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I. INTRODUÇÃO Pulsoxímetro ou oximetro de pulso é um instrumento médico que mede a quantidade de oxigénio no sangue,

assim como o batimento cardíaco, de um modo não invasivo (sem precisar de perfurar a pele). Estas características juntas fazem deste instrumento, um instrumento vital na medicina de emergência, uma vez que permite obter informação de uma forma rápida, eficaz e inconsequente. Estando cientes das potencialidades deste aparelho, este estudo possui os seguintes objectivos:

Projectar e implementar um sistema de medição da pulsação cardíaca e oxigenação arterial em pontos anatomicamente relevantes de um sujeito.

Desenvolver um circuito electrónico para condicionamento de sinal dos sensores optoelectrónicos e sua ligação a sistema de aquisição de dados e instrumentação virtual.

Caracterizar os sensores do sistema de medição.

II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS sangue é constituído por uma substância líquida denominada por plasma e por três tipos de células:

glóbulos vermelhos, glóbulos brancos e plaquetas. Uma das principais funções do sangue é transportar o oxigénio, sendo maioritariamente transportado pelos glóbulos vermelhos. Os glóbulos vermelhos têm esta capacidade uma vez que contêm uma proteína chamada de hemoglobina, que tem a capacidade de se misturar com o oxigénio permitindo desta forma o seu transporte. Quando o oxigénio dos pulmões se mistura no sangue (processo que ocorre nos alvéolos e capilares), uma pequena porção deste fica misturado no plasma sendo a outra porção (cerca de sessenta vezes superior) misturada com a hemoglobina, chamando-se a esta, hemoglobina Oxigenada (HbO2), a qual é transportada para os capilares dos tecidos do corpo onde o oxigénio é novamente separado da hemoglobina, difundindo-se nas células. O pulsoxímetro mede a saturação de Oxigénio no sangue pela seguinte fórmula:

[1]

De forma a conseguir medir SpO2, o pulsoxímetro baseia-se

na lei de Beer- Lambert ou simplesmente lei de Beer. Esta lei da óptica relaciona a absorção de luz incidente num dado objecto com as propriedades do respectivo material atravessado. A Fig.1 mostra um dedo com espessura L, incidido por um feixe de luz com intensidade Iin. O dedo irá absorver parte da luz e reflectir outra parte com intensidade I:

Fig.1 - Incidência de luz num dedo.

A lei de Beer relaciona de uma forma linear a absorvência e a concentração de luz absorvida, da seguinte forma:

[2] A = α L c

Onde α é o coeficiente de absorção (1 mol-1cm-1) e c a

concentração do elemento que absorve (mol-1).

abendo agora a lei principal deste mecanismo de medição, é tempo de desenvolver a metodologia e

implementação do mecanismo de medição. A determinação da saturação do oxigénio baseia-se na

diferença de absorção de comprimento de onda pela hemoglobina do sangue, daí se usar, no mínimo, dois comprimentos de onda diferentes para determinar a absorção de oxigénio pela respectiva molécula. Como nos mostra a

Pulsoxímetro para medição de pulsação e oxigenação periférica (Janeiro 2010)

Carlos André Soares Costa e Silva, Fábio Joel Pacheco Teles, Jorge Miguel Santos Pinto

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curva de absorção de espectro da Hb e HbO2 (figura 2), observamos que para comprimentos de onda de 660 e 935 nm as moléculas referidas têm valores de absorção bem distintos facilitando por isso o processo aquisição de sinal e consequente medição da absorção de oxigénio.

Assim para comprimentos de onda de 660nm e 935nm existem emissores de luz a diodo (LED) a baixo custo e em grande capacidade no mercado (Led UltraRed e InfraRed).

Fig.2 – Curva de absorção de espectro de Hb e HbO2 Após pesquisa concluímos que existem dois locais

anatómicos onde podemos efectuar a aquisição de sinal, nomeadamente, no lóbulo da orelha, e num dedo. Isto pois, estes pontos possibilitam uma absorção da luz parcial, ou seja, a partir da luz que não foi absorvida consegue-se efectuar as medições necessárias. Ora se escolhêssemos uma parte do corpo de maior volume ou mesmo com outro tipo de constituição a luz seria absorvida totalmente e portanto não seria possível adquirir sinal. Sabendo que o coração se encontra deslocado ligeiramente para o lado esquerdo, seria sensato escolher um ponto anatómico desse lado, pois a natureza pulsátil do sangue seria maior e conseguiríamos obter um sinal mais perfeito. Decidiu-se então adquirir o sinal num dedo da mão esquerda do individuo.

