PATO BRANCO

2015

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELÉTRICA

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ALLAN MAGNO COSTA TEIXEIRA

DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPO PARA AQUISIÇÃO E

EXIBIÇÃO DOS SINAIS DE OXIMETRIA DE PULSO

PROPOSTA DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

1 IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO

Título Desenvolvimento de protótipo para aquisição e exibição dos sinais

de oximetria de pulso

Acadêmico Allan Magno Costa Teixeira

Rua Aimoré, 430, Apartamento 406, Pato Branco – Paraná

allanteixeira@alunos.utfpr.edu.br

(46) 8414-8439

Orientador Ricardo Bernardi

Via do Conhecimento, km 01, Pato Branco – Paraná

ricardobernardi@utfpr.edu.br

(46) 9119-4551

Área de concentração Sistemas Digitais; Sistemas Eletrônicos; Instrumentação

Biomédica

2 CARACTERIZAÇÃO E JUSTIFICATIVA DO TCC

A humanidade está destinada a buscar cada vez mais conhecimento, tornando o

homem um ser capaz de desenvolver tecnologias que podem melhorar tudo e todos ao seu

entorno, atuando nas mais diversas áreas do conhecimento. Visando prolongar a expectativa de

vida humana, buscou-se métodos para análise e/ou monitoramento do funcionamento do

sistema vital, os quais possibilitaram a detecção das causas de algum tipo de patologia, podendo

assim atuar objetivamente no tratamento ou até mesmo identificar organismos que

apresentavam características que indicavam pré-disposição ao desenvolvimento de tal quadro,

tornando passível a implantação de um tratamento preventivo. Através da evolução desses

métodos, ao decorrer de décadas, conseguiu-se melhorar a qualidade e expectativa de vida.

A medicina, historicamente, vem buscando meios para melhorar a capacidade

de monitoramento dos sinais vitais humanos, com o intuito de utilizá-los nas mais diversas

situações. Com os avanços tecnológicos, nas áreas eletrônica e digital, advindos do século XX,

fez-se necessário o sombreamento entre essas áreas de conhecimento, visando impulsionar o

desenvolvimento tecnológico dos métodos de análise e monitoramento de pacientes.

Em um artigo escrito por Matthes (1935), no início do século XX, fora feita uma

análise histórica do surgimento da necessidade de se monitorar e registrar os níveis de saturação

de oxigênio arterial. Estudos dos distúrbios detectados em cobaias animais, durante o período

em que os indivíduos encontram-se sob efeito do procedimento anestésico, geralmente

empregado em cirurgias, mostraram que ocorrem alterações no ritmo respiratório e,

consequentemente, geram-se distúrbios nos níveis de saturação de oxigênio.

A saturação de oxigênio do sangue tornou-se passível de ser mensurada através

do método desenvolvido por Hünter, porém tal procedimento permitia apenas a análise de uma

única amostragem, a qual era inviável de ser repetida muitas vezes, pelo fato de ser invasiva

(MATTHES, 1935). Em decorrência dessa limitação, surge como uma opção o oxímetro, o qual

tem como método de captura de amostras um sensor óptico, apresentando-se como método não

invasivo e passível de ser aplicado inúmeras vezes, de maneira sequenciada e em curtos

intervalos de tempo. A obtenção dos sinais necessários para determinação dos níveis de

saturação é feita através da ponta do dedo ou do lóbulo da orelha (KUSHIMA, 2014).

Os oxímetros digitais são frequentemente utilizados nas unidades de terapia

intensiva, sendo considerado o quinto sinal vital dentro da medicina moderna. Por não ser um

método invasivo e com boa precisão, o oxímetro digital torna-se cada vez mais importante na

medicina. Este dispositivo também ganha mais destaque por dispor de uma velocidade

considerável para se conseguir realizar medições, sendo utilizados por indivíduos que

demandem de um acompanhamento dos níveis de oxigenação a serem injetados

adicionalmente, tais como indivíduos com problemas respiratórios e alguns pilotos de grupos

específicos de aeronaves (SANTINI, 2010).

De modo geral, a estrutura de um oxímetro digital consiste em um par de diodos

emissores de luz, sendo um com emissão de luz de comprimento de onda de 660nm (faixa

vermelha) e outro emite uma onda de comprimento de onda de 895nm (faixa infravermelho), e

um fotodiodo, o qual irá fazer a detecção dos níveis de luz resultantes da emissão de feixes

contra algumas partes especificas do corpo humano. Isso gera uma absorção desses

comprimentos de onda, gerando uma diferença entre a oxiemoglobina e sua forma

desoxigenada. Através dessa variação entre os níveis consegue-se estimar a taxa de

concentração (SANTINI, 2010).

