PERCEÇÃO TÁTIL DE SINAIS DE PULSO
ARTERIAL
João Emanuel Meneses Mota de Faria
Orientadores:
Maria Teresa Restivo
Paulo Abreu
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Junho de 2016
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Dispositivo Tátil para Perceber Sinais de Pulso Arterial: Análise e Conclusões, Provas de Comunicação
Um projeto de pesquisa que desenvolveu um dispositivo tátil capaz de reproduzir sinais de pulsos arteriais, baseado em soluções de complexidade e custo inferiores a dispositivos comerciais. O trabalho inclui testes de pulsos arteriais, análise da onda de pulso arterial e aplicação de dispositivos hápticos para perceber pulsos arteriais. A análise da onda de pulso arterial é relevante para avaliar a frequência e ritmo cardíaco, bem como novos fatores de risco como rigidez arterial.
Tipologia: Provas
2022
1 / 63
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PERCEÇÃO TÁTIL DE SINAIS DE PULSO
ARTERIAL
João Emanuel Meneses Mota de Faria Orientadores: Maria Teresa Restivo Paulo Abreu
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Junho de 2016
ii
iv
ABSTRACT
Cardiovascular disease is the single most important cause of mortality worldwide, which highlights the urgent necessity of new diagnostic and training tools that are simultaneously effective, accessible and of lower cost – this has become a central priority in current medicine. Haptic devices are a good example of an advantageous tool. They have been applied in multiple fields and can, in the near future, be extended to cardiac disease, in the perception and interpretation of arterial pulses. The aim of this project is to develop a proof of concept of a tactile device that is able to simulate arterial pulses. This proof of concept should have lower complexity when compared to other options, that use commercial devices, already available. Different actuation solutions were considered, having an electric actuation solution been selected. The developed device uses a DC motor, a driver and a microcontroller. The motor drives a lever that is used to exert force on the finger when the user touches it. The motor is driven so that the available torque has a variation similar to the profile of the arterial pulse. At the same time the user is able to view a graphical animation of the pulse profile. Different tests were performed, including the analysis of multiple simulated pulse waveforms: standard, bisferiens and alternans. It was possible, for a user, to distinguish the different pulses using just the touch sense.
v
AGRADECIMENTOS
Aos meus orientadores, a Prof.ª Teresa Restivo e o Prof. Paulo Abreu, por todo o apoio, dedicação e disponibilidade demonstrados ao longo deste ano. A todos os investigadores do Laboratório de Instrumentação para Medição, cuja ajuda foi indispensável. A todos os elementos da Favela, pelo seu companheirismo e amizade partilhado ao longo de todo este tempo. À minha namorada por tudo o que ela fez (e faz) por mim. Sem ela era impossível ter conseguido concluir esta dissertação. Obrigado por tudo. Aos meus pais e irmãs, pois não conseguiria ter chegado aqui sem eles. Todas as palavras de apoio e de encorajamento, toda a ajuda que me deram ao longo dos anos nunca serão esquecidas. A todos aqueles que não foram mencionados, mas que não deixaram de me apoiar ao neste trajeto, o meu muito obrigado.
vii
- Introdução............................................................................................................................ ÍNDICE
- 1.1. Enquadramento e contextualização do problema
- 1.2. Objetivos
- 1.3. Estrutura da Dissertação
- Dispositivos hápticos e pulso arterial
- 2.1. Dispositivos Hápticos
- 2.1.1. Dispositivos Tácteis..............................................................................................
- 2.1.2. Dispositivos de Feedback de força
- 2.1.3. Dispositivos Hápticos na Medicina
- 2.2. Caraterização do pulso arterial...................................................................................
- 2.2.1. Deteção do pulso arterial e representação da onda de pulso arterial
- 2.2.2. Relevância da análise da onda de pulso arterial
- 2.3. Aplicação de dispositivos hápticos para perceção de pulso arterial
- 2.4. Representação virtual da aorta e perceção do pulso arterial
- Dispositivo tátil
- 3.1. Introdução
- 3.2. Análise de soluções de atuação
- 3.2.1. Atuação Hidráulica
- 3.2.2. Atuação Pneumática
- 3.2.3. Atuação Elétrica
- 3.3. Solução de comando
- 3.3.1. Atuador
- 3.3.2. Microcontrolador
- 3.3.3. Drive
- Desenvolvimento da solução
- 4.1. Arquitetura do sistema
- 4.2. Sistema Físico............................................................................................................ viii
- 4.3. Interface e programação
- 4.4. Testes de pulsos arteriais
- 4.4.1. Onda fisiológica
- 4.4.2. Pulso Bisferiens
- 4.4.3. Pulso Alternans
- 4.4.4. Testes a utilizadores
- 4.5. Análise do sistema
- 4.6. Outras aplicações
- Conclusões e perspetivas futuras
- Referências
- ANEXOS
- Figura 2.1 - iFeel MouseMan fabricado pela Logitech [16]....................................................... ÍNDICE DE FIGURAS
- Figura 2.2 - Volante pneumática desenvolvido pela Universidade de British Columbia [17]
- Figura 2.3 - Logitech WingMan [16]
- Figura 2.4 - Geomagic Touchtm produzido pela Geomatic
- Figura 2.5 - CyberTouch Glove, criado pela Virtual Tecnologies Inc [19]...............................
