UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
JANEALYSSON DOS SANTOS DE ARAUJO
RONALDO SANTOS
Sistema de Biomonitoramento
Comportamental
Trabalho de Conclusão de Curso.
Prof. Amarildo Geraldo Reichel
Orientador
Curitiba, novembro de 2009.
UNIVERSIDADE POSITIVO
Reitor: Prof. Oriovisto Guimarães
Vice-Reitor: Prof. José Pio Martins
Pró-Reitor de Graduação: Prof. Renato Casagrande
Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas: Prof. Marcos José Tozzi
Coordenador do Curso de Engenharia da Computação: Prof. Edson Pedro Ferlin
AGRADECIMENTOS
Ao longo deste ano, muito trabalho, esforço e dedicação foram direcionados a este
projeto. Paciência e compreensão foram palavras chave para este momento. O apoio de
nossos amigos e familiares foi fundamental para conquistarmos mais um degrau em
nossa vida profissional.
Agradecemos a Deus por nos ter dado forças para vencer este desafio, ao nosso
orientador pelo incentivo e direcionamento aos nossos estudos, e em especial a nossa
família que souberam conviver com a nossa ausência em busca de um futuro melhor.
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO .................................................................................................. 12
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ..................................................................... 13
2.1 Polígrafo ......................................................................................................... 13
2.1.1
Medidas defensivas e legitimidade ......................................................... 14
2.1.2
Análise comportamental para saber se uma pessoa mente ou não? ....... 14
2.2 Freqüência Cardíaca ....................................................................................... 16
2.2.1
Sensor por reflexão ................................................................................. 17
2.2.2
Características do sinal ........................................................................... 19
2.3 Sistema Respiratório ....................................................................................... 19
2.3.1
Funcionamento ....................................................................................... 19
2.3.2
Ritmo Respiratório ................................................................................. 19
2.4 Sistema Muscular ........................................................................................... 20
2.4.1
Contração Muscular ................................................................................ 20
2.5
Condutividade da Pele .................................................................................... 21
2.6 Eletrodos ......................................................................................................... 21
2.6.1
Tipos de eletrodos para biopotencial ...................................................... 21
2.6.2
Eletrodos de superfície ........................................................................... 22
2.7 Sensor Piezoelétrico ....................................................................................... 22
2.7.1
Descoberta .............................................................................................. 23
2.7.2
Materiais ................................................................................................. 23
2.7.3
Aplicações .............................................................................................. 24
2.8
3
Filtros de Chebyshev ...................................................................................... 25
ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO .................................................................... 26
3.1
Definição do sistema ...................................................................................... 26
3.2
Descrição das partes componentes e de relacionamento: ............................... 27
3.3
Descrição do interfaceamento (relacionamento) entre sistemas: ................... 28
3.4
Condições ambientais ..................................................................................... 28
3.5
Alimentação .................................................................................................... 28
3.6
Interferências: ................................................................................................. 28
3.7
Interface Homem-Máquina............................................................................. 28
3.8
Arquitetura ...................................................................................................... 29
3.9
Microcontrolador ............................................................................................ 29
3.10 Software .......................................................................................................... 31
3.10.1
Fluxograma ............................................................................................. 31
3.10.2
Diagrama de Casos de Uso ..................................................................... 32
3.10.3
Documentação do Diagrama de Casos de Uso ....................................... 32
3.10.4
Diagrama de Classe ................................................................................ 35
3.10.5
Diagrama de Sequência .......................................................................... 36
3.11 Cronograma do Projeto ................................................................................... 37
4
DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO ............................................. 39
4.1 Hardware ........................................................................................................ 39
4.1.1
Condutividade da Pele ............................................................................ 39
4.1.2
Contrações Involuntárias dos Músculos ................................................. 40
4.1.3
Frequência Cardíaca ............................................................................... 40
4.1.4
Frequência respiratória ........................................................................... 43
4.1.5
Aquisição, digitalização e comunicação com o PC ................................ 44
4.2
Software .......................................................................................................... 45
5
VALIDAÇÃO E RESULTADOS ...................................................................... 48
6
CONCLUSÃO .................................................................................................... 52
7
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 54
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
NCET
Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas
UP
Universidade positivo
HZ
Hertz
Amp. Op
Amplificador Operacional
CMRR
Common Mode Rejection Ratio
CI
Circuito Integrado
FPB
Filtro Passa-Baixa
USB
Universal Serial Barramento
BD
Banco de Dados
EMG
Eletromiografia
ECG
Eletrocardiograma
SBMC
Sistema de Biomonitoramento Comportamental
Bpm
Batimentos por minuto
GSR
Resposta Galvânica da Pele
O2
Oxigênio
CO2
Gás Carbônico
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Fotopletismografia reflexiva. Os dispositivos, emissor e receptor são isolados em câmaras
separadas. .................................................................................................................................................. 18
Figura 2.2 - fotoplestimografia transmissiva. Um encapsulamento especialmente desenhado abriga os
dispositivos, emissor e receptor possibilitando ainda sua fixação a extremidade do dedo. ....................... 18
Figura 2.3 - Diagrama ilustrativo do processo de aquisição do sinal fotoplestimográfico. ...................... 19
Figura 3.1 - Visão Geral ............................................................................................................................ 27
Figura 3.2 - Diagrama de blocos do SBMC ............................................................................................... 29
Figura 3.3 - Pinagem PIC 16F877A .......................................................................................................... 30
Figura 3.4 - Fluxograma do SBMC............................................................................................................ 31
Figura 3.5 - Diagrama de Casos de Uso.................................................................................................... 32
Figura 3.6 - Diagrama de Classe ............................................................................................................... 35
Figura 3.7 - Diagrama de Sequência ......................................................................................................... 36
Figura 3.8 - Cronograma do Projeto ......................................................................................................... 38
Figura 4.1 - Circuito de aquisição de sinal de condutividade da pele ....................................................... 39
Figura 4.2 - Circuito de aquisição do sinal de contrações musculares ..................................................... 40
Figura 4.3 - Circuito de aquisição de sinal com fotoemissor e fotoreceptor ............................................. 41
Figura 4.4 – Circuito de aquisição de sinal com fotoemissor e fotoreceptor modificado.......................... 41
Figura 4.5 - Circuito de aquisição de freqüência cardíaca ....................................................................... 42
Figura 4.6 - Sinal de Entrada..................................................................................................................... 42
Figura 4.7 - Sinal após o1º estágio ............................................................................................................ 43
Figura 4.8 - Sinal após 2º estágio .............................................................................................................. 43
Figura 4.9 - Circuito de Frequência Respiratória ..................................................................................... 44
Figura 4.10 - Circuito de Aquisição e Comunicação ................................................................................. 45
Figura 4.11 - Interface de configuração da porta de comunicação ........................................................... 45
Figura 4.12 - Interface com gráficos para aquisição de sinais em tempo real .......................................... 46
Figura 4.13 - Interface monitoramento de sinais fisiológicos .................................................................... 47
Figura 5.1 - Posicionamento da cinta torácica .......................................................................................... 49
Figura 5.2 - Posicionamento dos eletrodos para aquisição da Condutividade da Pele ............................ 50
Figura 5.3 - Posicionamento sensores Contração Muscular ..................................................................... 50
Figura 10.1 - Dimensões microcontrolador .................................................. Erro! Indicador não definido.
Figura 10.2 - Diagrama de Blocos do microcontrolador 16F877A .............. Erro! Indicador não definido.
Figura 10.3 - Gravador de PIC e DsPIC – MicroICD .................................. Erro! Indicador não definido.
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Referência de FC ................................................................................................................... 17
Tabela 3.1 - Características do microcontrolador 16F877A ..................................................................... 30
Tabela 3.2 - Tabela de Casos de Uso ......................................................................................................... 32
Tabela 5.1 - Padrão do número de batimentos cardíacos por minuto ....................................................... 48
Tabela 5.2 - Padrão do número de ciclos por minuto da respiração ......................................................... 49
RESUMO
O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema capaz de executar a
aquisição e monitoração de sinais fisiológicos para identificação de desvios
comportamentais de pessoas sob pressão psicológica durante um interrogatório. O
objetivo principal foi o desenvolvimento de um sistema de monitoramento capaz de
medir e visualizar registros de algumas variáveis fisiológicas enquanto um
interrogatório é realizado. Baseados nos registros destes sinais, será possível detectar
desvios fora do padrão comportamental, indicando que possivelmente uma pessoa
mente ou não durante um depoimento. O projeto é composto de um computador, um
módulo de aquisição de sinais fisiológicos e sensores. A aquisição dos sinais é obtida
através de quatro sensores acoplados a pontos específicos no corpo da pessoa,
monitorando seu batimento cardíaco, freqüência respiratória, condutividade da pele e
contração muscular, sendo estes os principais fatores que podem variar no momento em
que uma pessoa mente. Filtros especiais foram utilizados para obter um melhor
condicionamento dos sinais. Um microcontrolador foi utilizado para conversão dos
sinais analógico para digitais e a comunicação com o PC através do modo serial RS232.