Diante de tal cenário, faz-se relevante o desenvolvimento de um oxímetro digital

de pulso que possua uma interface gráfica que a presente o sinal de fotopletismografia e a taxa

percentual de saturação de oxigênio no sangue, propiciando aos profissionais que irão operar

tais equipamentos, o acesso a um meio de apresentação de informações vitais dos dados do

paciente mais intuitivo e de fácil compreensão. Integrado ao sistema, é oportuno, e torna mais

prático, a implantação de um sinalizador sonoro, o qual terá como função indicar o ritmo do

pulso e, de modo intuitivo, através da variação na intensidade do som, de tal modo que a

intensidade eleve-se conforme os níveis percentuais vão ficando críticos, possibilitando uma

rápida e prática detecção de possíveis problemas com os sinais vitais do paciente monitorado.

Atrelado as partes do projeto, é válido o desenvolvimento de um sistema que apresente um

funcionamento apropriado, de modo que venha apresentar um sistema com bons níveis de

estabilidade e confiabilidade, pois emprego pode ser crucial no suporte a vida humana, e

também possua um consumo de energia reduzido.

3 OBJETIVOS E METAS

3.1 OBJETIVO GERAL

Desenvolver protótipo de oxímetro de pulso, apresentando sinal de oximetria, as

formas de ondas de fotopletismografia, taxa percentual estimada da saturação de oxigênio do

sangue arterial, informação numérica da frequência cardíaca, ambos indicados através de um

visor gráfico, atrelados à indicação sonora do ritmo do pulso, com intensidade variável.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Projetar e implementar sensor óptico, não invasivo, para obtenção da

oximetria do pulso;

Projetar e implementar o sistema de controle do sensor óptico através de um

microcontrolador;

Desenvolver e implementar código para aquisição e tratamento das

informações obtidas através do sensor, por meio de microcontrolador;

Implementar algoritmo para estimar o nível percentual de saturação de

oxigênio do sangue arterial;

Desenvolver e implementar interface de apresentação de dados para

monitoramento, através de uma tela de cristal líquido, indicando o nível

percentual da saturação de oxigênio e exibindo a forma de onda proveniente

do sinal da oximetria;

Projetar e implementar indicador sonoro do ritmo do pulso, variando

gradativamente a intensidade, conforme a alteração nos níveis de oxigênio,

sendo menos intensa quando está dentro do normal, e elevando-se quando o

nível de oxigênio estiver reduzindo.

4 METODOLOGIA E PROCEDIMENTOS

4.1 MÉTODO DE PESQUISA

Visando o projeto do sistema de aquisição do sinal de oximetria será elaborado

um circuito eletrônico, baseando-se em literaturas que abordem tal conteúdo, aplicando

conceitos básicos de circuitos elétricos e eletrônica, voltados ao desenvolvimento de um

circuito composto, em essência, por diodos e fotodiodo, com o intuito de obter um espectro de

luz, o qual possibilite estimar saturação de oxigênio no sangue, como apresentado em um

trabalho escrito por Martins (2010). Tal sistema também compõe-se por circuitos de

condicionamento de sinais, para que o dispositivo de aquisição venha a receber informações

que melhor representem os dados do organismo analisado, as quais são necessárias para o

cálculo aproximado da saturação.

Concomitante ao sensor óptico, faz-se necessário uma central de comando, para

monitoramento e processamento dos sinais, analógicos e digitais, voltados a obtenção de

informações, referentes as leituras obtidas por meio do sensor. Designado para tal função, far-

se-á utilização de um dispositivo microcontrolador, por ter-se maior familiaridade com o

dispositivo e também pelo fato de que dispõem de estruturas necessárias – conversores de sinal,

analógico para digital, e, através do envio de comandos a um circuito conversor de sinal digital

para analógico, converter as informações digitais em sinais analógicos – para operação em tal

aplicação, com um baixo consumo de energia. Para elaboração, será necessário o estudo

aprofundado sobre os microcontroladores para que se defina um dispositivo que melhor se

enquadre nessa aplicação.

A interface para apresentação das informações ao usuário será composta por um

visor de cristal líquido, de modo que seja possível a exibição da forma gráfica do sinal de

fotopletismografia e da taxa percentual de saturação de oxigênio no sangue. Com isso, utilizar-

se-á de conceitos voltados ao acionamento matricial do visor, fazendo-se necessária a leitura

das fontes de informações referentes aos métodos de acionamento e funcionamento, especifico

do fabricante que venha a ser definido. A implantação de um monitor visa complementar e

facilitar o acesso as informações obtidas do indivíduo que se encontra em análise, tornando

mais dinâmico o acompanhamento.