Assim neste projecto foram utilizados dois LEDs

emissores, um de radiação visível Ultra vermelho e outro de radiação Infravermelha.

A radiação emitida pelos LEDs emissores incide no dedo, atravessando artérias, veias, osso, pigmentação e tecidos. A quantidade de radiação que atravessa o dedo e chega ao outro lado será captada por um foto-transistor que transformará a radiação proveniente do dedo numa corrente. A figura 3, a seguir ilustrada representa o esquema de montagem do sensor.

Fig.3 – Esquema de montagem do Sensor pelo método de Transmissão Constituintes do Sensor: - LED emissor de radiação vermelha de 660nm - LED emissor de radiação infravermelha de 935nm - Foto-transistor com pico de sensibilidade de 935nm

Ossos, unhas, pigmentação e vasos sanguíneos absorvem uma quantidade de luz constante. No caso do corpo vascular, esta situação já não se verifica pois a quantidade de luz absorvida é variável no tempo: durante a sístole o fluxo apresenta um pico máximo, enquanto que durante a diástole o fluxo apresenta um pico mínimo (figura 4). Esta variação deve-se apenas à absorção dos comprimentos de onda correspondente à luz vermelha e à infravermelha. Como mostra a figura 2, a hemoglobina oxidada (HbO2) absorve, em maior quantidade, o comprimento de onda correspondente à luz vermelha enquanto que a hemoglobina reduzida (Hb) absorve, em maior quantidade, o comprimento de onda correspondente à luz infravermelha.

A componente que interessa para a medição da saturação de oxigénio no sangue é apenas a componente alternada do sinal. Temos então de filtrar a componente contínua, que como vemos na figura 4 é muito grande. Para este efeito, implementou-se um filtro passa alto e outro passa baixo para remover esta componente contínua. Estes dois filtros vão funcionar como filtro passa banda pois apenas vai passar a banda de sinal que se pretende.

Fig.4 – Absorção do corpo vascular

A partir das fórmulas [1] e [2], anteriormente apresentadas,

e após severas manipulações matemáticas conseguiu-se chegar a uma formula que expressa o valor da saturação de

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Oxigénio em ordem a variáveis conhecidas.

Onde:

λ1 = 660 nm; λ2 = 935 nm; ε(Hb IR) =848 l mol-1 cm-1 ε(HbO2 IR) =1216 l mol-1 cm-1 ε(Hb Red) = 3200 l mol-1 cm-1 ε(HbO2 Red) = 316 l mol-1 cm-1

IAC corresponde ao nível da componente alternada do sinal IDC corresponde ao nível da componente contínua do sinal

Fig.5 – Esquema do circuito de montagem do pulsoxímetro.

A. Diodos Emissores e respectivo controlo. Como só possuímos um receptor (foto transístor) foi necessário realizar a comutação dos emissores, ou seja, adquirir sinal quando um se encontra ligado e o outro desligado e vice-versa.

Fig.6 – Circuito de acionamento dos LEDs. Para LED Ultra Vermelho, R = 390Ω

Para LED Infra Vermelho, R= 560 Ω

B. Foto Transistor e Conversor Corrente-Tensão Fig.7 – Esquema do circuito de recepção e conversão de sinal. Após recepção do sinal pela foto transístor é tempo de converter o sinal para tensão, uma vez que o receptor transforma radiação em corrente, e o sinal deverá estar em tensão para que possa sofrer o respectivo condicionamento. O conversor, irá converter o sinal para tensão e amplificá-lo com um ganho no valor de -1K5*I.

C. Filtro Passa-Alto

Fig.8 – Filtro Passa-Alto Passivo de 1ªOrdem

Após elaborada pesquisa concluímos que o coração humano suporta apenas frequências na gama dos 0,5 a 5Hz e portanto com este filtro será possível reter apenas as frequências acima dos 0,5Hz.

D. Isolamento (Integrado UA741) O isolamento é representado por um seguidor de tensão que fornece um meio de isolar o sinal da entrada de uma carga por meio de um estágio de ganho unitário.

E. Filtro Passa Baixo

O filtro passa-baixo foi dimensionado para ter uma frequência de corte de 5 Hz, utilizando-se um filtro de segunda ordem Butterworth de topologia Sallen-Key como mostra a figura 9. O amplificador utilizado para a construção deste filtro foi o UA741.