- Figura 2.6 - Onda de pressão arterial [3]
- Figura 2.7 - Sistema háptico de palpação virtual [41]
- Figura 2.8 - Sistema háptico que utiliza ultrassons [41]
- Figura 2.9 - Sistema háptico que utiliza microcolunas e o Geomatic Touch [42]
- Figura 2.10 - UTMB STS (University of Texas Medical Branch Self-Training System) [44]
- Figura 3.1 - Sistema de biorreatores [47]
- Figura 3.2 - Esquema simplificado do sistema pneumático
- Figura 3.3 - Comportamento de resposta a uma excitação do tipo degrau
- Figura 3.4 - Esquema em corte da válvula reguladora de pressão [48]
- Figura 3.5 - Onda de presão discretizada
- Figura 3.6 - Sistema de atuação
- Figura 3.7 - Sistema de medição de força
- RS-645 VA Figura 3.8 - Comparação entre a forças teóricas e medidas à saída do veio (l=45 mm) do motor
- Figura 3.9 - Arduino Uno [53]
- Figura 3.10 - Descritivo das funções dos pinos do drive [54]
- Figura 3.11 - Esquema do funcionamento lógico da ponte H [54]...........................................
- Figura 4.1 - Arquitetura do sistema
- Figura 4.2 - Componentes modelados
- Figura 4.3 - Modelo do dispositivo tátil
- Figura 4.4 - Dispositivo tátil
- Figura 4.5 - Sistema eletrónico de controlo x
- Figura 4.6 - Página inicial da aplicação de interface
- Figura 4.7 - Reprodução da onda fisiológica
- Figura 4.8 - Onda Fisiológica [65]
- Figura 4.9 - Pulso Bisferiens [65]
- Figura 4.10 - Pulso Alternans [65]
xi
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 3- 1 - Características dos motores RS-385PH [51] e RS 645VA [52] .......................... 22 Tabela 3- 2 - Resultados das medições com a célula de carga para uma haste com l = 45 mm 23 Tabela 3- 3 - Características do Arduino Uno [53] ................................................................... 25 Tabela 4- 1 – Atribuição de funções a caracteres ...................................................................... 31 Tabela 4- 2 - Ondas reproduzidas .............................................................................................. 39
1. INTRODUÇÃO
1.1. Enquadramento e contextualização do problema As doenças cardiovasculares constituem atualmente a principal causa de mortalidade no mundo, sendo responsáveis por cerca de 30% de todas as mortes [1]. Estima-se que na União Europeia este número alcance os 40% e esteja associado a uma despesa de 196 mil milhões de euros anuais, perfazendo aproximadamente 20% do gasto total de despesas de saúde da UE, com mais de metade deste valor a ser despendido nos cuidados de saúde primários e secundários disponibilizados a estes doentes [2]. São já conhecidos inúmeros fatores de risco o desenvolvimento de doenças cardiovasculares, muitos deles relacionados com os estilos de vida da população, crescentemente sedentário, e de que são exemplos a obesidade, a diabetes mellitus, a hipercolesterolemia e a hipertensão arterial [3]. A abordagem destes fatores de risco e da doença cardiovascular tem ocupado, de forma expectável, um lugar prioritário na medicina e na investigação médica atuais, com o desenvolvimento e aplicação de melhores e mais eficazes meios complementares de diagnóstico. Existe, contudo, um contexto económico desfavorável a nível mundial que não pode ser ignorado e que tem limitado a aplicação dos referidos meios de diagnóstico. Os condicionantes económicos promovem o interesse por métodos de diagnóstico simples, baratos e que possam ser utilizados, no contexto de um exame físico básico, como método de despiste. No âmbito da medicina cardiovascular, um dos parâmetros que desde sempre tem recebido o interesse da comunidade médica é a medição e interpretação do pulso arterial. No que respeita à interpretação, este reveste-se de importância, não só por fornecer o número de batimentos cardíacos por minuto (relevante para avaliar a frequência e ritmo cardíaco do doente), mas também o perfil de pressões, a chamada onda de pulso, que pode trazer novos elementos relevantes no diagnóstico e tratamento de doenças e fatores de risco conhecidos [1, 4 ]. A avaliação do pulso arterial tem adicionalmente permitido a descoberta de novos fatores de risco que podem ser inferidos através das referidas curvas, de que é exemplo a rigidez arterial, crescentemente associada ao risco de desenvolvimento de doença coronária, a principal responsável por enfartes agudos do miocárdio [5, 6]. Esta análise tem sido feita através dos mais variados dispositivos [7-9] que permitem aumentar a sensibilidade e reprodutibilidade da deteção e caracterização do pulso. A aplicação correta destas novas técnicas requer o treino dos estudantes de medicina e de toda a comunidade médica na sua utilização e interpretação, de modo a serem utilizados como métodos de diagnóstico e/ou de despiste. É neste âmbito que surgem os dispositivos hápticos, com a capacidade de simular um qualquer pulso de modo a que o utilizador possa senti-lo de forma semelhante ao que sentiria na palpação do doente real, promovendo a sua familiarização com as mais variadas situações
