SISTEMA DE CONTROLE DE PRESSAO PARA ESTUDO DA SAHOS 2019_FINAL

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SISTEMA DE CONTROLE DE PRESSÃO PARA SÍNDROME 
APNEIA/HIPOPNEIA OBSTRUTIVA DO SONO1 
 
Kheylle Inghridy Silva dos Santos2 
Graduanda em Engenharia de Controle e Automação 
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo 
 
Lucas Nascimento Martins Martines3 
Graduando em Engenharia de Controle e Automação 
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo 
 
Miguel Coicev Neto4 
Graduando em Engenharia de Controle e Automação 
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo 
 
Vitor Augusto de Souza5 
Graduando em Engenharia de Controle e Automação 
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo 
 
Alexandre Brincalepe Campo6 
Professor Pós-graduado em Engenharia de Controle e Automação 
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo 
 
Pedro Rodrigues Genta7 
Doutor do Laboratório do Sono, Serviço de Pneumologia 
Instituto do Coração (InCor) – Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina 
 
RESUMO 
Segundo pesquisas recentes, aproximadamente 3,94 milhões de pessoas sofrem da Síndrome da 
Apneia/Hipopneia Obstrutiva do Sono (SAHOS), sendo tão frequente quanto asma e hipertensão, 
com implicações sérias a saúde do indivíduo, fato por diversas vezes ignorado visto que pode se 
apresentar na forma de ronco. Estudos iniciados em 2008, buscam novas formas de realizar a 
 
1 Artigo resultante de Trabalho de Conclusão de Curso. Orientador Prof. Dr. Alexandre 
Brincalepe Campo 
2 Endereço eletrônico: khllnghrd@gmail.com 
3 Endereço eletrônico: senitram@gmail.com 
4 Endereço eletrônico: miguel.coicev@terra.com.br 
5 Endereço eletrônico: vitoraugustodsouza@gmail.com 
6 Endereço eletrônico: brincalepe@gmail.com 
7 Endereço eletrônico: prgenta@usp.br 
triagem destes pacientes de maneira mais eficiente para auxiliar no encaminhamento mais 
assertivo do paciente ao exame de polissonografia (PSG), visto que se trata de um procedimento 
oneroso e demorado. Utilizando como ponto de partida equipamentos já existentes no mercado 
para tratamento da SAHOS, como o Pressão Positiva Contínua na via Aérea (CPAP) e Pressão 
Positiva em vias Aéreas a Dois Níveis (BIPAP), este projeto visa o desenvolvimento de um 
protótipo viável para uso em pesquisas de análise e pré-identificação sintomáticas da SAHOS, 
que deve, não apenas fornecer uma pressão na ordem de até + e - 20 cmH2O, mas ser capaz de 
controlar simultaneamente dois níveis distintos de pressão com estabilidade aceitável e alternar 
entre eles, dada uma quantificação pré-determinada pelo operador, com a agravante de que 
enquanto uma estiver acoplada às vias respiratórias do paciente a outra deve estar disponível para 
livre controle de pre-set, para que se possa controlar a pressão no sistema de maneira robusta e 
precisa. 
Palavras-chave: Apneia. Hipopneia. SAHOS. 
 
Introdução 
 
Este capítulo está dividido em quatro seções. Na primeira seção, é delimitada a 
abrangência do problema proposto. Na segunda e terceira seções, são explicadas a 
justificativa e a motivação para a implementação do projeto, respectivamente. Na quarta 
seção, há uma explanação sobre os objetivos e metodologias utilizadas. 
 