Uma interface gráfica apresenta em tempo real os sinais da pessoa submetida à análise e
monitoração, podendo ser realizados ajustes iniciais destes de sinais de uma pessoa para
outra.
Palavras chave: Aquisição de sinais fisiológicos, sensores, monitoração.
SYSTEM DE BIOMONITORING BEHAVIORAL
ABSTRACT
This paper presents the development of a system capable of performing the
acquisition and monitoring of physiological signals to identify deviant people under
psychological pressure during interrogation. The main objective was to develop a
monitoring system capable of measuring and displaying records of some physiological
variables as an interrogation is conducted. Based on the records of these signs, you can
detect deviations outside the behavioral pattern, possibly indicating that a person's mind
or not during a deposition. The project consists of a computer, a module of signal
acquisition and physiological sensors. The signal acquisition is achieved by four sensors
attached to specific points on the person's body, monitoring your heart rate, respiratory
rate, skin conductance and muscle contraction, which are the main factors that can vary
over time when a person lies. Special filters were used to obtain a better conditioning of
the signals. A microcontroller is used to convert analog signals to digital and
communication with the PC via RS232 serial mode. A graphical interface displays realtime signals of the person subjected to the analysis and monitoring, adjustments can be
made of these initial signs of a person to another.
Keywords: acquisition of physiological signals, sensors, monitoring.
12
1 INTRODUÇÃO
Inspirado nos polígrafos ou como são popularmente conhecidos, detectores de
mentira, o objetivo principal deste projeto é apresentar o desenvolvimento de um
sistema capaz de coletar e registrar sinais de algumas variáveis fisiológicas,
possibilitando que o usuário ou entrevistador os visualize através de uma interface
gráfica, enquanto um interrogatório é realizado. No capitulo 2 são abordados alguns
princípios básicos de medição e analise dos polígrafos os quais serviram de base para o
inicio do estudo e desenvolvimento do projeto. O SBMC – Sistema de
Biomonitoramento Comportamental foi idealizado como uma ferramenta de suporte a
estes testes, ou seja, através deste aparelho com um pequeno custo de desenvolvimento,
possa coletar estes sinais, serem tratados eletronicamente, e posteriormente
apresentados em uma tela de PC de uma maneira simples e objetiva.
No processo de especificação do projeto (conteúdo do capitulo 3) estão reunidas
todas as fontes e base de pesquisas utilizadas no desenvolvimento do projeto. A partir
dela foi definida a interface homem / máquina (responsável pela visualização dos
sinais), tipos de sensores e transdutores, os circuitos de tratamentos de sinais, como
também aquisição e comunicação.
No desenvolvimento e implantação são apresentados todos os detalhes de execução e
montagem do hardware de aquisição, tratamento e comunicação. Para o software são
demonstradas as disposições de telas, bem como as interfaces entre o usuário.
A monitoração de sinais será composta por sensores posicionados em uma das mãos
da pessoa interrogada, para medição do batimento cardíaco, outro sensor é ajustado ao
redor do tórax onde será observado o ritmo das frequências respiratórias. Para
monitoração de variações elétricas (condutividade) devido o suor ou transpiração,
eletrodos são posicionados em uma das mãos, e por último, um eletrodo sensor para
capturar contrações musculares involuntárias. Todos estes procedimentos estão
descritos no manual do usuário, e são parte integrante deste documento.
13
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Polígrafo
As pessoas contam mentiras pelos mais variados motivos. Na maioria das vezes,
mentir é um mecanismo de defesa usado para evitar problemas com a família, com os
patrões ou com as autoridades. Às vezes, é possível distinguir quando alguém está
mentindo, mas na maioria das vezes, isso não é tão fácil. Polígrafos, mais conhecidos
como detectores de mentira, são instrumentos que monitoram determinadas reações de
uma pessoa. Eles medem alterações das batidas do coração, pressão arterial e
respiração. E são essas mudanças fisiológicas que são analisadas pelos especialistas
para detectar se ela está ou não mentindo (BONSOR, 2001).
Um instrumento polígrafo é basicamente a combinação de aparelhos médicos usados
para monitorar as mudanças que acontecem no corpo. Quando uma pessoa é
questionada sobre certo acontecimento ou incidente, o examinador procura ver como os
batimentos cardíacos, a pressão arterial, a freqüência respiratória e a atividade
eletrodérmica (suor dos dedos, nesse caso) da pessoa mudam em comparação aos níveis
normais. As variações podem indicar que a pessoa está mentindo, mas os resultados do
exame dependem da interpretação do examinador. Os exames do polígrafo são, na
maioria das vezes, associados à investigações criminais (BONSOR, 2001).
Quando uma pessoa é submetida a um exame de polígrafo, vários tubos e cabos são
conectados ao corpo em lugares específicos a fim de monitorarem suas atividades
fisiológicas. Supõe-se que o comportamento mentiroso engatilhe certas mudanças que
podem ser detectadas por um polígrafo e um examinador treinado, chamado de
psicofisiologista forense (FP). Esse examinador procura pela variação em certas
atividades fisiológicas (BONSOR, 2001)
Abaixo são listados alguns exemplos de atividades monitoradas e o que ocorre em
cada uma delas: (BONSOR, 2001)
Freqüência respiratória – no polígrafo utiliza-se o pneumógrafo que
são tubos cheios de ar que variam transdutores para converter a energia do
ar deslocado em sinais eletrônicos.
Pressão arterial/ freqüência cardíaca – injeta-se uma pressão via
manguito na parte superior do braço do examinado, o som produzido pela
compressão do sangue que é bombeado pelas veias é captado por sensores o
qual é transmitido ao polígrafo. A intensidade e freqüência resultam na
leitura da pulsação ou freqüência cardíaca do paciente.
14
Resposta galvânica da pele (GSR) - também chamada de atividade
eletrodérmica, é basicamente uma medida do suor nas pontas dos dedos. As
pontas dos dedos são uma das áreas mais porosas no corpo e é um bom lugar
para procurar pelo suor.
Alguns polígrafos também registram movimentos de braços e pernas. Enquanto o
examinador faz perguntas, os sinais dos sensores conectados a seu corpo são registrados
em uma fita de papel.
2.1.1 Medidas defensivas e legitimidade
“Algumas pessoas submetidas a um exame de polígrafo podem querer usar medidas
defensivas, em uma tentativa de enganar o instrumento. Alguns exemplos de como uma
pessoa pode tentar enganar o aparelho inclui sedativos e antiperspirantes nas pontas dos
dedos. A idéia das medidas defensivas é causar (ou restringir) certa reação que
distorcerá o resultado do teste. Uma pessoa que se submete a um exame pode tentar ter
a mesma reação para todas as perguntas, assim, o examinador não pode captar respostas
enganosas. Por exemplo, algumas pessoas colocam uma tachinha no sapato e
pressionam o pé para baixo na tachinha depois de cada pergunta. A idéia é que a
resposta fisiológica à tachinha possa ser sobreposta à resposta fisiológica à pergunta,
fazendo que a resposta a cada pergunta pareça idêntica” (BONSOR, 2001).
“Os polígrafos raramente são admitidos nos tribunais. O Novo México é o único
estado nos Estados Unidos que permite abertamente a admissão dos resultados de
exame de polígrafo. Todos os outros Estados solicitam o cumprimento de algum tipo de
condição antes de admitir os exames de polígrafos nos autos do processo. Na maioria
dos casos, ambos os lados de um caso legal têm que concordar, previamente, que os
polígrafos serão ou não admitidos. Em nível federal, os critérios de admissão são muito
mais vagos e a admissão normalmente depende da aprovação do juiz” (BONSOR,
2001).
“No Brasil, ainda não é conhecida nenhuma jurisprudência sobre o uso dos
detectores de mentira nas esferas penal e cível. Porém, há relatos de que no Rio Grande
do Sul, primeiro estado brasileiro a utilizar o sistema, decisões de juízes, inclusive de
primeira instância, foram baseadas em laudos de detectores de mentira como provas.
Além disso, os juízes determinaram o seu uso como perícia de juízo” (BONSOR, 2001).
“Ainda há muitas questões que devem ser respondidas antes que os polígrafos sejam
aceitos pelos tribunais e pelo grande público” (BONSOR, 2001).
2.1.2 Análise comportamental para saber se uma pessoa mente ou não?
Conforme estudos existem 30 maneiras de detectar se uma pessoa está mentindo ou
não, definidos por meio de uma apresentação diante de um grupo de pessoas, obtendo
os resultados de 55% do impacto determinadas pela linguagem corporal – postura,
15
gestos e contato visual - 38% pelo tom de voz e apenas 7% pelo conteúdo da
apresentação (MEHRABIAN & FERRIS, 1967).