clínicas. Desta forma, permitirão que os profissionais de saúde treinem as suas competências e aumentem a sua sensibilidade na deteção e diagnóstico dos mais variados pulsos arteriais, sãos ou patológicos. Os dispositivos hápticos têm sido utilizados em múltiplos outros domínios da medicina, particularmente no referido domínio do treino e formação de profissionais em relação a competências táctil-dependentes, como a palpação de tumores, cujas características têm sido recriadas, com sucesso, com base em interações de dispositivos hápticos embebidos em sistemas virtuais [10]. Este projeto surge em sintonia com o trabalho desenvolvido pelo Prof. James Wolfer e o seu aluno Alexander LeClair, Indiana University South Bend, Indiana, USA, que desenvolveram um simulador visual com interação háptica, utilizando para isso o dispositivo comercial Geomatic Touch. O sistema virtual representa a artéria aorta e o dispositivo é alimentado com ondas de pulso semelhantes às fisiológicas. De acordo com os autores, esta nova simulação demonstrou maior sobreposição com o pulso fisiológico, sendo uma representação mais fidedigna do pulso aórtico humano. Foram simulados pulsos com frequência e ritmo normais bem como outros com frequência e/ou ritmo alterados, simulando situações de arritmia cardíaca, uma condição altamente prevalente no mundo atual e associada a muitas das mortes cardíacas. A análise da onda de pulso fisiológica permite a identificação de fatores de risco associados a patologias cardíacas, sendo referido em variados estudos de que são exemplo as referências [4, 8, 11]. 1.2. Objetivos O objetivo central deste projeto é desenvolver a prova de conceito de um dispositivo tátil capaz de reproduzir diferentes sinais de pulso arterial, baseada numa solução de complexidade e custo inferiores às de dispositivos comerciais, que no mínimo disponibilizam três graus de liberdade (3 DOF). A solução procurada será um dispositivo tátil de 1 DOF. Pretende-se estudar as várias possibilidades de atuação e selecionar a mais adequada, tendo em consideração a dinâmica envolvida na perceção do pulso arterial. 1.3. Estrutura da Dissertação Esta dissertação é composta por cinco capítulos. No capítulo 1 , o presente capítulo, é feito um enquadramento do tema desta dissertação e apontados os objetivos. No capítulo 2 apresenta-se uma breve contextualização acerca da aplicabilidade de dispositivos hápticos existentes no mercado, dentro e fora das áreas médicas. Faz-se, para além disso, uma curta exploração de alguns conceitos utilizados ao longo do projeto, nomeadamente
2. DISPOSITIVOS HÁPTICOS E PULSO ARTERIAL
2.1. Dispositivos Hápticos Um dispositivo háptico permite a interação com ambientes virtuais ou sistemas remotos dando ao utilizador um feedback de força ou tátil. Feedback tátil refere-se às sensações que este sentido consegue distinguir: sejam elas diferentes texturas, temperaturas ou vibrações. Estes estímulos podem ser provocados de diversas formas: desde atuadores elétricos que vibram, jatos de ar ou apenas à realização de uma força de reação à ação realizada [12]. O que distingue um dispositivo háptico de outros dispositivos de interface mais comuns, de que são exemplos um rato de computador, é a quantidade e tipo de informação transferida. Num rato de computador básico, por exemplo, o seu funcionamento de mapeamento das manipulações de um utilizador funciona apenas como um dispositivo de entrada, não retornando qualquer tipo de feedback tátil. Por outro lado, a interface realizada por um dispositivo háptico permite para além de funções de entrada, funções de saída. Neste caso existe igualmente um input fornecido pelo utilizador, e o sistema proporciona sensações ao toque coordenadas com a interação realizada com o modelo. A primeira patente registada de um dispositivo háptico surgiu nos EUA, em 1971[13], e tratava-se de um sistema