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Este documento discute sobre a pressão arterial média, pressão sistólica e diastólica, pressão de pulso e oscilações na braçadeira durante a medição de pressão arterial. O texto aborda o funcionamento do algoritmo de aquisição de pressão arterial, causas de dificuldades na medição e as características da pressão arterial média. Além disso, são citados estudos relacionados a diferentes tecnologias utilizadas em monitores de pressão arterial.
O que você vai aprender
Tipologia: Esquemas
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Porto Alegre 2015
Trabalho de CC apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para Graduação em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Alexandre Balbinot
Porto Alegre 2015
Gostaria de agradecer ao técnico de manutenção eletrônica do Hospital de Clínicas de Porto Alegre, Rodinei Ramos da Rocha, e seus colegas de trabalho, pela disponibilização e auxílio na utilização do equipamento de simulação de pressão não invasiva BP-Pump, dispositivo que viabilizou a calibração e validação do esfigmomanômetro desenvolvido.
Foi desenvolvido um esfigmomanômetro digital automático que aplica o método oscilométrico e envia a medição da pressão arterial sistólica, diastólica e média e da frequência cardíaca a um aplicativo Android. O aparelho é autônomo, utilizando uma bateria de polímero de lítio e possuindo um circuito de recarga. O sistema de medição emprega uma braçadeira cuja pressão interna é controlada por um motor e uma válvula eletrônica e mensurada pelo transdutor piezo- resistivo integrado MP3V5050GP. Um microcontrolador PIC18F27J53 no qual é programado um filtro digital passa-altas FIR para determinação das oscilações e um algoritmo de identifi- cação de PIPs (pontos de identificação de parâmetro) próprio calcula o resultado de medição a partir do sinal de pressão digitalizado. A comunicação sem fio com o smartphone ou tablet no qual está instalado o aplicativo é realizada pelo módulo Bluetooth Smart RN4020. Para a calibração do sensor e validação do algoritmo utilizou-se o simulador de PNI BP-Pump (Bio-Tek Instruments). A calibração estática envolveu a medição em 12 pontos igualmente espaçados de 40 a 260 mmHg com quatro repetições, obtendo-se uma incerteza de medição máxima de 0,35% do fundo de escala. A validação baseou-se na medição de quatro curvas simulando pressões arteriais na faixa de 50 a 150 mmHg, com cinco repetições cada. O dispositivo apresentou valor absoluto de erro médio e desvio padrão máximos de 9,80 e 3,04 mmHg para a pressão sistólica; 3,80 e 2,05 mmHg para a pressão diastólica; e 3,40 e 4,80 mmHg para a pressão arterial média. Concluiu-se que o erro médio de medição da pressão sistólica poderia ser reduzido adaptando-se o valor da razão característica sistólica do algoritmo de identificação de PIPs, satisfazendo os valores máximos aceitos pelo INMETRO, respectivamente de 5,0 e 8,0 mmHg.
Palavras-chaves: esfigmomanômetro. oscilometria. pressão arterial. bluetooth smart.
A/D Analógico-digital
ANOVA Analysis of variance (análise de variância)
CAD Conversor analógico-digital
DAQ Data Acquisition
GATT Generic Attribute Profile
EUSART Enhanced universal synchronous and asynchronous receiver/transmitter
FIR Finite impulse response (resposta ao impulso finita)
ICSP In-Circuit Serial Programming
IDE Integrated development environment
IIR Infinite impulse response (resposta ao impulso infinita)
MAPA Monitoração ambulatorial da pressão arterial
MOSFET Metal–oxide–semiconductor field-effect transistor
PA Pressão arterial
PAM Pressão arterial média
PIP Parameter identification point (ponto de identificação de parâmetro)
PNI Pressão não-invasiva
PD Pressão arterial diastólica
PP Pressão de pulso
PS Pressão arterial sistólica
RAM Ramdom Access Memory (memória de acesso aleatória)
SD Secure Digital
UART Universal asynchronous receiver/transmitter
