Holter Digital de ECG - up.edu.br · Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do...
Transcript of Holter Digital de ECG - up.edu.br · Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do...
Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação Sérgio Rattmann
Holter Digital de ECG
Sistema portátil de monitoração e gravação digital de sinal de
eletrocardiograma
Curitiba
2004
Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação Sérgio Rattmann
Holter Digital de ECG
Monografia apresentada à disciplina de Projeto Final, como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação. Orientador: Prof. José Carlos da Cunha
Curitiba 2004
TERMO DE APROVAÇÃO
Sérgio Rattmann
Holter Digital de ECG
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de
Engenharia da Computação do Centro Universitário Positivo, pela seguinte banca
examinadora:
Prof. José Carlos da Cunha
Prof. Edson Pedro Ferlin
Prof. Laerte Davi Cleto
Curitiba, 08 de Dezembro de 2004.
SUMÁRIO
Lista de Figuras .......................................................................................................... 6
Lista de Tabelas ......................................................................................................... 7
Lista de Siglas ............................................................................................................ 8
Lista de Símbolos ....................................................................................................... 9
1 Introdução .............................................................................................................. 12
2 Especificação. ....................................................................................................... 16
2.1 Descrição ............................................................................................................ 16
2.1.1 Holter Digital de ECG .............................................................................................................. 16 2.1.1.1 Diagrama em Blocos. ........................................................................................................................ 17 2.1.1.2 Módulo de Aquisição: ....................................................................................................................... 17 a) Eletrodo. .................................................................................................................................................... 17 b) Amplificador de Instrumentação. .............................................................................................................. 18 2.1.1.3 Módulo de Tratamento de Sinal. ....................................................................................................... 19 2.1.1.4 Módulo de Processamento e Gravação de Sinal. ............................................................................... 19 2.1.1.5 Cartão de Memória – CompactFlash. ................................................................................................ 20
2.1.2 Sistema Visualizador de ECG................................................................................................... 21 2.1.2.1 Diagrama em Blocos. ........................................................................................................................ 21 2.1.2.2 Aplicativo Visualizador. ................................................................................................................... 22
2.2 Estudo Teórico ................................................................................................... 22
2.3 Especificação do Hardware. ............................................................................... 25
2.4 Especificação do Software ................................................................................. 26
2.4.1 Holter Digital ECG: .................................................................................................................. 27
2.4.2 Visualizador .............................................................................................................................. 27
2.5 Especificação da Validação de Projeto............................................................... 29
3 Projeto ................................................................................................................... 30
3.2.1 Módulo de aquisição. ................................................................................................................ 31
3.2.1.1 Eletrodos: ............................................................................................................................... 32 3.2.1.2 Amplificador de Instrumentação. ...................................................................................................... 32
3.2.2 Módulo de Tratamento do Sinal ............................................................................................... 34 3.2.2.1 Filtro passa-alta (FPA). ..................................................................................................................... 34 3.2.2.2 Filtro Passa-baixa. ............................................................................................................................. 35 3.2.2.3 Circuito Grampeador. ........................................................................................................................ 36 3.2.2.4 Tensão de Alimentação Simétrica. .................................................................................................... 37
3.2.3 Módulo de Processamento e gravação do sinal. ....................................................................... 37 3.2.3.1 Microcontrolador............................................................................................................................... 38 3.2.3.2 Conversor A/D. ................................................................................................................................. 40 3.2.3.3 Sistema de Gravação do Cartão de memória CompactFlash. ............................................................ 40 3.2.3.3 Sistema de Arquivos FAT. ................................................................................................................ 41 3.3 Sistema Visualizador de ECG. ................................................................................................................ 43
4. Resultados. ........................................................................................................... 47
5. Conclusão: ............................................................................................................ 52
6. Referência Bibliográfica ........................................................................................ 53
ANEXO 1 – Diagrama Esquemático – Holter Digital de ECG ................................... 54
ANEXO 2 – DATASHEET PIC16F87X .................................................................... 55
ANEXO 3 – DATASHEET TLC04 ............................................................................. 56
ANEXO 4 – DATASHEET INA128 ............................................................................ 57
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Sinal de ECG Típico ........................................................................... 11
Figura 1.2 – Potencial de ação de uma fibra cardíaca típica. .................................. 12
Figura 1.3 – Representação das atividades elétricas de regiões do coração...........12
Figura 1.4 – Modelo ilustrativo da instalação de um Holter de ECG. ...................... 13
Figura 1.5 – Exemplo de modelo de Holter de ECG. ............................................... 14
Figura 1.6 – Exemplo de software de análise sinais de ECG. ................................. 14
Figura 2.1 – Diagrama em blocos do Holter de ECG Digital. .................................. 16
Figura 2.2 – Exemplo de eletrodos descartáveis. ................................................... 17
Figura 2.3 – Diagrama em Blocos do Cartão Compact Flash. ................................. 19
Figura 2.4 – Cartão de Memória Compact Flash. .................................................... 20
Figura 2.5 – Diagrama em blocos do Sistema Visualizador de ECG. ...................... 21
Figura 2.6 – Posições dos eletrodos usados na derivação unipolar precordial. ..... 22
Figura 2.7 – ECG Típico. ........................................................................................ 23
Figura 2.8 – Diagrama em blocos detalhado do sistema Holter Digital de ECG. ..... 25
Figura 2.9 – Diagrama de interconexão do HW do Sistema Visualizador de ECG...26
Figura 2.10 – Diagrama em blocos do aplicativo visualizador. ............................... 27
Figura 2.11 – Fluxograma do programa assembly do microcontrolador. ................. 28
Figura 3.1– Fluxograma do programa assembly do microcontrolador. ..................... 31
Figura 3.2 –Estrutura interna do amplificador de instrumentação INA 128.............. 33
Figura 3.3 – Filtro passa-alta passivo. ..................................................................... 34
Figura 3.4 – Curva de Resposta do FPB Butterworth ............................................. 35
Figura 3.5 – Filtros Butterworth em Cascata. .......................................................... 36
Figura 3.6 – Circuito Grampeador. .......................................................................... 37
Figura 3.7 – Descrição dos pinos do PIC16F876. ................................................... 38
Figura 3.8 – Diagrama em Blocos do PIC16F876. .................................................. 39
Figura 3.9 – Exemplo de Tabela de Alocação de Arquivo. ...................................... 42
Figura 3.10 – Tela inicial do Aplicativo Visualizador. ............................................... 43
Figura 3.11 – Figura 3. 11 – Opção “Abrir Arquivo” Aplicativo Visualizador.. ........ 44
Figura 3.12 – Opção “Segundos por tela” configurado para 4 segundos.. ............. 45
Figura 3.13 – Opção “Segundos por tela” configurado para 14 segundos.. ............ 45
Figura 4.1 – Sinal na Saída do Amplificador de Instrumentação.. .......................... 48
Figura 4.2 – Sinal na Saída do 1º Estágio do Filtro Butterworth.. ............................ 48
Figura 4.3 – Sinal na Saída do 2º Estágio do Filtro Butterworth.. ............................ 49
Figura 4.4 – Protótipo do Hardware do Holter Digital de ECG.. ............................... 51
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Tipos de derivação. Adaptada de Button BUTTON, 2002 ...............22
Tabela 3.1 – Características do Amplificador de Instrumentação INA128...............33
Tabela 3.2 - Decodificador mapeado em memória....................................................41
LISTA DE SIGLAS ECG – Eletrocardiograma PC – Personal Computer A/D – Analógico Digital RAM – Random Access Memory CF – Compact Flash FPA – Filtro Passa-Alta FPB – Filtro Passa-Baixa CC – Corrente Continua PCMCIA – Personal Computer Memory Card International Association CF-ATA – Compact Flash
ATA - Advanced Technology Attachment FAT – File allocated table CI – Circuito Integrado
LISTA DE SÍMBOLOS
- Ohm
F – Farad MB – Mega Bytes KB – Kilo Bytes V – Volts Ah – Amper hora mV - Milivolts
RESUMO
Neste trabalho apresentamos um dispositivo portátil para auxiliar a análise de
problemas cardíacos. Este dispositivo permite a gravação dos sinais de ECG
(eletrocardiograma) de um paciente durante suas atividades normais, por mais de 24
horas (eletrocardiografia pelo sistema Holter), em um cartão de memória.
