Medidor Digital de Pressão Sanguínea (ART4269)

Os equipamentos de uso médico têm atraído a atenção de muitas empresas de pequeno e médio porte que gostariam de incorporá-los às suas linhas de produtos. Muitos deles, diferentemente do que se possa pensar, podem ser implementados com tecnologia avançada, mas acessível, como é o caso do Medidor Digital de Pressão Sanguínea. Apoiados em ampla documentação fornecida pela Freescale (www.freescale.com), passamos ao leitor as informações fundamentais, e inclusive o diagrama completo desse projeto, que se baseia em um sensor de pressão magnetorresistivo.

 

Nota: O artigo é de 2006. Visite o site da Freescale para versões mais recentes da configuração sugerida.

 

O projeto apresentado é microcontrolado (MC68HCO5B1 6CFN), fornecendo o resultado da medida da pressão num display de cristal líquido de 8 dígitos. O circuito sensor extrai informações sobre as pressões sistólica e diastólica, enviando-as para o microprocessador que fornece os resultados finais. O sensor de pressão de 50 kPa é do tipo MPXV5050GP, que possui uma faixa de operação de O mm de Hg a 300 mm de Hg.

 

O Método Oscilométrico

O método empregado na maioria dos dispositivos não invasivos é o oscilométrico. Um braço e seus vasos são comprimidos por um manguito inflável.

As pressões do sangue - diastólica e sistólica - são então lidas, fornecendo informações ao microprocessador. Mede-se, portanto, a amplitude das variações de pressão que ocorrem nos dois casos.

Os valores são obtidos quando o manguito vai a uma pressão acima da pressão sistólica. A pressão aumenta subitamente quando os vasos são pressionados com um valor maior do que aquele que o sangue em seu interior faz. O valor obtido no sensor nesse instante é, portanto, muito próximo dessa pressão.

Por outro lado, quando a pressão do anel inflável diminui, a pulsação aumenta em amplitude, alcançando um valor máximo rapidamente. O índice da pressão diastólica é, então, tomado quando essa transição rápida começa.

Isso significa que a pressão sanguínea sistólica (SBP) e a pressão sanguínea diastólica (DBP) são obtidas pela identificação da região onde ocorre um rápido aumento e diminuição da pulsação. A pulsação arterial média (MAP) é então localizada no ponto de oscilação máxima.

 

O Projeto

A pressão no manguito inflável é sensoriada por um transdutor de pressão X-ducer. A saída do sensor é separada em dois circuitos para duas finalidades diferentes.

Uma é usada para o circuito de pressão ao mesmo tempo em que a outra é enviada ao processamento.

Como o sensor MPXV5050GP tem o sinal condicionado por um amplificador operacional interno, a pressão no manguito inflável pode ser enviada diretamente a um conversor analógico-para-digital (ADC) para digitalização.

O outro sinal obtido será amplificado e filtrado para se obter as oscilações do pulso, que são causadas pela expansão do braço do paciente todas as vezes em que a pressão no braço aumenta, durante a sístole cardíaca.

A saída do circuito consiste, então, em dois sinais: o sinal de oscilação de aproximadamente 1 Hz e o sinal da pulsação menor do que 0,04 Hz. (CP).

Nesse ponto entra em ação um filtro passa-altas que é projetado para bloquear o sinal de pulsação (CP), deixando passar para a amplificação apenas o sinal da oscilação. Na figura 1 temos o circuito usado para amplificação do sinal de oscilação da pressão.

O filtro tem por base duas redes RC que determinam duas frequências de corte. Esses dois circuitos devem ser bem escolhidos para garantir que o sinal não seja distorcido ou perdido. Na figura 2 vemos a curva de resposta obtida para esse filtro.

 

 


 

 

 


 

 

 

O sinal de oscilação varia de pessoa para pessoa. Em geral, varia de menos de 1 mm Hg a 3 mm de Hg. Para a função de transferência do sensor MPXV5050GP, isso será transladado para uma faixa de tensões de saída de 12 mV a 36 mV.

 

Como o filtro fornece uma atenuação de 10 dB para o sinal de 1 Hz, o sinal de oscilação será reduzido para a faixa de 3,8 mV a 11,4 mV.

 

Experimentos indicam que o fator de amplificação do amplificador é escolhido para ser 150. Assim, o sinal de oscilação amplificado irá ficar na faixa de 5,0 mV a 3,5 V. A figura 3 mostra a saída do sensor de pressão.

 


 

 

 

Na figura 4 temos o sinal de oscilação extraído na saída do amplificador.

 


 

 

 

O esquema completo do Medidor de Pressão Digital é ilustrado na figura 5. Observe que o sensor é conectado a PORT D (bit 5), e a saída do amplificador é ligada a PORT D (bit 6) do microcontrolador.