1. A pessoa fará pouco ou nenhum contato direto nos olhos;
2. A expressão física será limitada, com poucos movimentos dos braços e das
mãos. Quando tais movimentos ocorrem, eles parecem rígidos e mecânicos. As
mãos, os braços e as pernas tendem a ficar encolhidos contra o corpo e a pessoa
ocupa menos espaço;
3. Uma ou ambas as mãos podem ser levadas ao rosto (a mão pode cobrir a boca,
indicando que ela não acredita – ou está insegura – no que está dizendo).
Também é improvável que a pessoa toque seu peito com um gesto de mão
aberta;
4. A fim de parecer mais tranqüila, a pessoa poderá se encolher um pouco;
5. Não há sincronismo entre gestos e palavras;
6. A cabeça se move de modo mecânico;
7. Ocorre o movimento de distanciamento da pessoa para longe de seu acusador,
possivelmente em direção à saída;
8. A pessoa que mente reluta em se defrontar com seu acusador e pode virar sua
cabeça ou posicionar seu corpo para o lado oposto;
9. O corpo ficará encolhido. É improvável que permaneça ereto;
10. Haverá pouco ou nenhum contato físico por parte da pessoa durante a tentativa
de convencê-lo;
11. A pessoa não apontará seu dedo para quem está tentando convencer;
12. Observe para onde os olhos da pessoa se movem na hora da resposta de sua
pergunta. Se olhar para cima e à direita, e for destra, tem grandes chances de
estar mentindo.
13. Observe o tempo de demora na resposta de sua pergunta. Uma demora na
resposta indica que ela está criando a desculpa e em seguida verificando se esta
é coerente ou não. A pessoa que mente não consegue responder
automaticamente à sua pergunta.
14. A pessoa que mente adquire uma expressão corporal mais relaxada quando você
muda de assunto.
15. Se a pessoa ficar tranqüila enquanto você a acusa, então é melhor desconfiar.
Dificilmente as pessoas ficam tranqüilas enquanto são acusadas por algo que
sabem que são inocentes. A tendência natural do ser humano é manter certo
desespero para provar que é inocente. Por outro lado, a pessoa que mente fica
quieta, evitando a todo custo falar de mais detalhes sobre a acusação;
16. Quem mente utilizará as palavras de quem o ouve para afirmar seu ponto de
vista;
17. A pessoa que mente continuará acrescentando informações até se certificar de
que você se convenceu com o que ela disse;
18. Ela pode ficar de costas para a parede, dando a impressão que mentalmente está
pronta para se defender;
19. Em relação à história contada, o mentiroso, geralmente, deixa de mencionar
aspectos negativos;
20. Um mentiroso pode estar pronto para responder as suas perguntas, mas ele
mesmo não coloca nenhuma questão.
16
21. A pessoa que mente pode utilizar as seguintes frases para ganhar tempo, a fim de
pensar numa resposta (ou como forma de mudar de assunto): “Por que eu
mentiria para você?”, “Para dizer a verdade…”, “Para ser franco…”, “De onde
você tirou essa idéia?”, “Por que está me perguntando uma coisa dessas?”,
“Poderia repetir a pergunta?”, “Eu acho que este não é um bom lugar para se
discutir isso”, “Podemos falar mais tarde a respeito disso?”, “Como se atreve a
me perguntar uma coisa dessas?”;
22. Ela evita responder, pedindo para você repetir a pergunta, ou então responde
com outra pergunta;
23. A pessoa utiliza de humor e sarcasmo para aliviar as preocupações do
interlocutor;
24. A pessoa que está mentindo pode corar, transpirar e respirar com dificuldade;
25. O corpo da pessoa mentirosa pode ficar trêmulo: as mãos podem tremer. Se a
pessoa estiver escondendo as mãos, isso pode ser uma tentativa de ocultar um
tremor incontrolável.
26. Observe a voz. Ela pode falhar e a pessoa pode parecer incoerente;
27. Voz fora do tom: as cordas vocais, como qualquer outro músculo, tendem a ficar
enrijecidas quando a pessoa está sob pressão. Isso produzirá um som mais alto.
28. Engolir em seco: a pessoa pode começar a engolir em seco.
29. Pigarrear: Se ela estiver mentindo têm grandes chances de pigarrear enquanto
fala com você. Devido à ansiedade, o muco se forma na garganta, e uma pessoa
que fala em público, se estiver nervosa, pode pigarrear para limpar a garganta
antes de começar a falar.
30. Já reparou que quando estamos convictos do que estamos dizendo, nossas mãos
e braços gesticulam, enfatizando nosso ponto de vista e demonstrando forte
convicção? A pessoa que mente não consegue fazer isso. Esteja atento.
2.2 Freqüência Cardíaca
A freqüência cardíaca nada mais é do que o número de vezes que o coração se
contrai e relaxa, ou seja, o número de vezes que o coração bate por minuto. Estes
movimentos se subdividem em freqüência cardíaca basal, de repouso, de reserva,
submáxima e máxima.
A Tabela 2.1, representa o número de batimento cardíaco de uma pessoa conforme a
sua idade, representado pelo parâmetro FC (Freqüência Cardíaca em bpm).
17
Tabela 2.1 - Referência de FC
Fonte: PASCHOAL (2006)
2.2.1 Sensor por reflexão
“A pletismografia fotoelétrica, também conhecida como fotopletismografia, é um
método não-invasivo para detecção do pulso cardíaco utilizando um detector
fotoelétrico” (PAIM, 2005).
O traçado da onda fotopletismográfica retrata as mudanças na atenuação que a
energia luminosa sofre em seu caminho, quando transmitida ou refletida nos tecidos, e
corrente sangüínea.
Estas variações na intensidade da luz recebida pelo fotodetector dependem
principalmente dos seguintes fatores:
Variações no fluxo total de sangue (venoso + arterial), sob o fotodetector;
Orientação dos eritrócitos;
Concentração dos eritrócitos;
Velocidade do sangue no local;
Distância entre a fonte de luz e o detector;
A Figura 2.1 ilustra como são posicionados os dispositivos optoeletrônicos na
fotopletismografia reflexiva. Uma peça abriga os dispositivos em câmaras separadas
evitando que ocorra a iluminação direta entre os mesmos, permitindo exclusivamente
que a luz refletida atinja o foto-receptor.
18
Figura 2.1 - Fotopletismografia reflexiva. Os dispositivos, emissor e receptor são isolados em
câmaras separadas.
Fonte: Adaptado de MOYLE (2002)
Na fotopletismografia transmissiva, os dispositivos optoeletrônicos são posicionados
em lados opostos da extremidade em interesse (como o dedo de uma das mãos). A
Figura 2.2 ilustra como é utilizado o arranjo. O invólucro que abriga os dispositivos
também serve para envolver e fixar o conjunto na extremidade do membro.
Segundo a Lei de Beer-Lambert, a determinação da energia luminosa total
transmitida através de uma solução possuindo determinada concentração de uma
substância qualquer, é dada por:
Onde:
I = intensidade da energia luminosa
I0 = intensidade da luz incidente
-ε(λ) = é o coeficiente de extinção a um específico comprimento de onda λ
c = é a concentração da substância absorvente
d = distância
Figura 2.2 - fotoplestimografia transmissiva. Um encapsulamento especialmente desenhado abriga
os dispositivos, emissor e receptor possibilitando ainda sua fixação a extremidade do dedo.
Fonte: Adaptado de MOYLE(2002)
19
2.2.2 Características do sinal
A componente D.C. da amplitude do sinal, devida a absorção pelos tecidos, possui
amplitude típica de 97 % do total. Este sinal D.C. é removido através de um filtro passafaixa e o sinal resultante (A.C.) é em seguida amplificado até valores compatíveis com a
entrada do conversor A/D. A Figura 2.3 mostra, sucintamente, o diagrama de blocos o
processo de aquisição do sinal fotopletismográfico (PAIM, 2005).
Figura 2.3 - Diagrama ilustrativo do processo de aquisição do sinal fotoplestimográfico.
Fonte: Adaptado de PAIM (2005)
2.3 Sistema Respiratório
2.3.1 Funcionamento
A respiração é um processo fisiológico pelo qual os organismos vivos inalam
oxigênio do meio circulante e soltam dióxido de carbono. A respiração (ou troca de
substâncias gasosas – O2 e CO2 ), entre o ar e a corrente sanguínea, é feita pelo aparelho
respiratório que compreende: nariz, cavidade nasal dividida em duas fossas nasais,
faringe, laringe, traquéia, brônquios e pulmões com bronquíolos e alvéolos. Nos
alvéolos pulmonares, o oxigênio (O2) passa para o sangue (glóbulos vermelhos),
enquanto o gás carbônico (CO2) o abandona. Este intercâmbio de gases ocorre
obedecendo às leis físicas da difusão (WEB CIÊNCIA, 2000).
