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