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Eletrônica médica - Novos Recursos para o Desenvolvimento de Projetos (MA045)

Um segmento de vital importância na eletrônica é o que envolve o desenvolvimento de equipamentos médicos. A Texas Instruments, ciente dessa importância, promoveu recentemente em São Paulo, um seminário em que apresentou novas soluções para a aquisição de dados de baixa intensidade como ocorre em equipamentos do tipo cardiotacômetro, ECG, além de outros. Neste artigo fornecemos alguns dados desta plataforma de grande utilidade para empresas que desejam desenvolver equipamentos nesta área. (2005)

Os sinais elétricos gerados por processos biológicos são bastante fracos e por isso de difícil processamento por circuitos comuns.

Isso exige que equipamentos de uso médico, como os que são usados nos pequenos sinais gerados pelo sistema nervoso, ou de natureza iônica como os gerados pelo miocárdio, tenham uma construção especial no sentido de rejeitar interferências e ruídos externos de todos os tipos, além de precisarem operar com o máximo de segurança.

Sendo conectados a um paciente, eles devem garantir total segurança de operação, mantendo a precisão dos dados capturados e processados.

Para que os leitores tenham uma idéia de como esses equipamentos operam e quais são seus pontos críticos será interessante fazermos uma breve análise de como os sinais elétricos são gerados no organismo humano e o que eles podem nos revelar sobre seu funcionamento.

 

Como os Sinais Biofísicos são Gerados

Conforme mostra a figura 1, as células vivas de nosso organismo são estruturas formadas por íons num meio condutor.

 

 

Assim, dada a diferença entre os íons que existem de um lado de uma membrana celular e os íons existentes do outro lado, uma diferença de potencial que chega aos 70 mV se manifesta,

As próprias células nervosas geram e conduzem tais sinais, de modo a transferir informações entre as diversas partes do corpo humano, conforme mostra a figura 2.

 

 

A célula muscular é outro ponto do organismo em que encontramos potenciais elétricos em ação. Conforme mostra a figura 3 entre a excitação e o repouso temos uma variação de tensão entre +20 e -70 mV, tudo isso ocorre num intervalo da ordem de 2 ms.

 

 

O próprio coração, em seu funcionamento gera sinais elétricos complexos que podem ser detectados externamente. Na figura 4 temos um eletrocardiograma típico, mostrando como, as diferentes fases do batimento cardíaco, fazem com que apareçam externamente sinais específicos de natureza elétrica.

 

 

Não é preciso dizer da importância da interpretação desses sinais no diagnóstico de qualquer anormalidade do funcionamento do coração.

 

Como Captar esses Sinais

O problema principal na captação dos sinais gerados pelo organismo humano sem que haja necessidade de um processo invasivo, está no fato de que eles são fracos de eventualmente distribuídos.

Isso faz com que tenhamos de usar técnicas especiais posicionando eletrodos externos, de modo a tanto captar os sinais com a intensidade desejada e a partir do local desejado como também evitar interferências externas.

Na figura 5 temos uma disposição típica de eletrodos numa pessoa para a elaboração de um eletrocardiograma.

 

 

Os circuitos usados na captação desses sinais também devem ter características especiais.

Os mais usados são os amplificadores operacionais em configurações que apresentam elevadíssimas resistências de entrada (para não carregar os sensores, dada a baixa intensidade dos sinais) seguidos de etapas de ganhos elevados.

Na figura 6 temos uma configuração típica de um amplificador "biológico", muito usado na detecção de sinais gerados não só por pacientes humanos como também em laboratórios de biologia e experimentos com seres vivos em geral.

 

 

Este circuito utiliza dois amplificadores operacionais na entrada, ligados na forma diferencial, de modo a amplificar sinais de dois eletrodos, um colocado no braço esquerdo e outro no braço direito do paciente. Um terceiro amplificador faz a conexão a um eletrodo colocado na perna esquerda.

Essa etapa tem um ganho de tensão de 10 vezes, o que garante uma boa intensidade para o sinal a ser aplicado na etapa seguinte e ao mesmo proporciona uma resistência de entrada muito alta.

Os sinais da etapa anterior são aplicados a um amplificador diferencial com ganho unitário, casando assim a impedância de saída da etapa anterior com a entrada da etapa seguinte. Este amplificador é o A3 na figura.

Temos finalmente a etapa de saída, formada por A4 e A5 contendo um amplificador com ganho 50 e um filtro passa altas, onde o capacitor C determina a freqüência de corte.

A configuração é de um integrador onde a constante de tempo é de 0,05 Hz quando o dispositivo está no modo de diagnóstico e 0,5 Hz no modo de monitoração. Temos ainda uma posição de 2 Hz para o "restore " rápido.

O ganho total do circuito é de 500 vezes e sua alimentação feita com fonte simétrica.

Esta configuração simples monitora apenas um sinal de ECG. No entanto, n a prática é comum que os equipamentos possam monitorar diversos sinais ao mesmo tempo, conforme o circuito da figura 7 que usa 5 eletrodos.

 

 

Na figura 8 mostramos uma configuração com 10 ou 12 eletrodos ligadas diretamente a um multiplexador de sinais (MUX) que os envia a um conversor A/D rápido e depois a um DSP ITMS320C30) de modo a se obter através de D/A sinais para alimentar um display de raios catódicos.

 

 

Fica evidentemente que a conexão de tais circuitos a um paciente deve obedecer a cuidados extremos, principalmente em relação ao isolamento.

 

Placa de Demonstração (Texas Instruments)

Com a finalidade de facilitar o desenvolvimento de projetos que envolvam a captação de sinais a partir do organismo humano tais como monitores de pressão, eletrocardiógrafos e outros equipamentos, a Texas Instruments desenvolveu uma placa de demonstração, mostrada na figura 9.

 

 

Essa placa permite avaliar o desempenho de diversas configurações que podem ser usadas em equipamentos médicos.

Assim, na figura 10 mostramos a sua aplicação numa ponte sonora para medida de pressão.

 

 

Usando um estetoscópio pode-se capturar os sinais sonoros correspondentes tanto a pressão sanguínea como do próprio coração, realizando-se a sua transferência para um circuito de interfaceamento a um dispositivo de registro ou display.

A placa conta com um sensor de pressão que permite operar diretamente com variações de pressões do ar conduzido pelo elemento sensor como sons, a partir de um estetoscópio um de um medidor convencional de pressão arterial.

 

Conclusão

A existência de plataformas de desenvolvimento específicas para a área médica é muito importante para o desenvolvedor de equipamentos tão críticos.

O que vimos foi um exemplo de aplicação fornecido pela Texas Instruments tendo por base uma placa de demonstração para sinais de pequena intensidade como os processados por eletrocadiógrafos, eletroencefalógrafos, medidores de pressão arterial e muitos outros.

Os leitores interessados em desenvolver este tipo de equipamento podem obter muito mais informações na Texas Instruments.

 

Este artigo foi escrito com base em material do Seminário de Aplicações Eletrônicas para o Segmento Médico realizado em 1º de setembro de 2005.

 

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