Posteriormente estes dados gravados poderão ser visualizados em um computador
pessoal utilizando um software especifico, também abordado no projeto. O Holter de
ECG apresentado neste estudo tem como finalidade ser um equipamento de
pequena dimensão, de baixo custo e de grande capacidade de armazenamento dos
sinais de ECG. O circuito de aquisição baseia-se na captação dos biopotenciais
provenientes das atividades elétricas do coração, com o auxílio de eletrodos. O sinal
captado é amplificado e tratado com a utilização de um amplificador de
instrumentação e filtros. Na saída do circuito de aquisição terá o sinal de ECG
tratado, que será enviado a um microcontrolador do tipo PIC que gerenciará a sua
gravação em forma digital em um dispositivo de memória portátil e removível (Cartão
de Memória). O cartão de memória utilizado é do tipo “compactflash” e sua
capacidade de armazenamento pode variar entre 8MB e 2GB.
Palavras-Chave: ECG, eletrocardiografia, eletrocardiograma, holter, compactflash,
engenharia biomédica.
ABSTRACT
In this study we present a portable device to assist the analysis of cardiac
problems. This device allows the recording of the signals ECG (electrocardiogram) of
a patient during your normal activities, longer than 24 hours (electrocardiography
Holter system), in a memory card. Later these recorded data could be visualized in a
personal computer using specific software, also inserted in the project. The ECG
Holter presented in this study has as purpose to be an equipment of small dimension,
low cost and great capacity of storage of the ECG signals. The acquisition circuit is
based on the capitation of the biopotenciais proceeding from the electric activities of
the heart, with the aid of electrodes. The caught signal is amplified and treated using
an instrumentation amplifier and filters. In the exit of the acquisition circuit we will
have the treated signal of ECG, that will be sent to a microcontroller of type PIC that
will manage its writing in digital form in a portable and removable memory device
(Memory Card). The memory card is the type "CompactFlash" and its capacity of
storage can vary between 8MB and 2GB.
Key-words: ECG, eletrocardiography, eletrocardiogram, holter, compactflash,
biomedical enginnering.
12
1 INTRODUÇÃO
O eletrocardiograma (ECG) constitui um dos mais úteis métodos não-invasivos
de diagnóstico médico, sendo usado para diagnosticar e acompanhar a evolução de
arritmias cardíacas e diversas outras patologias do coração. O ECG pode ser obtido
em consultórios médicos durante um exame de rotina com o paciente em repouso
para diagnosticar problemas cardiovasculares.
É importante constatar que o coração, durante sua atividade, age como um
gerador de correntes elétricas e que estas correntes, espalhando-se no meio
condutor que é o coração, geram potenciais elétricos cuja evolução no tempo e no
espaço podem ser aproximadamente previstas. Assim funciona o eletrocardiograma
que nada mais é do que o registro das variações do potencial elétrico do meio
extracelular decorrentes da atividade cardíaca. O ECG consiste de ondas
características (P, Q, R, S e T) as quais correspondem a eventos elétricos da
ativação do miocárdio. A onda P corresponde à despolarização atrial, o complexo
QRS à despolarização ventricular e a onda T a repolarização dos ventrículos. A
figura 1.1 mostra um sinal de ECG típico. A praxe internacional adotada para o ECG
determina que as deflexões para cima são positivas e as deflexões para baixo são
negativas (BUTTON, 2002).
Figura 1.1 – Sinal de ECG Típico.
As manifestações elétricas da atividade cardíaca refletem a atividade
mecânica. Na figura 1.2 é mostrado o potencial de ação de uma fibra cardíaca típica,
onde verifica-se as fases que a compõem.
13
Figura 1.2 – Potencial de ação de uma fibra cardíaca típica. Adaptado de GUYTON, 1997.
O ECG é obtido por meio de eletrodos colocados sobre a superfície corporal e
representa a somatória de todas as atividades elétricas que ocorrem a cada instante
do ciclo cardíaco (WEBSTER,1998). A figura 1.3 mostra o somatório das diversas
atividades elétricas que ocorrem a cada instante do ciclo cardíaco.
Figura 1.3 – Representação das atividades elétricas de várias regiões do coração. Adaptada de
GUYTON, 1996.
Entretanto, algumas anomalias cardíacas não são detectadas nestes
eletrocardiogramas convencionais, pois estas podem ocorrer a qualquer momento e
durante um pequeno intervalo de tempo no decorrer das atividades normais diárias
14
de um paciente, e podem indicar propensão a um problema cardíaco mais grave ou
mesmo indicar a probabilidade da ocorrência de uma parada cardíaca.
Em 1961, uma nova eletrocardiografia foi iniciada, quando Norman J. Holter
introduziu um sistema para gravar o eletrocardiograma (ECG) de um indivíduo, por
longos períodos de tempo, durante suas atividades. Este método passou a ser
identificado como método de Holter ou eletrocardiografia pelo sistema Holter,
eletrocardiografia de longa duração, eletrocardiografia dinâmica, ou, simplesmente,
Holter (SOSA, 2001). Na figura 1.4 é ilustrado como é conectado um Holter de ECG
em um paciente.
Figura 1.4 – Modelo ilustrativo da instalação de um Holter de ECG.
Nos anos subseqüentes, o desenvolvimento da tecnologia introduziu uma
variedade de avanços e melhoramentos na fidelidade da gravação, tamanho e peso
do equipamento, aquisição de dados e sistemas de análise. A capacidade de
gravação intermitente, disparada pelo paciente ou pela ocorrência de arritmia,
tornou-se disponível.
O projeto em questão tem como objetivo desenvolver um Holter Digital de ECG
cuja gravação dos sinais será feita em um cartão de memória, igual ao encontrado
em alguns modelos de câmaras fotográficas digitais, que tem como vantagem ser
pequeno, leve, portátil e de grande capacidade de armazenamento. Este produto
poderá gravar ECG’s durante pelo menos 24 horas, sendo possível estender este
prazo por mais de uma semana. Ao término do prazo de monitoração do paciente o
cartão pode ser retirado e levado a um especialista para visualizar o ECG (em um
software apropriado que será explanado adiante).
15
É muito importante não só acompanhar o funcionamento do coração de um
paciente por 24 horas, como nos exames tradicionais, mas analisar a variação entre
os dias.
A maioria dos Holter de ECG em uso atualmente é analógico e no mercado
alguns fabricantes já possuem holter digitais, mas poucos utilizam cartão de
memória removível. Na figura 1.5 é ilustrado um modelo similar ao proposto,
fabricado pela empresa ECAFIX, e na figura 1.6 é mostrado o software que realiza a
visualização e análise dos sinais de ECG.
Figura 1.5 – Exemplo de modelo de Holter de ECG. Adaptado de ECAFIX, 2003.
Figura 1.6 – Exemplo de software de análise sinais de ECG. Adaptado de ECAFIX, 2003.
16
2 ESPECIFICAÇÃO.
Neste capítulo será abordada a especificação técnica do projeto, envolvendo
detalhes técnicos do sistema Holter e o estudo sobre a fisiologia do coração e as
técnicas de eletrocardiografia.
2.1 DESCRIÇÃO
O equipamento desenvolvido é portátil e com capacidade de armazenar as
informações do ECG de um paciente durante um longo período de tempo, maior que
24 horas, e realiza a gravação destas informações em um cartão de memória
removível.
As informações contidas neste cartão poderão posteriormente ser
visualizadas em um computador pessoal comum, que contenha um leitor de cartão
de memória e o software Visualizador, que será detalhado no decorrer desta
especificação.
O projeto é composto por duas partes: o equipamento portátil, responsável
por fazer a coleta do sinal, e a gravação em cartão de memória, que será
denominado “Holter Digital de ECG” e o sistema que fará a visualização dos dados
gravados denominado “Sistema Visualizador de ECG”.
2.1.1 Holter Digital de ECG
Esta é a parte portátil do sistema proposto, que ficará situado junto ao corpo do
usuário, tendo como função captar o ECG e gravá-lo em um cartão de memória.
Este produto tem a capacidade de gravar sem distorções sinais com
componentes de freqüências compreendidas entre 0,05 e 100Hz (SOSA, 2001).
Este equipamento é composto por um módulo de aquisição, que faz a captação
e amplificação do ECG, módulo de tratamento de sinal que contem filtros de modo a
eliminar ruídos e o módulo de processamento e gravação do sinal, responsável por
preparar o sinal para gravá-lo digitalmente no cartão de memória.
17
2.1.1.1 Diagrama em Blocos.
O diagrama em blocos da figura 2.1 mostra o relacionamento dos blocos e
elementos que compõe o sistema.
Figura 2.1 – Diagrama em blocos do Holter de ECG Digital.