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Segundo Drzewiecki (2000), o início da medição não-invasiva do pulso arterial pode ser traçado até a Renascença, na Polônia, sendo variações na intensidade ou no formato do pulso já relacionadas com diversas condições médicas. Atualmente, existem diversos instrumentos dedicados à medição da pressão arterial, aos quais dá-se o nome de esfigmomanômetro. Dentre as tecnologias disponíveis o padrão da indústria tem sido, até recentemente, o esfigmomanômetro de mercúrio. Entretanto, diversos países e órgãos internacionais têm adotado políticas focando na redução da produção de dejetos de mercúrio, motivando uma busca por alternativas (SHIMEK et al., 2011). Dentre elas, destacam-se os esfigmomanômetros digitais, que já dominam o mercado em algumas regiões. Na Inglaterra, por exemplo, um estudo por A’Court et al. (2011) afirma que os modelos digitais já são quatro vezes mais comuns que os modelos empregando manômetros de mercúrio em clínicas médicas. A medição da pressão arterial permite ao médico determinar o funcionamento adequado do sistema cardiovascular. Em especial a hipertensão, uma condição médica crônica na qual a pressão arterial é demasiadamente elevada, está diretamente relacionada com a mortalidade cardíaca em adultos (LEWINGTON et al., 2002). É fundamental, portanto, a existência de métodos simples e eficazes para a aquisição e monitoramento da pressão arterial. Ao considerar- se ainda que, de acordo com o Ministério da Saúde (2014), mais de 20% da população adulta de diversas capitais brasileiras sofre de hipertensão, fica evidente tratar-se de uma importante questão de saúde pública. Por razões como essas, não é de se surpreender que a obtenção da pressão arterial seja a medição mais comum na prática clínica, conforme afirma O’Brien et al. (2010). Dentre as muitas técnicas existentes hoje para a aquisição da pressão arterial, destaca-se a oscilometria. Este método, amplamente empregado pelo esfigmomanômetro digital, tem suas origens em 1885, nos estudos do fisiologista francês Étienne-Jules Marey (DRZEWIECKI, 2000). Assim, ainda que o fundamento teórico destes dispositivos remonte ao século XIX, hoje eles podem beneficiar-se de múltiplos avanços tecnológicos do setor de telecomunicações. Muitas dessas inovações, que vêm oferecendo novas possibilidades à instrumentação biomédica, remetem à telemedicina, definida pela American Telemedicine Association (2015) como “o uso de informação médica transferida de um ponto a outro via comunicação eletrônica para melhorar o estado clínico de um paciente”. Tecnologias de comunicação sem fio de baixo consumo tais quais Bluetooth Smart e Zigbee permitem a interação de diversos dispositivos, incluindo smartphones e tablets. O acesso desses aparelhos à internet ou a utilização do padrão GSM podem ser empregados para facilitar a comunicação médico-paciente e o monitoramento de doenças crônicas. Em função das colocações anteriores, o objetivo principal deste trabalho é desenvolver um esfigmomanômetro digital interfaceado pela tecnologia sem fio Bluetooth Smart com um dispositivo móvel, cuja cadeia de medição seja devidamente determinada segundo procedimentos
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Com o objetivo de entender os fundamentos teóricos nos quais se baseia o esfigmomanô- metro, realizou-se uma pesquisa sobre o sistema cardiovascular e o conceito de pressão arterial. Na sequência são apresentadas diversas considerações sobre a medição desta grandeza biológica, apresentando em detalhe as duas técnicas mais comuns. Para concluir, descreve-se em detalhe o funcionamento e a construção de um esfigmomanômetro digital típico, salientando os cuidados necessários à sua utilização.
2.1 SISTEMA CARDIOVASCULAR
O sistema cardiovascular (também conhecido como sistema circulatório) distribui nutri- entes e hormônios pelo corpo, remove resíduos dos tecidos e auxilia na regulação da temperatura através da circulação sanguínea. Esse complexo sistema é composto pelo coração, que atua como uma estação de bombeamento; de um fluido de transporte, o sangue; de uma ramificação extraor- dinária de vasos sanguíneos, possibilitando a troca de solutos por difusão com virtualmente todas as células do corpo; e de sofisticados meios de controle (SCHNECK, 2000). Na sequência, para possibilitar maior entendimento da origem e natureza da pressão arterial, é descrita a fisiologia do coração e dos vasos sanguíneos.