2.3.2 Ritmo Respiratório
A frequência é o ritmo da respiração de forma inconsciente e está regulado mediante
a estimulação do centro respiratório, situado no bulbo raquidiano, "nódulo vital de
20
Florens"; até ele chegam mensagens por meio da distensão dos alvéolos pulmonares ou
sob a resultante do aumento de concentração do CO2 do sangue (FPKC, 2007).
Quanto maior seja o trabalho muscular, maior será a produção de CO2 e maior o
ritmo respiratório (FPKC, 2007).
A frequência respiratória pode ser situada para um adulto em condições de repouso
em 15 ciclos /minuto e variará com a idade (40 /min no recém-nascido, 8-10 /min em
pessoas treinadas, etc.). O ritmo normal recebe o nome de eupneico, se aumenta,
taquipnéico, e se diminui por debaixo de cifras estimadas como limites, bradipnéico
(FPKC, 2007).
A quantidade de ar que se mobiliza no interior dos pulmões em respiração normal
nunca é o total da sua capacidade, dado que sempre ficará o chamado "ar residual". Em
consequência, se calcula em 0,5 litros o chamado "ar respiratório"; se for aumentada a
respiração à inspiração máxima, pode-se chegar a inspirar de 1,5 a 2 litros mais de "ar
complementar", e se a expiração é total pode-se expirar igualmente de 1,5 a 2 litros mais
o, "ar de reserva" (FPKC, 2007).
2.4 Sistema Muscular
Os músculos são órgãos constituídos principalmente por tecido muscular,
especializado em contrair e realizar movimentos, geralmente em resposta a um estímulo
nervoso (WEB CIÊNCIA, 2000).
2.4.1 Contração Muscular
O estímulo para a contração é geralmente um impulso nervoso que se propaga pela
membrana das fibras musculares, atingindo o retículo sarcoplasmático (um conjunto de
bolsas membranosas citoplasmáticas onde há cálcio armazenado), que libera íons de
cálcio no citoplasma. Ao entrar em contato com as miofibrilas, o cálcio desbloqueia os
sítios de ligação de actina, permitindo que se ligue a miosina, iniciando a contração
muscular (WEB CIÊNCIA, 2000).
Assim que cessa o estímulo, o cálcio é rebombeado para o interior do retículo
sarcoplasmático e cessa a contração muscular (WEB CIÊNCIA, 2000).
A energia para contração muscular é suprida por moléculas de ATP (produzidas
durante a respiração celular). O ATP atua na ligação de miosina à actina, o que resulta
na contração muscular. Mas a principal reserva de energia nas células musculares é a
fosfocreatina, onde grupos de fosfatos, ricos em energia, são transferidos da
fosfocreatina para o ADP, que se transforma em ATP. Quando o trabalho muscular é
intenso, as células musculares repõem seus estoques de ATP e de fosfocreatina,
intensificando a respiração celular, utilizando o glicogênio como combustível (WEB
CIÊNCIA, 2000).
21
2.5 Condutividade da Pele
São fenômenos fisiológicos relacionados a aspectos emocionais tais como agitação,
euforia e tensão. Cada pessoa tem uma determinada faixa para variação da resistência da
pele. Uma das alterações desencadeadas pelo sistema nervoso autônomo simpático está
relacionada com a atividade eletrodérmica e com o suor. A pele possui condutividade
elétrica que se manifesta em mudanças graduais, que podem ser de longa duração
(tônicas) ou fásicas, iniciadas por estímulos e por atividades do sujeito
(CAMPREGHER, 2006).
Mudanças tônicas e fásicas não são fenômenos essencialmente diferentes, pois são
causados por mudanças semelhantes na atividade das glândulas sudoríparas. O nível
tônico é chamado nível de condutividade da pele e acontece tanto em resposta a alguma
alteração na condição do sujeito como espontaneamente. As respostas fásicas podem ser
chamadas de: resposta eletrodérmica, resposta galvânica da pele, resposta
psicogalvânica ou resposta de resistência da pele. A resposta galvânica da pele ocorre
quando há diminuição da resistência da pele e aumento de sua condutividade. Essa
resposta pode ser detectada na sola do pé ou na palma da mão, pois essas superfícies
contém maior concentração de glândulas sudoríparas (CAMPREGHER, 2006).
2.6 Eletrodos
2.6.1 Tipos de eletrodos para biopotencial
Eletrodos de biopotenciais são geralmente metálicos e devem ter a capacidade de
conduzir corrente através da interface entre o corpo e o circuito eletrônico de medida,
transformando uma corrente iônica em uma corrente eletrônica, e também ter a
capacidade de transportar corrente para o corpo através de íons (COSTA & BUTTON,
2009).
Há uma variedade grande de tipos de eletrodos para medição de biopotencial quase
todos pertencem a um dos três tipos básicos:
Eletrodos de superfície
Microeletrodos
Eletrodos de agulha
Eletrodos de superfície são usados para obter potenciais bioelétricos na superfície do
corpo:
ECG: eletrodos maiores
EEG e EMG: eletrodos menores
Diversos formatos e tamanhos, reutilizáveis, descartáveis, rígidos, flexíveis
22
2.6.2 Eletrodos de superfície
Eletrodos de Membros podem ser distribuídos em:
Eletrodo de prata germânica (liga de níquel e prata), fixado com tira de borracha.
Aplica-se gel eletrolítico na parte interna.
Eletrodo clamp com sensor de prata cloretada; adaptável a conector universal.
Eletrodo plano de metal (prata cloretada, aço inox, platina); acoplado com gel e
fixado com fita adesiva.
O eletrodo de orelha utiliza dois eletrodos tipo disco, de ouro ou prata, com furo
no meio, montados num suporte plástico.
Eletrodo de sucção: não requer adesivo ou tiras de borracha. Comumente usado
no ECG precordial a do cilindro é colocada uma camada de gel. Deve ser usado
por pouco tempo por causar irritação na pele devido à sucção. Possui uma alta
impedância em relação aos eletrodos de placas de metal devido à pequena área
de contato (bordas do cilindro). Ao lado: eletrodos de sucção para o tórax de
Ag/AgCl com diâmetro de 15 24 ou 30 mm. Também fabricados em Nickel
Eletrodo descartável. Consiste em um disco plástico com um disco no centro de
prata geralmente revestida com uma camada de AgCl (Ag/AgCl). Usados em
monitoração de longo tempo. A fixação é feita através de adesivo que faz parte
do conjunto do eletrodo.
Eletrodos de EEG. Eletrodos de disco de prata. A maioria possui um furo no
meio para aplicação de gel condutivo. São fixados no escalpo com um adesivo
chamado colódio. Usados como eletrodos de rotina, os eletrodo estampados em
forma de disco são feitos a partir de uma placa fina de prata (ou ouro). Os discos
também podem ser fundidos (mais espessos, não dobram)
Eletrodo de EEG sinterizado. Por que Sinterizado? Os eletrodos de prata em
forma de disco estampados recobertos de AgCl são sujeitos a perder a camada
de Ag/AgCl durante o uso ou durante a operação de limpeza. Os eletrodos
sinterizados são compostos de uma mistura de pós finos de prata e de AgCl que
são comprimidos numa técnica especial que não precisa de filler ou binders. Os
eletrodos são homogêneos em toda a espessura e possuem resistência mecânica
elevada.
Além disso:
nunca precisam ser cloretados.
alta estabilidade.
baixa tensão de off set.
baixo ruído.
poucos artefatos.
área larga.
2.7 Sensor Piezoelétrico
23
O efeito piezoelétrico foi descoberto por Pierre e Jacques Curie em 1880 e consiste
na variação das dimensões físicas de certos materiais sujeitos a campos elétricos. O
contrário também ocorre, ou seja, a aplicação de pressões. Por exemplo, pressões
acústicas que causam variações nas dimensões de materiais piezoelétricos provocam o
aparecimento de campos elétricos neles. Um outro método de gerar movimentos ultrasônicos é pela passagem de eletricidade sobre metais especiais, criando vibrações e
prioduzindo calor intenso durante o uso. Este efeito é chamado de magnetoestritivo. O
efeito de Piezo-Eletricidade refere-se à interação de pressão mecânica (do grego: piézin
– prensar, apertar) e tensão elétrica em sólidos. Ele se baseia no fenômeno do
surgimento de cargas elétricas causado pela deformação na superfície de determinados
materiais.(DJALMA, 2003)
Muitos seres vivos empregam Piezo-Eletricidade de uma maneira muito
interessante: ossos, por exemplo, agem como sensores de força. Sob efeito de força eles
produzem cargas elétricas que são proporcionais aos esforços internos. Estas cargas
estimulam e provocam a formação de novo material ósseo, que contribui para o
fortalecimento da estrutura óssea nos locais onde os deslocamentos internos foram
maiores. Isso conduz à uma excelente relação de peso x firmeza (HBM, 2009).
