Marcos Benedetti

Autor: Bruno Benedetti

Introdução

A monitorização dos batimentos cardíacos é essencial para a avaliação da saúde cardiovascular. A frequência cardíaca (FC) fornece informações valiosas sobre o funcionamento do coração e é um indicador crítico em diversas situações clínicas. Este artigo explora os princípios do sinal de batimentos cardíacos, a frequência cardíaca, e como esses sinais podem ser adquiridos usando um fotodiodo.

Sinal de Batimentos Cardíacos

O sinal de batimentos cardíacos refere-se à série de pulsos gerados pela contração e relaxamento do coração. Este sinal pode ser detectado em várias partes do corpo onde há um fluxo sanguíneo pulsante, como o pulso ou o dedo. Cada pulso corresponde a um batimento cardíaco, que consiste em uma sequência de eventos elétricos e mecânicos no coração.

Frequência Cardíaca

A frequência cardíaca (FC) é a medida do número de batimentos do coração por minuto (bpm). A FC em repouso para adultos saudáveis geralmente varia entre 60 e 100 bpm. No entanto, pode variar com a idade, nível de condicionamento físico e estado emocional.

A FC pode ser dividida em diferentes zonas para fins de exercício:

• Zona de aquecimento: 50-60% da FC máxima
• Zona de queima de gordura: 60-70% da FC máxima
• Zona cardiovascular: 70-80% da FC máxima
• Zona de desempenho máximo: 80-90% da FC máxima

A FC máxima pode ser estimada pela fórmula: FC máxima=220−idade

Aquisição de Sinais Cardíacos com Fotodiodo

Princípio de Funcionamento

O método de fotopletismografia (PPG) é uma técnica não invasiva para medir a variação do volume de sangue. A PPG utiliza um fotodiodo e uma fonte de luz (geralmente um LED) para detectar alterações no volume sanguíneo no tecido. Quando o coração bate, o volume de sangue nos vasos sanguíneos periféricos aumenta e diminui, causando variações na quantidade de luz absorvida pelo tecido.

A faixa de freqüência a ser considerada para a aquisição do eletrocardiograma depende da aplicação pretendida. Na Figura 1 são mostradas três bandas utilizadas para diferentes aplicações. Para eletrocardiografia clínica é utilizada a banda de 0,05 Hz até 100 Hz. Para eletrocardiografia de monitoração, seleciona-se a banda de 0,5 Hz até 50 Hz. Um filtro passa-banda centrado em 17 Hz, é utilizado quando se deseja somente detectar o complexo QRS para fins de medição da freqüência cardíaca (e.g., nos cardiotacômetros) (TOMPKINS, 1995).

Componentes do Sistema PPG

1. Fonte de Luz (LED): Emite luz (geralmente vermelha ou infravermelha) que penetra na pele e no tecido subjacente.
2. Fotodiodo: Detecta a luz refletida(Figura 3) ou transmitida(Figura 4) pelo tecido. A intensidade da luz detectada varia conforme o volume de sangue.
3. Circuito de Condicionamento de Sinal: Amplifica e filtra o sinal recebido do fotodiodo para remover ruídos e melhorar a precisão.
4. Microcontrolador: Processa o sinal amplificado e calcula a frequência cardíaca.

Processo de Aquisição

1. Iluminação do Tecido: O LED emite luz que penetra na pele e é parcialmente absorvida pelo sangue.
2. Detecção pelo Fotodiodo: O fotodiodo detecta a luz refletida pelo tecido. A intensidade da luz varia com o volume de sangue, que oscila com cada batimento cardíaco.
3. Conversão e Processamento: O sinal analógico do fotodiodo é amplificado e filtrado para remover ruídos e artefatos. Em seguida, é convertido para um sinal digital pelo microcontrolador.
4. Cálculo da Frequência Cardíaca: O microcontrolador processa o sinal digital para identificar picos correspondentes aos batimentos cardíacos e calcula a frequência cardíaca.

Vantagens do Uso de Fotodiodo

• Não Invasivo: A PPG não requer penetração na pele, tornando-a confortável e segura para o paciente.
• Portátil: Sensores PPG são pequenos e podem ser incorporados em dispositivos portáteis como smartwatches e monitores de fitness.
• Custo-Efetivo: Os componentes básicos são relativamente baratos, facilitando a produção em massa.

Desafios e Considerações

• Movimento do Paciente: Movimentos corporais podem introduzir ruídos no sinal PPG.
• Condições de Iluminação: Variações na luz ambiente podem afetar a precisão da medição.
• Contato da Pele: A qualidade do contato entre o sensor e a pele influencia a qualidade do sinal.

Aplicações

Monitoramento da Saúde

Dispositivos PPG são amplamente utilizados em monitores de saúde para medir a frequência cardíaca, saturação de oxigênio no sangue (SpO2), e variabilidade da frequência cardíaca (HRV).

Esportes e Fitness

Monitores de atividade física utilizam sensores PPG para fornecer feedback em tempo real sobre a frequência cardíaca, ajudando os usuários a otimizar seus regimes de treino.

Diagnóstico Médico

Sensores PPG podem ser usados em contextos clínicos para monitorar pacientes com condições cardíacas, detectar arritmias e avaliar a saúde vascular.

Conclusão

A aquisição de sinais de batimentos cardíacos com fotodiodo, utilizando a técnica de fotopletismografia, é uma abordagem eficaz e não invasiva para monitorar a frequência cardíaca. Com a crescente demanda por dispositivos portáteis de monitoramento de saúde, a PPG oferece uma solução viável e econômica. No entanto, é importante considerar os desafios associados, como ruídos de movimento e variações nas condições de iluminação, para garantir medições precisas e confiáveis.

Protótipo