Oximetro de Pulso

Oximetro de Pulso

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Desenvolvimento de um Protótipo de um Oxímetro de Pulso

Fernando Vinícius Gonçalves Magro TCC-EP-32-2008

Maringá - Paraná Brasil

Universidade Estadual de Maringá

Centro de Tecnologia

Departamento de Informática Curso de Engenharia de Produção

Desenvolvimento de um Protótipo de um Oxímetro de Pulso Fernando Vinícius Gonçalves Magro

Trabalho de Conclusão de Curso apresentada como requisito de avaliação no curso de graduação em Engenharia de Produção na Universidade Estadual de Maringá – UEM. Orientador(a): Prof. Dr. Donizete Carlos Bruzarosco

Maringá - Paraná 2008 i Fernando Vinícius Gonçalves Magro

Desenvolvimento de um Protótipo de um Oxímetro de Pulso

Este exemplar corresponde à redação final do Trabalho de Conclusão de Curso aprovado como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Produção da Universidade Estadual de Maringá, pela comissão formada pelos professores:

Orientador(a): Prof(ª). Prof. Dr. Donizete Carlos Bruzarosco Departamento de Informática, CTC

Prof(ª). Márcia Marcondes Altimari Samed Departamento de Informática, CTC

Maringá, outubro de 2008

Este trabalho apresenta uma implementação de um protótipo oxímetro de pulso, equipamento que faz a medição da saturação de oxigênio no sangue arterial. Descreve também um sistema para desktop, capaz de processar as informações do equipamento num microcomputador pessoal. O trabalho mostra os conceitos envolvidos, o desenvolvimento do hardware e do software, incluindo o diagrama de blocos e esquema elétrico dos circuitos eletrônicos. Também é abordado o desenvolvimento do software segundo os métodos propostos pela Engenharia de Software, utilizando-se os diagramas da UML.

Palavras-chave: Oximetria, Equipamentos de Monitorização, UM,. Engenharia de Software, Hardware.