2.7.1 Descoberta
As propriedades elétricas da Turmalina já eram há muito tempo conhecidas (a pedra
preciosa atrai partículas de cinza quando ela é aquecida na brasa). Coulomb e Becquerel
suspeitaram, ademais, devido a esta eletricidade condicionada à temperatura, de uma
eletricidade dependente de pressão. Eles se dedicaram a esta teoria, mas não
conseguiram apresentar nenhuma prova. Após vários desencaminhamentos, através dos
quais foi traçada, principalmente, a eletricidade a partir de atrito, os irmãos Pierre e
Jacques Curie detectaram finalmente em 1880 o Piezo-Efeito na Turmalina. (DJALMA,
2003)
Em experimento eles conseguiram provar que uma tensão na superfície surgia tão
logo o cristal fosse exposto à pressão mecânica. Pouco tempo depois eles encontraram
estas características também em outros cristais, como Quartzo e Topázio.
Os dois nomearam a sua descoberta “Eletricidade Polar”. Contudo esta designação
deu logo lugar ao nome “Piezo-Eletricidade”. Em 1881 Gabriel Lippmann prognosticou
o Piezo-Efeito invertido, a saber, a deformação do cristal devido à um campo elétrico
aplicado. Os irmãos Curie deram razão à Lippmann. Por fim, eles conseguiram
comprovar também isso em experimento. Lançando um olhar respectivo pode-se dizer
que a contribuição dos irmãos Curie foi extremamente significativa, quando se
considera, sobretudo, os meios que eles tinham à disposição. Com papel de estanho,
cola, arame e ímã, mas principalmente um olhar aguçado, eles conseguiram obter a
prova do Piezo-Efeito. (DJALMA, 2003)
2.7.2 Materiais
24
Dois importantes grupos de materiais são usados para os sensores piezoelétricos:
cerâmicas piezoelétricas e materiais de cristal puro. As cerâmicas são produzidas por
processo de sinterização e têm uma constante piezoelétrica que pode estar duas ordens
de grandeza acima da dos materiais de cristal. Infelizmente, esta alta sensibilidade é
associada à uma pobre estabilidade a longo prazo. Imagine que cerâmicas piezoelétricas
são como uma barra de ferro magnetizada (ou uma fita cassette). A magnetização é
adicionalmente “impressa” e pode ser mudada. Os materiais de cristal puro (como
Turmalina, Quartzo, Fostato de Gálio: GaPO4) são exatamente o contrário. Aqui a
estrutura específica da grade de cristal é responsável pelo efeito. Em geral, cristais são
menos sensíveis, mas têm maior estabilidade. (DJALMA, 2003)
Alguns dos materiais usados – principalmente Fosfato de Gálio e Turmalina –
possuem excelente estabilidade sobre amplas gamas de temperatura, fazendo possível
extender o campo de aplicação para cristais piezoelétricos até quase 1000°C.
(DJALMA, 2003)
Todas as piezocerâmicas e Turmalina não são somente piezoelétricas: são também
piroelétricas. Isso significa que um sinal de carga é emitido não apenas na ocorrência de
uma mudança de pressão, mas também junto a uma mudança de temperatura: uma
propriedade que materiais como Quartzo e Fosfato de Gálio não possuem - e é isso que
justifica o fato de eles serem cristais especialmente apropriados para medição
(DJALMA, 2003).
2.7.3 Aplicações
Este princípio de medição tem sido usado desde os anos quarenta do século passado
e é hoje uma sofisticada tecnologia com uma excelente e inata confiabilidade. Por esta
razão, o Efeito-Piezo é atualmente utilizado com sucesso em numerosos e críticos
campos de aplicação, como o médico, o de aviação e o campo de tecnologia nuclear
(DJALMA, 2003).
A ascensão da tecnologia piezoelétrica está baseada em um grande número de
vantagens.
Os altos módulos de elasticidade de muitos materiais piezoelétricos são comparáveis
com os de vários metais. Embora sensores piezoelétricos sejam sistemas
eletromecânicos que reagem à pressão, os elementos de medição não mostram
praticamente nenhuma deformação (tipicamente os elementos de medição são
comprimidos apenas em alguns micrômetros) (DJALMA, 2003).
Esta é uma razão para a robustez dos sensores piezoelétricos, para a sua altíssima
frequência natural e excelente linearidade, mesmo sob difíceis condições operacionais.
Ademais, a tecnologia
eletromagnéticos e radiação.
piezoelétrica
não
sofre
influência
de
campos
Uma desvantagem dos sensores piezoelétricos é o seu uso para medições puramente
estáticas. Uma força estática conduz a uma determinada quantidade de carga na
superfície do material piezoelétrico. Através da utilização de eletrônica convencional e
materiais que não são perfeitos isolantes, observa-se uma contínua perda de carga, que
25
leva, no final das contas, à uma continua queda de sinal. Elevadas temperaturas
provocam uma queda adicional na resistência interna, de maneira que apenas materiais
com alta resistência interna possam ser usados em tais condições de medição
(DJALMA, 2003).
Não seria correto pensar que sensores piezoelétricos só podem ser utilizados para
processos rápidos ou sob condições moderadas. Há numerosas aplicações nas quais
medições são realizadas sob condições quase-estáticas, embora este seja certamente o
domínio da tecnologia de strain gage.
Uma clara diferença entre a aplicação strain gage e a tecnologia piezo está, com
certeza, na maneira como os elementos de medição são usados. Strain gages são
instalados em estruturas que sofrem deformação quando uma força é aplicada: a maioria
da força passa através da estrutura. Devido à rigidez dos cristais, a tecnologia piezo de
medição é baseada no fato de que a corrente de força passa através dos elementos de
medição. A alta estabilidade dos cristais puros possibilita um design muito compacto
dos sensores piezo (DJALMA, 2003).
Esta deformação mínima do cristal é também a condição ideal para a ótima
linearidade do sensor, pois a transformação da corrente de força é insignificante, devido
ao curto deslocamento.
Combinando isso com a estabilidade dos elementos de medição e você terá
transdutores com uma correspondente segurança diante de sobrecarga e estabilidade em
longo prazo (DJALMA, 2003).
2.8 Filtros de Chebyshev
Nas freqüências próximas a freqüência de corte (Wc), a resposta Butterworth não é
muito boa para filtros de baixa ordem, deste modo, os filtros de resposta Chebyshev são
utilizados, pois possuem melhor definição nas vizinhanças de Wc. Se for considerado
um filtro do tipo Butterworth e outro do tipo Chebyshev, ambos de mesma ordem e com
a mesma estrutura de implementação, a resposta do filtro Chebyshev será melhor em
termos de freqüência de corte, ou seja, sua transição próxima a freqüência de corte será
muito mais aguda do que a obtida para o filtro Butterworth. Entretando, o filtro
Chebyshev apresenta ondulações (ripples) na faixa de passagem. (PERTENCE
JUNIOR, 2003)
O número de ripples presentes na faixa de passagem é igual à ordem do filtro. Por
outro lado, a amplitude dos ripples (PR) depende do parâmetro que define a amplitude
dos ripples presentes na faixa de passagem. Outra observação interessante é que, para n
ímpar, os ripples apresentam em W = 0 seu valor máximo e, para n par, os ripples
apresentam W = 0 o seu valor mínimo (PERTENCE JUNIOR, 2003).
A taxa de atenuação (TA) do filtro Chebyshev é, na maioria das vezes, superior a
20dB/década, o que o define como melhor opção para implementação em filtros de
baixa ordem e que requerem uma atenuação rápida.
26
3 ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO
3.1 Definição do sistema
O SBMC é projetado em um microcontrolador que interpretará aquisição dos sinais
e os enviará a um software. Neste projeto, foi utilizado um microcontrolador de baixo
custo, o 16F877A da Microchip, de reduzido tamanho e baixo consumo de energia.
Possui 8 entradas analógicas as quais passam por um AD de 10 bits (Microchip, 2003).
O sistema é composto por sensores de contato (eletrodos), um circuito de reflexão
com infravermelho sendo um sensor emissor e outro receptor, um circuito com sensor
piezo elétrico, e outro circuito para o condicionamento de sinal e alimentação.