Síndrome de Apneia/Hipopneia Obstrutiva do Sono 
 
A Síndrome de Apneia/Hipopneia Obstrutiva do Sono – SAHOS é a obstrução 
parcial ou total das vias aéreas superiores (VAS) durante o período de sono, afeta cerca 
de 32,8% da população de São Paulo, segundo a Sociedade Brasileira de Pneumologia e 
Tisiologia (SBPT). Apesar de ser uma doença tão comum quanto a asma, cerca de 95% 
dos pacientes não são adequadamente diagnosticados e tratados. Assim, desenvolvem-se 
estudos que objetivam propiciar um protótipo para que pesquisadores da área possam 
correlacionar o uso de pressão negativa ao diagnóstico de tais problemas. 
A SAHOS é comum entre os adultos e está associada a sintomas diurnos que 
interferem na qualidade de vida. Além disso, a SAHOS leva ao comprometimento de 
qualidade de vida do(a) parceiro(a) (PARISH; LYNG, 2003). Os sintomas mais comuns 
são ronco, sonolência excessiva diurna, cansaço, noctúria. Também pode causar 
progressão de aterosclerose, aumento da morbidade e mortalidade por doença 
cardiovascular, (MARIN et al., 2005; DRAGER et al., 2007). De fato, a prevalência da 
SAHOS aumento progressivamente nos adultos ao redor dos 65 anos. O crescimento da 
prevalência de obesidade nos últimos anos pode também contribuir para um aumento da 
prevalência da doença ao longo do tempo (GENTA, 2010). 
As principais aferições para o tratamento da SAHOS é o uso do CPAP 
(Continuous Positive Airway Pressure) e/ou BIPAP (Bilevel Positive Airway Pressure), 
sendo o primeiro ligado ao fornecimento contínuo de pressão positiva e o segundo a 
aferição positiva de dois níveis de pressão, (DE OLIVEIRA et al., 2011; 
MORGENTHALER et al., 2006) para expiração e inspiração. Contudo, ambos buscam 
permitir o fluxo de ar constante na via aérea do paciente. 
Estudos datados de 2008, buscam mostrar a eficiência da utilização da pressão 
negativa (PNE) no diagnóstico da SAHOS. Através da PNE aplicada durante a expiração, 
chega-se ao prognóstico através da aferição do aumento e diminuição no fluxo 
respiratório (OLIVEIRA et al., 2018). 
Este projeto busca dar continuidade ao assunto já desenvolvido por diversos 
estudantes e pesquisadores, inclusos os alunos Lucas Francisco Batista Borghi e Renata 
Cristina Amorim dos Santos, do curso de Engenharia de Controle e Automação do 
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), onde foi 
implementado um sistema de controle capaz de gerir duas bombas de ar, sendo pressão 
positiva e negativa, com o objetivo de verificar se a PNE é método confiável de detecção 
de SAHOS e a quantificação de pressão positiva exigida para o tratamento de cada 
indivíduo (BORGHI; SANTOS, 2016). 
A metodologia será desenvolvida com semelhante e proposta inclui o estudo dos 
motores utilizados em bombas de ar que propiciam quantificação da pressão da ordem de 
20 cmH2O e reposta rápida dado a troca de pressão demandada ao sistema; análise do 
comportamento em malha aberta (MA) da saída em função do tempo e controlado a partir 
de uma Raspberry Pi 3; identificação do sistema via MATLAB/SIMULINK; calibração 
do sistema de malha fechada (MF) através do estudo e aplicação de métodos de controle 
como Equação de Diferenças, PID Tunner, etc., em busca do que melhor atende o sistema; 
manipulação do PROTEUS para prototipagem final dos circuitos eletrônicos a serem 
desenvolvidos, interligando a Raspberry aos sensores e drivers brushless. 
Munidos com as proposições dadas, busca-se a continuidade no desenvolvimento 
de um protótipo que viabilize a contribuição técnica proveniente da engenharia no estudo 
do diagnóstico da síndrome de Apneia/Hipopneia Obstrutiva do Sono. 
 