LISTA DE ILUSTRAÇÕESVI
LISTA DE QUADROSVIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLASIX
LISTA DE SÍMBOLOSX
1 I%TRODUÇÃO1
1.1 JUSTIFICATIVA2
1.2 DEFINIÇÃO E DELIMITAÇÃO DO PROBLEMA2
1.3 OBJETIVOS3
1.3.1 Objetivo geral3
1.3.2 Objetivos específicos3
1.4 METODOLOGIA3
1.4.1 Revisão de Literatura4
1.4.2 Projeto de hardware4
1.4.3 Projeto de software4
1.4.4 Construção do protótipo5
1.4.5 Validação5
2 REVISÃO DA LITERATURA6
2.1 OXÍMETRO DE PULSO6
2.2 CONCEITOS DE HARDWARE7
2.3 CONCEITOS DE SOFTWARE9
2.3.1 UML10
2.3.2 Processo Unificado12
2.3.3 Sistema Embarcado13
3 DESE%VOLVIME%TO15
3.1 PROJETO DE HARDWARE15
3.1.1 Fonte de Alimentação16
3.1.2 Placa Mãe21
3.1.3 Probe (sensor)23
3.1.4 Módulo de Oximetria24
3.1.5 Display gráfico26
3.1.6 Teclado27
3.2 PROJETO DE SOFTWARE28
3.2.1 Módulo do Oxímetro28
3.2.2 Módulo para Desktop30
4 CO%CLUSÃO38
5 REFERÊ%CIAS40
A%EXO A – DOCUME%TAÇÃO DO MÓDULO DE OXIMETRIA SPOX-41042
A%EXO B – TELAS DO SOFTWARE PARA DESKTOP43
A%EXO C – CÓDIGO FO%TE DO SISTEMA EMBARCADO46
FIGURA 1 - DIAGRAMAS DA UML1
FIGURA 2 – WORKFLOWS DO PROCESSO UNIFICADO13
FIGURA 3 - DIAGRAMA DE BLOCOS DO PROTÓTIPO15
FIGURA 4 - DIAGRAMA DE BLOCOS DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO16
FIGURA 5 - ESQUEMA ELÉTRICO COMPLETO DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO17
FIGURA 6 – CIRCUITO RETIFICADOR17
FIGURA 7 – ETAPAS DO CIRCUITO RETIFICADOR18
FIGURA 8 - CIRCUITO CARREGADOR DE BATERIAS19
FIGURA 9 - CIRCUITO REGULADOR DE TENSÃO20
FIGURA 10 - ESQUEMA ELÉTRICO DA PLACA MÃE21
FIGURA 1 – DIVISOR DE TENSÃO E AMPLIFICADOR OPERACIONAL DE GANHO UNITÁRIO2
FIGURA 12 - PROBE, SENSOR DE OXIMETRIA23
FIGURA 13 - ELEMENTOS DO SENSOR24
FIGURA 14 – MÓDULO DE OXIMETRIA MODELO SPOX-41025
FIGURA 15 – CONECTOR DB925
FIGURA 16 – CONEXÃO COM O COMPUTADOR25
FIGURA 17 – FORMATO DE UMA TRANSMISSÃO ASSÍNCRONA 8N126
FIGURA 18 - DISPLAY TOSHIBA T6963C, 240X64 PIXELS26
FIGURA 19 – TECLADO DO PROTÓTIPO27
FIGURA 20 – ESQUEMA ELÉTRICO DO TECLADO27
FIGURA 21 – DIAGRAMA DE COMPONENTE28
FIGURA 2 - DIAGRAMA DE ATIVIDADE DO SOFTWARE EMBARCADO29
FIGURA 23 - DIAGRAMA DE CASOS DE USO DO SOFTWARE PARA DESKTOP31
FIGURA 24 – DIAGRAMA DE CLASSES3
FIGURA 25 – DIAGRAMA DE SEQÜÊNCIA: CADASTRAR PACIE@TE34
FIGURA 26 – DIAGRAMA DE SEQÜÊNCIA: CRIAR EXAME35
FIGURA 27 – DIAGRAMA DE SEQÜÊNCIA: OBTER LEITURA I@STA@TÂ@EA35
FIGURA 28 – DIAGRAMA DE SEQÜÊNCIA: I@ICIAR MO@ITORAÇÃO CO@TÍ@UA36
FIGURA 29 - DIAGRAMA DE SEQÜÊNCIA: SALVAR ESTADO PACIE@TE36

vii

TABELA 1 : CUSTO DOS PRINCIPAIS COMPONENTES UTILIZADOS38

viii

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

ANSI Instituto Nacional Americano de Padronização

CAD Computer-Aided Design – Desenho Auxiliado por Computador

CPU Central Processing Unit – Unidade Central de Processamento

INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial

LCD Liquid Crystal Display – Painel de Cristal Líquido

LED Light Emitting Diode – Diodo Emissor de Luz

OEM Original Equipment Manufacturer – Fabricante de Equipamento Original

PC Personal Computer – Computador Pessoal

PCI Placa de Circuito Impresso

RAM Random Access Memory – Memória de Acesso Randômico

ROM Read Only Memory – Memória Somente Leitura

UML Unified Modeling Language – Linguagem de Modelagem Unificada

UTI Unidade de Terapia Intensiva

VDCTensão Contínua

VAC Tensão Alternada

VPC Tensão Por Célula

USB Universal Serial Bus USART Transmissor/Receptor Universal Síncrono e Assíncrono µ Micro - Prefixo numérico representando 10-6 k Quilo - Prefixo numérico representando 103 p Pico - Prefixo numérico representando 10-12

F Farads – Unidade de Capacitância

Ω Ohm – Unidade de Resistência b bit – Unidade de Informação V Volts – Unidade de Tensão Elétrica

1 I%TRODUÇÃO

Durante um atendimento médico, os procedimentos a serem efetuados dependem de uma avaliação do estado do paciente; para essa tarefa são empregados, juntamente com o conhecimento médico, vários dispositivos e equipamentos, onde tal avaliação pode conduzir o paciente a uma simples medicação ou em casos mais graves até uma intervenção cirúrgica (WEBSTER, 2006).