2.1.1.2 Módulo de Aquisição:
O módulo de Aquisição é composto por dois elementos principais, utilizados
para a captação dos biopotenciais. O primeiro é o eletrodo que é um transdutor de
corrente iônica para corrente elétrica. O segundo é um amplificador de
instrumentação que é um amplificador operacional que possui características
importantes para tratamento de sinais de pequena amplitude.
a) Eletrodo.
O eletrodo é a interface entre o corpo e o aparato eletrônico de medição.
Em uma primeira análise pensamos que o eletrodo é somente um sensor,
mas se realizarmos uma análise um pouco mais profunda percebemos que é um
transdutor, pois ele converte corrente de íons em corrente de elétrons (WEBSTER,
1998). O eletrodo pode ser de dois tipos: Invasivo (fio ou agulha) e não-invasivo (de
superfície).
Eletrodo Invasivo: este tipo de dispositivo permite captar biopotenciais dentro
do corpo do paciente. Pela sua natureza, deve ser limpo a cada uso, a fim de
remover partículas de pele e sangue coagulado, que tendem a se acumular próximo
à superfície de detecção, e que podem interferir na qualidade do sinal.
Eletrodo de superfície: podem ser passivos ou ativos. Os passivos consistem
de um disco de prata, normalmente fixado junto à pele com auxilio de cintas ou fitas
adesivas. Para melhorar o contato elétrico, é utilizado gel ou pasta salina, além de
Módulo
de
Aquisição
Módulo de
Tratamento
de Sinal
Módulo de
Processamento e
Gravação de Sinal
Cartão
de
Memória
18
remover a camada de pele morta, utilizando gel abrasivo. Os eletrodos de superfície,
que são o tipo utilizado neste projeto, foram desenvolvidos com o objetivo de
eliminar a necessidade de preparação da pele e do meio condutor. Por não
utilizarem gel condutor ou pasta abrasiva também são denominados eletrodos
secos.
Os eletrodos deste projeto serão conectados em três pontos no pacientes.
Dois deles terão a função de capturar o ECG e estarão situados próximos ao
coração conectados as entradas diferenciais do Amplificador de Instrumentação. O
terceiro eletrodo é de referência, que fica normalmente conectado na região
abdominal do usuário. Esta configuração permitirá que o equipamento elimine os
ruídos de modo comum. Na figura 2.2 são ilustrados alguns modelos de eletrodos
descartáveis utilizados em teste de esforço.
Figura 2.2 – Exemplo de eletrodos descartáveis.
b) Amplificador de Instrumentação.
O amplificador de instrumentação é um amplificador operacional que tem
como características principais: alto ganho e alta rejeição de ruídos de modo comum
(CMRR). As características deste circuito e as detalhes do projeto serão vistas no
capítulo 3.
19
2.1.1.3 Módulo de Tratamento de Sinal.
Toda captação de biopotenciais é sujeita a interferências de outros sinais do
ambiente e do próprio corpo do paciente e estas interferências, que são de diversas
naturezas, precisam ser eliminadas com a utilização de filtros adequados. O módulo
de tratamento de sinal tem a função de eliminar os sinais interferentes do sinal de
ECG, sendo composto por filtros passa-baixa (FPB) e por filtros passa-alta (FPA).
O filtro passa-alta permite passar somente sinais com freqüência superior a
0,05 Hz. Desta forma elimina sinais de freqüência inferior a 0,05 Hz, barrando
inclusive os sinais contínuos, que são provenientes da atividade dos músculos (ruído
muscular).
O filtro passa-baixa permite a passagem somente de sinais com freqüência
inferior a 100 Hz, desta forma consegue-se eliminar os biopotenciais provenientes
do músculo (WEBSTER,1998).
2.1.1.4 Módulo de Processamento e Gravação de Sinal.
Este módulo é responsável em captar o sinal de ECG devidamente tratado, e
realizar a conversão deste para um sinal digital, gerenciando sua gravação em um
cartão de memória.
O principal componente deste módulo é um microcontrolador do tipo PIC, que
foi escolhido devido a sua versatilidade. O PIC possui internamente conversor A/D,
Memória RAM, Memória EEPROM, memória de programa flash, um processador
RISC de alto desempenho, além de outros componentes que auxiliarão no
desenvolvimento deste módulo.
Para que o PIC desempenhasse a função desejada para este módulo, foi
necessário criar uma programação interna neste componente. A programação
basicamente configura as entradas para coletar o sinal analógico do ECG e
convertê-os em um sinal digital, estabelece a periodicidade de coleta deste sinal, e
realiza a gravação deste sinal em um cartão de memória do tipo Compactflash,
utilizando comandos específicos para este modelo de mídia de gravação.
20
2.1.1.5 Cartão de Memória – CompactFlash.
O cartão de memória CompactFlash (CF) provê alta capacidade de
armazenamento e possui funções de entrada e saída que são eletricamente
compatíveis com o padrão PMCIA (Personal Computer Memory Card Internacional
Association).
O cartão de memória CF contém um chip controlador e módulo de memória
flash. O chip controlador faz interface com um sistema Host e permite que dados
sejam escritos ou lidos nos módulos de memória flash, conforme ilustrado na figura
2.3 (COMPACTFLASH, 2003).
Figura 2.3 – Diagrama em Blocos do Cartão CompactFlash.
O cartão de memória se popularizou devido a seu uso em máquinas
fotográficas digitais. O cartão de memória utilizado neste projeto é do tipo
CompactFlash, mas as vantagens mostradas a seguir são válidas para os outros
tipos de cartões. A figura 2.4 mostra a aparência física em tamanho natural do
Cartão de memória CompactFlash.
21
Figura 2.4 – Cartão de Memória CompactFlash.
Tamanho reduzido: o cartão tem pequenas dimensões, sendo que o maior
cartão encontrado mede aproximadamente 1/5 do tamanho de um disquete de
1,44MB.
Grande Capacidade de Armazenamento: são encontrados no mercado
cartões com até 2GB de capacidade.
Custo: o preço dos cartões de memória tende a baixar, devido o aumento do
mercado destes cartões, impulsionado pela “popularização” das câmeras
fotográficas digitais.
Tecnologia de Construção: não possui partes móveis, que normalmente são
as que tendem a ter defeitos.
.
2.1.2 Sistema Visualizador de ECG
O sistema Visualizador tem como função verificar e coletar as informações de
ECG provenientes de um cartão de memória do tipo CompactFlash, que foram
previamente gravadas no Holter Digital de ECG, e mostrá-las na tela do computador.
O sistema é composto por um computador pessoal (PC) que contenha um
leitor de cartão de memória do tipo CompactFlash, rodando o Aplicativo Visualizador
que será descrito no item 2.1.2.2.
2.1.2.1 Diagrama em Blocos.
O diagrama em blocos ilustra a interconexão dos módulos que compõem o
sistema, conforme mostrado na figura 2.5.
22
Cartão de
Memória
Leitor de
Cartão de
Memória
Aplicativo
Visualizador
Figura 2.5 – Diagrama em blocos do Sistema Visualizador de ECG.
2.1.2.2 Aplicativo Visualizador.
O Aplicativo Visualizador é o software que interage com o Hardware do
Sistema Visualizador de ECG. Coleta as informações do ECG contidas no cartão de
memória, interpreta estas informações e as mostra de forma gráfica na tela do
computador.
Este aplicativo permite que o médico ou o profissional que vai analisar o ECG
tenha algumas facilidades como:
Visualizar o sinal de ECG contido no cartão de memória.
Escolher a quantidade de amostras do sinal de ECG será mostrado na tela.
Ampliar a escala do sinal de ECG.
Manter o registro de exames de ECG de pacientes organizados e guardados
no formato utilizado usualmente no sistema operacional Windows.
2.2 ESTUDO TEÓRICO
O ECG pode ser medido em qualquer parte do corpo humano. Na prática os
eletrodos são colocados em pontos padrões: são normalmente utilizadas 12
derivações clássicas que são obtidas através de cinco ou dez eletrodos colocados
opcionalmente em nove diferentes pontos (figura 2.6), conforme indicado na tabela
2.1.
23
Figura 2.6 – Posições dos eletrodos usados no tipo de derivação unipolar precordial. Adaptada de
GANONG, 1995.
Tabela 2.1 – Tipos de derivação. Adaptada de Button BUTTON, 2002
Tipo de Derivação Eletrodos usados Definição
Bipolar ou derivação de membros (Einthoven)
LA, RA, LL, RL
I = LA – RA
II = LL – RA
III = LL – LA
Aumentada (Goldberg) LA, RA, LL, RL
aVR = RA – ½ (LA + LL)
aVL = LA – ½ (LL + RA)
aVF = LL – ½ (LA + RA)
Unipolares precordiais (Wilson) V1, V2, V3, V4, V5, V6
V1 = v1 – (RA + LA + LL)/3
V2 = v2 – (RA + LA + LL)/3
V3 = v3 – (RA + LA + LL)/3
V4 = v4 – (RA + LA + LL)/3
V5 = v5 – (RA + LA + LL)/3
V6 = v6 – (RA + LA + LL)/3
Obs. : LA = braço esquerdo; RA = braço direito; LL = perna esquerda, RL = perna
direita.
