidades em diferentes órgãos internos, através da captação e análise desses sinais. Este projeto visa a construção de um sistema de monitoramento cardíaco que capta o sinal bioelétrico do coração através de eletrodos e apresenta o eletrocardiograma na tela de um smartphone com sistema operacional Android. O funcionamento do sistema se dá capturando o sinal elétrico emitido pelo coração com eletrodos próprios para essa função, filtrando o ruído presente no sinal com um circuito que conta com três tipos de filtros ativos e um amplificador de instrumentação. O sinal então é convertido de analógico para digital 1 Relatório Técnico: ECG 2 Figura 1: Diagrama de blocos do sistema de aquisição de ECG. pelo microcontrolador CC3200 e enviando o sinal filtrado para o celular através de comunicação Wi-Fi. A Figura 1 apresenta o diagrama de blocos que ilustra o funcionamento do sistema descrito acima. 2 Fundamentação teórica 2.1 Potenciais bioelétricos Os potenciais bioelétricos são produzidos por células excitáveis, que compõem nervos, músculos e glândulas. Essas células apresentam um potencial de ação como resultado de atividade eletroquímica. Com equipamento de monitoramento adequado, é possível gravar esses sinais emitidos pelo corpo para análise posterior. Alguns exemplos desses sinais são: eletrocardiograma (ECG), eletroencefalograma (EEG), eletroneurograma (ENG), eletromiograma (EMG) e eletroretinograma (ERG). Quando a célula excitável mantém um diferencial de potencial elétrico estável entre seu meio interno e externo, é dito que ela tem potencial de repouso. O potencial de repouso interno varia entre -50 e -100 mV em relação ao externo [15]. As células excitáveis também possuem a capacidade de conduzir um potencial de ação, desde que recebam o estímulo adequado. A membrana da célula é dita polarizada devido ao potencial de repouso estável. O estímulo recebido pela célula é considerado adequado quando gera uma despolarização na membrana suficiente para exceder o potencial limiar (threshold) da mesma, possibilitando a condução de um potencial de ação, que pode então ser capturado com o equipamento correto. Relatório Técnico: ECG 3 2.1.1 Eletrocardiograma O coração é uma câmara de bombeamento de sangue para o sistema circulatório, constituído de quatro cavidades, sendo dois átrios e dois ventrículos. A função de bombear é feita pelos ventrículos, enquanto os átrios armazenam o sangue. A fase de enchimento ou repouso do ciclo cardíaco é denominada diástole, enquanto a fase de contração ou bombeamento é chamada sístole. Esse sistema de contrações rítmicas é precedido por eventos elétricos coordenados e intrínsecos ao coração [15]. São esses eventos que geram os potenciais elétricos do eletrocardiograma. O eletrocardiograma é o registro gráfico da atividade elétrica do coração humano, feito a partir de eletrodos colocados na pele humana, geralmente nos braços ou na área toráxica [11]. Na medicina, tem o intuito de detectar anomalias do coração humano, principalmente as arritmias, mas pode também ser usado em animais para identificação de doenças e pesquisa. A Figura 2 apresenta um sinal típico de ECG. O sinal de eletrocardiograma mede o tempo entre o disparo do primeiro impulso no nó sinusal até o fim na contração dos ventrículos [13]. É possível subdividir esse sinal em várias partes para entender seu significado: • O primeiro pulso positivo, chamado de Onda P, é formado quando os átrios se contraem para passar o sangue aos ventrículos. • O próximo segmento, em formato de pico, é determinado Complexo QRS, e ocorre com a contração dos ventrículos para bombear o sangue para o corpo. • A próxima seção, Segmento ST, mede o tempo entre o fim da contração dos ventrículos e o início do período de repouso. • Por fim, há outro pulso positivo, a Onda T, que mede o tempo de repouso até os ventrículos começarem a se movimentar novamente para iniciar um novo ciclo de bombeamento. [13] Um ponto importante a ser considerado quanto à aquisição do sinal de ECG e seu processamento é o ruído. Diferentes tipos de ruído podem comprometer o sinal. Alguns exemplos são [9]: • • • • • • • Interferência da rede elétrica; Ruído de contato do eletrodo; Movimento; Contração muscular; Deriva de base e modulação de amplitude por respiração; Ruído de instrumentação; Ruído eletrocirúrgico. Relatório Técnico: ECG 4 Figura 2: Sinal de ECG, incluindo a Onda P, o Complexo QRS, o Segmento ST e a Onda T. Adaptado de [13]. 