UNIVERSIDADE POSITIVO NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO LUIZ ALBERTO BORDIGNON Sistema para Monitoramento de Apnéia do Sono Trabalho de Conclusão de Curso. Prof. José Carlos da Cunha Orientador Curitiba, setembro de 2011.
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UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
LUIZ ALBERTO BORDIGNON
Sistema para Monitoramento de Apnéia do Sono
Trabalho de Conclusão de Curso.
Prof. José Carlos da Cunha
Orientador
Curitiba, setembro de 2011.
UNIVERSIDADE POSITIVO
Reitor: Prof. José Pio Martins
Coordenador do Curso de Engenharia da Computação: Prof. Leandro H. de Souza.
3
Agradecimentos
Agradeço primeiramente aos meus pais, que me deram o suporte necessário para que
eu conseguisse chegar até aqui. Agradeço a todos os professores que nos deram o
conhecimento que hoje nos permite superar todos os desavios dentro e fora da universidade. E
agradeço a todos aqueles que contribuiram de forma positiva para que essa empreitada tivesse
sucesso.
Luiz.
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .............................................................. 5
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................... 6
LISTA DE TABELAS .............................................................................................. 7
RESUMO ................................................................................................................... 8
ABSTRACT ................................................................................................................9
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................ 10
2. ESPECIFICAÇÃO ....................................................................................... 11
2.1 CARACTERÍSTICAS DO PROJETO ....................................................... 11
2.2 REQUISITOS ............................................................................................... 12
2.3 HARDWARE ................................................................................................ 12
2.3.1 CIRCUITO DE RELOGIO ..........................................................................13
2.3.2 SENSOR DE PRESSÃO E AMPLIFICADOR ..........................................13
2.3.3 MODULO DE ARMAZENAMENTO ........................................................15
2.3.4 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO .......................................................17
2.3.5 MICROCONTROLADOR ..........................................................................17
2.4 SOFTWARE .................................................................................................18
2.4.1 DIAGRAMA DE CLASSES .......................................................................20
2.4.2 FLUXOGRAMA ..........................................................................................20
2.4.3 CASOS DE USO ..........................................................................................21
2.5 TESTE DE VALIDAÇÃO DO SISTEMA.................................................22
CONCLUSÃO.........................................................................................................25
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ................................................................26
ANEXO - A ............................................................................................................27
ANEXO - B ............................................................................................................28
ANEXO - C ...........................................................................................................30
5
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
V Volt
mV millivolts (10^-3)
NTC Negative Temperature Coefficient
USB Universal Serial Bus
I2C Inter-Integrated Circuit
PIC Programmable Interface Controller
A/D Analógico/Digital
G Giga 109
IMC Índice de massa corporal
ms milissegundos
ddp diferença de potencial
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Diagrama em blocos do Dispositivo de Aquisição ..................................... 12 Figura 2.2: Esquemático do circuito do relógio ............................................................ 13 Figura 2.3: Ilustração do sensor MPX53DP da Motorola .............................................13
Figura 2.4: Esquema elétrico e configuração dos pinos do sensor MPX53DP............. 14
Figura 2.5: Esquema elétrico do amplificador de instrumentação INA128 .................. 14
Figura 2.6: Esquema elétrico do sensor MPX53DP com amplificador de instrumentação
INA128 ............................................................................................................................ 15
Figura 2.7: Módulo VDIP1 da FTDI/Vinculum ............................................................. 15
Figura 2.8: Descrição dos pinos do modulo VNC1L..................................................... 16
Figura 2.9: Fluxograma do firmware ........................................................................... 16
Figura 2.10: Descrição dos pinos do microcontrolador PIC18F4550...........................18
Figura 2.11: Tela inicial do programa ......................................................................... 19
Figura 2.12: Tela principal do programa onde é gerado o gráfico e o controle dos
filtros............................................................................................................................. 19
Figura 2.13: Diagrama de classes do programa de análise .......................................... 20
Figura 2.14: Fluxograma do programa de análise ........................................................ 21
Figura 2.15: Casos de Uso do programa de análise ..................................................... 21
Figura 2.16: Análise feita com o sensor LM35 da National Semiconductor®.............. 22
Figura 2.17: Teste com amostragem pelo limiar de variação....................................... 23
Figura 2.18: Teste com taxa de amostragem de 100 ms................................................ 23
7
LISTA DE QUADROS
Quadros 2.1: Protocolo de Gravação.................................................................................... 17
Quadros 2.2: Testes de resposta com sensores de temperatura e pressão............................ 22
Quadros 2.3: Resultado do teste de duração e quantidade de apneias................................. 24
RESUMO
A apnéia do sono consiste na falta de respiração por alguns segundos durante o sono.