Justificativa 
 
A realização do exame de polissonografia (PSG) utiliza sete tipos de exames 
complementares, demanda infraestrutura e equipamentos específicos, uma equipe 
especializada para o obtenção e análise dos dados obtidos e uma noite inteira de exame 
com prerrogativas especiais. Isso torna o exame custoso para os pacientes do sistema 
privado de saúde e cria uma fila de espera extensa para pacientes que dependem do 
sistema público de saúde (BARBOSA, 2010). 
Este projeto se propõe a intervir de forma positiva no disposto acima, reduzindo 
os custos demandados à pacientes que não possuem SAHOS, porém acabam por fazer o 
exame de polissonografia. O protótipo desse equipamento se apresenta como uma 
importante ferramenta de para análise médica que, além de possibilitar a prática e o 
avanço nessa linha de estudos, oferece condições para aplicar o dispositivo de estudo de 
diagnóstico às vias respiratórias do paciente com um sistema de controle de dois tipos de 
pressão: a negativa, paraverificar se uma detecção simplista do risco para SAHOS pode 
ser considerada confiável (DE OLIVEIRA, 2011); e a positiva, para ser possível tanto a 
titulação da pressão de tratamento necessária, quanto o tratamento com pressão contínua 
na via aérea superior (VAS) posteriormente. 
 
Motivação 
 
O protótipo que foi desenvolvido neste projeto é o início de um estudo auxiliar à 
PSG para tornar a detecção do risco para SAHOS mais simples de ser feita, com menor 
custo, além de economizar o tempo do indivíduo na espera por uma vaga quando houver 
médio ou alto risco para SAHOS (SLOBODA, 2011). Como nem todos os distúrbios 
respiratórios que incluem ronco (oclusão da VAS) estão relacionados à SAHOS, o pré-
teste com a pressão negativa filtrará indivíduos com pertinência às características da 
síndrome, assim, a etapa de detecção da SAHOS será para aqueles que obtiveram algum 
grau de risco no pré-teste. A parte de pressão positiva do dispositivo é utilizada tanto para 
a titulação de CPAP durante a PSG, quanto para o tratamento posterior. 
 
Objetivos 
 
O projeto visa desenvolver uma versão final do protótipo, tendo como base outros 
equipamentos desenvolvidos anteriormente, e tendo como objetivo a criação e 
implementação de um sistema de controle robusto de pressão positiva e negativa sendo 
capaz de detectar o nível de pressão em uma via de circulação de ar e ajustar seu fluxo de 
ar para um setpoint (referência) definido pelo operador durante a realização de exames de 
forma que os indivíduos usarão uma máscara nasal conectada a um pneumotacógrafo 
aquecido e um transdutor de pressão diferencial pra a medição do fluxo inspiratório. A 
pressão da máscara será medida continuamente e foi simultaneamente gravada em um 
canal separado do equipamento de polissonografia para o estadiamento do sono durante 
as quedas de pressão necessárias. O dispositivo de CPAP modificado capaz de gerar 
pressões positivas e negativas será conectado a máscara. 
 
Figura 1 – Representação do equipamento utilizado nos exames do InCor. 
 
Fonte: GENTA, 2010 
 
Após o início do sono, a pressão de CPAP será aumentada a fim de suprimir a 
limitação ao fluxo aéreo. Esse nível de pressão de CPAP foi usado como a pressão de 
manutenção de CPAP para cada paciente. Uma vez que pelo menos 2 minutos dos 
estágios 2 ou 3 tivessem sidos alcançados, a pressão de CPAP será reduzida em 1-2 
cmH2O durante a expiração, por cinco respirações como demonstrado na Figura 2. A 
pressão de CPAP será então retornada à pressão de manutenção por um minuto antes de 
ser reduzida em mais 1-2 cmH2O, por mais cinco respirações Figura 2. 
 
Figura 2 – Sequência reduções da pressão e fluxo da máscara para testes da SAHOS. 
 
 
Fonte: GENTA, 2010 
 
Este procedimento de queda da CPAP prosseguirá até que uma apneia obstrutiva 
seja identificada. Esse é o método aplicado no Laboratório do Sono no Instituto do 
Coração (InCor) (GENTA, 2010). Para tal, é necessário primeiramente utilizar uma 
bomba de modelo comercial utilizada em CPAP, robusta e que permita a posterior 
fabricação de mais produtos. 
Para que este protótipo possa auxiliar nos diagnósticos, tratamento e utilização da 
filtragem dos indivíduos com certo grau de risco para SAHOS, este deve ser capaz de ter 
sua calibração ajustada para corresponder a medição do restante dos equipamentos 
utilizados no exame, dado que a pressão final e o fluxo de ar utilizados para o diagnóstico 
são medidos externamente ao equipamento desenvolvido, junto aos outros dados 
pertinentes à PSG. 
 