2.2 Amplificadores de instrumentação Amplificadores de instrumentação são amplificadores diferenciais de precisão. Esses dispositivos amplificam a diferença entre as duas entradas, rejeitando o que for comum a ambas, oferecendo assim uma grande taxa de rejeição ao modo comum, ou CMRR (Common-Mode Rejection Ratio). Os amplificadores de instrumentação são utilizados em áreas como aplicações de medição, aquisição de dados e medicina, em que a precisão de corrente contínua e de ganho são essenciais [6]. A Figura 3 apresenta o esquemático de um amplificador de instrumentação típico. 2.3 Filtros ativos Os filtros são circuitos eletrônicos que executam processamento de sinal, especificamente atenuando ou ressaltando as características de determinada faixa de frequência. Podem ser classificados em ativos e passivos. Filtros ativos apresentam a vantagem de não possuir indutores, evitando assim efeitos eletromagnéticos que comprometam as características desejadas. Permitem ainda o controle da amplificação do sinal de entrada e são utilizados quando ganho e tamanho físico são importantes para a aplicação [12]. O filtro passa-alta é um filtro eletrônico que permite a passagem de frequências acima da frequência de corte determinada, atenuando os sinais de frequência abaixo da mesma. Um dos seus principais usos é bloquear sinais de baixa Relatório Técnico: ECG 5 Figura 3: Esquemático de um amplificador de instrumentação típico. Adaptado de [4]. (a) (b) (c) Figura 4: (a) Esquemático de um filtro ativo passa-alta de segunda ordem. Adaptado de [5]. (b) Esquemático de filtro ativo passa-baixa. Adaptado de [7]. (c) Esquemático de um filtro notch Duplo-T. Adaptado de [3]. frequência ou de corrente contínua [8]. A Figura 4 (a) mostra o esquemático de um filtro passa-alta ativo de segunda ordem. O filtro passa-baixa, ao contrário do passa-alta, permite a passagem da faixa de frequências abaixo da frequência de corte, dificultando a passagem de frequências maiores. É constituído por um circuito resistor-capacitor (RC) série, em que a tensão de saída é a do capacitor [10]. É possível ver o esquemático de um filtro ativo passa-baixa de primeira ordem na Figura 4 (b). O filtro notch, conhecido também como rejeita-faixa ou de rejeição de banda, atenua uma faixa específica de frequência, deixando passar frequências acima e abaixo dessa região. Pode ser feito a partir de um filtro passa-alta e um passabaixa, arranjados em paralelo [3]. É usado em várias aplicações, inclusive em equipamentos médicos, com o intuito de eliminar o ruído de 60 Hz, presente na rede elétrica do Brasil [2]. Existem várias topologias para a construção de um filtro notch. Um exemplo é o Duplo-T, ilustrado na Figura 4 (c). A resposta em frequência deste filtro forma um pico para baixo na zona de frequência a ser rejeitada. A Figura 5 apresenta o desenho da resposta em frequência de um filtro de 60 Hz. Relatório Técnico: ECG 6 Figura 5: Resposta em frequência de um filtro notch de 60 Hz. Adaptado de [2]. 3 Desenvolvimento do sistema 3.1 Aquisição do sinal A primeira etapa do projeto é a aquisição do sinal de eletrocardiograma. Para isto, foi construído um circuito de aquisição, que consiste das seguintes partes: • • • • • Amplificador de Instrumentação Filtro Passa-Alta de 0,1 Hz Filtro Passa-Baixa de 120 Hz Filtro Notch de 60Hz Amplificador Em todas as partes do circuito foi utilizado o amplificador operacional TL084CN, que deve ser alimentado com uma tensão simétrica de no mínimo 4,5 V [14]. O amplificador de instrumentação foi feito com resistor de ganho de 1 kΩ, R1 de 27 kΩ, R2 e R3 no valor de 10 kΩ. A disposição dos resistores citados pode ser verificada na Figura 3. Estes valores resultam em um ganho de aproximadamente 54, ou 34 dB, de acordo com a Equação 1. Os resistores usados neste amplificador são de precisão (erro de 1%), garantindo o balanceamento necessário para a alta rejeição de modo-comum. ¶ µ 2R 1 R 3 (1) G = 1+ R g ai n R 2 O filtro passa-alta, ajustado para uma frequência de corte de 0,1 Hz com o objetivo de bloquear o sinal DC, foi construído com um capacitor de 1 µF e um resistor de 1,5 MΩ. O filtro passa-baixa utilizado do circuito foi um Butterworth de segunda ordem, com dois resistores de 1,5 kΩ, dois capacitores de 1 µF e resistores de ganho de 10 kΩ, resultando em um ganho de valor 