Em seu Application Note SLAA274 a Texas Instruments (www.ti.com) descreve o projeto de um Pulsoxímetro Óptico utilizando um microcontrolador da linha MSP430. Neste artigo analisamos a utilidade deste tipo de equipamento médico e também mostramos a solução adotada pela Texas em seu documento. Evidentemente, digitando o nome do documento em algum mecanismo de busca, o leitor poderá obter a documentação completa para mais detalhes sobre o projeto.
Os pulsoxímetros são equipamentos utilizados no que se denomina Pletismografia, um exame que tem por finalidade detectar precocemente doenças pulmonares. Neste exame, uma série de teste têm por finalidade medir os volumes dos pulmões, a resistência das vias aéreas, a força dos músculos respiratórios e capacidade que os pulmões têm para transferir o oxigênio do ar para o sangue. O pulsoxímetro é justamente o equipamento que faz este último teste, medindo o grau de saturação de oxigênio no sangue. Este instrumento monitora então o nível de oxigênio no sangue e o batimento cardíaco.
Além de sua utilidade nos exames das doenças pulmonares, o pulsoxímetro também é importante em alguns procedimentos médicos como o monitoramento do nível de oxigenação do sangue em prematuros, fazendo soar um alarme quando ele cai abaixo de um certo limite e mesmo durante cirurgias.
O pulsoxímetro óptico tem por vantagem, em relação a outras tecnologias, o fato de não ser invasivo, pois a detecção é feita por sensores que são colocados no dedo da pessoa, e que se baseiam na sua transparência para medir a quantidade de oxigênio do sangue.
No projeto descrito pela Texas Instruments, um microcontrolador MSP430 de muito baixo consumo é utilizado como elemento central de um pulsoxímetro portátil versátil.
Como Medir a Concentração de Oxigênio no Sangue
O grau de oxigenação do sangue, expresso como SaO2 pode ser avaliado pela medida da transparência de um tecido vivo. O SaO2 é definido como o nível de hemoglobina oxigenada (HbO2) dividido pelo nível de hemoglobina total ou:
SaO2 = HbO2/Hemoglobina Total
O tecido vivo absorve a luz que o atravessa em graus que dependem do nível de oxigenação. Como esta característica é logarítmica existe uma dificuldade na medida que pode ser reduzida no processamento matemático se dois comprimentos de onda para a luz utilizada forem utilizados é isto justamente o que faz o projeto desenvolvido pela Texas Instruments. Duas fontes de luz emitem alternadamente e os níveis de absorção são medidos e computados de modo a resultar numa medida final precisa.
No processo existem duas componentes do sinal (AC e DC). Assume-se que a componente DC é causada pela absorção do tecido vivo e veias e que a componente AC é resultante da absorção pelas artérias. Na figura 1 temos então um diagrama de blocos para o medidor proposto pela Texas.
Neste projeto os dois LEDs são multiplexados no tempo numa taxa de 500 vezes por segundo, de modo que o diodo PI, utilizado como sensor, é excitado alternadamente pelas duas fontes de luz. O sinal do diodo PIN é amplificado pelos amplificadores operacionais OA1 e OA2 que existem no MSP430. O ADC12 amostra a saída dos dois amplificadores. As amostragens são seqüenciadas pelo ADC12 e a MCU separa por software os valores das componentes vermelha e infravermelha. Com o processamento tanto o batimento cardíaco como a oxigenação são apresentados no LCD. Valores dessas grandezas também podem ser enviados via interface RS-232 para um PC. O PC pode ser utilizado tanto para mostrar os valores como gerar um gráfico.
Além do MSP430, quatro transistores e componentes passivos, é utilizada uma ponta de prova sensora Nellcor 520-1011N. Esta ponta de prova tem um clip para os dedos integrado onde estão os sensores. Na figura 2 temos o aspecto desta ponta de prova.
O circuito externo ao micricontrolador consiste basicamente no excitador para os LEDs e o sistema sensor com o diodo PIN. Para excitar os LEDs é utilizado um circuito em ponte que alternadamente inverte o sentido de circulação da corrente. Neste circuitos os dois LEDs são ligados em oposição e em paralelo de modo que a corrente circule por um por outro, conforme o sentido. Na figura 3 mostramos este circuito.
O sentido da circulação da corrente e portanto o acendimento alternado dos LEDs é controlado pelas portas port2.3 e Port3.3, correspondentes aos pinos 5 e 10.o DAC0 faz o controle destas portas. Para o diodo PIN temos o circuito sensor mostrado na figura 4. Este diodo gera uma corrente a partir da luz recebida, que passa através do dedo da pessoa. Esta corrente é amplificada por um dos três amplificadores de transimpedância existentes no MSP430. O sinal obtido tem uma componente DC intensa (em torno de 1 V) e uma pequena componente AC, em torno de 10 mV pico a pico.
A componente DC mais intensa é causada pelas partes que possuem menos oxigenação no tecido e pela luz dispersada. Esta parte do sinal é proporciona à intensidade da luz emitida pelos LEDs. A componente AC pequena é formada pela luz modulada pelo oxigênio nas partes em que o sangue se move como as artérias, mais ruídos causado pela luz ambiente em 50 ou 60 Hz, conforme o caso. É este sinal que precisa ser extraído e amplificado. Esta função é realizada por OA1.
O condicionamento do sinal é feito a partir da amostragem da saída de OA1 pelo ADC numa taxa de 1000 sps. Como o sinal é multiplexado entre os dois LEDs, temos uma taxa de 500 sps. Uma filtragem digital remove ruídos acima de 50 Hz e um filtro passa baixas de 6 Hz também é implementado. Com esta filtragem, o sinal que corresponde ao batimento cardíaco aparece. Além deste temos ainda um filtro DC que trabalha com a concentração do sinal, obtendo-se uma faixa dinâmica de 32 bits em que apenas 16 bits mais significativos são usados. Informações detalhadas sobre outras etapas do circuito podem ser obtidas na documentação original.
Implementação
Na figura 5 temos o diagrama completo do aparelho.
No site da Texas Instruments também pode ser obtida a listagem do programa utilizado neste projeto.
Obs: O código de programação que deve ser disponibilizado está em:
http://focus.ti.com/general/docs/techdocsabstract.tsp?abstractName=slaa274
Pletismografia
O Pulsoxímetro que descrevemos neste artigo é um instrumento utilizado num dos testes de um exame denominado Pletismografia. Este exame é utilizado para detectar precocemente doenças pulmonares. Ele é composto de uma série de testes que medem os volumes dos pulmões, resistência das vias aéres, a força dos músculos respiratórios e ainda o desempenho dos pulmões na transferência do oxigênio aspirado para o sangue. Este exame é indicado nos seguintes casos;
* Avaliação e diagnóstico de processos obstrutivos, restritivos e mistos
* Detecção da limitação do fluxo aéreo
* Determinaçao do ar retido
* Avaliaçãpo da pré e pós reabilitação pulomonar
* Avaliação de dispnéia com espirometria normal
* Avaliação da musculatura respoiratória.
Neste exame, entre outros equipamentos utilizados temos uma câmara onde existe um suprimento controlado constante de ar, onde o paciente é colocado.