Estas interrupções normalmente são bem rápidas o que acaba não acordando o individuo. E
além de rápidas são também muito frequentes, tornando o sono bastante ruim, podendo trazer
patologias ao individuo [PINTO, 2009].
Um correto diagnóstico desse problema pode melhorar a qualidade de vida do individuo,
já que alguns problemas como ronco, falta de memória, ansiedade, mal hálito, pressão alta
entre outros podem ser causados pela má qualidade do sono decorrente da apnéia [PINTO,
2009].
O projeto desenvolvido constitui um sistema para monitoramento desses eventos durante a
noite, de forma a afetar minimamente as condições normais do sono.
O sistema desenvolvido consiste em monitorar a respiração do individuo por meio de um
sensor de pressão, acoplado a uma mascara onde existe um orifício fazendo com que o fluxo
respiratório gere duas pressões diferentes, que por sua vez é lida pelo sensor em modo
diferencial. Essas informações serão tratadas por um microcontrolador, e armazenadas em
uma memória de forma cronológica. Posteriormente essas informações poderão ser baixadas
em um computador, que utilizará um software também desenvolvido nesse trabalho para a
análise do período de sono monitorado.
Conforme comprovaram os testes realizados nesse trabalho foi possível de forma
satisfatória, fazer a detecção de apneias e análise da respiração.
Palavras-Chave: Apnéia, monitoramento, holter, sono.
9
Monitoring System for Sleep Apnea
ABSTRACT
Sleep apnea is the lack of breathing for a few seconds during sleep, shortness of
breath, these are usually very quick which ultimately did not wake them. And in addition to
fast are also very common, making sleep very bad, and can bring the individual pathologies
[PINTO, 2009].
A correct diagnosis of this problem can improve the quality of life of the individual, as
some problems such as snoring, poor memory, anxiety, bad breath, high blood pressure and
others can be caused by poor quality sleep due to apnea. The project envisages developing a
system for monitoring these events during the night in order to minimally affect the normal
sleep [PINTO,2009].
The project consists of monitoring the breathing of the individual by means of a
pressure sensor coupled to a mask where there is a hole causing the airflow to generate two
different pressures, which in turn is read by the sensor in differential mode. This information
will be handled by a microcontroller and stored in a memory in chronological order. Later this
information can be downloaded to a computer, which also uses a software developed in this
work to analyze monitored sleep period.
As proven by the tests performed in this work was possible satisfactorily to the
detection of apneas and breath analysis.
Key-words: Apnea, monitoring, holter, sleep.
1. INTRODUÇÃO
Estudos indicam que aproximadamente 30% da população tenha apnéia obstrutiva do
sono. Essa disfunção no sono pode causar incômodos, como roncos noturnos e paradas
momentâneas de respiração, essas condições estão relacionadas com uma maior incidência
de problemas cardiovasculares. [INCOR, 2009].
Essas perdas de respirações durante a noite causam falta de oxigenação nos pulmões
causando não somente sonolência excessiva durante o dia mais também uma serie de
mudanças no metabolismo acelerando o processo de aterosclerose (diminuição dos vasos
sanguíneos) patologia correlacionada a doenças do coração e dos vasos sanguíneos como,
a obesidade, hipertensão e diabetes. [INCOR, 2009].
No âmbito computacional, o desenvolvimento de um sistema para monitoramento da
frequência respiratória durante o sono, e armazenamento dessas informações
cronologicamente para que depois possa ser analisada de maneira mais clara por um
especialista, é de grande valia, pois, um diagnóstico mais preciso pode tornar o tratamento
mais eficiente devolvendo a qualidade de vida ao individuo.