Os sensores de contato são elementos primários para a medição da resistência da
pele. São dois elementos condutores a serem colocados em contato com a pele, mas
devendo estar separados um do outro. A distância máxima recomendada entre os
elementos de contato deve ser aproximadamente 5 cm. Com estes elementos em contato
com a pele, a resistência entre eles, que é a resistência R da pele, altera o sistema de
condicionamento de sinal. Esta alteração é dada na forma de uma tensão elétrica, que
por sua vez é medida pelo microcontrolador (AMADEU, BORGES, & FRAGA, 2007).
Eletrodos descartáveis foram utilizados para aquisição da condutividade elétrica da
pele e da contração muscular involuntária em uma determinada região do corpo, de
modo que utilizamos o EMG como base de estudo para aquisição destes sinais. Os
eletrodos descartáveis de superfície possuem uma boa aquisição do sinal, mas precisa de
cuidados nas medições por sofrer agressões do próprio contato com a pele. A superfície
do mesmo sempre terá que estar limpa para um melhor contato e atenuação de ruídos.
Antes de chegar o sinal ao microcontrolador, o mesmo passará por um INA 128 para
tratamento do sinal, tanto na atenuação de ruídos como ganho no sinal e um FPB para
tratamento do sinal.
O circuito para medir a freqüência cardíaca é composto por componentes para
emissão e detecção do sinal através de diodos emissores de luz infravermelha e
fototransistores infravermelhos. Alguns fotodiodos e fototransistores foram pesquisados
e indicados para tal finalidade, sendo utilizados o TIL32 e TIL78, como emissor e
receptor respectivamente. Um filtro FPB Chebshevy de 2ª ordem foi implementado para
atenuação de ruídos e ganho do sinal.
27
O circuito para aquisição do sinal da freqüência respiratória é composto por um
sensor piezo elétrico e um módulo com filtro para tratamento e ganho do sinal. Este será
fixada na caixa torácica através de uma cinta regulável indicando a variação da
respiração conforme o ato de inspirar e expirar, a taxa da variação da respiração em
relação ao tempo seja determinada em ciclos por minuto.
Finalizando o firmware do microcontrolador foi destinado à aquisição da leitura dos
dados e envio através de comunicação RS 232 ao PC.
3.2 Descrição das partes componentes e de relacionamento:
A visão geral do sistema pode ser vista na Figura 3.1.
Figura 3.1 - Visão Geral
O sistema é composto por:
Um computador, possibilitando o monitoramento através de interface gráfica
dos sinais dos sensores.
Interface eletrônica, possibilitando o gerenciamento e tratamento dos sinais.
Dispositivo para aquisição de batimento cardíaco.
Cinta torácica com sensor piezo elétrico para aquisição da freqüência
respiratória.
Eletrodos para aquisição de sinais de variações elétricas (condutividade) na mão
e contração muscular.
28
3.3 Descrição do interfaceamento (relacionamento) entre sistemas:
Os sinais dos sensores são tratados por filtros e a comunicação para o PC é através
do da serial Usart. O monitoramento juntamente com a representação gráfica é através
do computador.
3.4 Condições ambientais (umidade, temperatura, poeira, vibração,
agressividade do meio,...):
O produto não deverá ser exposto a ambientes agressivos, por se tratar de
equipamento com componentes eletrônicos de baixa isolação de umidade, calor e
interferências.
Os eletrodos utilizados devem estar com a superfície limpa evitando oxidações e
películas de gordura ocasionado desvios nas leituras..
3.5 Alimentação
A alimentação do sistema é por meio de uma fonte projetada para entrada de 110V e
saídas de +12V, -12V e +5V..
3.6 Interferências:
Ambientes com interferências eletromagnéticas e elétricas podem gerar ruídos nos
sinais, alterando a recepção dos mesmos.
3.7 Interface Homem-Máquina
Interface desenvolvida para visualização de gráficos no PC possibilitando o
acompanhamento da aquisição dos sinais em tempo real, possibilitando ajustes iniciais
nos sinais.
29
3.8 Arquitetura
A Erro! Fonte de referência não encontrada. representa o diagrama de blocos que
define a arquitetura do projeto.
SENSOR 1
Sensor por Reflexão
Frequência Cardíaca
Condicionamento de Sinal
SENSOR 2
Sensor Piezoelétrico
Frequência Respiratória
Condicionamento de Sinal
AD
Conversão do sinal
Analógico/Digital
AD
Conversão do sinal
Analógico/Digital
Multiplexador
SENSOR 3
2 Eletrodos
Condutividade da pele
Condicionamento de Sinal
AD
Conversão do sinal
Analógico/Digital
SENSOR 4
3 Eletrodos
Contrações Musculares
Condicionamento de Sinal
AD
Conversão do sinal
Analógico/Digital
Microprocessador
Software
Figura 3.2 - Diagrama de blocos do SBMC
3.9 Microcontrolador
Por utilizar a tecnologia TTL ter baixo consumo e um baixo custo, foi definido para
aquisição dos sinais fisiológicos do projeto, suprindo as especificações necessárias.
Também foi levado em consideração a escolha do microcontrolador pelo fato de ser um
componente de fácil acesso no mercado, sendo facilmente encontrado para possíveis
manutenções necessárias.
O microcontrolador possui internamente um conversor AD de 10 bits com 8
entradas analógicas para aquisição dos sinais e uma saída TX para transmissão de dados
pela porta serial RS 232, conforme Tabela 3.1.
30
Tabela 3.1 - Características do microcontrolador 16F877A
Fonte: Microchip (2003)
A distribuição dos 40 pinos do microcontrolador pode ser observada na Figura 3.3
Figura 3.3 - Pinagem PIC 16F877A
Fonte: Microchip (2003)
Apesar de todo o seu potencial, foram utilizados no projeto aproximadamente 40%
dos seus recursos, de maneira que seu encapsulamento reduziu o tamanho do circuito
podendo ser observadas as dimensões do componente na figura 10.1 e os seus recursos
internos através do diagrama de blocos do na figura 10.2 no Anexo C.
31
O microcontrolador é de fácil programação, podendo ser utilizado a linguagem C
para elaboração dos códigos e a IDE de desenvolvimento MPLAB para compilação do
programa. O gravador MicroIcd, podendo ser observado na Erro! Fonte de referência
não encontrada., para gravação e debugação do PIC via USB foi utilizado, ampliando
os recursos de testes do PIC.
3.10 Software
3.10.1 Fluxograma
A imagem da Figura 3.4 representa o fluxograma do SBMC, representando a parte
de aquisição, tratamento, comunicação e representação gráfica.
Figura 3.4 - Fluxograma do SBMC
A aquisição dos sinais é realizada em paralelo, sendo os outros módulos em série.
32
3.10.2 Diagrama de Casos de Uso
A Figura 3.5 representa a aquisição dos sinais fisiológicos através de quatro sensores
que serão disponibilizados em uma interface gráfica. O indivíduo paciente é a pessoa
submetida a monitoração e o individuo Analista é o especialista que interpretará os
gráficos.
Figura 3.5 - Diagrama de Casos de Uso
3.10.3 Documentação do Diagrama de Casos de Uso
A Tabela 3.2 representa as condições de atuação que o diagrama de casos de uso
atua.
Tabela 3.2 - Tabela de Casos de Uso
Nome Caso de Uso
Sensor_1
Caso de Uso Geral
Ator Principal
Paciente
Atores Secundários
Analista
Resumo
Este caso de uso descreve as etapas
percorridas pelo paciente na aquisição do
sinal do sensor 1.
Pré –Condições
O paciente deve estar conectado ao
sensor.
33
Ações do autor
Ações do sistema
1. Posicionar dedo
2.Ler sinal do sensor.
Restrições / Validações
Nome Caso de Uso
1. Para ser paciente é necessário
posicionar o dedo no sensor.
Sensor_2
Caso de Uso Geral
Ator Principal
Paciente
Atores Secundários
Analista
Resumo
Este caso de uso descreve as etapas
percorridas pelo paciente na aquisição do
sinal do sensor 2.
Pré –Condições
O paciente deve estar conectado ao
sensor.
Ações do autor
Ações do sistema
1. Posicionar cinta na região do torax
2.Ler sinal do sensor.
Restrições / Validações
Nome Caso de Uso
1. Para ser paciente é necessário
posicionar a cinta na região do torax.
Sensor_3
Caso de Uso Geral
Ator Principal
Paciente
Atores Secundários
Analista
Resumo
Este caso de uso descreve as etapas
percorridas pelo paciente na aquisição do
sinal do sensor 3.
Pré –Condições
O paciente deve estar conectado ao
sensor.
Ações do autor
Ações do sistema
1. Posicionar eletrodo
2.Ler sinal do sensor.
Restrições / Validações
1. Para ser paciente é necessário
posicionar eletrodos na mão esquerda.
34
Nome Caso de Uso
Sensor_4
Caso de Uso Geral
Ator Principal
Paciente
Atores Secundários
Analista
Resumo
Este caso de uso descreve as etapas
percorridas pelo paciente na aquisição do
sinal do sensor 4.