que permitia a um utilizador sentir a configuração de um objeto 3D guardado na memória de um computador. Os dispositivos foram evoluindo com os anos e tornaram-se praticamente omnipresentes na sociedade atual: existem no ecrã tátil dos smartphones e tablets , mas também em volantes para jogos de computador, ratos que produzem feedback (vibração) de modo a ser possível sentir itens do desktop e dispositivos para aplicações industriais ou mesmo teleoperação. A relevância dos dispositivos hápticos é multifatorial e tem demonstrado, em diversos contextos, potenciar a interação do utilizador com a aplicação da qual está a receber o feedback produzido pelo dispositivo ou mesmo atuar sistemas remotamente [14, 15]. Desde o seu aparecimento, no início dos anos 70, os sistemas hápticos têm-se multiplicado e hoje servem as mais variadas funções. De acordo com Laycock S. D. et al , [16] existem dois grandes grupos de dispositivos hápticos, que muitas vezes são referidos como um todo: os que produzem feedback táctil e os que produzem feedback de força. O primeiro grupo consiste em dispositivos genericamente definidos como comunicando um feedback táctil ao utilizador, como o próprio nome indica, sendo o mais comum sob a forma de vibração. O segundo engloba apenas os dispositivos que produzem um feedback de força, que repercute no utilizador informação como resposta à própria ação que está a ser efetuada [16].
Para além dos mecanismos de atuação vistos até agora, o feedback tátil não é apenas realizado aplicando pressão nas mãos do utilizador. Uma outra interação é a de produzir uma resposta em temperatura. Este tipo de dispositivos está a ser pensado como uma possibilidade de indivíduos que tenham perdido um membro, poderem vir a sentir diferenças de temperatura na sua prótese, utilizando sensores na prótese que efetuam a medição da temperatura, sendo posteriormente reproduzidos numa zona do corpo em que a pessoa tenha sensibilidade [16]. 2.1.2. Dispositivos de Feedback de força Os dispositivos de feedback de força, tipicamente, disponibilizam uma navegação tridimensional e feedback de força capaz de exercer forças de atuação na mão do utilizador. Dentro dos dispositivos de feedback de força é de notar que existe uma grande variedade de aparelhos, sendo a sua distinção feita pelo grau de complexidade. Um dos pontos que evidencia esta complexidade é o número de graus de liberdade disponíveis, quer para a navegação, quer para a geração de forças. Começando pelos mais simples, que possuem dois ou três graus de liberdade, surge um outro rato comercializado pela Logitech , o Logitech WingMan (Fig. 2. 3 ). A utilização deste rato permite que um utilizador sinta a interface gráfica do computador fornecendo um force feedback no plano x-y. Este feedback permita que que botões e itens do ambiente de trabalho sejam sentidos e inclusive que o redimensionamento de uma janela transmita uma sensação semelhante à de esticar um elástico [16]. Embora os dispositivos mencionados sejam inquestionavelmente úteis para melhorar a experiência de utilização, são limitados ao mundo 2D. Pelo contrário, os próximos dispositivos hápticos descritos evidenciam alguns exemplos que facilitam a interação com o mundo virtual a três dimensões. Figura 2. 3 - Logitech WingMan [16]
O primeiro exemplo trata-se do Geomagic Touch™ X (Fig. 2. 4 ) , comummente conhecido como Phantom OMNI e é produzido pela Geomatic [16]. Este dispositivo de 6 graus de liberdade é utilizado em diversas áreas desde o entretenimento, à arte, ao design e à medicina. A posição e orientação do elemento terminal é lida por intermédio de 6 encoders digitais. O feedback de força é assegurado por três motores elétricos que acionam as três juntas de base [18]. Outro tipo de dispositivo de múltiplos graus de liberdade são as luvas de feedback háptico. Tratam-se de dispositivos que revolucionaram a interface com os computadores, pois permitem tocar, sentir e manipular objetos num ambiente de realidade virtual. Um exemplo disso é a CyberTouch Glove (Fig. 2. 5 ), criado pela Virtual Tecnologies Inc [16]. É constituída por 6 atuadores, localizados nas costas de cada dedo e um na palma, que produzem impulsos e vibrações. Podem ser utilizados individualmente ou em conjunto para produzir diferentes padrões tácteis [1 9 ]. Figura 2. 4 - Geomagic Touchtm produzido pela Geomatic Figura 2. 5 - CyberTouch Glove, criado pela Virtual Tecnologies Inc [1 9 ]