2.1.1 Coração
Menor que um punho fechado e pesando menos de 350 gramas, o coração mede de 12 a 13 cm da base ao topo e possui de 7 a 8 cm de largura, localizando-se na porção central da cavidade torácica. Trata-se de um órgão muscular oco, sendo subdividido no lado esquerdo e no lado direito, de modo que cada lado conta com duas cavidades: um átrio, onde o sangue chega no coração, e um ventrículo, de onde o sangue parte para o resto do corpo. A circulação entre cada átrio e o respectivo ventrículo é controlada pelas valvas átrio-ventriculares: o átrio e o ventrículo direito são separados pela valva tricúspida, enquanto o átrio e o ventrículo esquerdo são separados pela valva mitral (ou bicúspida). O lado direito do coração move o sangue venoso, pobre em oxigênio mas rico em dióxido de carbono, para os pulmões, a partir do tronco pulmonar. Já o lado esquerdo recebe o sangue oxigenado proveniente dos pulmões, dito arterial, e bombeia-o para o resto do corpo, passando inicialmente pela parte ascendente da aorta. O fluxo destes circuitos é controlado, respectivamente, pela valva pulmonar e pela valva da aorta, ditas valvas semilunares (BLANCHARD; BRONZINO, 2012; SCHNECK, 2000). A Figura 1 mostra um esquema do coração, indicando a nomenclatura dos elementos abordados nesse trabalho. Para bombear o sangue, o coração alternativamente enche, expande, contrai e então esvazia, completando assim um ciclo cardíaco. Durante a fase de enchimento, chamada de diástole, as valvas semilunares encontram-se fechadas, enquanto as valvas átrio-ventriculares
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 4
Figura 1 – Anatomia do coração.
Ventrículo esquerdo
Aorta
Átrio esquerdo Valva mitral
Direção da circulação
Ventrículo direito
Valva pulmonar
Átrio direito Valva tricúspida
Valva da aorta
Fonte: Schneck (2000).
permanecem abertas, permitindo que o sangue entre nos ventrículos. Já na fase de esvaziamento, conhecida por sístole, sinais elétricos induzem a contração do miocárdio (músculo cardíaco), forçando a abertura das valvas semilunares e o fechamento das valvas átrio-ventriculares, de modo que o sangue possa ser bombeado para o exterior do coração sem retornar ao átrio. Com o início do ciclo seguinte, as valvas semilunares encontrar-se-ão novamente fechadas, impedindo o retorno do sangue pela aorta e pelo tronco pulmonar para o ventrículo. O ciclo cardíaco de um adulto saudável dura em torno de 750 ms, o que implica em aproximadamente 80 batimentos por minuto, ou uma frequência de 1,33 Hz. Nessas condições, a diástole tem uma duração típica de 480 ms, restando à sístole aproximados 270 ms (BLANCHARD; BRONZINO, 2012; SCHNECK, 2000). Entretanto, vários fatores podem alterar temporariamente este valor: durante uma atividade física, por exemplo, não só a frequência cardíaca é capaz de aumentar mais que o dobro, como o volume de sangue bombeado pelo ventrículo esquerdo pode aumentar seis vezes, sem portanto indicar um problema de saúde (SCHNECK, 2000). Conforme afirma Laizzo (2009), são cinco as condições necessárias para manter o coração funcionando corretamente: (1) as contrações do miocárdio devem ser sincronizadas e ocorrer em intervalos regulares; (2) as valvas devem abrir-se completamente; (3) as valvas não devem permitir “vazamentos”; (4) as contrações ventriculares devem ser suficientemente vigorosas; e (5) os ventrículos devem encher-se completamente durante a diástole. Dois mecanismos principais garantem estas condições: os mecanismos intrínsecos ao coração, em resposta a modificações no volume de sangue circulando em seu interior, e o controle exercido pelo sistema nervoso autônomo. Alguns dos sintomas da ausência de uma ou mais destas condições podem ser detectados por técnicas de medição da pressão arterial, como é o caso da arritmia.
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 6
Segundo Laizzo (2009), na circulação sistêmica o sangue é ejetado para fora do ventrículo esquerdo pela aorta. Nota-se aqui que, na literatura, a aorta é divida em quatro partes, começando na valva da aorta: aorta ascendente, arco da aorta, aorta torácica e aorta abdominal. A partir de suas diferentes seções ramificam-se todas as artérias da circulação sistêmica, dividindo-se em vasos de diâmetro cada vez menor, até os vasos capilares, que realizam as trocas de solutos com as células. Esses então retornam ao coração pelas veias, que seguem um padrão de ramificação inverso, juntando-se finalmente à veia cava inferior ou à veia cava superior, que conduzem o sangue ao átrio direito. A circulação pulmonar compreende um circuito similar: o sangue sai do ventrículo direito pelo tronco pulmonar, que dividi-se então nas duas artérias pulmonares, cada uma suprindo um pulmão. Do mesmo modo, essas artérias ramificam-se, eventualmente formando vasos capilares. O sangue, após adquirir oxigênio dos pulmões, retornará ao átrio esquerdo através de quatro veias pulmonares principais (LAIZZO, 2009).