2. Relatório Técnico: ECG 7 Figura 6: Circuito completo de aquisição do sinal de ECG. Para o filtro notch, foram usados quatro resistores de precisão de 27 kΩ, três capacitores de 100 nF e mais dois capacitores de 47 nF. Por se tratar de um circuito em que os componentes devem ser extremamente precisos, a frequência de corte ficou entre 58 Hz e 60 Hz, mas a atenuação alcançada na frequência de 60 Hz foi o suficiente para reduzir o ruído do sinal, possibilitando sua visualização. As frequências de corte dos filtros foram calculadas a partir da Equação 2. fc = 1 2πRC (2) Ao fim do circuito, foi adicionado um amplificador simples de ganho igual a 15 dB, para condicionar o sinal ao conversor analógico-digital. A Figura 6 apresenta um esquemático do circuito completo de aquisição do sinal de eletrocardiograma, ilustrando as etapas citadas. Para a captura do sinal do corpo, foram utilizados três eletrodos do tipo clip, ou clipe, posicionados no braço esquerdo, no braço direito e na perna direita. O sinal provém dos braços e a perna age como referência para o mesmo. Os cabos conectados aos eletrodos foram trançados a fim de evitar a ação de ruído externo, que prejudicaria a qualidade da aquisição. 3.2 Conversão analógica-digital Após a aquisição do sinal analógico, é necessário convertê-lo para um código digital para então enviá-lo ao aparelho celular. Para isso, o sinal entra no microcontrolador CC3200, que possui um conversor AD embutido. Entretanto, o Relatório Técnico: ECG 8 conversor funciona apenas para valores positivos e, como o sinal de eletrocardiograma tem uma parte negativa no complexo QRS, fez-se necessário criar um offset para que ele todo ficasse positivo. Com esse objetivo, foi construído um circuito que executa esse deslocamento a partir de uma tensão de referência, conhecido como circuito clamp. Outra limitação é a faixa de tensão de operação do conversor, que situa-se entre 5 mV e 1,45 V. Para evitar qualquer dano, foi elaborado um circuito ceifador utilizando apenas dois diodos. Como a queda de tensão em cada diodo é de aproximadamente 0,7 V, garante-se que a tensão de entrada do conversor não ultrapassará o valor de 1,4 V. A conversão e também o envio de dados via WiFi foram feitos através da programação do microcontrolador, utilizando o software Code Composer Studio, em linguagem C. Como a resolução do conversor AD é de 12 bits, o envio dos dados adquiridos foi feito quebrando um short (16 bits) em dois char (8 bits), já que o segundo tipo facilitava tanto o envio quando o recebimento dos dados. Assim, cada amostra foi representada por dois char. 3.3 Aplicativo Android Android é um sistema operacional para dispositivos móveis baseado no kernel (núcleo) Linux, atualmente desenvolvido pela Google. É o sistema operacional instalado na maior parte dos aparelhos móveis do mundo [1]. O aplicativo para plataforma Android foi desenvolvido para mostrar o sinal de eletrocardiograma e os batimentos cardíacos. Há também a opção de realizar o teste de normalidade dos batimentos, em que o usuário informa sua idade e sexo e o programa, após coletar o sinal por 15 segundos, apresenta o quadro em que se encaixa sua frequência cardíaca. O recebimento dos dados do microcontrolador no aparelho foi realizado por protocolo UDP (User Datagram Protocol), ou seja, não orientado à conexão, já que o aplicativo demanda que os dados sejam recebidos rapidamente para possibilitar a plotagem da onda de ECG em tempo real. Todo o código do aplicativo foi desenvolvido usando o Android Developer Tools, um plugin para o IDE Eclipse, disponibilizado pela própria Google. Já a interface foi feita com o auxílio do Corel Draw. 4 Resultados O amplificador de instrumentação forneceu um ganho de 34,8 dB, suficiente para amplificar o sinal sem que ocorresse a saturação. O filtro passa-alta foi do tipo passivo, utilizando um amplificador operacional apenas como buffer, ou seja, isolando-o do próximo estágio. No filtro passa-baixa, a frequência de corte ficou bem próxima do projetado, 120 Hz, pois a amplitude do sinal nessa frequência teve valor equivalente a 0,707 vezes o sinal de entrada. O filtro notch, Relatório Técnico: ECG 9 Figura 7: Captura de tela do osciloscópio apresentando o sinal de ECG obtido pelo circuito de aquisição. por necessitar de componentes de alta precisão, teve sua frequência de corte levemente deslocada, pouco acima de 58 