O ECG representa a somatória de todas as atividades elétricas que ocorrem a
cada instante do ciclo cardíaco. Na figura 2.7 segue um ECG típico, mostrando as
ondas P, T e o complexo QRS.
24
Figura 2.7 – ECG Típico. Adaptada de GUYTON,1996.
Baseando-se na figura 2.7, verifica-se a necessidade do amplificador de
instrumentação devido às pequenas amplitudes de um ECG, e justifica-se a
necessidade de um sistema que tenha um ciclo de aquisição de dados de pelo
menos 5ms.
Os eletrodos utilizados em holter são diferente dos usados em testes
estáticos, isto devido ao tempo em que o sensor fica em contato com a pele do
paciente e as movimentações decorrentes de suas atividades diárias. Neste caso o
eletrodo indicado é o adesivo do tipo utilizado em teste de esforço, conforme visto na
seção 2.1.1.2 item a.
Os sinais elétricos são normalmente susceptíveis a ruídos, entretanto, em
sinais com amplitude alta, da ordem de volts (V), isto não representada problema
devido os ruídos serem geralmente na ordem de milivolts (mV). No entanto quando
se é necessário realizar a medição de sinais de pequena amplitude, da ordem
também de milivolts (mV), o ruído é extremamente impeditivo. Para eliminar a
interferência de ruído, o amplificador de instrumentação, conforme visto em 2.1.1.2
item b, utiliza internamente um circuito diferencial que amplifica a somente a
diferença entre os sinais das duas entradas. Quando existe um ruído no ambiente,
este ruído estará presente normalmente com a mesma amplitude nas duas entradas
do circuito diferencial, e conseqüentemente a diferença entre estes dois sinais na
entrada é zero e assim verifica-se como o ruído de modo comum é eliminado.
25
Para que o sinal de ECG (analógico) possa ser gravado em uma memória é
necessário convertê-lo para um sinal digital. Utiliza-se um conversor A/D para
realizar esta conversão.
O funcionamento do conversor A/D é basicamente verificar o nível da tensão
de referência que é colocado em uma de suas entradas e que indicará qual o nível
do sinal de entrada será convertido. Na seqüência o conversor A/D verifica o nível
do sinal de entrada e associa a um valor binário (normalmente 8 bits)
correspondente.
Para que o sinal de ECG digitalizado possa ser gravado em um cartão de
memória, será necessário utilizar um elemento que gerencie a coleta e gravação
deste sinal. O elemento que tem esta finalidade é o microcontrolador, que através de
instruções pré-configuradas, e utilizando uma programação conveniente, permite a
realização das funções esperadas.
2.3 ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE.
O Hardware deste sistema é composto por duas partes. Uma se refere a um
equipamento portátil, o “Holter Digital de ECG”, que é composto basicamente pelos
eletrodos, amplificador de instrumentação, filtros, circuito grampeador, conversor
A/D, microcontrolador, memória e cartão de memória. A segunda parte é referente
ao visualizador, composto por Hardware Comercial, que incluem um computador
pessoal e um leitor de cartão de memória.
Na figura 2.8 é mostrado o diagrama em blocos do Hardware do projeto.
Eletrodos Amplific.
Filtros e
Circuito
Grampeador
Conversor A/D
Microprocessador
Memória Teclado
Cartão
de
MemoriaInterface
Figura 2.8 – Diagrama em blocos detalhado do sistema Holter Digital de ECG.
Os eletrodos coletam os sinais de ECG e os enviam a um amplificador de
instrumentação que faz a amplificação do sinal e a eliminação de ruído. Serão
26
utilizados circuitos para filtrar os sinais oriundos de marca-passo e circuitos para
evitar a saturação de linha de base que ocorre quando potenciais CC eventuais, que
ocorrem às vezes por mau contato dos eletrodos, saturando os amplificadores.
O conversor A/D transformará os potenciais elétricos de ± 5V em codificação
binária para que seja possível gravá-las em um cartão de memória. O
microprocessador é o elemento responsável em controlar o equipamento, coletar as
informações de ECG provenientes do circuito A/D para gravá-la em um cartão de
memória. A princípio será utilizado no projeto o microcontrolador do tipo PIC que
atende as necessidades do projeto, modelo PIC16F876.
O cartão de memória é do tipo CompactFlash – SanDisk , com capacidade de
256 MB. Realizando um cálculo estimado, 17,2 MB seriam o suficiente para
gravação de um ECG durante 24 Horas. Neste caso, este Holter teria autonomia de
gravação de aproximadamente duas semanas.
O hardware utilizado para visualizar as informações do ECG é comercial,
sendo composto por um computador pessoal e um leitor de cartão de memória. A
figura 2.9 mostra a interligação entre as partes que compõem do Hardware.
Computador PessoalLeitor de Cartão de Memória
Conexão USB
Hardware Visualizador
Figura 2.9 – Diagrama de interconexão do Hardware do Sistema Visualizador de ECG.
O computador pessoal deverá ter uma configuração mínima suficiente para
poder rodar uma aplicação em C++.
2.4 ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE
O software deste projeto é composto por duas partes, sendo que umas das
partes será utilizado no Holter Digital Portátil e a outra utilizada no Aplicativo
Visualizador.
27
2.4.1 Holter Digital ECG:
O software deste módulo foi criado em linguagem assembly e basicamente
coleta as informações provenientes do conversor A/D, em intervalos de tempo
determinados, e realiza a gravação em um cartão de memória removível.
O software permitirá que o usuário inicie ou pare a coleta das informações
através do acionamento de um botão no equipamento.
A figura 2.11 mostra o fluxograma do programa em assembly que deverá
rodar no microcontrolador.
2.4.2 Visualizador
Esta parte do software é responsável por ler dados de um Cartão de memória
e mostrá-los no monitor do computador na forma gráfica.
A interface gráfica permitirá que o médico ou outro profissional que seja
responsável pela análise, escolha o período de observação e determine a escala de
visualização das informações.
Foi utilizado C/C++ como linguagem de programação, sendo que o ambiente
de desenvolvimento foi o Borland C++ 5.
O diagrama em blocos do software é mostrado na figura 2.10.
Memória do PC
Abertura e
leitura do
arquivo
Conversor de
valores binários para
valores de amplitudeGráfico
Cartão
de
Memória
Figura 2.10 – Diagrama em blocos do aplicativo visualizador.
28
Início
Verificar o botão
de início.
Está acionado?Não
Sim
Selecionar
endereço de
memória
Executar a
gravação no
cartão de memória
Está acionadoNão
Coletar informação
da entrada (ECG)
Verificar o botão
de parada
sim
Figura 2.11 – Fluxograma do programa assembly do microcontrolador.
Um programa em C++ lê as informações do cartão de memória, converte em
valores que correspondem as amplitudes do sinal de ECG original e as mostra em
um gráfico.
A forma gráfica facilita a visualização das informações pelo médico
responsável pela análise.
29
2.5 ESPECIFICAÇÃO DA VALIDAÇÃO DE PROJETO
Para validação do projeto alguns testes foram executados após o
desenvolvimento de cada parte do projeto.
O primeiro teste ocorreu após o término da parte analógica que compreende
basicamente os eletrodos e o amplificador de instrumentação com os devidos
circuitos de eliminação de interferências. Este teste consistiu em conectar um
osciloscópio na saída deste estágio e verificação da qualidade do sinal do ECG
mostrado na tela do osciloscópio, principalmente no que se refere à imunidade a
ruídos. A referência para esta análise foi figura 2.7.
A segunda etapa do projeto teve como validação avaliar a gravação em
cartão de memória. Foi realizada a gravação no cartão de memória e na seqüência
verificou-se a coerência destes dados em um leitor de cartão de memória.
A terceira parte consistiu na gravação digital no cartão de memória de um
eletrocardiograma padrão e a comparação deste com os gráficos produzidos pelo
software visualizador a partir deste cartão de memória.
A quarta parte consistiu em validar as facilidades do software, quanto à
facilidade de uso, as ferramentas básicas de “zoom” e o controle de definição do
período que será analisado.
