Oxímetro

Instrumentação Electrónica 2011/2012

Engenharia Física Tecnológica

OXÍMETRO

______________________________________________________ Trabalho I

Trabalho realizado por: André Cunha, nº53757 João Romão, nº67919

Lisboa, 17 de Abril de 2012

Introdução O aparelho de medida consiste numa mola, a prender no dedo do paciente, que acopla um LED emissor de radiação infravermelha e um fotodíodo sensível nesta gama. Parte da radiação emitida vai ser absorvida pela hemoglobina presente no sangue quando este preenche os vasos sanguíneos. Desta forma, o grau de absorção da radiação vai então variar com o fluxo sanguíneo, dependendo dos batimentos cardíacos. Assim, a tensão aos terminais do fotodíodo vai variar com a frequência cardíaca obtendo-se uma medida da pulsação.

O processo de aquisição de dados consiste na intermitência do LED emissor com uma frequência fixa muito superior à do batimento cardíaco para garantir que este é descrito com uma resolução razoável, isto é, com um número de pontos suficiente para a obtenção de uma forma de onda satisfatória.

Notar que teoricamente e em condições ideais, bastaria garantir uma frequência de aquisição dupla da do batimento cardíaco de acordo com o critério de Nyquist.

Objectivamente isto nunca acontece dado que além do ruído inerente a todo o circuito há ainda que considerar uma miríade de fontes de erro como por exemplo as variações na posição do dedo na mola, a instabilidade da mesma em relação ao dedo, as variações na sensibilidade do fotodíodo, a emissão infravermelha do corpo do paciente, a pressão da mola no dedo que diminui progressivamente a quantidade de sangue nos vasos sanguíneos, entre muitas outras que se possa extrapolar das condições inerentes às circunstâncias do processo de medição.

Dito isto, para assegurar que se consegue obter alguma espécie de aquisição realista, convém ter uma quantidade razoável de pontos, para que estas fontes de erro não se sobreponham ao sinal do batimento cardíaco.

A intermitência periódica do LED emissor vai gerar uma onda portadora que ao atravessar o dedo nas circunstâncias supracitadas, resulta em onda electromagnética modulada em amplitude que é então transdutada pelo fotodíodo receptor em impulsos eléctricos.

Tendo em conta o processo de aquisição e as circunstâncias de medição, é necessário processar o sinal obtido para que este seja perceptível. A essência deste trabalho, consiste então em garantir a minimização do ruído sem comprometer a informação transportada pela onda modulada considerando a fraca amplitude consequente da técnica de transdução utilizada.

Dito isto, o circuito a projectar deverá primariamente fazer a demodulação da onda portadora que consiste num módulo rectificador e num módulo integrador. Para que este processo seja viável, será necessário lidar com o ruído o que é feito através de processos de amplificação e filtragem de sinal.

Projecto e implementação do processo de aquisição Programou-se o dsPIC30F4011 disponível no laboratório para gerar um PWM com uma frequência de 6 kHz e um duty cycle de 50% que irá controlar a intermitência do LED. Os detalhes da implementação deste sinal encontram-se descritos nos comentários do código abaixo.

#include <p30F4011.h> #include <stdio.h> #include <libpic30.h> _FOSC(CSW_FSCM_OFF & XT_PLL16); _FWDT(WDT_OFF);

// // // //

oscilador 16x a frequência do cristal Fcy (cristal) = 7.3728 MHz Fosc = Fcy * 16 = 117.9648 MHz temporizador watchdog desligado

/* ISR (Rotina de Interrupção) do TMR2 (Timer 2) */ void __attribute__((interrupt, auto_psv)) _T2Interrupt(void) { IFS0bits.T2IF = 0; // Limpar a 'flag' de interrupção do Timer 2 } int main () { /* Criação do PWM */ T2CONbits.TON = 0; TMR2 = 0; PR2 = 4900;

// Timer 2 a 0 // Período do Timer 2 // Fpwm = Focs / (4 * (1 + PR2)) = 6.017 kHz

T2CONbits.TCS = 0; T2CONbits.TCKPS = 0;

// TCS (Fonte do Temporizador) é interna // Factor multiplicativo do relógio = 1

OC1RS = 2450; OC1CONbits.OCM = 6; OC1CONbits.OCTSEL = 0;

// Duty Cycle = PR2 * 50 % // Modo: PWM // Escolher como fonte o Timer 2

T2CONbits.TON = 1;

// Timer 2 Ligado

while(1) {} }

// Timer 2 Desligado

Projecto e implementação do circuito demodulador A abordagem inicial foi minimalista e começou-se por dimensionar um circuito de apenas cinco módulos de acordo com o esquemático abaixo.

Filtragem com Amplificação

Aquisição

Rectificação

Demodulação

+5V

O funcionamento do circuito de aquisição já foi amplamente descrito anteriormente e neste esquemático podemos ver o LED alimentado pelo PWM e o circuito receptor formado pelo transístor fotosensível. Entre ambos vai estar o dedo do paciente, e das oscilações da tensão no cátodo, vamos obter a modulação da onda portadora.