Como dispositivo complementar, será elaborado um circuito emissor de sinal

sonoro, através de um arranjo eletrônico, voltado ao acionamento de um alto-falante. O sistema

sonoro terá por finalidade a indicação do ritmo do pulso, variando gradativamente a intensidade,

de maneira condizente com a alteração nos níveis de oxigênio, sendo menos intensa quando

está dentro do normal e elevando-se quando o nível de oxigênio estiver baixo.

4.2 PLANO DE TRABALHO

Etapa 1 – Revisão de documentos bibliográficos, eletrônicos e demais formas.

Análise e revisão dos conceitos a serem aplicados no desenvolvimento do projeto

envolve, em suma, a consulta à documentos bibliográficos, eletrônicos e demais formas, os

quais venham abordar conteúdos demandados para o desenvolvimento das partes que compõe

o protótipo.

Etapa 2 – Projeto e implementação do sensor óptico.

Período designado ao projeto do circuito eletrônico que constitui o sensor óptico,

visando a elaboração da lista de materiais necessários para implementação do sistema, bem

como determinação de seus parâmetros de funcionamento. Com intuito de analisar a viabilidade

funcional do circuito, será necessária a simulação via programa de computador PSIM,

desenvolvido pela empresa Powersim, visando o levantamento de possíveis falhas e/ou

limitações. Com o circuito devidamente projetado, será realizada sua implementação física para

realização de testes de operação e análise de funcionamento, voltados à constatação, ou não,

dos parâmetros obtidos via simulação. Por fim, para melhor apresentação estética do protótipo

e redução de possíveis interferências que são comuns em circuitos implementados através das

matrizes de contatos, será realizada a confecção de uma placa de circuito impresso (PCI), com

layout elaborado através do programa Easily Applicable Graphical Layout Editor (EAGLE),

desenvolvido pela CadSoft Computer. É válido ressaltar que esta etapa irá transcorrer em

paralelo com as etapas 3, 4 e 5.

Etapa 3 – Desenvolvimento de código voltado à implementação em microcontrolador.

Elaboração de código em linguagem C/C++, através da ferramenta de

desenvolvimento, a qual, geralmente, é disponibilizada gratuitamente pela fabricante do

microcontrolador. Em comum desenvolvimento com demais etapas, a estrutura consistirá, de

maneira sucinta, em um trecho de código destinado ao controle da operação do sistema de

sensor óptico, comandando o acionamento dos diodos emissores de luz e gerenciando o

processo de leitura e conversão dos sinais elétricos fornecidos pelo fotodiodo, ou por um

fototransistor, sendo relevante para a escolha do componente que melhor se enquadrar nas

necessidades e parâmetros do circuito. O segmento do programa, responsável pela apresentação

na tela de cristal líquido, terá como função o envio das informações referentes a oximetria,

consistindo-se na curva do sinal de fotopletismografia e do nível percentual de saturação do

oxigênio, e controle da exibição das informações. E por fim, a estrutura do programa será

composta por trecho responsável pelo acionamento do circuito sonoro, tendo como designação

o envio de sinais elétricos para comando do acionamento do circuito emissor de som.

Etapa 4 – Desenvolvimento de código voltado ao acionamento do visor de cristal

líquido.

Executada em paralelo com a terceira etapa, o desenvolvimento do código

responsável por comandar o visor será composto por uma estrutura que vise a conversão das

informações obtidas pelo microcontrolador, através do tratamento matemático dos dados

obtidos por via sensor óptico, em dados que sejam condizentes com a estrutura de comunicação

do visor, para que se obtenha uma interface esteticamente agradável e fluida.

Etapa 5 – Projeto e implementação do circuito sonoro.

Inicialmente será elaborado o projeto do circuito eletrônico, utilizando-se de

consulta à materiais que fomentem conhecimento relevante ao projeto e desenvolvimento do

sistema. Tendo elaborado o circuito, será utilizado o programa de simulação PSIM, afim de

estudar a viabilidade da implementação e, também, estimar os parâmetros reais de operação,

como consequência de tal procedimento, virá a ser realizado ajustes, caso constatada a

necessidade.

Etapa 6 – Redação do Trabalho de Curso.