A quinta etapa da validação compreendeu a aquisição, durante 4 horas, de
um sinal proveniente de um voluntário e sua posterior visualização.
A sexta etapa consiste na comparação entre um sinal mostrado no
osciloscópio conectado na saída do circuito grampeador e o sinal mostrado na tela
do aplicativo visualizador.
30
3 PROJETO
O projeto detalhado nas próximas páginas segue as especificações descritas
no capítulo 2. O projeto é composto por dois sistemas, Holter Digital de ECG e
Sistema Visualizador, que estão subdividos em Hardware e Software. Serão
descritas as funções de cada componente que compõem o circuito bem como os
fluxogramas e exemplos de telas da parte relativa ao software quando pertinente, de
modo a obter os resultados esperados, relatados na introdução, e dentro das
especificações descritas no capítulo 2.
O projeto está dividido em duas partes, que estão subdivididas em módulos:
O Holter Digital de ECG é composto por:
• Módulo de Aquisição.
• Módulo de Tratamento do Sinal
• Módulo de Processamento e Gravação do Sinal.
O Sistema Visualizador é composto por:
• Módulo de Interface de Cartão de Memória
• Módulo de Visualização.
3.1 Diagrama em Blocos:
Na figura 3.1 é mostrado o relacionamento entre os blocos que compõem o
projeto todo, compreendendo o Holter Digital de ECG e o Sistema Visualizador de
ECG. Mostra o fluxo de gravação no cartão de memória e o ciclo de leitura da
informação deste.
31
Figura 3.1– Relacionamento entre os blocos que compõem o Holter Digital de ECG.
3.2 Holter Digital de ECG.
Este sistema é composto por módulos que serão descritos na sequência.
O diagrama esquemático completo do Holter pode ser visto no anexo 1.
3.2.1 Módulo de aquisição.
Parte do circuito responsável em captar o sinal de ECG do indivíduo sob
análise, é composto por dois elementos principais e comuns na captação de
biopotenciais; o eletrodo, que tem como função a captação do biopotencial, agindo
como uma interface entre o corpo e o dispositivo eletrônico, convertendo corrente de
Módulo
de
Aquisição
Módulo de
Tratamento
de Sinal
Módulo de
Processamento e
Gravação de Sinal
Cartão
de
Memória
Leitor de
Cartão de
Memória
Computador
Pessoal
Software
De
Visualização
Holter Digital de ECG Sistema Visualizador de ECG
32
íons em corrente elétrica e, o amplificador de Instrumentação, que amplifica os
biopotenciais que normalmente são da ordem de milivolts (mV).
3.2.1.1 Eletrodos:
Os eletrodos utilizados no projeto são descartáveis e utilizam o sistema pino-
contra-pino de aço inox. Estes eletrodos são recobertos com prata/cloreto de prata,
com adesivo acrílico condutor, projetado especialmente para monitoração de longa
duração.
Os cabos dos eletrodos são coaxiais e a malha externa é conectada ao terra do
circuito de modo a reduzir a interferência eletromagnética existente no ambiente.
3.2.1.2 Amplificador de Instrumentação.
O sinal do ECG proveniente do eletrodo varia entre aproximadamente 0 e
5mV. O amplificador de instrumentação será o responsável em amplificar este sinal,
de modo que a amplitude do sinal resultante seja suficiente alta para ser tratada
pelas etapas de filtragem e conversão A/D, que necessitam de sinais da ordem de
5V.
Neste projeto o ganho do Amplificador de Instrumentação deve ser igual 1000,
suficiente para elevar o sinal de 5mV para 5V.
De acordo com as características do projeto, foi escolhido o Amplificador de
instrumentação INA128 da Texas Instruments, que tem como principais
características ganho ajustável entre 1 e 1000 e CMRR superior a 120 dB. Outras
características deste amplificador de instrumentação seguem na tabela 3.1. O
diagrama interno deste CI é mostrado na figura 3.2. Pode-se observar as demais
características do INA128 no datasheet no anexo 5.
33
Figura 3.2 –Estrutura interna do amplificador de instrumentação INA 128.
Na figura 3.2, o resistor RG é o responsável em determinar o ganho do
amplificador de instrumentação, conforme se verifica na equação 3.1.
RG
KG
501 (3.1)
Neste projeto de acordo com a equação 3.1, o valor de RG ficou com valor
calculado igual a 50,5Ω, sendo que o valor comercial utilizado foi de 47Ω.
Tabela 3.1 – Características do Amplificador de Instrumentação INA 128.
Descrição Valores
LOW OFFSET VOLTAGE 50mV max
LOW DRIFT 0.5mV/°C max
LOW INPUT BIAS CURRENT 5nA max
HIGH CMR 120dB min
INPUTS PROTECTED ±40V
WIDE SUPPLY RANGE ±2.25 to ±18V
LOW QUIESCENT CURRENT 700mA
34
3.2.2 Módulo de Tratamento do Sinal
Este módulo tem como objetivo realizar a filtragem do sinal, eliminar os
diferentes ruídos que podem vir a descaracterizar e interferir na análise do sinal de
ECG. Este módulo é composto por filtros, que são dispositivos eletrônicos que têm
como função permitir que um sinal aplicado em sua entrada seja repassado a saída,
somente numa faixa de freqüência especificada, definida previamente através de
cálculos apropriados. Neste projeto serão usados inicialmente dois tipos de filtros.
3.2.2.1 Filtro passa-alta (FPA).
O filtro passa-alta apresentado neste circuito é do tipo passivo, ou seja, é um
circuito que não necessita de alimentação externa, para que realize a sua função.
O Circuito abaixo foi calculado de modo as componentes de frequência
inferiores a 0,05Hz. O cálculo deste filtro é realizado através da equação 3.2.
CR
f
2
1 (3.2)
Arbitrando o valor de 470 F para o capacitor C e utilizando a equação 3.2
obtem-se o valor de 6,8 kΩ para resistor R. O filtro é mostrado na figura 3.3.
R6,8k
C470uF
Entrada Saída
Figura 3.3 – Filtro passa-alta passivo.
35
3.2.2.2 Filtro Passa-baixa.
Foi verificado a existência de ruídos de frequência um pouco superior a
frequência de corte. Para que estes ruídos pudessem ser atenuados o suficiente
para não causar descaracterização no sinal de ECG, o filtro passa-baixa foi
implementado utilizando dois filtros Butterworth de 4ª ordem em cascata, que resulta
em um filtro Butterworth de 8ª ordem. Para a implementação do filtro de Butterworth
de 4ª ordem foi utilizado o circuito integrado TLC04 da Texas Instruments, que tem
especificamente esta função, e frequência de corte é ajustada pela razão de 1:50 da
frequência de operação do filtro.
A curva de respostas dos filtros Butterworth de 4ª e 8ª ordem são mostrados na
figura 3.4.
-45,00
-42,00
-39,00
-36,00
-33,00
-30,00
-27,00
-24,00
-21,00
-18,00
-15,00
-12,00
-9,00
-6,00
-3,00
0,00
1 5 9 40 80 120 160 200
FPB - 8ª Ordem
FPB - 4ª Ordem
Figura 3.4 – Curva de Resposta do FPB Butterworthde 4ª e 8ª Ordem.
A freqüência de operação é determinada com a alteração dos valores de um
resistor e um capacitor, externos ao circuito. Os valores dos componentes que
determinam a freqüência de operação são obtidos utilizando a equação 3.3, esta
equação somente é valida quando a alimentação do CI é ± 5V. Utilizou-se dois
circuitos destes para melhorar o corte na freqüência desejada, usando-os em
cascata. Isto proporcionou um filtro passa-baixa Butterworth de 8ª ordem, de
dimensões compactas e fácil configuração, o datasheet deste dispositivo é mostrado
no anexo 3.
36
CRfclock
69,1
1 (3.3)
O diagrama esquemático destes filtros pode ser verificado na figura 3.5.
U12
TLC04/SO
8
1
5
2
3
74
FLTR
CLK
OUT
CLKR
LS
+VCC-VCC
VCC
C110nF
VEE
Entrada
VEE VCC
R212k
C610nF
U10
TLC04/SO
8
1
5
2
3
74
FLTR
CLK
OUT
CLKR
LS
+VCC-VCC
R912k
Saída
Figura 3.5 – Filtros Buterworth em Cascata.
3.2.2.3 Circuito Grampeador.
O circuito grampeador foi projetado para poder eliminar a parte negativa do
sinal de ECG, que não é possível ser tratada pelo conversor A/D utilizado. Pela
análise realizada no sinal de ECG coletado, verificou-se a necessidade de somar 0,5
Volts a este sinal, para que fosse eliminada a amplitude negativa.