O sistema de análise consiste em desenvolver um método de aquisição do sinal que
afete minimamente as condições normais do sono, pois qualquer alteração nessas
condições pode influenciar de forma direta no resultado da análise.
No presente trabalho é proposto o desenvolvimento de um sistema de dimensões
reduzidas, não invasivo para aquisição da frequência respiratória, por meio da diferença
de pressão gerada pela inspiração e expiração. Também nesse projeto será desenvolvido o
software de análise das informações geradas pelo dispositivo de aquisição. Fazendo com
que a análise das informações fique mais clara e objetiva.
11
2. ESPECIFICAÇÃO
No presente trabalho foi desenvolvido um dispositivo compacto, para que não cause
incômodo ao usuário durante a análise, e que altere pouco as características normais do sono,
para tentar obter valores mais próximos do real.
Basicamente o sistema ficara dividido em duas partes, um dispositivo de aquisição do
sinal que ficara junto com o usuário a ser analisado, e um software de análise onde serão
baixadas as informações armazenadas no dispositivo de aquisição.
O dispositivo de aquisição consiste numa placa de dimensões reduzidas que fará a
aquisição e condicionamento do sinal através de um microcontrolador. Esse sinal será gerado
pelos sensores que capturam a frequência respiratória e em seguida os dados são gravados em
uma memória não volátil do tipo flash que esta conectada a placa através de uma porta USB,
ficando disponível ao fim do período de análise.
O software de análise consiste em um programa desenvolvido na linguagem C#. Funciona
lendo as informações fornecidas pelo dispositivo de aquisição. Os dados lidos da memória do
dispositivo são formatados para visualização em um gráfico, que organiza as informações de
forma cronológica, facilitando a interpretação. Também com o objetivo de simplificar a
análise foram desenvolvidos alguns filtros para destacar apenas as informações mais
relevantes.
2.1 CARACTERÍSTICAS DO PROJETO
As características técnicas do projeto consistem em duas partes principais:
a) Dispositivo de aquisição do sinal
O dispositivo de aquisição foi dimensionado para ficar com o menor tamanho possível, e
para ter menor influência na aquisição dos dados. A placa foi construída com componentes de
baixo consumo para ter autonomia necessária para durar o período de análise que pode chegar
a 10 horas. O baixo consumo é uma das características desse projeto, pois sua alimentação é
por baterias que terão que durar uma noite inteira.
Para a captura do sinal foi utilizado o sensor MPX53DP da Motorola®, que tem duas
entradas de pressão em modo diferencial. Esse sensor está acoplado em uma mascara na qual
o fluxo de ar gerado pela respiração passa por um caminho que gera uma diferença de
pressão. Essa pressão gerada indica que houve um fluxo de ar, ou seja, houve uma respiração.
Dessa forma é contabilizado o número de respirações.
b) Sistema de armazenamento
Outra característica importante nesse dispositivo é ter grande quantidade de memória,
pois os sinais são adquiridos a cada 100 milissegundos, durante toda a noite, gerando
informações, que são gravadas num dispositivo de memória flash, que esta conectada a placa
via USB. Para os testes foi utilizado um Pen Drive da marca Kingston de 1 GByte de
capacidade.
As informações geradas pelo sensor são fornecidas ao software de análise conectando o
dispositivo de memória flash via porta USB do computador.
2.2 REQUISITOS
Para o funcionamento do sistema são necessários dois requisitos:
Microcomputador com sistema operacional Windows™.
Baterias do tipo AA para alimentação do dispositivo de aquisição.
O sistema de aquisição de dados é alimentado com 3 baterias do tipo AA, as quais são
ligadas em serie gerando uma tensão de 4,5V, que alimenta todo o circuito.
O microcomputador faz-se necessário para instalar o software de aquisição para leitura das
informações.
2.3 Hardware
O hardware do sistema é constituído por três partes principais, a primeira constitui-se do
sensor MPX53DP que fornece uma tensão como resposta a variação de pressão, esse sinal
será recebido por um amplificador de instrumentação que amplifica o sinal para as entradas
analógicas A/D do microcontrolador, sendo tratado por um algoritmo e armazenado conforme
Figura 2.1.