A maioria dos equipamentos de monitoramento tem aplicação no pré-operatório, na sala de operações e no pós-operatório. Alguns sistemas têm mais utilidades antes e logo após um procedimento, como é o caso da oximetria de pulso. A oximetria consiste numa medição contínua e indireta da oxigenação dos tecidos através de um método não-invasivo, que se relaciona com o conteúdo de oxigênio no sangue, de enorme importância nas práticas cirúrgicas e anestésicas moderna. O oxímetro tem grande importância na recuperação do impacto anestésico-cirúrgico, onde é comum o desenvolvimento de hipoxemia (baixa concentração de oxigênio no sangue) nesse período pós-operatório imediato (MARCONDES et al., 2006).

Atualmente, no mercado brasileiro de equipamentos eletromédicos, é possível encontrar diversas marcas de oxímetro de pulso, tais como Ohmeda, Emai, Dixtal, dentre outros, que oferecem uma vasta gama de recursos, como indicadores do sinal captado, alarmes sonoros e visuais, curva pletismográfica, baterias de longa duração, enfim, possuem diversas características que os tornam mais versáteis e indispensáveis no ambiente médico (FERNANDES; OJEDA; LUCATELLI, 2001). Entretanto, uma prática que ganha destaque é o uso de microcomputadores para auxiliar o diagnóstico de pacientes, e verificou-se que os equipamentos eletromédicos nacionais não oferecem conectividade aos PCs de forma fácil e rápida, gerando relatórios, provendo gráficos e informações em tempo real e, sobretudo de baixo custo.

Em alguns exames, a monitoração contínua e ininterrupta dos níveis de oximetria é de importância fundamental para o diagnóstico médico, como por exemplo, em pacientes submetidos à polissonografia - um exame que busca identificar problemas de apnéia, hipopneia e outras doenças relacionadas ao sono. Contudo, a polissonografia realizada num laboratório de sono é dispendiosa, envolve recursos humanos e técnicos consideráveis, que não se encontram facilmente disponíveis (VENTURA; OLIVEIRA; DIAS, 2007). Portanto, identificou-se a necessidade de unir o oxímetro ao microcomputador, através de um software que possibilite a monitoração dos sinais através de uma interface mais completa. Evidentemente isso resultaria em inúmeros benefícios: o médico poderia monitorar os níveis de oxigenação do paciente da sua sala, da sua casa ou de qualquer local remoto através da Internet, e até emitir relatórios computadorizados economizando recursos.

Diante do cenário apresentado, propõe-se o desenvolvimento de um protótipo de oxímetro de pulso que fornecerá valores em uma forma numérica através de sinais digitais, os quais podem ser interpretados e tratados por microcontroladores ou computadores, a um custo menor em relação aos oferecidos pelo mercado.

1.1 Justificativa

A implementação do oxímetro de pulso se justifica pela necessidade de desenvolver um hardware e software destinado à área médica, que possua conectividade aos microcomputadores auxiliando o diagnóstico de pacientes. Diante desse fato, as contribuições serão a redução dos custos, um melhor aproveitamento do potencial das informações e agilidade na análise dessas informações.

1.2 Definição e delimitação do problema

Este trabalho definirá os conceitos relacionados à área médica e de software envolvidos com o tema, apresentará o desenvolvimento do projeto de hardware e software do protótipo do oxímetro, bem como a sua implementação. Alguns termos da área médica utilizados:

a) Oximetria de pulso: pode ser definida como uma medida que busca, em primeira instância, garantir níveis adequados de oxigênio no sangue arterial para evitar a hipoxemia. (NUNES; TERZI, 1999).

b) Hipoxemia: entende-se como uma deficiência de concentração de oxigênio no sangue arterial. Logo, o oxímetro de pulso permite um monitoramento do estado do paciente de uma forma contínua e não-invasiva, através da saturação parcial de oxigênio. c) Método não-invasivo: é caracterizado pela ausência de invasores no corpo do paciente, ou seja, não há necessidade de inserir instrumentos furando ou fazendo incisões em qualquer parte corpo.