 

Essa porta é uma entrada para o conversor analógico-para-digital (ADC) on-chip de 8 bits do microcontrolador escolhido para a aplicação. O sensor de pressão fornece uma saída de 0,2 V dc com 0 mm Hg a 4,7 Vdc com 375 mm de Hg para o microcontrolador, enquanto que o amplificador fornece um sinal de 0,005 V a 3,65 V.

 

De modo a maximizar a resolução, referências separadas de tensão para o ADC podem ser usadas, em lugar de utilizar os 5 V da alimentação. No exemplo dado, a faixa de entrada do ADC é fixada entre O Vdc e 3,8 Vdc.

 

Isso comprimirá a faixa do ADC em torno de O mm Hg a 300 mm Hg de modo a maximizar a resolução, de O a 255 na contagem do conversor AD. Para o medidor indicado, tal fato representa uma resolução de 1,24 mm de Hg no sensor.

 

O divisor de tensão formado por R5 e R6 é ligado à alimentação de 5 V do sistema. A saída do sensor depende da tensão aplicada. O sensor de pressão e o divisor de tensão são ligados a uma fonte comum, o que significa que o sistema também é relaciométrico.

 


 

 

 

Pela natureza dos dois sistemas que têm esse comportamento relaciométrico, variações na tensão de alimentação não influirão na precisão do sistema.

 

O display de cristal líquido é ligado diretamente nos pinos I/O A, B e C do microcontrolador. A operação do LCD exige que os pinos de dados e o plano posterior (BP) sejam alimentados por um sinal alternado. Essa função é fornecida por uma rotina de software que comuta essas informações numa taxa de aproximadamente 30 Hz.

 

Existem ainda dois outros dispositivos que são conectados às portas I/O do PLM (Conversor de Comprimento de Pulso) do microcontrolador. São o LED e o buzzer. Este último é alimentado por duas frequências, tons de122 Hz e 1953 Hz. Por exemplo, se o microcontrolador processa um erro devido a uma pressão imprópria do manguito inflável, um sinal de alarme em baixa frequência é emitido.

 

Quando a medida está correta, o tom emitido é de alta frequência. O LED, por outro lado, é usado para indicar a presença do batimento cardíaco durante a medida.

 

 

O Software

 

Depois de ligar o aparelho, o usuário deverá bombear manualmente o manguito inflável no braço do paciente até uma pressão de aproximadamente 160 mm Hg (ou 30 mm Hg acima do SBP). Durante esse período de inflação, o microcontrolador ignora o sinal na saída do amplificador.

 

Quando a sub-rotina detecta uma diminuição da pulsação para uma duração contínua maior do que 0,75 segundos, o microcontrolador assume que o usuário não mais está bombeando o bulbo e começa a analisar o sinal de oscilação. Na figura 6 temos o que ocorre na forma gráfica.

 


 

 

 

Inicialmente, o nível de um pulso válido é fixado em 1,75 V de modo a eliminar ruídos ou transientes. Assim que a amplitude de um pulso é identificada, o microcontrolador vai ignorar o sinal por 450 ms de modo a se prevenir contra uma identificação falsa, causada pela presença de um pulso prematuro de "overshot", devido à oscilação.

 

Dessa forma, esse algoritmo pode detectar apenas uma taxa de pulsos que seja menor do que 133 batimentos por minuto. Em seguida, as amplitudes de todos os pulsos detectados são armazenadas na RAM para posterior análise.

 

Se o microcontrolador sensoria uma envolvente não típica de oscilação, uma mensagem de erro (Err) é colocada em sua saída que alimenta o LCD. O usuário deverá esvaziar toda a pressão do manguito no braço do paciente e rebombear ar para uma nova medida.

 

De outra forma, o sangue venoso armazenado no braço poderá afetar a próxima medida. Essa pressão deve ser aliviada rapidamente para que o braço do paciente se recupere.

 

 

Seleção do Microcontrolador

 

Apesar do projeto original da Freescale usar o microcontrolador MC68H05B16, versões com menores ROM também podem ser empregadas. Na lista dada a seguir temos as exigências mínimas para o microcontrolador que pode ser utilizado nessa aplicação:

 

Espaço de ROM on-chip: 2 kbytes

• Espaço da RAM on-chip: 150 bytes

• Conversor A/D de dois canais (min)

• Contador livre de tempo de 16 bits

• Driver LCD

• Espaço livre de EEPROM on-chip: 32 bytes

• Modos: Power Saving, Stop e Wait.

 

Conclusão

Se bem que a Freescale recomende esse projeto para avaliação de seus sensores, o circuito pode ser facilmente alterado e transformado em um projeto comercial de interesse, dada a sua simplicidade. Evidentemente, outros microcontroladores como o MSP430, COP, PIC, etc; também podem servir de base para a mesma aplicação, conforme a disponibilidade e preferência de cada projetista.

 

 


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