O circuito grampeador foi implementado utilizando um somador inversor
conectado a um circuito inversor de ganho unitário.
O circuito do somador inversor foi projetado com duas entradas: v1 e v2. Em
ambas as entradas o valor do ganho é igual a 1. Para obter ganho unitário basta que
valores de R1, R2 e Rf sejam iguais. Neste caso, o valor de saída (vo) pode ser
obtido através da equação 3.4. (PERTENCE, 2003).
2
21 vvvo (3.4)
37
Na entrada v1 é conectado o sinal do ECG e na entrada v2 um divisor
resistivo. O uso de um potenciômetro neste divisor permitiu a regulagem de níveis
de tensão entre 0 e 2,5V. O circuito grampador pode ser visualizado na figura 3.6.
Entrada do Sinal
-
+
U8C
TL084
10
98
411
VCC
Saída do Sinal
VEE
VCC
VCC R312k
-
+
U8D
TL084
12
1314
411
R1510k
VEE
R1310k
R1110k
R1012k
R1910k
R1410k
Figura 3.6 – Circuito Grampeador.
3.2.2.4 Tensão de Alimentação Simétrica.
Os amplificadores operacionais nesta fase necessitam de tensão de
alimentação simétrica, para poderem amplificar e tratar o ECG captado, pois este
apresenta amplitudes positivas e negativas. Para não ser necessário o uso de duas
fontes de alimentação diferentes para prover a tensão simétrica, foi utilizado o
componente PT5062 da Texas Instruments, que pode fornecer tensões de saída
(Vo) de ± 7,5V até ± 15 V de acordo com a configuração, a partir de uma tensão de
entrada simples entre 4,75V e Vo – 1V (tensão de saída desejada menos um volt).
Este circuito possui tamanho compacto, boa funcionalidade e facilidade de
configuração. O datasheet deste componente é apresentado no anexo 4.
3.2.3 Módulo de Processamento e gravação do sinal.
Este módulo é responsável por coletar o sinal de ECG, analógico,
devidamente tratado, para fazer a conversão para um sinal digital e gerenciar a sua
gravação no cartão de memória CompactFlash. Este módulo é composto por um
conversor A/D e por um microcontrolador.
38
3.2.3.1 Microcontrolador.
O microcontrolador escolhido foi um do modelo PIC16F876A. Este
microcontrolador possui memória de programação E2PROM FLASH, memória
E2PROM (não volátil) interna com 256 bytes, memória RAM com 368 bytes, três
timers, 14 interrupções e um conjunto de 35 instruções RISC. Dos 28 pinos deste CI,
22 são portas de entradas e saídas configuráveis e divididas em 3 conjuntos de
portas. Possui ainda um conversor analógico/digital de 10 bits (SOUZA, 2002). Este
microcontrolador contém ainda outras características que poderão ser vistas no
anexo 2.
A descrição dos pinos pode ser verificada na figura 3.7 e a configuração
interna do PIC16F876 pode ser verificado na figura 3.8.
Figura 3. 7 – Descrição dos pinos do PIC16F876.
A programação do microcontrolador PIC 16F876 será realizada através de um
gravador de PIC utilizando o ambiente de desenvolvimento MPLAB. O MPLAB
trabalha com linguagem de programação Assembly. Para facilitar a elaboração do
programa optou-se em utilizar a linguagem C utilizando o software CCS, que
converte código em C para código Assembly.
O PIC será programado de modo a selecionar uma das portas do conversor
A/D. As informações coletadas do conversor A/D serão gravadas no cartão CF.
O processo de gravação no cartão de memória CF segue o padrão CF-ATA,
que é composto por um conjunto de instruções. Os dados gravados neste cartão
seguiram o padrão de sistema de gerenciamento de arquivo FAT12, para possibilitar
39
que o arquivo gravado neste dispositivo pudesse ser reconhecido pelo sistema
operacional Windows ou por outro sistema operacional baseado em DOS.
Os detalhes de interligação entre o PIC16F876 e o cartão de memória
CompactFlash podem ser verificados no anexo 1.
O PIC opera com freqüência de 4 MHz, obtida através de um oscilador de
4Mhz conectado aos pinos 13 (OSC1) e pino 14 (OSC2).
Figura 3. 8 – Diagrama em Blocos do PIC16F876.
40
3.2.3.2 Conversor A/D.
O conversor A/D, conforme descrito no capítulo 2, atribui um código binário de
acordo com o nível de tensão obtido na entrada. O conversor A/D utilizado neste
projeto é um conversor incorporado à estrutura interna do PIC16F876. Este PIC
possui ainda mais 4 entradas analógicas, fato este que reduz significativamente a
quantidade de ligações do circuito.
Foi utilizada neste projeto uma freqüência de amostragem/conversão de
200Hz, o que possibilita a conversão de sinais de freqüência de até 100Hz, sem
perda ou distorção do sinal. Isto é possível, levando em consideração o Teorema da
Amostragem que diz: “Se um sinal for amostrado com, no mínimo, o dobro da
máxima freqüência nele contida, ele poderá ser recuperado integralmente”.
3.2.3.3 Sistema de Gravação do Cartão de memória CompactFlash.
O cartão de memória CompactFlash não é simplesmente um chip de memória
convencional disposto dentro de um cartão. Este possui um gerenciador de acesso a
memória que faz os controles através de um conjunto de instruções de acordo com o
padrão CF ATA, derivado do padrão ATA. Na tabela 3.2 é mostrado o conjunto de
instruções indicando qual o código que deve ser utilizado nas portas menos
significativas de endereço para selecionar o respectivo comando.
Diferentes dos componentes de memória RAM convencionais, não é possível
gravar um byte de informação somente indicando qual o endereço que este dado
será gravado. Os dados são gravados na CompactFlash em blocos. Inicialmente
cada byte é gravado nos registradores da CompactFlash e, depois da gravação de
512 bytes, é necessário dar o comando para gravar estes dados no bloco
selecionado. Após cada comando dado na CompactFlash é necessário verificar se
o cartão está pronto para processar o próximo comando.
Existe um comando para o diagnóstico do cartão CompactFlash.
Além de se saber como gravar os dados na CompactFlash é necessário saber
onde gravá-los, de modo a serem reconhecidos pelo sistema operacional Windows
(DOS), o padrão de gravação de arquivo que foi escolhido para este dispositivo foi o
FAT12.
41
Tabela 3.2 - Decodificador mapeado em memória
-REG A10 A9-A4 A3 A2 A1 A0 Offset -OE=0 -WE=0
1 0 X 0 0 0 0 0 Even RD Data Even WR Data
1 0 X 0 0 0 1 1 Error Features
1 0 X 0 0 1 0 2 Sector Count Sector Count
1 0 X 0 0 1 1 3 Sector No. Sector No.
1 0 X 0 1 0 0 4 Cylinder Low Cylinder Low
1 0 X 0 1 0 1 5 Cylinder Higt Cylinder Higt
1 0 X 0 1 1 0 6 Select Card/Head Select Card/Head
1 0 X 0 1 1 1 7 Status Command
1 0 X 1 0 0 0 8 Dup. Even RD Data Dup. Even WR Data
1 0 X 1 0 0 1 9 Dup. Odd RD Data Dup. Odd WR Data
1 0 X 1 1 0 1 D Dup. Error Dup. Features
1 0 X 1 1 1 0 E Alt Status Device Ctl
1 0 X 1 1 1 1 F Drive Adress Reserved
1 1 X X X X 0 8 Even RD Data Even WR Data
1 1 X X X X 1 9 Odd RD Data Odd WR Data
3.2.3.3 Sistema de Arquivos FAT.
Os dados gravados no cartão de memória precisam ser gravados num padrão
para que possam ser reconhecidos por um sistema operacional comercial.
Todo dispositivo de armazenamento de dados antes de ser utilizado para
guardar uma informação precisa ser formatado e na formatação é que é
determinado o sistema de arquivos e conseqüentemente a localização do início da
área de dados, da área de gerenciamento de arquivo, da área de FAT, a quantidade
de partições o tamanho das partições, tamanho dos blocos e outras informações
referentes ao dispositivo.
O BPB é um cabeçalho que fica nas primeiras posições de memória e indica as
características da formatação do dispositivo. Nele são descritos a localização das
áreas de FAT, arquivo e dados.
Na área de Gerenciamento de arquivos, ficam todas as informações dos
arquivos gravados no dispositivo, tais como: tamanho, nome do arquivo, tipo do
arquivo, etc.