O escopo deste trabalho delimita-se em apresentar uma forma de implementação de um oxímetro de pulso, descrevendo todos os recursos, ferramentas e métodos necessários para que seja construído um protótipo funcional, pretendendo atender a uma necessidade - a conectividade com os microcomputadores pessoais. Para isso, será apresentado todos os passos e processos necessários, fazendo-se com que se unam todos os componentes necessários. Grande parte das figuras e diagramas utilizados neste trabalho é de própria autoria.

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo geral

O objetivo desse trabalho é desenvolver um protótipo de oxímetro de pulso, oferecendo conectividade ao microcomputador e permitindo aos usuários terem uma melhor interpretação e manipulação dos dados obtidos.

1.3.2 Objetivos específicos Este trabalho tem como objetivos específicos:

a) Definir os requisitos; b) Projetar o hardware; c) Projetar o software; d) Construir o protótipo.

1.4 Metodologia A metodologia para o desenvolvimento desse trabalho é composta das seguintes fases:

1.4.1 Revisão de Literatura

A revisão de literatura será realizada por meio de pesquisa bibliográfica, ou seja, utilizaram-se bases de dados de teses e artigos, livros e periódicos disponíveis na Internet como fontes de pesquisa.

1.4.2 Projeto de hardware

O oxímetro fará a leitura dos sinais biométricos do paciente através de um módulo de oximetria, dotado de um sensor. Será tarefa do hardware e do software proposto por esse trabalho ler e interpretar os valores obtidos e exibi-los num display, assim como transmiti-los a um microcomputador através de uma interface serial. Nesta etapa, será desenvolvido um projeto de hardware, mostrando seus principais componentes e seu inter-relacionamento.

O projeto do hardware do oxímetro será desenvolvido de acordo com os requisitos de software, pois será a base onde ele será executado. Inicialmente, deve-se fazer uma seleção de componentes eletrônicos, levando em consideração a função e o custo de cada um. Essa seleção de componentes será realizada de acordo com necessidades específicas, tais como amplificadores operacionais para realizar ganhos de tensão, circuitos integrados diversos, display, teclado, dentre outros. Para realizar a interligação entre esses componentes, constituindo um circuito eletrônico, será necessário realizar consultas aos datasheets dos fabricantes, os quais nos darão informações e especificações sobre os componentes. Tais datasheets estão disponíveis no próprio site de cada fabricante. Com essas informações em mãos, o próximo passo será desenvolver um diagrama de blocos e um Esquema Elétrico utilizando CAD (Desenho Auxiliado por Computador) e efetuando simulações via software para comprovar o funcionamento.

1.4.3 Projeto de software

Em relação ao software, será dividido em dois: um módulo que executará no próprio oxímetro, formando um sistema embarcado, e o outro que será utilizado num microcomputador, para um melhor tratamento dos dados. O usuário poderá interagir com os dois softwares, uma vez que ambos irão apresentar uma interface, seja num pequeno display disponível no protótipo, quanto na tela do computador, onde terá um acesso mais completo aos dados e permitindo uma melhor análise dos mesmos. Uma vez levantado todos os requisitos, inicia-se a fase de implementação. No caso do software embarcado, que será programado no microcontrolador, deverá ser utilizada uma linguagem própria para esse dispositivo, tal como o ANSI C, através do ambiente integrado mikroC 7, desenvolvida pela mikroElektronica. O software a ser executado no computador, poderá ser implementado em qualquer outra linguagem de alto nível, como Java.

1.4.4 Construção do protótipo

O software será desenvolvido utilizando-se um microcomputador normal, no compilador mikroC. A construção do protótipo poderá ser feita sob um protoboard, onde dispomos de uma matriz de pontos que facilitam a interligação entre os componentes eletrônicos, formando assim uma versão funcional do hardware. O passo seguinte será alimentar o circuito fornecendo-o a tensão previamente calculada, e carregar o software na memória do microcontrolador, utilizando um PC. Com o circuito em funcionamento, faz-se necessário realizar medições e ajustes documentando-se todas as alterações.