Figura 2.1 - Diagrama em blocos do Dispositivo de Aquisição.
O conversor A/D é responsável pela conversão do sinal fornecido pelo amplificador de
instrumentação INA128 da Burr-Brown® que tem em sua saída um sinal na ordem de
grandeza de 1500mV a 3000mV. Esse sinal é convertido em um valor digital de 0 a 255 sendo
processado pelo microcontrolador.
O módulo de processamento recebe as informações dos sensores, passando por um
algoritmo que as organiza numa estrutura de dados, na qual esta contida também a hora,
minuto e segundo que aquele evento ocorreu.
MPX53DP INA128
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2.3.1 Circuito do Relógio
O módulo de relógio é composto por um circuito integrado DS1307 e um cristal oscilador
de 32.768 KHz, fornecendo ao microcontrolador hora, minuto, segundo, dia mês e ano via
conexão I2C (Inter IC Bus) nos pinos SCL e DAS, que serão ligados ao microcontrolador nos
pinos 8 e 9 conforme mostra a Figura 2.2. Para garantir que o circuito do relógio sempre
forneça a hora correta para o microcontrolador, mesmo que a alimentação do resto do circuito
cesse, é utilizada uma bateria auxiliar de 3V de lithium. O esquemático do circuito do relógio
é mostrado na Figura 2.2. O uso do relógio no projeto é muito importante, pois é ele que gera
a data utilizada na gravação dos dados durante o período de análise.
Figura 2.2 - Esquemático do circuito do relógio.
2.3.2 Sensor e amplificação do sinal
O sensor utilizado no sistema desenvolvido foi o MPX53DP da Motorola®, devido as suas
dimensões reduzidas, seu tempo de resposta e sua saída diferencial que facilita seu
acoplamento ao amplificador de instrumentação INA128 da Burr-Brown®. A figura 2.3
mostra a ilustração do sensor. O sensor MPX53DP fornece como saída à diferença de pressão
de acordo com o fluxo de ar analisado. Os valores de saída do sensor em condição de repouso
(sem pressão) ficam na ordem de 30 mV a 40 mV. Como o conversor A/D do
microcontrolador trabalhar com tensões de 0 a 5V, para ter uma melhor precisão nos dados a
saída do sensor será colocado no amplificador de instrumentação INA128, que conta também
com entradas em modo diferencial e que é dado uma ganho de 50 vezes no sinal de entrada,
trabalhando assim com sinal da ordem de 2000 mV.
Figura 2.3 – Ilustração do sensor MPX53DP da Motorola.
O sensor MPX53DP conta com saidas diferencias +Vout e –Vout. Qualquer pressão
existente em uma das entradas do sensor irá gerar uma ddp (diferença de potencial) em suas
saidas. Essa ddp então é amplificada pelo amplificador de intrumentação INA128. A figura
2.4 mostra o esquema elétrico e a descrição dos pinos do sensor.
Figura 2.4 – Esquema elétricos e configuração dos pinos do sensor MPX53DP.
A saída do sensor é ligada diretamente nos pinos 2 (entrada negativa) e 3 (entrada
positiva) do amplificador de instrumentação INA128, dando um ganho de 51 vezes conforme
a equação abaixo:
Ganho de 51 vezes para Rg = 1kΩ.
Na figura 2.5 vemos o esquema elétrico e os pinos do amplificador de instrumentação
INA128 (Burr-Brown® 2009).
Figura 2.5 - Esquema elétrico do amplificador de instrumentação INA128 (Burr-Brown®
2009).
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O resultado da amplificação do sinal é ligado às portas AN0 e AN1 do
microcontrolador PIC18F4550 da Microchip Technology©. O sensor conta com 6 pinos: 1 –
saída do sinal; 2 – GND; 3 – alimentação 5V; 4, 5 e 6 não são conectados. O esquema elétrico
do sensor com o amplificado de instrumentação está exemplificado na figura 2.6.
Figura 2.6 – Esquema elétrico do sensor MPX53DP com amplificador de instrumentação
INA128.