Pré –Condições
O paciente deve estar conectado ao
sensor.
Ações do autor
Ações do sistema
1. Posicionar eletrodo
2.Ler sinal do sensor.
Restrições / Validações
Nome Caso de Uso
1. Para ser paciente é necessário
posicionar eletrodos na mão direita.
Gerar gráficos
Caso de Uso Geral
Ator Principal
Analista
Atores Secundários
Resumo
Este caso de uso descreve as etapas
percorridas pelo analista para gerar os
gráficos.
Pré –Condições
Deve haver sinais dos sensores no
sistema.
Pós-Condições
Ações do autor
Ações do sistema
1. Gerar gráficos
2. iniciar teste
Restrições / Validações
Nome Caso de Uso
1. Para gerar um relatório é necessário
que existam padrinhos.
Manter Paciente
Caso de Uso Geral
Ator Principal
Paciente
Atores Secundários
Analista
35
Resumo
Este caso de uso descreve as etapas
percorridas pelo paciente para efetivação
de um cadastro.
Pré –Condições
O paciente deve fornecer seus dados.
Pós-Condições
O analista deve cadastrar e/ou atualizar
os dados do paciente.
Ações do autor
Ações do sistema
1. Cadastrar paciente
2. inserir nome.
3. inserir idade.
4. Atualizar paciente
5. insere nome ou idade do paciente.
6. Excluir paciente
7 deleta paciente.
Restrições / Validações
1. Para se manter um paciente é
necessário que exista um novo paciente ou
exista uma atualização de dados ou a
exclusão do mesmo.
3.10.4 Diagrama de Classe
A Figura 3.6 representa o diagrama de classe do sistema.
Figura 3.6 - Diagrama de Classe
36
Form_Principal: Faz a aquisição dos sinais ( Sensor_1, Sensor_2, Sensor_3,
Sensor_4 ) e disponibiliza para ser acessado em outras telas gráficas através dos
métodos Get.
Paciente:
Cod_Paciente : representa um código para o paciente.
Nome: representa o nome do paciente.
Idade: representa a idade do paciente.
Métodos:
Armazena_Paciente() : Armazena os dados do paciente – Nome e Idade.
Deleta_Paciente() : Deleta dados do paciente.
3.10.5 Diagrama de Sequência
A
Figura 3.7 representa a transmissão de dados do paciente até o form Principal do
sistema, o qual representa esta informação através de uma interface gráfica.
Figura 3.7 - Diagrama de Sequência
37
3.11 Cronograma do Projeto
A Figura 3.8 apresenta todas as tarefas programadas no software de gerenciamento
de projetos (Project), identificando todas as etapas e prazos para execução.
38
Figura 3.8 - Cronograma do Projeto
39
4 DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO
4.1 Hardware
4.1.1 Condutividade da Pele
A Figura 4.1 representa o desenvolvimento do circuito para aquisição da
condutividade da pele. O sinal dos eletrodos é aplicado na entrada do circuito J2
passando por um tratamento no primeiro amplificador um INA 128. Devido a vários
problemas de interferências e ruídos foi utilizado um filtro Notch com intuito de
eliminar os ruídos de freqüência na faixa de 60Hz e outro um filtro passa baixas - FPB
para 10Hz. Na saída foi inserido um circuito buffer inversor com ganho 1 para gerar
um nível tensão positiva para leitura analógica do AD do microcontrolador.
Figura 4.1 - Circuito de aquisição de sinal de condutividade da pele
40
4.1.2 Contrações Involuntárias dos Músculos
O circuito para aquisição das contrações involuntárias de músculos visto na Figura
4.2 tem como base o circuito de ECG para aquisição e tratamento dos sinais.
Figura 4.2 - Circuito de aquisição do sinal de contrações musculares
4.1.3 Frequência Cardíaca
A aquisição do sinal do pulso foi baseada nos circuitos das figuras 4.3 e 4.4 que
medem a variação volumétrica do sangue.
Foi medido o nível de variação de tensão sobre o fototransistor na ordem de 5 a
10mV e a excursão máxima de tensão de saída para os circuitos de 50 a 100mV, porém
com o nível de ruído na saída. (REICHEL, 1989).
41
Figura 4.3 - Circuito de aquisição de sinal com fotoemissor e fotoreceptor
Figura 4.4 – Circuito de aquisição de sinal com fotoemissor e fotoreceptor modificado
Tendo em vista as interferências e ruídos no funcionamento dos circuitos da Figura
4.3 e figura Figura 4.4, foram projetados filtros passa-baixas, tipo Chebyshev, para
freqüência de corte em 10Hz. Foi utilizado filtro de 2ª ordem, com ajustes para melhor
saída. (REICHEL, 1989).
O ganho de cada estágio situa-se em torno de 30 vezes, sendo que o 2º estágio, pode
ser ajustada sua amplificação, para acertos de sensibilidade e saturação do circuito.
(REICHEL, 1989).
O circuito pode ser analisado na Figura 4.5.
42
Figura 4.5 - Circuito de aquisição de freqüência cardíaca
A amplificação do total do circuito está em torno de 1000 vezes, sendo a excursão do
sinal de saída de +- 10Vp, para um sinal na entrada em torno de 5 a 10mVpp.
Pela baixa faixa de passagem de sinais ( freqüência de corte < 10Hz ), obteve-se na
saída do 1º estágio uma variação quase sem a presença de sinais expúrios e
interferências de 60Hz. Com o 2º estágio estes sinais tornaram-se desprezíveis.
Os sinais obtidos entre três pontos do circuito podem ser vistos nas figuras 4.6, 4.7 e
4.8, respectivamente para a entrada, saída do 1º e 2º estágios.
Figura 4.6 - Sinal de Entrada
Fonte: Adaptado REICHEL(1989).
43
Figura 4.7 - Sinal após o1º estágio
Fonte: Adaptado REICHEL(1989).
.
Figura 4.8 - Sinal após 2º estágio
Fonte: Adaptado REICHEL(1989).
A freqüência cardíaca varia conforme a idade, atividades físicas (se a pessoa pratica
atividade física ou é sedentária), doenças associadas, etc. As crianças têm uma
freqüência mais acelerada enquanto que os adultos têm uma freqüência menor. Para
pessoas entre 10 e 20 anos, o normal é de 70 a 90 batimentos cardíacos por minuto. Para
pessoas acima de 20 anos considera-se normal de 60 a 120 batimentos cardíacos por
minuto.
4.1.4 Frequência respiratória
A freqüência respiratória é obtida pelo circuito composto pela Figura 4.9, utilizamos
como base para inicio do tratamento do sinal um amplificador operacional TL071 na
saída para tratamento do sinal. Citado anteriormente, foi utilizado um sensor
piezoelétrico para captação do movimento respiratório, o qual posteriormente irá
transformar este movimento mecânico para um sinal elétrico. Ele tem a função de
desequilibrar as entradas do amplificador e através do seu diferencial ser representado
graficamente na tela do computador. Nos testes de leitura tivemos vários problemas de
instabilidade do sinal os quais foram sanados após implementação de um circuito notch
para eliminação dos ruídos de 60Hz.
44
Figura 4.9 - Circuito de Frequência Respiratória
4.1.5 Aquisição, digitalização e comunicação com o PC
O barramento SIL-100-04 representado na figura 4.10, estão as entradas de sinais a
serem coletadas pelo PIC sendo estes:
1 – Frequência cardíaca
2 – Frequência respiratória
3 – Condutividade da pele
4 - Contração muscular
45
Figura 4.10 - Circuito de Aquisição e Comunicação
4.2 Software
O software foi desenvolvido no ambiente CodeGear na linguagem Delphi,
possuindo fácil interação com a linguagem.
O comportamento do software é passivo e possui um componente para monitoração
da porta de recepção de dados via serial RS232, possibilitando o envio de comandos
somente quando possuir dados na entrada RX da porta serial. A portabilidade de escolha
da porta a ser definida para transmissão de dados é selecionada no momento de iniciar a
aquisição dos sinais, conforme Figura 4.11.
Figura 4.11 - Interface de configuração da porta de comunicação
46
Quando existe um dado na entrada serial, o dado é avaliado sendo que a primeira
informação recebida representa o sensor que está transmitindo a informação, seguida da
informação realmente necessária para análise. A informação é processada e plotada em
seu respectivo gráfico, sendo destinados quatro gráficos para visualização dos sinais
conforme Figura 4.12.
Figura 4.12 - Interface com gráficos para aquisição de sinais em tempo real
O tratamento das informações é realizado via software, de maneira que cada
informação de seu respectivo sensor tem um processamento diferente e uma validação
dos dados estatísticos é realizada.