2.2 PRESSÃO ARTERIAL
A pressão arterial é a pressão exercida pelo sangue na parede das artérias. Durante a sístole o sangue na circulação sistêmica sai do coração através da artéria aorta com uma pressão interna tipicamente da ordem de 100 mmHg (BLANCHARD; BRONZINO, 2012). É nessa fase que a pressão arterial é mais elevada e, portanto, denomina-se de pressão sistólica o seu valor máximo. Com o relaxamento do ventrículo, na diástole, a pressão interna cai, denominando-se então de pressão diastólica o valor mínimo de pressão arterial num ciclo cardíaco. Diferentes categorias para a pressão sistólica e diastólica são informadas na Tabela 1.
Tabela 1 – Categorias de pressão arterial. Categoria Sistólica [mmHg] Diastólica [mmHg] Hipotensão < 90 < 60 Desejado 90 - 119 60 - 79 Pré-hipertensão 120 - 139 80 - 89 Hipertensão: estágio 1 140 - 159 90 - 99 Hipertensão: estágio 2 160 - 179 100 - 109 Emergência hipertensiva ≥ 180 ≥ 110 Fonte: American Heart Association (2015).
Define-se ainda a pressão de pulso como a diferença entre a pressão sistólica e a pressão diastólica. A pressão arterial média representa a média aritmética da pressão arterial durante um ciclo cardíaco e tipicamente está entre 60 e 90 mmHg (LAIZZO, 2009). Seu valor pode ser aproximado pelo soma da pressão diastólica e um terço do valor da pressão de pulso (BLANCHARD; BRONZINO, 2012; LAIZZO, 2009). Assim, seja P S a pressão sistólica, P D a pressão diastólica, P P a pressão de pulso e P AM a pressão arterial média, obtém-se então a Equação (1) e a Equação (2). P P = P S + P D (1)
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 7
A expressão “pressão arterial” (ou “pressão sanguínea”) refere-se convencionalmente à pressão exercida nas paredes das artérias que compõe a circulação sistêmica. Desconsidera-se, então, a pressão interna à circulação pulmonar e à totalidade das veias, além da pressão interna a vasos sanguíneos de menor porte, como capilares. Como referência, a pressão na circulação pulmonar varia entre 10 mmHg e 25 mmHg, enquanto a veia cava possui uma pressão interna média de aproximadamente 10 mmHg (BLANCHARD; BRONZINO, 2012).
2.2.1 Fisiologia
Sircar (2008), considerando o sangue um fluído incompressível, descreve a pressão arterial em função do princípio de Bernoulli. A partir deste, a energia total do sangue é tomada como constante, sendo a soma de três tipos diferentes de energia: a energia potencial (U ), representada pela diferença de altura vertical entre dois pontos; a energia cinética (K), que depende da velocidade do sangue; e a energia de pressão (Ep), que é proporcional à pressão exercida nas paredes dos vasos sanguíneos. Esta soma deve ser exatamente igual ao trabalho exercido pelo ventrículo esquerdo (Wve). Isolando o termo referente à energia de pressão, obtém- se a Equação (3): Ep = Wve − K − U (3) Seria possível desenvolver uma discussão mais detalhada sobre esse princípio físico, explicitando como calcular cada termo da Equação (3), entretanto isto fugiria do escopo desta seção, que se limita apenas a introduzir as variáveis e funções fisiológicas que regem a pressão arterial. Vários fatores alteram a proporção entre esses três tipos de energia. Por exemplo, se o sangue deve ser bombeado para um ponto superior ao coração, sua energia potencial aumenta. Logo, este aumento deve ser acompanhado por uma redução na soma das energias cinética e de pressão, ou seja, uma redução da pressão arterial e da velocidade do fluido. Como regra geral, considerando apenas o efeito da variação da energia potencial, a pressão arterial diminui de 0,77 mmHg para cada centímetro acima do átrio direito e aumenta na mesma proporção para cada centímetro abaixo (SIRCAR, 2008). Conclui-se, então, que a pressão arterial depende do trabalho exercido pelo coração, da velocidade de fluxo do sangue e do efeito da gravidade. De acordo com Laizzo (2009), a pressão arterial é possivelmente a variável cardiovascular mais regulada, pois é necessário que haja uma diferença de pressão entre as extremidades dos vasos para garantir a circulação sanguínea. A Figura 3 ilustra a diferença de pressão nas várias ramificações dos vasos sanguíneos. Nota-se que a pressão nas artérias varia consideravelmente em função do ciclo cardíaco, identificando-se facilmente a sístole e a diástole; entretanto, nas arteríolas, nos vasos capilares, nos vênulos e nas veias as variações são atenuadas e a pressão praticamente independe do tempo. Ainda, a pressão arterial pode ser ligeiramente superior em