2.3.3 Módulo de Armazenamento
O módulo de armazenamento é composto por uma memória flash de 1 Gbyte de espaço. A
comunicação entre o microcontrolador e a memória flash será feita através do modulo VDIP1
da FTDI/Vinculum (figura 2.7) pela UART Serial através dos pinos CTS#, RTS#, TXD e
RXD.
Figura 2.7 – Módulo VDIP1 da FTDI/Vinculum (digikey.com 2011).
Os pinos TXD e RXD do módulo VDIP1, foram conectados aos pinos RX e TX,
respectivamente, do microcontrolador, para fazer a interface de comunicação serial entre o
módulo de microcontrolador. Foi implementado na comunicação serial controle de fluxo de
dados, para que o modulo VDIP1 só ficasse habilitado quando as informações estivessem
prontas. No firmware do microcontrolador existe uma rotina que verifica se o modulo VDIP1
está habilitado a receber dados, nesse caso o pino CTS# fica em nível lógico baixo (0V). Isso
pode ocorrer se não existir um pen drive conectado ao módulo. Não se fez necessário circuitos
para regular a tensão para conectar o modulo ao PIC, pois ambos trabalham em 5V.
O modulo VDIP1 conta com dois modos de comunicação, serial e paralelo, que são
configurados nos conectores J3 e J4. Para usar o módulo no modo serial é necessário conectar
os pinos 1 e 2 dos conectores J3 e J4, conforme detalhe da figura 2.8.
Figura 2.8 – Descrição dos pinos do modulo VNC1L. (Future Technology Devices
International Ltd. 2011).
O fluxograma mostrado na Figura 2.9 ilustra como o firmware processa os dados e a
gravação na memória.
Figura 2.9 – Fluxograma do firmware.
Pinos de interface serial.
17
2.3.4 Protocolo de Comunicação
Para a gravação dos dados gerados pela leitura dos sensores foi desenvolvido um
protocolo conforme o quadro 2.1, que organiza as informações armazenadas no dispositivo de
memória. No exemplo abaixo está à forma como serão codificadas as informações:
Exemplo de dado a ser gravado:
D01/01/11H12:00:30I234E345#
Onde:
Quadro 2.1 – Protocolo de gravação.
Caracteres Função correspondente
D Após esse caracter recebe a data com tamanho de 8
caracteres.
H Após esse caracter recebe a hora com tamanho de 8
caracteres.
I Após esse caracter recebe o valor da temperatura de
inspiração com tamanho de 16 bits.
E Após esse caracter recebe o valor da temperatura de
expiração com tamanho de 16 bits.
# Caracter que indica final da linha.
Esses dados são gravados no dispositivo de memória e ficam disponíveis em um arquivo
do tipo texto, que será lido pelo programa de análise. Cada linha gravada terá o tamanho de
168 bits, sendo 1 Gbyte o tamanho total da memória utilizada o dispositivo teria a capacidade
de gravar dados a cada segundo durante aproximadamente 500 dias, tempo esse limitado pela
bateria que tem previsão de duração de 12 horas.
2.3.5 Microcontrolador
O microcontrolador utilizado no sistema foi o PIC18F4550 da Microchip Technology©,
devido à algumas características como sua velocidade de processamento, que pode chegar a
96MHz, seu baixo consumo de energia, que no seu modo sleep pode chegar à ordem de 4µA,
já possuir A/D interno de resolução 10 bits e ser facilmente encontrado à vendo no Brasil. O
microcontrolador é o responsável por integrar todos os dados lidos dos sensores, e armazena-
los de maneira ordenada no dispositivo de memória. Na figura 2.10 a descrição dos pinos do
microcontrolador.
Figura 2.10 – Descrição dos pinos do microcontrolador PIC18F4550 (Microchip 2011).
A figura 1 do ANEXO C mostra o circuito completo separado por módulos. O consumo
total do circuito em modo sleep ficou em de 20mA e em modo de operação em 100mA.
Testes feitos com pilhas do tipo AA duraram cerca de 14 horas, tempo suficiente para uma
análise normal, levando em consideração que uma noite normal de sono tem duração média
de 8 horas.
