Eletrocardiógrafo Portátil para Smartphone

ECG portátil que possa ser acoplado e conectado junto ao celular possibilitando que qualquer pessoa consiga em qualquer lugar fazer de forma simples e rápida a visualização de sua própria atividade cardíaca

O eletrocardiograma ( ECG ) é um exame que possibilita a avaliação da atividade elétrica do coração através da diferença de potencial entre dois eletrodos

Para a realização do exame do eletrocardiograma normalmente são utilizados 12 pontos de medidas, originando as várias derivações, em nosso projeto iremos utilizar apenas 3 derivações que são as mínimas necessárias para a medição

Descrição

Triângulo de Einthoven:Einthoven imaginou o coração dentro de um triângulo

equilátero. Para a medição da atividade elétrica do coração é necessário somar as derivações através das medições das diferenças de potencial dentre os pontos dos vértices deste triângulo. Einthoven utilizou-se da Segunda Lei de Kirchoff aplicando o conceito que em um circuito fechado, a soma das diferenças de potencial é igual à zero

Descrição

Motivação

Fonte: World Health Organization

Motivação

Fonte: World Health Organization

Motivação

O Brasil está entre os 10 países com maior índice de mortes por doenças cardiovasculares, representando 29,4% de todas as mortes em um ano, o que em números é aproximadamente 308 mil pessoas, segundo o site do Ministério da Saúde.

Motivação

Muitos problemas cardíacos alteram a assinatura elétrica do coração de formas distintas. O registro que o eletrocardiograma faz da atividade elétrica ajuda a revelar vários problemas cardíacos como: ataque do coração, falta de fluxo sanguíneo no músculo cardíaco, batimento irregular do coração e falta de força no bombeamento do coração.

Os registros do eletrocardiograma podem ajudar os médicos a diagnosticarem um ataque cardíaco que está acontecendo ou que ocorreu no passado. Isso é particularmente verdadeiro quando o médico pode comparar o eletrocardiograma atual com um antigo. Os registros do eletrocardiograma também revelam: músculo cardíaco muito grosso ou partes do coração muito

grandes, defeitos de nascença no coração, doença nas válvulas cardíacas. Um eletrocardiograma

também mostra se o batimento cardíaco começa na parte superior direita do coração como deveria e o tempo que leva para os sinais elétricos atravessarem o coração.

Motivação

Nem sempre é possível detectar alguma anomalia ao se realizar o exame em um hospital ou em um consultório, pois naquele momento em que o exame está sendo realizado o coração pode não apresentar nenhuma alteração. Para que se possa detectar algum problema no funcionamento do coração é necessário que o exame de eletrocardiograma seja realizado no momento em que está acontecendo alguma anomalia.

Os principais sintomas decorrentes de problemas cardíacos são: desconforto no peito, dor em outras partes do corpo, falta de ar, fraqueza extrema. Sendo que estes sintomas não podem ser classificados exclusivamente como enfarte, existem algumas classificações que permitem ter um diagnóstico mais preciso.

Nos Estados Unidos, a ausência de triagem correta é responsável por cerca de cinco a oito bilhões de dólares de gastos desnecessários por ano. O diagnóstico eficiente pode evitar que essas pessoas sejam hospitalizadas desnecessariamente. Além do que um eletrocardiograma portátil poderia ser utilizado por pessoas sem nenhum histórico de problemas cardíacos, apenas sendo utilizado por precaução, isto resultaria em um desafogamento nos hospitais.

Diagrama de Blocos

Circuito de Proteção

Eletrodos

Amplificador FPB FPA FRF

Filtro Bloqueiode Offset

Filtro Anti-Aliasing

ConversorA/D

Microcontrolador

Ligação USB Interface USB Microcontrolador

Restaurador DC

Pré-Amplificador diferencial

O amplificador de instrumentação deve ter elevada razão de rejeição demodo comum, para minimizar ruídos que surgem eventualmente nas entradasdo circuito e contaminam o sinal de interesse.A pré-amplificação diferencial tem baixo ganho devido a possível saturação do sinal de interesse.

Foi utilizado o amplificador INA-326 da Burr-Brow. Sua configuração diferencial melhora a redução do ruído de modo comum com um CMMR de aproximadamente 114dB.

Pré-Amplificador diferencial

O ganho diferencial do primeiro estágio é dado por:𝐴𝑑=

Segundo a figura abaixo, o ganho diferencial deve utilizar valores baixos não ultrapassando 10.

Assim, definindo R9 = 200kΩ, e fixando um ganho de 5, R3+R =80KΩ, logo R3 =40kΩ e R6 = 40kΩ.

Consiste de um filtro analógico na topologia Sallen-Key do tipo Butterworth que apresenta a faixa de passagem plana com relação ao ganho apesar de possuir fase não linear.

A escolha pesou entre o filtro Bessel que possui ganho com oscilações e fase linear e o Butterworth. Pela melhor relação custo-benefício optou-se pelo segundo tipo.O custo benefício se resume no fato de que para o sinal de diagnóstico a distorção de fase é menos importante que a distorção de amplitude.O filtro projetado é de segunda ordem com frequência de corte de 0,05hz para eliminar o offset provocado pelo contato dos eletrodos com a pele.

Filtro Passa Alta

Filtro Passa Alta

Onde a relação é dada por:

R1 = R2 = R C1 = C2 = C Ao = 1+R4/R3

Para um filtro de ordem n=2 temos que:

𝑄( )= ²+ +1 e H(s)= 𝑠 𝑠 𝑠

Filtro Passa Baixa

Assim como o módulo filtro passa-altas, consiste de um filtro na topologia Sallen-Key do tipo Butterworth de segunda ordem.A frequência de corte do filtro foi projetada em 200hz para permitir a detecção de potenciais tardios ventriculares e eliminar o efeito de aliasing digitalização.