Hz. Ainda assim, a atenuação alcançada em 60 Hz foi de 23 dB, que apesar de não ser ideal, resultou em uma boa filtragem do ruído na mesma frequência. O sinal capturado do corpo, com a utilização dos eletrodos, continuou com certo nível de ruído mesmo após o processo de filtragem. Mesmo assim, foi possível visualizar as ondas P e T e o complexo QRS, comprovando a eficiência do circuito. A Figura 7 apresenta o sinal capturado pelo circuito de aquisição descrito anteriormente, visualizado com o auxílio de um osciloscópio. A amplitude do sinal ficou próxima de 1 Vpp após passar pelo amplificador operacional do último estágio, de ganho 15,11 dB. Este último ganho poderia ser aumentado sem prejudicar o sinal, porém o valor de 1 V é adequado para o conversor analógico-digital. Como o conversor não aceita valores negativos, o sinal foi introduzido em um circuito clamp, que deslocou o offset de tensão para 500 mV. A Figura 8 mostra o resultado desse deslocamento, utilizando um simulador de potenciais bioelétricos. Analisando o sinal, percebe-se uma pequena perda de detalhes após a passagem por esse circuito, contudo isto não compromete a visualização dos segmentos característicos do eletrocadiograma. A interface do aplicativo se mostrou simples e funcional, com as opções mostradas em forma de abas. Na opção Test, o usuário deve informar a idade e o sexo para então iniciar o teste de frequência cardíaca. Na Figura 9, é possível ver (a) a tela inicial onde são adicionadas as informações e (b) a tela em que ocorre o teste. Na aba Live, ao pressionar o botão "Start", o aplicativo mostra a onda de eletrocardiograma capturada em tempo real. A Figura 10 apresenta (a) a tela de início dessa opção e (b) a tela em que o sinal é mostrado. O tema de cor vermelha foi escolhido por evocar a ideia de coração, porém usado com Relatório Técnico: ECG Figura 8: Sinal deslocado em 500 mV pelo circuito clamp. moderação por se tratar de uma cor forte. 10 Relatório Técnico: ECG 11 (a) (b) Figura 9: (a) Tela inicial do aplicativo com a opção "Test"selecionada. (b) Tela de execução da opção "Test". (a) (b) Figura 10: (a) Tela inicial do aplicativo com a opção "Live"selecionada. (b) Tela de execução da opção "Live". Relatório Técnico: ECG 12 5 Conclusões O objetivo geral do projeto, isto é, adquirir o sinal de eletrocardiograma de uma pessoa e enviá-lo para o aparelho celular, foi alcançado. O sinal ainda apresenta um nível de ruído que pode ser diminuído com o ajuste mais preciso dos filtros e uso de cabos mais adequados. Além disso, no presente momento o circuito ainda é alimentado com uma fonte, que adiciona o ruído da rede. A alimentação por pilhas também pode melhorar a qualidade do sinal adquirido. O aplicativo pode ter o código otimizado, principalmente em questões de velocidade e sincronização com o microcontrolador. As principais dificuldades encontradas neste projeto foram: • A aquisição a partir de eletrodos, que requisitou o uso de componentes de precisão, principalmente na etapa do amplificador de instrumentação. • A eliminação do ruído, que não foi total mesmo no fim do projeto, por depender de muitas variáveis, como cabos, rede elétrica e isolamento do circuito. • O envio dos dados do microcontrolador ao celular, pois existe a necessidade de sincronizar os códigos dos dois lados, em diferentes linguagens. Esta versão do projeto pode ser aprimorada com a aplicação das correções descritas anteriormente. No geral, o sistema cumpre a maior parte dos objetivos especificados inicialmente, sendo satisfatório. Referências [1] Android. http://developer.android.com/about/index.html. [2] Newton C. Braga. http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/ meio-ambiente-e-saude/4820-ma046. [3] All About Circuits. http://www.allaboutcircuits.com/vol_2/chpt_ 8/5.html. [4] All About Circuits. http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_ 8/10.html. [5] Colorado Electronic Product Design. calculators/highpass_ana.htm. http://www.cepd.com/ [6] Analog Devices. http://www.analog.com/en/specialty-amplifiers/ instrumentation-amplifiers/products/index.html. [7] EEWeb. http://www.eeweb.com/electronics-quiz/active-filteranalysis. Relatório Técnico: ECG 13 [8] Learning About Electronics. http://www.learningaboutelectronics. com/Articles/High-pass-filter.php. [9] Gary M. Friesen et al. 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