2.4 Software
O programa de avaliação tem o objetivo de auxiliar o especialista na análise das
informações geradas. Para isso foram utilizados filtros que tornam mais simples a leitura das
informações. Esses filtros podem ser aplicados a um determinado período da análise como
também para as amplitudes do sinal. Foi criado um algoritmo para a verificação de padrões na
respiração, podendo assim serem detectados anomalias (apnéias) e indicado para o
especialista em que período elas aconteceram.
Isso foi por meio do cálculo da média dos intervalos da respiração durante o período de
análise, assim os maiores períodos sem respiração serão considerados anormais. Uma
respiração é considerada quando os valores lidos pelo dispositivo de análise ultrapassem um
limiar que foi definido por testes em 20mV (seção 2.5 TESTES). Assim se a amplitude lida
dos sensores permanecer por mais de 5 segundos sem passar desse limiar, será considerado
uma apnéia.
Para facilitar a organização das informações dos usuários foi colocado na tela inical do
programa um pré-cadastro do indivíduo que será analisado. Nessa tela inicial o especialista
entra com os seguintes dados: Nome, Idade e Data da análise. A figura 2.11 apresenta a tela
inicial do programa.
19
Figura 2.11 – Tela inicial do programa.
Na segunda tela, como mostra a figura 2.12, o programa exibe todas as informações
pertinentes da análise, como por exemplo: tempo da análise, maior amplitude, menor
amplitude, maior apnéia, número de apnéias, média da frequência respiratória e média das
apnéias. Ao centro do programa é desenhado o gráfico com os dados gerados pelo dispositivo
de análise. Quando ocorre uma apnéia é traçado uma linha da cor amarela no sentido vertical
no inicio da apnéia e uma linha verde também vertical ao final da apnéia, facilitando a busca
das apneias ocorridas durante a análise. No lado direito superior encontram-se os controles
dos filtros para ajustar o gráfico para uma melhor visualização.
Figura 2.12 – Tela principal do programa onde é gerado o gráfico e o controle dos filtros.
Ao fim da análise o especialista pode salvar as informações geradas clicando no botão
relatório no canto inferior direito do programa. Será gerado então um arquivo no formato
PDF, com todas as informações da análise. Encontra-se um exemplo de relatório no Anexo F.
2.4.1 Diagrama de Classes
O programa iniciará fazendo a verificação da existência de algum dispositivo de memória
no computador. Depois fará a leitura dos dados do dispositivo para validar ou não aqueles
dados. Sendo válidos os dados, o programa gerará um gráfico com os resultados dos dados
lidos, existindo a possibilidade de em qualquer momento o usuário aplicar um filtro para
facilitar na análise. Na figura 2.13 vemos em detalhes as classes e métodos utilizados no
código do programa de análise.
Figura 2.13 – Diagrama de classes do programa de análise.
2.4.2 Fluxograma do programa de análise
O fluxograma do programa de análise tem início na leitura da USB. Havendo um
dispositivo, o programa passa a procurar pelo arquivo “dados.txt”. Caso haja esse arquivo no
dispositivo o programa então os formata de maneira a gerar um gráfico, conforme ilustra a
figura 2.14.
21
Figura 2.14 Fluxograma do programa de análise.
O Software foi desenvolvido na linguagem C#, no ambiente de desenvolvimento Visual
Studio 2008 Microsoft®.
2.4.3 Casos de Uso
No Casos de Uso do programa de análise estão exemplificadas as opções do usuário
perante o programa e quais as ações básicas que ele pode tomar, conforme figura 2.15.
Figura 2.15 – Casos de Uso do programa de análise.
Usuário
2.5 TESTES DE VALIDAÇÃO DO SISTEMA
Inicialmente o sistema tinha como proposta usar sensores de temperatura para gerar os
dados da análise, tendo como princípio a variação da temperatura entre a expiração e a
inspiração. O método de fato funcionou, porém, ao longo do tempo notou-se uma variação
razoável, tornando as informações geradas incorretas ou inviáveis para leitura do
microcontrolador. Na figura 2.16 tem-se uma análise feita com o sensor de temperatura LM35
da National Semiconductor®. Nota-se uma inclinação da curva; isso aconteceu devido à
temperatura externa ter aumentado durante a análise, pois o método utilizado contava com um
sensor interno na máscara (expiração e inspiração) e outro externo, para ser comparado à
temperatura interna. A diferença entre essas temperaturas dos dois sensores se obtinha se
houve ou não uma respiração. O problema era quando a temperatura externa aumentou e o
sistema perdeu sua referencia de temperatura ambiente, assim não sendo mais confiável a
leitura da variação térmica.