Desenvolvimento 
 
Os textos apresentados a partir desta sessão visam introduzir o leitor às bases 
teóricas correlacionadas ao projeto desenvolvido do sistema gerador de pressão negativa 
e positiva para auxílio no diagnóstico de SAHOS, bem como apresentação da 
metodologia utilizada, os testes realizados e resultados obtidos até o presente momento, 
visando esclarecer os detalhes acerca do estado do protótipo. 
 
Materiais 
 
Bombas brushless STEADY - WM7040-24V; 
Conversor D/A MCP4725; 
Conversor analógico digital ADS1115; 
Conversores digital analógico MCP4725; 
Conversor de nível logico rc; 
Fonte chaveada estabilizada 12V-5A; 
Fonte de alimentação 12V-5A; 
Mangueiras conectoras; 
Máscara facial; 
Máscara nasal; 
Potenciômetros com knobs; 
Relé 12V-10A; 
Sensor de pressão MPXV7002DP; 
Válvulas de Comutação; 
Raspberry Pi 3; 
 
Descrição da utilização 
 
Nos testes realizados, a Raspberry Pi foi o hardware utilizado para comandar o 
acionamento da bomba e realizar a leitura do sensor de pressão. Através do conversor 
digital analógico (DAC), os drivers do motor recebem o sinal de controle a ser empregado 
no acionamento. Por meio de um conversor analógico digital (ADC) os potenciômetros e 
o sensor de pressão são analisados pela malha de controle, permitindo assim manter a 
pressão nos níveis estipulados e os relés realizam a comutação das válvulas que permitem 
selecionar a bombas de ar ativa no momento. Os potenciômetros definem o set point do 
sistema e a interface gráfica exibe os valores e controle obtidos na leitura do sensor. 
 
Figura 3 – Diagrama de blocos em relação a lógica e controle. 
 
 
Fonte: Autores 
O sistema de ar é composto por duas bombas, A e B, sendo que a bomba A gera a 
pressão positiva utilizada no exame, enquanto a bomba B gera a pressão negativa. Assim, 
a válvula permite selecionar a bomba ativa no momento, alternando assim entre pressão 
positiva e negativa, de acordo com a etapa do exame a ser realizada. Durante a realização 
do procedimento, a bomba ativa é ligada ao sensor de pressão e à máscara, fornecida pelo 
Laboratório do Sono para a realização dos testes. 
 
Figura 3 – Diagrama de blocos em relação a pneumática. 
 