42
A área de dados é o lugar onde ficam gravados os dados, a informação
propriamente dita. Neste caso as informações são agrupadas em blocos de 512
bytes e o conjunto de oito destes blocos formam um cluster, neste caso em
específico no tamanho de 4KB.
A FAT é que define onde na área de dados estão localizados os blocos que
contém a informação de um determinado arquivo. O FAT é composto por
agrupamentos, que são compostos por 12 ou 16 bits (FAT 12 ou FAT16). Cada
agrupamento de 12 bits por exemplo, corresponde a uma área de corresponde na
área de dados denominada cluster. Abaixo serão mostrados alguns exemplos de
modo a facilitar a compreensão deste sistema.
O agrupamento 0 e 1 da área de FAT são padrões, a partir do agrupamento 2,
cada agrupamento poderá ter três tipos de informação:
• 000H indica que o agrupamento esta livre e que poderá ser usado.
• FFFH indica que é o último agrupamento de um arquivo.
• XXXH indica qual é o próximo agrupamento em que a próxima parte do
arquivo será gravada. Segue abaixo um exemplo para tentar facilitar o entendimento
deste padrão:
Um arquivo de 11Kbytes ocupa 3 cluster’s, pois cada cluster possui 4 Kbytes.
Na tabela FAT cada agrupamento indica um cluster, então se este fosse o primeiro
arquivo do dispositivo, o agrupamento 2 teria a informação 003h indicando que este
arquivo continua no agrupamento 3. A informação do agrupamento 3 é igual a 004H
indicando que este arquivo continua no agrupamento 4 e no agrupamento 4
teríamos a informação FFFh indicando que este é o ultimo agrupamento deste
arquivo, isto totalizaria 3 agrupamentos. Este exemplo é ilustrado na figura 3.9.
Figura 3. 9 – Exemplo Tabela de Alocação de Arquivo.
003h
004h
FFFh
000h
000h
000h
000h
000h
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
43
3.3 Sistema Visualizador de ECG.
O sistema visualizador é composto por um hardware comercial, conforme
descrito no capítulo 2, e por um software denominado Aplicativo Visualizador.
O Aplicativo Visualizador tem a finalidade de obter as informações contidas no
cartão de memória e processá-las de forma a mostrá-las na tela do computador
graficamente.
Este módulo tem como função acessar o cartão de memória, através do leitor
de cartão de memória. O arquivo contido no cartão de memória poderá ser
manipulado no Sistema Operacional Windows, da mesma forma que um arquivo
qualquer é manipulado, podendo ser copiado para outro diretório, movido, excluído,
etc. O aplicativo possibilita que o arquivo que contém as informações do ECG seja
aberto independente do local onde esteja. A informações contidas no arquivo
contém caracteres ASCII que correspondem a valores binários. Estes valores são
convertidos para números que correspondem a níveis de tensão. Os valores
convertidos serão mostrados na área de gráfico do aplicativo.
A figura 3.10 ilustra o protótipo de tela do Aplicativo Visualizador.
Figura 3. 10 – Tela inicial do Aplicativo Visualizador.
44
Conforme a figura 3.10, verifica-se a existência de alguns controles na parte
inferior esquerda da tela, que serão descritos abaixo:
A opção “Abrir Arquivo” tema função de selecionar o arquivo que contém o
ECG, Este arquivo pode estar localizado no cartão de memória ou no disco local do
computador pessoal, conforme verificado na figura 3.11.
A caixa de opção “Segundos por Tela” é utilizada para ampliar o sinal
mostrado na tela. É possível selecionar quantos segundos do sinal do ECG serão
mostrados na tela, quanto menor a quantidade de sinal mostrado na tela, maior será
o detalhamento do sinal do ECG e vice-versa. As figuras 3.12 e 3.13 ilustram o
funcionamento desta opção.
Figura 3. 11 – Opção “Abrir Arquivo” Aplicativo Visualizador.
45
Figura 3. 12 – Opção “Segundos por tela” configurado para a visualizaçaõ de 4 segundos.
Figura 3. 13 – Opção “Segundos por tela” configurado para a visualizaçaõ de 14 segundos.
46
A barra de rolagem localizada abaixo da tela gráfica, permite que as
informações sejam acessadas rapidamente independente da localização dentro do
arquivo. É possível visualizar o sinal do final do arquivo e rapidamente verificar um
sinal do início do arquivo.
O software Visualizador foi implementado utilizando o software de
desenvolvimento C++ Builder 5 da Borland.
Foi utilizado neste aplicativo o objeto Chart do C++ Builder 5, que possui quase
todos os recursos necessários para o desenvolvimento do aplicativo.
47
4. RESULTADOS.
O resultados da implementação pôde ser melhor observado, separando o
projeto em módulos: módulo de aquisição do sinal, módulo de gravação do sinal e
aplicativo Visualizador.
O módulo de aquisição de sinal é o módulo responsável em coletar o
biopotencial, tratá-lo e condicioná-lo entre 0 e 5V. Deste módulo fazem parte os
eletrodos, o amplificador de instrumentação, os filtros e o circuito grampeador.
Os eletrodos utilizados nesta fase foram de grande importância no
desempenho deste módulo. Por se tratar de um Holter, equipamento portátil de
monitoração de longa duração, os eletrodos selecionados para o teste foram de
prata/cloreto de prata (Ag/AgCl) descartáveis que vem incorporados com o gel
condutor. Foram testados três modelos de fabricantes diferentes: Maxicor, Meditrace
e o modelo 2281 da 3M.
Destes modelos testados, o eletrodo da Meditrace, no geral, mostrou melhor
desempenho, tanto quanto a capacidade de captação do sinal no inicio da conexão,
bem como a estabilidade deste sinal no decorrer das horas.
Os eletrodos são conectados no amplificador de instrumentação e a saída
deste componente pode ser verificada na figura 4.1. Observa-se neste sinal a
presença de ruídos de amplitude próxima a do sinal de ECG desejado. Na saída do
amplificador de instrumentação foi conectado um filtro passa-baixa passivo. O
objetivo deste filtro é basicamente eliminar o ruído muscular, que tem como
característica ser um sinal contínuo. O sinal do ECG tem componentes de
freqüência superiores a 0,05 Hz. Baseado nestas duas características, um filtro
passivo de 1ª ordem foi suficiente para a eliminação dos ruídos.
Na figura 4.1 é possível visualizar os ruídos de alta freqüência, estas
interferências puderam ser eliminadas com o uso de dois filtros passa-baixa
Butterworth de 4ª ordem ligados em cascata. Esta configuração é equivalente a um
FPB Butterworth de 8ª ordem. O uso de um filtro nesta ordem é justificado se forem
observados os sinais das figuras 4.2 e 4.3. Estes sinais foram capturados com o uso
de um osciloscópio digital, conectado na saída do primeiro e do segundo filtro
respectivamente.
48
Figura 4.1 – Sinal na saída do Amplificador de Instrumentação.
Figura 4.2 – Sinal na saída do 1° estágio do Filtro Butterworth.
49
A amplitude dos ruídos na saída do primeiro filtro ainda é muito significativa
para o sinal do ECG, e por isto foi necessário o uso de mais um filtro da mesma
ordem para a eliminação total do ruído.
A escolha de um filtro tipo Butterworth foi devido à existência de um circuito
integrado fabricado pela Texas Instruments, que encapsula este tipo de filtro cuja a
ordem é igual a 4, além de também atender a necessidade de filtragem do sinal de
ECG. O CI do filtro Butterworth possibilitou a diminuição das dimensões físicas deste
estágio, além de simplificar a configuração da freqüência de corte.
Figura 4.3 – Sinal na saída do 2° estágio do Filtro Butterworth.
Após os filtros temos o sinal de ECG desejado, mas para que este sinal possa
ser digitalizado é necessário eliminar a parte negativa deste. Para esta eliminação
foi utilizado um circuito grampeador, que adiciona 0,5V ao sinal original, suficiente
para finalidade desejada. Após o grampeador o sinal de ECG está pronto para ser
gravado.
O módulo de gravação do sinal é composto por um conversor A/D, um
microcontrolador e uma mídia de gravação.
50
O microcontrolador foi programado com o auxílio do aplicativo CCS. Isto
permitiu que ó código fosse escrito em linguagem de programação C++ e que depois
fosse convertido em código de máquina (assembly).
Devido o conversor A/D ser incorporado ao microcontrolador PIC16F876, foi
possível definir a freqüência de amostragem de sinal pelo código. Para verificar se a
conversão estava adequada, foi utilizada a comunicação serial do microcontrolador
para visualizar os dados convertidos, no terminal do computador (PEREIRA, 2002).