Figura 2.16 – Tela de análise feita com o sensor LM35 da National Semiconductor®.
Ainda foi implementado via software um recurso que minimiza essa variação, porém o
sensor LM35 não tinha uma resposta adequada, demorando muito para responder às variações
de temperaturas geradas, perdendo assim muitos dados relevantes.
A partir desse ponto optou-se em utilizar um sensor de pressão, pois esse não sofre
deformações pela variação da temperatura. Testes com o sensor de pressão mostraram
resultados bem satisfatórios em sua variação em função da temperatura externa. Como mostra
o quadro 2.2 foi praticamente irrelevante a variação:
Quadro 2.2 – Testes de resposta com sensores de temperatura e pressão.
Tipo de Sensor Tempo de Análise Variação em Repouso Δ °C
LM35 1 HORA 315mV ~10
MPX53DP 1 HORA 22mV ~10
NTC 1 HORA 275mV ~10
23
Conforme o quadro 2.2, após uma hora em repouso o sensor apresentou uma variação de
apenas 22 mV, esse valor passou a ser utilizado no firmware como limiar para a
contabilização de apneias. Toda vez que esse limiar fosse atingido tanto para cima ou para
baixo o firmware considera como uma respiração. Já que uma variação de 20 mV é normal ao
sensor mesmo em repouso, então apenas variações maiores que essa foram consideradas.
Após ter o sensor e o limiar de variação definidos pelos testes, foram feitos os testes de
amostragem, para saber qual seria o melhor numero de amostras por segundo. Na figura 2.17
tem-se uma amostragem que ocorre apenas quando o limiar é ultrapassado, não dependendo
do tempo para marcar uma amostra.
Figura 2.17 – Teste com amostragem pelo limiar de variação.
Nota-se que o gráfico fica muito fragmentado utilizando o método de gravação apenas
quando o limiar é atingido, então implementou-se uma taxa de amostragem que faz gravações
a cada 100 milissegundos independente se o limiar foi atingido ou não, assim o desenho da
curva ficou mais completo pois marca muito mais pontos para desenhar a curva, como mostra
a figura 2.18.
Figura 2.18 – Teste com taxa de amostragem de 100 ms.
Para o teste de detecção de apnéia foi simulada uma respiração, na qual foi monitorada por
meio externo o tempo da análise para comparar com o tempo mostrado pelo sistema. O
resultado foi positivo, pois em 10 minutos de análise o sistema teve um erro relativo de
apenas 2 milissegundos. Assim prevê-se que em uma noite de análise de 8 horas o erro ficaria
ainda muito pequeno em 0,096 segundos (10 minutos = 0,002 segundos, então 1 minuto =
0,0002 segundos, para 1 hora 0,0002 segundos x 60 minutos = 0,012 segundos, então para 8
horas; 0,012 x 8 = 0,096 segundos). Tendo-se validado também o relógio, foi feito o teste de
detecção de apneias. Nesse teste foi simulado 5 apneias com duração de 10 segundos cada, em
momentos determinado e ao fim da simulação foi comparado o tempo de duração e
quantidade de apneias geradas, para verificar se o numero de apneias detectada pelo sistema
era o mesmo da simulação e o tempo de duração dessas apneias correspondiam ao tempo da
simulação. O quadro 2.3 mostra os resultados obtidos.
Quadro 2.3 – Resultado do teste de duração e quantidade de apneias
1° apneia 2° apneia 3° apneia 4° apneia 5° apneia
Simulação 5 segundos 5 segundos 5 segundos 5 segundos 5 segundos
Sistema 5 segundos 5 segundos 5 segundos 5 segundos 5 segundos
Como resultado o sistema acertou precisamente o número de apnéias que ocorreram,
assim como o tempo que elas duraram.