100µF 3K3Ω

Fig.8 – Seguidor de Tensão

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Fig.9 – Filtro Passa-Baixo de 2ªOrdem Passivo

R = 150KΩ C1 = 0.33µF C2 = 0.15µF

F. Amplificador Para que o sinal seja visualizado de uma forma perceptível, procedeu-se à sua amplificação usando um Amplificador não inversor, UA741 como mostra a figura abaixo indicada.

Fig.10 – Amplificador não inversor de Ganho 5,7

G. LabView Com este software criou-se uma aplicação capaz de

fornecer o valor da saturação de Oxigénio e frequência cardíaca. Como seria de esperar, esta aplicação utilizou a fórmula calculada anteriormente, que tem como base a lei de Beer-Lambert. Depois dos sinais (vermelho e infravermelho) serem filtrados e amplificados, estes foram processados pelo LabVIEW. Como é necessário trabalhar com componentes contínuas e alternadas dos sinais, a aplicação em LabVIEW realizou esta tarefa. Tendo os sinais decompostos, a aplicação em LabVIEW realizou um processo matemático de implementação directa das fórmulas apresentas anteriormente. Após todos estes processos, o resultado final são dois valores numéricos: um representa a SpO2 e o outro representa a frequência cardíaca.

III. CONCLUSÃO O desenvolvimento de equipamentos médicos é uma área de

extrema importância da electrónica que para além de muito úteis na prevenção de doenças podem salvar vidas.

Os sinais eléctricos gerados por processos biológicos são de amplitude muito baixa sendo de difícil processamento. Os dados processados devem garantir total fidelidade e precisão.

Assim sendo a construção destes equipamentos devem introduzir no circuito o mínimo ruído possível.

Propusemos a construção de um pulsoxímetro onde o sinal captado deveria incluir o mínimo ruído possível e ser o mais fiel possível. Conseguimos atingir essa perfeição dentro dos possíveis, isto é, conseguimos adquirir um sinal com pouco ruído e efectuar as respectivas medições, pelo que após sucessivos testes conseguimos adquirir resultados coerentes.

Este projecto foi para nós um desafio e um estímulo intelectual, onde nos sentimos totalmente motivados e empenhados durante todo o desenrolar do projecto e no qual, sem duvida nenhuma, gostaríamos de o evoluir.

ANEXOS

Nestes anexos encontram-se todas as folhas de características dos componentes utilizados na montagem do oxímetro e encontra-se também o ficheiro do LabVIEW utilizado para obter a saturação de oxigénio.

Folhas de Características: LED emissor de infravermelhos:

http://pt.farnell.com/honeywell-s-c/sep85063/ir-emitter-935nm/dp/1201204?_requestid=279939

LED emissor vermelho: http://paginas.fe.up.pt/~nsousa/MSIN/SENSORES/LED_ULTRA_RED.pdf Foto-transistor com pico de sensibilidade para 935 nm: http://paginas.fe.up.pt/~nsousa/MSIN/SENSORES/SDP8406-3.pdf BJT BC547B: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/BC547B.pdf Amplificador operacional UA741: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXssuwx.pdf

LABVIEW http://i00cn0909.fe.up.pt/Msin_TURBO.html

AGRADECIMENTOS Agradecemos a disponibilidade para ajuda e fornecimento

de material dos vários técnicos de Laboratório em especial ao técnico Nuno Sousa.

BIBLIOGRAFIA [1] http://www.bioe.psu.edu/seniordesign/SD2006/DFord/bio

e450%20web%20page.htm [2] http://www.commat.com.tr/BSL%20PRO%20H25%20%

28copyright%202002%20BIOPAC%20Systems,%20Inc_%29.htm

[3] http://www.ebme.co.uk/arts/nellcor3.htm [4] http://www.nda.ox.ac.uk/wfsa/html/u05/u05_003.htm [5] http://en.wikipedia.org/wiki/Oximeter [6] http://www.oximetry.org/pulseox/principles.htm [7] http://www.swarthmore.edu/NatSci/echeeve1/Ref/E72Pro

jects/E72Cardio/E72Cardio.html [8] http://www.ece.arizona.edu/~bme517/supporting%20doc

uments/PulseOximeter/Pulse%20Oxi%20Meter%20Laboratory.htm

ANEXOS