Depois dos dados serem gravados no sistema de arquivo FAT12 no cartão de
memória CF, foi verificado que o sistema operacional Windows reconhecia
adequadamente o arquivo gravado.
Todos os procedimentos necessários para captar o sinal foram realizados pelo
processador PIC 16f876, que possui as mesmas características do PIC 16F877
proposto no projeto inicial, mas com menos portas de I/O e de tamanho reduzido em
relação ao primeiro (28 pinos). Durante a implementação do projeto foi necessário
configurar a comunicação serial com o PIC para ser utilizada como debug e através
dela foi possível visualizar o conteúdo da memória do cartão CF, o que facilitou o
entendimento do funcionamento das funções do cartão e principalmente do
funcionamento do padrão FAT.
Muito tempo foi necessário para entender e aprender o sistema de alocação de
arquivo FAT. As dificuldades neste item foram à falta de livros que tratasse deste
assunto e a difícil compreensão da literatura existente. Esta dificuldade ocorre, pois
o gerenciamento da gravação de arquivos é normalmente uma tarefa atribuída ao
sistema operacional.
Problema similar ao anterior foi encontrado entendimento sobre o padrão CF-
ATA, que é o padrão utilizado na manipulação dos dados do cartão CF. A única
referência confiável neste assunto foi o documento “CF+ & CF Specification” que
continha todas as informações necessárias, mas que também não era de fácil
compreensão.
O software Visualizador tem como finalidade abrir o arquivo que contém o sinal
e mostrá-lo graficamente.
Para testar este software, foi inicialmente gravado um arquivo contendo o sinal
de ECG coletado durante 20 minutos. O arquivo de ECG foi aberto pelo aplicativo e
as suas informações foram mostradas na tela do computador. Foi verificado que a
informação gráfica do aplicativo era similar ao sinal obtido na saída do circuito
51
grampeador. Para verificar o sinal na saída do grampeador, foi utilizado um
osciloscópio digital.
O hardware do Holter Digital de ECG utiliza tensão simétrica que foi suprida
com o uso do componente PT5062 da Texas Instruments.
O protótipo do Hardware do Holter Digital de ECG pode ser observado na
figura 4.4.
Figura 4.4 – Protótipo do Hardware do Holter Digital de ECG.
52
5. CONCLUSÃO:
Com o projeto do holter de ECG foi possível verificar a complexidade em tratar
sinais de baixa amplitude e em realizar a gravação destes em um cartão de memória
CF.
Verificou-se a importância da conexão dos eletrodos no paciente. Um eletrodo
mal colocado gera potencial de meia-célula, que causa alteração na linha de base
do sinal de ECG. A alteração da linha de base pode causar a saturação do sinal.
A implementação da gravação possibilitou o aprendizado da utilização de uma
recente inovação tecnológica, o cartão de memória que a cada dia fica mais
presentes nos equipamentos atuais, tais como kits de AHDL da Altera, urnas
eletrônicas, etc... Permitiu ainda criar, em um equipamento portátil, o gerenciamento
de memória no padrão FAT.
O projeto como produto comercial tem algumas deficiências que com o devido
tempo poderão ser sanadas com relativa facilidade.
Foi possível verificar que o gerenciamento do projeto somente será eficiente e
preciso, se o projetista tiver amplos conhecimentos dos componentes e técnicas, a
serem utilizados no projeto.
A formação de equipe para a realização de um projeto nesta área possibilitaria
projetos melhor implementados com qualidade comercial, sendo que um integrante
da equipe poderia ficar focado somente no sistema de aquisição, podendo se
aprofundar no aspecto fisiológico do coração, um segundo integrante no sistema de
gravação do cartão de memória, isto possibilitaria a implementação de facilidades
adicionais ao circuito, que fazem o diferencial entre produtos no aspecto comercial, e
uma terceira pessoa seria responsável somente pelo software Visualizador. Isto
possibilitaria a realização de estudo com profundidade do ambiente onde seria
utilizado o software (Estudo de caso), possibilitando a implementação de um
aplicativo condizente com as expectativas do mercado e dos profissionais.
53
6. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA WEBSTER, John G. (Ed.). Medical Instrumentation: Application and Design, 3rd edition. New York: John Wiley & Sons, 1998. BUTTON, Vera Lucia da Silveira Nantes (DOCENTE); Eletrocardiógrafo e monitor cardíaco, DESENV. MATER. DIDÁTICO/INSTRUM., (TEXTO DE APOIO), 02/2002 SOUZA, David José de. Conectando o PIC – Explorando Recursos Avançados 1ª. Edição Revisão 3. J.J. Carol Editora Perdizes – SP, 2002. GANONG, William F. Fisiologia Médica, 17ª Edição Prentice-Hall do Brasil – RJ, 1995. PEREIRA, Fabio. Microcontroladores PIC – Programação em C, 2ª. Edição Editora Érica – SP, 2003. PEREIRA, Fabio. Microcontroladores PIC – Técnicas Avançadas, 1ª. Edição Editora Érica – SP, 2002. GUYTON, Arthur C., HALL, John E. Fisiologia Humana e Mecanismos das Doenças, 6a. Edição. Editora Guanabara - RJ, 1997. GUYTON, Arthur C., HALL, John E. Tratado de Fisiologia Médica, 9a. Edição. Editora Guanabara - RJ, 1996. SOSA, Eduardo A. Consenso SOCESP - SBC sobre Eletrocardiografia pelo Sistema Holter - SP, 2001. http://cientifico.cardiol.br/ PERTENCE JR, Antonio Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos, 6ª Edição. Editora Bookman. SP, 2003. ECAFIX Holter GBI 3S – Especificações Técnicas, 2003 http://www.ecafix.com.br/pro_idx.htm COMPACTFLASH CF+ & CF Specification, REV. 2.0. CompactFlash Association, 2003.
54
ANEXO 1 – DIAGRAMA ESQUEMÁTICO – HOLTER DIGITAL DE ECG
U6
INA128
23
4
6
7
518
-VIN+VIN
V-
VO
V+
REFRGRG
J4 Referencia
321
VCC
VEE
-
+
U8D
TL084
12
1314
41
1
J3 Eletrodo_B
321
U12
TLC04/SO
8
1
5
2
3
74
FLTR
CLK
OUT
CLKR
LS
+VCC-VCC
R11 10k
C310nF
C110nF
D1
LED
R1810k
VCC_D
R15
330 Ohms
C210nF
C4100nF
VEE
VCC_D
VCC_D
J2 Eletrodo_A
321
Y1
20Mhz
-
+
U8C
TL084
10
98
41
1
R4 47
VCC_D
U13
PIC16F876
1
234567
910
1112131415161718
20
2122232425262728
MCLR/VPP/T HV
RA0/AN0RA1/AN1
RA2/AN2/VREF-RA3/AN3/VREF+
RA4/T0CKIRA5/AN4/SS
OSC1/CLKINOSC2/CLKOUT
RC0/T1OSO/T1CKIRC1/T1OSI/CCP2RC2/CCP1RC3/SCK/SCLRC4/SDI/SDARC5/SDORC6/TX/CKRC7/RX/DT
VDD
RB0/INTRB1RB2
RB3/PGMRB4RB5
RB6/PGCRB7/PGD
VCC_D
C610nF
C2
CAP
VCC
R12
7,5k
VCC
R2010k
U10
TLC04/SO
8
1
5
2
3
74
FLTR
CLK
OUT
CLKR
LS
+VCC-VCC
VEE
R1310k
VEE
R1410k
VEE
R312k
ST1CompactFlashConnector
212223
23456
4748492728293031
20191817161514121110
8
9
732
39
36
3435
44
41
2625
46453340244342
13
50
37
38
1
D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15
A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10
/OE
/CE1/CE2
/CSEL
/WE
/IORD/IOWR
/REG
RESET
/CD1/CD2
/BVD1/BVD2
/VS1/VS2
/IOCS16INPACKIORDY
VCC
GND
INTRQ
VCC
GND
C5470uF
R1610k
VCCVCC
VCC
VCC
R10 12k
VEE
R1910k
R16,8k
R2 12k
VCC_D
SW2
Liga/Desl
U12
7805
1 3VIN VOUT
R9 12k
J7
Ent3V
12
8
543
12
7 6
10
2
111
9
PV_O18
V_IN5V_IN4V_IN3
DO NOT CONNECT
GN
D7
GN
D6
PV_O110
GN
D2
V_O ADJMV_O2
PV_O19
55
ANEXO 2 – DATASHEET PIC16F87X
56
ANEXO 3 – DATASHEET TLC04
57
ANEXO 4 – DATASHEET INA128