O módulo de filtragem e amplificação escolhido é um filtro passa alto activo inversor de primeira ordem.

+ 10k

47nF -

100k

A escolha de um filtro activo é justificada pela necessidade de obtenção de ganho em potência tendo em conta que o sinal adquirido é extremamente fraco e assim consegue-se assegurar que a modulação não é totalmente atenuada

+5V

1k

10k

1k 6kHz

pelo ruído e garante que o sinal não se perde em dissipação.

A montagem inversora parece ser a mais adequada uma vez que garante um ganho perfeitamente linear dependente apenas da razão das resistências usadas, ao contrário da montagem alternativa no que diz respeito à polaridade que conta com um offset unitário a somar a esta razão. Desta forma, torna-se mais fácil controlar o ganho com a mudança das resistências.

Considerou-se que um filtro de primeira ordem é suficiente tendo em conta as necessidades iniciais do trabalho.

O ganho deste amplificador é de -10 e a frequência de corte é de 338 Hz.

Projecto e implementação do circuito demodulador De seguida, é necessário rectificar o sinal para ser possível fazer a demodulação da onda portadora dado que num sinal sinusoidal, as contribuições positiva e negativa iram anular por completo o sinal, perdendo-se toda a informação.

Os díodos permitem a passagem da corrente no sentido desejado. No sentido inverso como não permitem a passagem de corrente, esta é forçada para a enorme resistência de retro-alimentação que minimiza o retorno da mesma à porta inversora do ampop mantendo no entanto a tensão de referência neste ponto. Desta maneira, o sinal obtido anula a componente negativa do sinal.

Por fim, estamos prontos para proceder à demodulação do sinal recorrendo a um filtro passa baixo passivo. Este vai filtrar a frequência da onda portadora ficando apenas a modulação do sinal, expressa naquilo que se espera ser uma forma ondulatória que traduza a pulsação do paciente.

100k

141uF

Notar que a este circuito podemos também chamar circuito integrador uma vez que o processo de filtragem das altas

+ 47nF

1k -

10k

100k

Uma vez que o objectivo é a rectificação em tensão, de forma a minimizar os erros provenientes de correntes indutivas, correntes de retorno e outras flutuações anormais de corrente, colocou-se um condensador de decoupling que assegurando a tensão de entrada no rectificador, minora estas fontes de ruído.

frequências é feito através do processo de integração que soma as oscilações positivas da onda portadora de forma a obter-se apenas a forma ondulatória da modulação inicial. Dimensionou-se o circuito para uma frequência de corte de 11 Hz.

Testes e Resultados Já com o dedo do paciente no aparato, em azul tem-se o sinal directamente à saída da mola e a rosa tem-se o PWM com duty cycle a 50% e uma tensão de 5V pico a pico. A escala em tensão no plot é relativa ao sinal azul de 2 mV por divisão e o sinal da mola oscila entre -20 mV e 20 mV. mV

É praticamente impossível distinguir qualquer tipo de informação neste sinal tendo em conta os elevados níveis de ruído mas ainda assim, prosseguiu-se com as etapas seguintes da experiência.

V

6

4

2

0

�2

Esta abordagem revelou ser fútil como é evidente no sinal final. Apesar dos mecanismos de filtragem, amplificação e redução de ruído presentes no circuito, a quantidade final de ruído é enorme. Isto é muito evidenciado na acumulação de sinais de inúmeras frequências que ainda assim permitem uma visualização qualitativa da pulsação nos picos do sinal dado que a periodicidade destes é aproximadamente 1 segundo e holisitcamente durante o procedimento, pareceu obedecer às pulsações do paciente. Obviamente, este resultado é inaceitável e impede qualquer tipo de medida quantitativa credível da pulsação do paciente.

Testes e Resultados Na tentativa de obter uma medição quantitativa da pulsação, recorreu-se a uma análise e tratamento matemático posterior deste sinal utilizando a técnica da transformada rápida de Fourier doravante referida por FFT. 300

Utilizando o ambiente MATLAB, introduziram-se os dados adquiridos num pequeno programa realizado anteriormente por um dos membros do grupo na cadeira de Sistemas 250 de Aquisição de Dados.

200

150

100

50

0

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

A frequência de amostragem do osciloscópio é de 250 Hz. Utilizando o critério de Nyquist, isto equivale a um espectro até 125 Hz. Com uma janela de aquisição a 10 segundos o que equivale a 2494 pontos, realizou-se a FFT obtendo-se assim o espectro total de frequências para os 2494 pontos. Como o critério só garante frequências novas até índices que sejam inferiores à metade do número total de pontos de amostragem, o espectro completo é simétrico e apresentam-se aqui apenas os primeiros 1447 pontos da FFT. Com uma frequência de aproximadamente 0.1 Hz por divisão da escala, pode-se ver uma enorme quantidade de ruído na região dos 50 Hz o que indica muita interferência da rede eléctrica.