Cada informação processada é destinada a um gráfico para possível avaliação em
tempo real, além da possibilidade de voltar a informação enquanto o software estiver
sendo executado para possível avaliação ao final do monitoramento dos sinais
fisiológicos, conforme Figura 4.13.
47
Figura 4.13 - Interface monitoramento de sinais fisiológicos
Devido ao monitoramento de todos sinais ao mesmo tempo, é possível uma análise
mais precisa transitando entre os dados coletados e realizando uma análise com um
tempo maior.
48
5 VALIDAÇÃO E RESULTADOS
O circuito para aquisição da frequência cardíaca proporciona sinais em uma faixa de
0V a 5V, oferecendo uma tensão compatível com a necessidade que o microcontrolador
necessita para realizar a aquisição dos dados garantido a integridade. O sinal na saída do
circuito teve os resultados esperados, podendo ser observados em um osciloscópio. O
número de batimentos cardíacos por minuto - bpm foi realizado observando-se a
frequência e período da onda no osciloscópio e calculado no domínio do tempo. A
validação do número de batimentos cardíaco por minuto foi comparada com a Tabela
5.1 seguindo a classificação de idade e condicionamento físico ( classificados em
Sedentário, Normal e Atleta ).
Condicionamento
Físico
Idade
< 20
20 - 30
Bpm
85 – 105 85 - 105
Condicionamento
Físico
Idade
< 20
20 - 30
Bpm
70 a 90 58 - 76
Condicionamento
Físico
Idade
< 20
20 - 30
Bpm
45 – 65 45 - 65
Sedentária
31 - 40 41 – 50 51 - 60
> 60
85 - 105 85 – 105 85 - 105 85 – 105
Normal
31 - 40 41 – 50
60 - 81 58 – 84
Atleta
31 - 40 41 – 50
45 - 65 45 – 65
51 - 60
69 - 89
51 - 60
45 - 65
> 60
60 – 120
> 60
45 – 65
Tabela 5.1 - Padrão do número de batimentos cardíacos por minuto
Testes com pessoas de idades diferentes e classificadas como normais foram
realizados, obtendo-se os resultados abaixo:
Pessoa com idade de 5 anos: apresentou 107bpm.
Pessoa com idade de 22 anos: apresentou 74bpm.
Pessoa com idade de 35 anos: apresentou 79bpm.
O dispositivo utilizado para aquisição da frequência respiratória foi projetado para
obter a menor interferência possível, principalmente a frequencia de 60Hz que está
presente na rede elétrica. Também projetado para obter o maior nível de reflexão para a
luz que é inserida sobre o dedo, proporcionando a aquisição do sinal e o monitoramento
do fluxo sanguíneo no ponto em que está sendo incidida.
49
Todos os cabos utilizados entre o hardware e sensores são blindados, evitando
interferências e obtendo uma maior eficiência no sinal garantindo a integridade dos
dados.
A utilização de um sensor piezo elétrico com uma cinta, proporcionou a aquisição da
frequência respiratória com sinais em uma faixa de 0 a 5 volts - V. O sinal na saída do
circuito teve os resultados esperados, podendo ser observados em um osciloscópio. O
número de ciclos por minuto de inspiração e expiração foi realizado observando-se a
frequência e período da onda no osciloscópio e calculado no domínio do tempo. A
validação do número de ciclos por minuto foi comparado com a Tabela 5.2 seguindo a
classificação de condicionamento físico (classificados em Sedentário, Normal e Atleta).
Condicionamento Físico
Sedentário
Normal
Atleta
Idade
Acima de 20
12 a 20
8 a 11
Tabela 5.2 - Padrão do número de ciclos por minuto da respiração
Testes com pessoas de idades diferentes e classificadas como normais foram
realizados, obtendo-se os uma faixa de 15 a 19 ciclos por minuto.
O posicionamento da cinta utilizada para aquisição da frequência respiratória deve
ficar firme e posicionada próximo ao peito conforme Figura 5.1, garantindo que o sinal
seja integro dentro da faixa requisitada pelo microcontrolador.
Figura 5.1 - Posicionamento da cinta torácica
O circuito para aquisição do sinal de condutividade da pele proporcionou sinais
baixos, na ordem de miliVolts – mV, mas compatíveis com os esperados. Não existe um
padrão de condutividade da pele, pois cada pessoa possui um.
Testes para aquisição do sinal de condutividade foram realizados para tentar definir
um padrão, mas pela variação do sinal em cada pessoa não foi possível. Sinais entre 400
e 900mV foram apresentados, sendo que variaram nesta faixa conforme a alteração do
50
suor na palma da mão. A palma da mão foi um ponto definido por ter uma maior
facilidade de alteração do nível de suor e o posicionamento dos eletrodos devem ser
conforme a Figura 5.2.
Figura 5.2 - Posicionamento dos eletrodos para aquisição da Condutividade da Pele
O circuito de contração muscular proporcionou um sinal muito sensível e uma
amplitude entre 0 a 5V para que pudesse ser possível a visualização. Um osciloscópio
foi utilizado como recurso de monitoramento e ajuste para a alta sensibilidade do sinal.
Os pontos para testes foram no ante braço, conforme Figura 5.3, mas podem ser
especificados por um especialista no momento da execução do teste conforme a
necessidade e ponto de vista.
Figura 5.3 - Posicionamento sensores Contração Muscular
A utilização de sensores descartáveis necessita a troca por outros novos após o
excessivo uso. No caso da substituição não for realizada, o nível do sinal e a integridade
das informações não serão confiáveis.
O microcontrolador atendeu a todas as necessidades requisitadas pelo sistema
apresentando um ótimo desempenho na aquisição e transmissão de dados, disponibiliza
de um conversor AD integrado, 8 entradas analógicas, comunicação Serial e uma fácil
acessibilidade no mercado. Utilizando uma velocidade de 19,2kbps garantiu a
integridade da transmissão de informações.
51
A integridade dos pacotes entregues garantiu que os gráficos apresentados no
software pudessem ser gerados sem nenhuma inconsistência.
O software proporciona uma interface de fácil interação apresentando os sinais em
gráficos independentes, possibilitando o monitoramento e acompanhamento de todos os
sinais ao mesmo tempo. Limiares podem ser utilizados para configuração de parâmetros
iniciais.
52
6 CONCLUSÃO
Baseado nos sistemas de polígrafos, circuitos foram desenvolvidos para atender as
necessidades de aquisição, tratamento e ganho de sinais fisiológicos. Apesar de um
tema muito polêmico, existem poucas informações de como tratar os dados coletados.
Existem softwares disponíveis para detecção de mentiras, que aparentemente
funcionam com o princípio de amostragem mas nenhum deles disponibilizam o código
para uma certeza de validação. Não existe um software até o presente momento, que
dispense o acompanhamento de um especialista em análises comportamentais para
definir o resultado final.
Os circuitos foram projetados visando baixo custo. São encontrados mercado,
sensores similares que custam em média 80% acima do valor dos sensores especificados
para este projeto e fornecendo as mesmas informações requisitadas. Outros modelos de
sensores foram testados para a aplicação, mas não tiveram uma boa resposta como os
propostos neste projeto para aquisição das mesmas informações.
Os filtros utilizados para redução de ruídos, apesar de serem de baixa ordem,
demonstraram boa eficiência no tratamento dos sinais, possibilitando a apresentação em
gráficos através do SBMC.
Por serem sinais de baixa freqüência e com variações lentas, não foi necessário o
uso de um microcontrolador de alto desempenho. O microcontrolador utilizado é de
baixo custo, fácil acesso no mercado e atende todas as necessidades do sistema.
Como sugestão de implementação em trabalhos futuros e visando a evolução do
projeto, é possível a implementação de um módulo responsável para o tratamento e
validação das informações com algoritmos específicos que podem gerar uma análise
criteriosa dos sinais. Através da coleta desta informações pode ser gerado um banco de
dados que possibilitará pesquisas futuras como também servir de base de aprendizado e
avaliação do sistema.
Outra implementação seria de um módulo de análise da voz para identificação da
alteração do tom de voz, podendo ser analisado juntamente com os outros sinais já
implantados, aumentando ainda mais a confiabilidade do sistema.
Na comunicação, pode ser implantada uma transmissão sem fio, eliminando os
cabos do circuito até o computador.
A implementação de displays integrados ao circuito proporciona ao hardware uma
interface portátil e independente de um computador sendo possível a programação do
sistema por firmware e amostrando no display integrado.
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Como o foco não foi o processo de avaliação, mas sim o processo de monitoramento
e registros possibilitando observar que para as quatro variáveis medidas, as leituras
correspondem e podem ser facilmente diferenciadas dentro de um nível de relaxamento
para certo nível de ansiedade ou stress, ou seja, podemos concluir que é possível
analisar o comportamento por meio deste sistema.
54
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