Em comum andamento com as etapas anteriores, será elaborada a parte escrita

do trabalho de conclusão de curso. Serão redigidos os textos referentes aos conteúdos de

fundamentação teórica, necessários para o desenvolvimento das etapas, e a relação de

procedimentos de corridos durante a implementação, os quais sejam julgados relevantes.

4.3 CRONOGRAMA

4.4 RECURSOS NECESSÁRIOS

Para o projeto, desenvolvimento e implementação do protótipo faz-se necessário

dois grupos de recursos, sendo eles:

Programas de computador:

PSIM;

Ferramenta de desenvolvimento do código a ser implementado, condizente

com o microcontrolador que virá ser definido (normalmente disponibilizada

pela fabricante);

EAGLE.

Equipamentos:

Placas de fenolite para circuito impresso e demais produtos utilizados para

corrosão;

Dispositivos de medição (multímetro, osciloscópio, entre outros);

Microcontrolador;

Alto-falante;

Componentes eletrônicos em geral (resistores, capacitores, indutores,

amplificadores operacionais, soquetes, conectores, LEDs, fotodiodos, entre

outros).

4.5 RISCOS E DIFICULDADES

Pelo fato de estar residindo em uma cidade considerada interiorana, poderá

ocorrer demora na aquisição de componentes para utilização, ou até mesmo para reposição e/ou

troca, haja vista que se está longe dos grandes centros de comércio de componentes. Em

decorrência desse fator, será necessária a aquisição em quantidade superior à necessária, para

que seja reduzido o tempo de aguardo do envio. Por estar trabalhando com pequenos sinais, os

quais estão mais susceptíveis a interferências eletromagnéticas e de conexão entre contatos, há

também a possibilidade de ocorrerem falhas na operação do dispositivo. Buscando minimizar

tais problemas será realizada a confecção em PCIs. Outro método que poderá trazer uma

melhoria na qualidade dos sinais é a utilização de filtros de frequência, implementados

analógica e digitalmente.

5 RESULTADOS ESPERADOS

Têm-se como esperado, alcançar o objetivo de desenvolver todo o dispositivo, o

qual, ao final dos trabalhos, venha a ser capaz de apresentara forma gráfica do sinal de

fotopletismografia e da taxa percentual de saturação de oxigênio no sangue, por meio de um

visor de cristal líquido, bem como, apresentar a frequência cardíaca e indicar o ritmo do pulso

através de um alto-falante, o qual venha a apresentar variação na intensidade sonora de maneira

condizente comum a variação proporcional da saturação de oxigênio no sangue. Atrelado ao

projeto, será analisado a escolha de componentes que venham a atender de maneira satisfatória

as necessidades de funcionamento do protótipo e também apresente um custo de

desenvolvimento reduzido, engajados à um baixo consumo de energia.

6 RFERÊNCIAS

MATTHES, K.. Untersuchungenüber die sauerstoffsättigung des menschlichen arterienblute.

Naunyn-Schmiedebergs Archiv für experimentelle Pathologie und Pharmakologie,

Springer-Verlag, v. 179, n. 6, p. 698–711, 1935. ISSN 0365-2009. Disponível em:

<http://dx.doi.org/10.1007/BF01862691>. Acesso em: 25 mar 2015.

KUSHIMA, Márcio A.. Oxímetro de pulso para medição da oxigenação periférica e

pulsação cardíaca com interface via web. 80 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação)

– Curso Superior de Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica. Universidade de São Paulo

– Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Engenharia Elétrica, São Carlos, SP,

2014. Disponível em: <http://www.tcc.sc.usp.br/tce/disponiveis/18/180450/tce-26012015-

141909/publico/Kushima_Mario_Augusto.pdf>. Acesso em: 30 mar 2015.

SANTINI, Tales R. de S.. Projeto de um Oxímetro de Pulso com comunicação USB. 2010.

49f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Curso Superior de Engenharia Elétrica.

Universidade de São Paulo – Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos, SP, 2010.

Disponível em: <http://www.tcc.sc.usp.br/tce/disponiveis/18/180500/tce-17112011-

111219/publico/Santini_Tales_Roberto_de_souza.pdf>. Acesso em: 28 mar 2015.

MARTINS, Rui M. S.. Desenvolvimento de um Sensor de Fotopletismografia para

Monitorização Cardíaca para aplicação no Pulso. 90 f. Dissertação (Mestrado em

Engenharia Biomédica) — Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de Coimbra,

Coimbra, Portugal, 2010. Disponível em:

<https://estudogeral.sib.uc.pt/jspui/bitstream/10316/14086/1/Tese_MIEB_Rui%20Martins.pdf

>. Acesso em: 21 mar 2015.