Fonte: Autores 
 
Metodologia 
 
A partir dos resultados obtidos nos protótipos desenvolvidos anteriormente, que 
foram realizados em uma bomba construída pelo grupo, optou-se por buscar uma bomba 
própria para a aplicação de CPAP, de modelo comercial, garantido a robustez e a fácil 
manutenção do projeto. 
Assim, as características necessárias da bomba a ser utilizada no projeto são a 
capacidade de gerar e manter uma pressão negativa mínima de 30 cmH2O, dado que a 
operação do sistema utiliza pressões entre 10 e 20 cmH2O, bem como menor nível de 
ruído, a bomba utilizada no projeto anterior produzia um nível de ruído considerado 
incomodo ao paciente durante o exame. 
Após pesquisar diversos modelos comerciais existentes, optou-se pelo modelo 
WM7040-24V, da marca Steady, visto que foi desenvolvido para uso em dispositivos 
CPAP, possui pressão máxima de operação de 7.5kpa, aproximadamente 76 cmH2O, 
quando o fluxo de ar é 0 L/min, e cerca de 40 cmH2O com o fluxo de ar a 200L/min, de 
acordo com informações do fabricante. Devido a presença de respiros nas máscaras 
utilizadas no exame, a vazão de ar é uma variável fora de nosso controle, pois as interfaces 
(máscaras) utilizadas no exame são providenciadas pelo hospital, e possuem grande 
variedade de modelos. Deste modo, a capacidade de manter a pressão dentro da margem 
operacional em diversos níveis de fluxo de ar qualifica o modelo para ser utilizado no 
protótipo. O ponto fundamental na escolha encontra-se no acionamento por motor 
brushless que possuem maior longevidade, eficiência e menor nível de ruído, quando 
comparados aos motores escovados normalmente utilizados pela indústria. Ressalta-se 
que a eletrônica para acionamento do motor é vendida junto ao mesmo, o que garante 
maior robustez por não utilizar uma eletrônica de potência desenvolvida somente pelo 
grupo. 
Observados os requisitos e definido o modelo, foram realizados testes para 
verificar se a nova bomba é adequada a aplicação proposta, a partir do qual foi possível 
determinar que com as máscaras testadas, o sistema é capaz de manter a pressão gerada 
dentro dos níveis esperados.Por meio de um aplicativo de celular com função de decibelímetro, foi possível 
observar que ambas as novas bombas produzem um nível de ruído similar as anteriores, 
quando a vazão é máxima, porém devido a suas dimensões reduzidas a aplicação de 
isolamento acústico possui melhor viabilidade. 
Em seguida, foi desenvolvido na Raspberry Pi um software em python capaz de 
realizar o acionamento da bomba em malha aberta, e um sistema de data logging para 
armazenar dados referentes ao comportamento em malha aberta, do sistema, e a partir da 
análise destes resultados, foi realizado o ajuste do controlador PID para controle das 
bombas. 
Assim, controladas ambas as bombas em paralelo, foi desenvolvida uma interface 
gráfica para o sistema, de modo a exibir os ajustes e leituras dos sensores, bem como 
exibir um cronômetro da atual etapa da operação. Quando a bomba A estiver sendo 
utilizada, ela permanecerá ativa continuamente entre 1 e 2 minutos, e quando a bomba B 
for ativada, esta permanecerá assim durante 5 ciclos respiratórios, um tempo que varia 
entre diferentes pacientes. Assim, quando a bomba A é novamente ativa, o timer volta ao 
valor inicial para facilitar a contagem do tempo até a próxima comutação. 
Devido ao momento propicio para comutação não seguir um padrão observável 
entre diferentes pacientes, esta deve ser comandada apenas pelo médico que realiza o 
exame, de tal forma que este possa voltar a pressão de manutenção para evitar um 
despertar do paciente durante um exame. Tais comutações tem por objetivo forçar o 
paciente a um episódio de apneia controlada, para que possa ser determinada a gravidade 
da síndrome em cada paciente. 
Por fim, a montagem final utilizada foi acomodada em uma estrutura de maneira 
a possibilitar seu fácil transporte e manuseio, bem como ter seu nível de ruído diminuído 
por isolamento acústico. 
A bomba brushless é a menor bomba dentre as testadas, de modo que a aplicação 
de um sistema de isolamento acústico mais eficiente pode ser utilizada sem que haja 
necessidade de aumentar as dimensões do protótipo. 
 
Resultados e discussões 
 
Após serem concluídos os testes iniciais utilizando as bombas de modelo 
comercial, constatou-se que estas são capazes de suprir bem a necessidade do sistema 
quanto a robustez e pressão, o que permitiu desenvolver uma malha de controle mais 
eficiente, pois foi identificado que as bombas em pressão positiva e pressão negativa 
possuíam comportamentos diferentes, o que exigiu um ajuste do controlador para cada 
modo de operação. 
Função de transferência de pressão positiva: 
1.271
𝑠2 + 19.77𝑠 + 231.6
 
Função de transferência de pressão negativa: 
0.5782
𝑠 + 191.5
 
 O sensor utilizado mostrou-se como um ponto de melhoria com relação aos 
trabalhos anteriores, contudo ainda há problemas de resolução que precisaram ser tratados 
através do princípio matemático da média móvel, conforme é possível analisar na figura 
4, a menor variação na entrada resulta em pequenas variações percebidas pelo sensor. 
 