Verificam-se ainda fontes de ruído não desprezáveis ao longo de todo o espectro o que indica uma elevada probabilidade de existência de correntes de retorno, correntes indutivas e outros picos de corrente ao longo do circuito.

Na região das baixas frequências, o problema acima mencionado mantém-se ao qual se acrescenta a falta de resolução para fazer uma diferenciação espectral quantitativa credível, confirmando-se ainda assim, a existência das frequências desejadas no sinal obtido.

As várias frequências na região relevante, corroboram ainda a evidência visual no osciloscópio de falsas variações na frequência cardíaca simuladas pela dificuldade de obter uma posição de equilíbrio do dedo na mola, problema sempre presente nesta primeira tentativa.

Testes e Resultados Foi então necessário descobrir as causas dum sinal de tão fraca qualidade. Começou-se por testar inúmeras combinações de diferentes pacientes e molas até se chegar a um sinal de aquisição substancialmente mais limpo.

Não sendo isto suficiente, procedeu-se a uma total remontagem do circuito eliminando por completo a existência de fios supérfluos e compridos, que estavam a criar inúmeras correntes indutivas. Esta minimização resultou ainda na eliminação de eventuais anéis de terra. Por fim, verificou-se ainda que a primeira placa usada era bastante deficiente para um trabalho desta sensibilidade dado que introduzia quantidades de ruído muito gravosas tendo-se procedido à sua substituição.

Feitas as correcções supracitadas e já com o dedo do paciente, têm-se de seguida os sinais obtidos em diferentes pontos do circuito. A azul tem-se novamente o PWM como referência temporal para os restantes sinais. A rosa tem-se o sinal à saída da mola com uma amplitude de 14 mV pico a pico e a amarelo, com uma amplitude de cerca de 140 mV, tem-se o sinal à saída do módulo de amplificação e filtragem que respeita o dimensionamento imposto.

É evidente que os procedimentos realizados resultaram num melhoramento significativo e fulcral para a realização do trabalho como é evidente tanto nos sinais anteriores, como no sinal final que descreve a pulsação do paciente. O sinal final tem uma amplitude que roça os 30 mV, traduz uma frequência cardíaca de aproximadamente 70 batimentos por minuto.

V 0.01

0.00

�0.01

�0.02

1

2

3

4

t�s�

Conclusões Concluiu-se com sucesso a medição das pulsações do paciente utilizando o circuito implementado. A montagem cuidadosa do circuito foi essencial para este resultado tendo-se testado o sinal a saída de cada elemento do circuito e verificado um aumento progressivo do ruído inerente, apesar das várias técnicas de minimização e filtragem utilizadas.

Estes efeitos perniciosos estão bem patentes no resultado final da primeira montagem efectuada. Uma análise posterior do espectro de frequências deste sinal, obtido através de uma FFT e aplicação do critério de Nyquist, confirmou quantitativamente a origem das fontes de erro, com a presença de inúmeros picos de sinal em frequências estranhas provavelmente resultantes de correntes indutivas; a imprecisão do método de aquisição reflecte-se numa grande instabilidade na zona das baixas frequências em torno da vizinhança da frequência cardíaca e corroborou-se ainda a impossibilidade física da remoção efectiva do ruído inerente aos 50 Hz da corrente eléctrica apesar da utilização de filtragem para o efeito.

A remontagem de todo o circuito, substituição e redução de componentes resistivos e a procura de condições ideais no método e sistema de aquisição do sinal permitiram a obtenção de um sinal com qualidade suficiente para a conclusão do objectivo do trabalho.

Descobriu-se ainda que a mola exercia um excesso de pressão sobre o dedo ou lóbulo até impedir a circulação de sangue nos vasos sanguíneos, o que obviamente impede que haja qualquer medição do fluxo sanguíneo consequentemente da frequência cardíaca. Por outro lado, ao relaxar a mola, gerou-se instabilidade na posição relativa entre o dedo e o díodo receptor o que resultou em oscilações absurdas do sinal adquirido.

No entanto, foi possível corrigir alguns defeitos da implementação inicial de forma a reduzir o ruído até níveis aceitáveis e obtendo-se assim uma boa medida da pulsação.

Sugere-se no entanto, que se melhorem as características do acoplamento entre o LED e o fotodíodo para promover condições de medida mais estáveis e que permitam rentabilizar o tempo de laboratório no objectivo central do trabalho dado que se perderam inúmeras horas a tentar encontrar uma posição de equilíbrio entre o dedo e a mola e que permitisse a aquisição de um sinal aceitável.

Ainda assim, estas circunstancias foram importantes para que os elementos do grupo se pudessem familiarizar com condições muito adversas de aquisição o que estimulou o desenvolvimento de métodos e procedimentos adequados a esta realidade. A montagem cuidadosa e refinada com minimização de componentes resistivos e maximização organizacional dos componentes, a utilização de um código de cores para identificação dos fios e a verificação exaustiva do equipamento e material utilizados são alguns exemplos prosaicos que sendo protocolares num laboratório, só se tornam realmente essenciais nas condições supracitadas.