A validação dos dados exibidos no display, seja ele a saturação de oxigênio ou a freqüência cardíaca do paciente, pode ser comprovada através de um simulador, devidamente calibrado e aferido pelo INMETRO. Para realizar essa tarefa, o simulador toma o lugar do paciente, enviando os sinais biométricos ao protótipo. Será utilizado o simulador da marca R&D Mediq, modelo HS20, que é capaz de simular valores de SpO2 de 0% a 9% e batimentos cardíacos de 30 a 240 BPM.

2 REVISÃO DA LITERATURA

2.1 Oxímetro de Pulso

Os oxímetros de pulso são largamente utilizados na prática clínica, principalmente nas Unidades de Terapia Intensiva (UTI) para monitorar a saturação de oxigênio, detectando e prevenindo a hipoxemia. Monitorar a saturação de oxigênio durante a anestesia é um procedimento padrão, que é sempre feito utilizando-se oxímetro de pulso. Esses oxímetros também são úteis durante procedimentos de broncoscopia, endoscopia, cateterização cardíaca, testes físicos e estudos do sono (WEBSTER, 2006, p.472).

Esse equipamento é um monitor que realiza medidas da saturação da hemoglobina do sangue arterial (SpO2) pela transmissão de dois comprimentos de onda de um sinal luminoso, geralmente 660nm (vermelho) e 940nm (infravermelho), que atravessa ou é refletida pelos tecidos humanos (ABNT, 1997). O princípio de funcionamento do oxímetro de pulso é baseado na lei Beer-Lambert que relaciona a concentração de um soluto com a intensidade de luz transmitida através de uma solução (KNOBEL, 1998). Sendo assim, o oxímetro consegue diferenciar a absorção de energia luminosa devido ao sangue arterial relacionando a um valor de SpO2 (FERNANDES; OJEDA; LUCATELLI, 2001). O equipamento contém um probe (compartimento que contém o sensor) no corpo do paciente e este sensor está ligado a uma unidade computadorizada que informa os valores obtidos (FEARNLEY, 1995).

Alguns oxímetros encontrados no mercado, tais como o Dixtal modelo DX-2515 (HOLZHACKER, 2001), são apropriados para utilização com pacientes adultos, pediátricos e neonatais. Este modelo proporciona uma mensuração fidedigna contínua, apresentação dos valores e alarmes para a SpO2 e pulso cardíaco, podendo funcionar através de uma tomada de energia elétrica ou de sua bateria interna recarregável. A saturação de oxigênio e o pulso cardíaco são atualizados uma vez a cada segundo e imediatamente exibidas num display LCD. Este equipamento ainda emitirá aviso sonoro quando algum nível fisiológico crítico for detectado (HOLZHACKER, 2001).

2.2 Conceitos de Hardware

O desenvolvimento do hardware para o oxímetro proposto nesse trabalho envolverá os seguintes conceitos: a) Circuitos integrados: são circuitos cujos componentes e conexões são feitas em áreas distintas de um único chip, construído de um material condutor, como o silício (GIBILISCO, 2001, p.371). b) Microcontroladores: são circuitos integrados de baixo custo, rotulados como Singlechip computer. Isso significa que, mesmo encapsulado num simples chip de silício, ele tem as mesmas características de um computador pessoal. O microcontrolador é capaz de armazenar e rodar programas – sua mais importante característica. Ele contém uma CPU (Unidade Central de Processamento) , memória RAM (Memória de Acesso Randômico) e ROM (Memória Somente Leitura), linhas de entrada e saída, contadores, e em alguns modelos incluem até conversores de sinais analógicos para digital e vice-versa (IOVINE, 2000, p.1). c) Comunicação Serial: é a transmissão de informações ao longo de um caminho, onde os dados são enviados um após o outro (GIBILISCO, 2001, p.620).

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