 
 
 
Figura 4 - Gráfico da saída no tempo em MA 
 
Ao melhorar a robustez dos atuadores, notou-se também as limitações no 
hardware de processamento e controle, que devido a sua capacidade de operação impôs 
limites ao quanto a velocidade da resposta do sistema em malha fechada poderia ser 
aprimorada. 
O desenvolvimento da malha fechada, considerando o sistema SISO, foi efetuado 
a partir de uma análise matemática resultante dos dados obtidos, de modo que foi possível 
simular o comportamento do sistema e sintonizar seu controlador. 
O controlador foi aplicado ao modelo real para validar o funcionamento, onde foi 
possível verificar que o comportamento do sistema age dentro dos parâmetros 
requisitados durante a comutação das bombas, mesmo perante as limitações de 
processamento, como pode ser observado na figura 5, e apesar de apresentar muitos 
sobressinais, é possível observar que o controle é capaz de realizar o procedimento 
exemplificado na figura 2, necessitando apenas uma melhora na sintonia do sistema. 
Figura 5 - Gráfico da pressão em cmH2O no tempo em MF 
 
 
Deste modo, a montagem final do protótipo pode ser realizada de maneira 
consistente e segura ao objetivo, tornando-o um equipamento propicio a receber 
melhorias futuras em termos de tempo de resposta e ajustes de controlador. 
 
Conclusão 
 
Partindo da necessidade inicial que motivou o projeto, verificamos que o protótipo 
desenvolvido é capaz de suprir a pesquisa médica para ao qual foi concebido, pois 
consegue operar de acordo com os parâmetros estipulados pela equipe médica que o 
solicitou. 
Ao utilizar os problemas presentes nos protótipos anteriores como ponto de 
partida para novas soluções, uma linha de ação mais objetiva foi obtida, permitindo 
resultados mais próximos do esperado em um tempo menor, de modo que o protótipo 
final poderá possuir aplicabilidade prática se aprovado por um comitê de ética e pela 
equipe médica responsável. 
Por utilizar equipamentos próprios para o uso em CPAPs, o protótipo final é 
menor, mais leve e mais robusto, podendo ser transportado conforme necessário de 
maneira segura, sem risco de que peças internas se soltem. 
Assim, as melhorias aplicadas possibilitam ao grupo alcançar os objetivos 
propostos, de modo que o protótipo final possa ser replicado para atender a demanda das 
pesquisas que estão sendo desenvolvidas e as solicitações iniciais do InCor, abrindo 
caminho para que outros possam aprimorar ainda mais a robustez do controle e de 
hardware aproximando o protótipo viabilizado por este grupo chegar mais próximo a um 
equipamento de escala industrial. 
 
 
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PRESSURE CONTROL SYSTEM FOR OBSTRUCTIVE SLEEP 
APNEA/HYPOPNEA SYNDROME STUDY AND DIAGNOSTIC 
 
ABSTRACT 
Approximately 3.94 million people suffer from obstructive sleep apnea / hypopnea syndrome 
(OSAHS), being a syndrome as frequent as asthma, with serious implications for the health of the 
individual and several times ignored given that it presents in the form of snoring. Recent studies 
in 2008 already seek new training in screening these patients more efficiently, since 
polysomnography is costly and time consuming, using as a principle equipment for treatment 
already in the market, such as Continuous Positive Airway Pressure (CPAP) and BI-level Positive 
Airway Pressure (BIPAP), this study aims at the construction of an equipment for the study, 
titration, treatment and identification of the risk determining parameters of OSAHS, in this way 
the equipment applies a pressure in the order of 20 cmH2O, the development of viable equipment 
capable of controlling and switching between positive and controlled airway and maintain it 
through operator-imposed quantification so that the system can control disturbances in the system 
in a robust and accurate manner. 
Keywords: Apnea. Hypopnea. OSAHS.