De modo geral a precisão do sistema foi satisfatória, podendo haver melhoras na
construção do hardware para que fique com menores dimensões. Os resultados finais obtidos
também foram satisfatórios, porém melhorias no algoritmo de análise podem ser feitos,
aplicando filtros mais específicos para ajudar no diagnostico mais preciso e auxiliar na clareza
das informações.
25
CONCLUSÃO
A partir do circuito eletrônico desenvolvido e do software de análise, foi possível de
forma satisfatória, fazer a detecção de apneias e análise da respiração conforme comprovam
os testes realizados nesse trabalho.
Os resultados mostraram à complexidade da aquisição de sinais correspondentes a
respiração, sejam estes por fluxo ou temperatura. Inicialmente nesse trabalho foi proposta a
aquisição da respiração por meio de sensores de temperatura, mas devido a variações térmicas
externas tornou-se inviável a aquisição desses dados. Devido a esse problema térmico foi
necessário utilizar um sensor de pressão, na qual a variação de temperatura não tem impacto
considerável nos sinais gerados. Assim tornou-se possível fazer uma aquisição de dados
confiável como mostrados nos testes desse trabalho.
Também foi necessário o uso de uma memória de grande capacidade pois a quantidade
de dados gerados durante um período de análise é muito grande. Optou-se em usar uma
memória externa (pen drive), pois nenhum microcontrolador de 8bits existente no mercado
tem essa capacidade interna.
O software de análise tem função importante neste trabalho, pois ele organiza as
informações para torná-las viáveis para a leitura de um especialista. Para isso foram
desenvolvidos alguns filtros, que destacam apenas as informações relevantes. Uma pesquisa
junto a especialistas da área faz-se necessário para elaborar futuramente filtros mais
específicos para auxiliar de maneira mais precisa o diagnostico a ser feito.
De maneira geral utilizou-se pouco dos recursos disponíveis no microcontrolador
utilizado nesse projeto, dessa forma abrem-se inúmeras alternativas para projetos futuros, em
que a integração de mais sensores no sistema de aquisição poderia retornar mais parâmetros,
tendo um feed-back maior do individuo analisado, ajudando assim em um diagnostico mais
preciso.
REFERÊNCIAS
Assessoria de Imprensa e Mídias Jornalísticas Institucionais
Incor – Instituto do Coração do Hospital das Clínicas
Núcleo de Comunicação Institucional - HCFMUSP
Tel.: 11 3069-5437 / 3069-5016 - E-mail: [email protected] http://www.incor.usp.br (Imprensa) INCOR – Instituto do Coração do Hospital das
Clínicas da Faculdade de Medicina da USP. São Paulo. Disponível em:
http://www.incor.usp.br/sites/webincor/docs/imprensa/2009/jun-
2009_hc_desenv_tec_apneia.pdf
PERTENCE JUNIOR, ANTONIO. Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos: Teoria,
projetos, aplicações e laboratório. São Paulo: MAKRON, c1996.
WEBSTER, JOHN G. et al. Medical Instrumentation: Application in design. 3.ed. New York:
J.Weley & Sons, c1998.
WERNECK, MARCELO MARTINS. Transdutores e interfaces. Rio de Janeiro: LTC c1996.
PINTO, JOSÉ ANTONIO. Ronco e Apnéia do Sono. 2 ed. Revinter, c2009.
INA128 – Amplificador de instrumentação.
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/BurrBrown/mXrttty.pdf
Microcontrolador PIC18F4550.
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/microchip/39617a.pdf
Vinculum VNC1L Module
http://www.ftdichip.com/Support/Documents/DataSheets/Modules/DS_VDIP1.pdf
27
ANEXO A – RELATÓRIO DE ANÁLISE
ANEXO B – IMAGENS DO PROJETO
Figura 1 – Imgem da placa de aquisição de sinais e modulo de baterias.
Figura 2 – Imagem da placa de aquisição.
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Figura 3 – Imagem geral do sistema de aquisição com memória externa.
ANEXO C – CIRCUITO COMPLETO DO SISTEMA
Figura 1 – Esquemático completo do circuito de aquisição.
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