Onde a relação é dado por :

R1 = R2 = R C1 = C2 = C Ao = 1+R4/R3

Filtro Rejeita Faixa (Notch)

Com objetivo de eliminar o ruído de 60hz, utilizou-se em adição ao amplificador de instrumentação, o filtro Notch Duplo-T combinado com um amplificador operacional na configuração seguidor de tensão, conforme apresentado na Figura . Com a adição dos amplificadores operacionais, a carga passa a ficar isolada do circuito e o filtro apresenta uma resposta em frequência mais estável, não variando em função da carga. Outro ponto viabilizado pela adição do operacional é a possibilidade de ajuste no parâmetro Q do filtro. Quanto maior for o nível de sinal reinjetado na interseção RC, melhor o parâmetro.

Filtro Rejeita Faixa (Notch)

A equação simplificada da frequência de corte do filtro da Figura é dada por:

Wo=

Microcontrolador

É grande a gama de microcontroladores que podem ser utilizados para a aplicação sugerida, dentro das especificações que serão descritas neste projeto, mas o objetivo inicial deste é a prototipagem de um eletrocardiógrafo portátil.

Partindo deste ponto encontraram-se dispositivos como o Raspberry PI, um minicomputador que poderia perfeitamente ser utilizado para a aplicação em questão, mas o dispositivo que se mostrou mais indicado foi o Arduíno.

O Arduíno, diferentemente do Raspberry PI, é um microcontrolador com fácil acesso as entradas analógicas, conversores, sensores e portas de comunicação. O que o torna mais atraente é a grande diversidade de Shields.Um Shield é uma extensão do hardware do Arduíno que pode adicionar uma funcionalidade para a plataforma, como por exemplo, uma entrada ethernet, caso ele já não a possua.

Microcontrolador

Essa grande diversidade de extensões e o fato dele ser OPEN SOURCE, fez com que muitos desenvolvedores de projetos eletrônicos optassem por sua utilização. Existe, portanto, uma grande comunidade científica que suporta projetos com o Arduíno.

MicrocontroladorNeste projeto será utilizado o Arduíno Due, modelo que já possui

comunicação serial host/device USB, descrita neste projeto, conversor analógico-digital de 10 ou 12 bits com taxa de conversão de 1MHZ e 16 entradas analógicas. Estas são especificações que satisfazem as necessidades que o projeto possui, baseando-se nas especificações da coleta do ECG.

MicrocontroladorA programação do microcontrolador deverá ser feita em C ou em C++

em um software do próprio arduíno e abranger as seguintes funções:-A aquisição de três potenciais elétricos do ECG (D1, D2 e D3), que

correspondem ao potencial do braço direito, potencial do braço esquerdo e potencial da perna direita, o microcontrolador será responsável por algumas operações para a obtenção das três derivações que desejamos.

-A geração dos gráficos das derivações poderá ser implementada no próprio microcontrolador ou posteriormente em um dispositivo smartphone.

A aquisição desses potenciais deve ser acionada por um aplicativo feito para um smartphone. Este aplicativo deverá iniciar a coleta dos potenciais elétricos bem como transmiti-los para um banco de dados em um servidor.

Este Servidor deverá servir de base de dados para exames de eletrocardiograma bem como diagnóstico rápido de anomalia no funcionamento do coração e possível sinalização para o usuário.

SmartphoneA exemplo do arduíno escolheu-se o dispositivo com android para

desenvolvimento do aplicativo que controlará o microcontrolador e todo processo de aquisição do ECG porque este é OPEN SOURCE e possui grande comunidade científica suportando projetos com o mesmo.

Comparativamente:

-O desenvolvimento de aplicativos para Iphone é feito apenas em plataforma MAC, enquanto para Android pode ser feito em qualquer plataforma.-O USB da Apple é proprietário, o que significa que, apesar de possuir muitas aplicações e funcionalidades, limita-se para os dispositivos Apple, enquanto o USB do Android pode ser utilizado para diversos dispositivos.-Para desenvolver aplicativo em plataforma Apple é necessário licença de desenvolvedor.

SmartphoneO smartphone será escolhido durante o desenvolvimento do software

respeitando as especificações referentes ao Arduíno Due, para que a comunicação seja possível.

Android

O android pode se comportar como USB HOST ou USB DEVICE bem como o Arduíno Due devido sua porta native USB Host/Device. Segundo a metodologia hub-and-spoke onde o host participa de todas as comunicações, ou seja, um DEVICE não se comunica com outro DEVICE sem um HOST para intermediar.

Baseando-se nessa topologia, a princípio, o Android se comportará como DEVICE e, portanto, o Arduíno, como HOST.

A linguagem a ser utilizada é o Java, implementada com o IDE do Eclipse (ambiente integrado para desenvolvimento de software) e o Android SDK (kit de desenvolvimento do Android).

O programa a ser desenvolvido para o Android deve ser capaz de comunicar-se com o Arduino através do canal de comunicação adotado plotar gráficos a partir das amostras das derivações do ECG e enviar os gráficos plotados, a priori via 3G, para um servidor web para análise das amostras por um profisional da área de biomedicina.

Utilizaremos o servidor livre mais utilizado da web: o Apache HTTP Server. Apesar do nome ele pode executar, além do protocol HTTP, o HTTPS e FTP e códigos como PHP e ASP, usados para banco de dados, como por exemplo, o MySQL.

Servidor Web