Sistema de Medição Não-Invasivo para Glicose

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UNIVERSIDADE DO OESTE DE SANTA CATARINA
EDUARDA ISSLER BARBIERI
SISTEMA DE MEDIÇÃO NÃO-INVASIVO PARA MONITORIZAÇÃO DA
CONCENTRAÇÃO DE GLICOSE NO SANGUE ARTERIAL
Joaçaba
2017
EDUARDA ISSLER BARBIERI
SISTEMA DE MEDIÇÃO NÃO-INVASIVO PARA MONITORIZAÇÃO DA
CONCENTRAÇÃO DE GLICOSE NO SANGUE ARTERIAL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao Curso de Engenharia de Computação, Área
de Ciências Exatas e Tecnológicas da Universi-
dade do Oeste de Santa Catarina como requisito
à obtenção do grau de bacharel em Engenharia
de Computação.
Orientador: Dr. Geovani Rodrigo Scolaro
Joaçaba
2017
AGRADECIMENTOS
Ao professor Geovani Rodrigo Scolaro, por seus ensinamentos, pela paciência na ori-
entação e confiança, agradeço também aos meus professores(as) que com suas instruções me
ajudaram a crescer de forma pessoal e profissional.
Aos meus pais, irmãs e a toda minha família que, com muito carinho e apoio, não medi-
ram esforços para que eu chegasse até esta etapa de minha vida.
Aos amigos e colegas, pelo incentivo e apoio constantes.
Ao meu namorado Diego, pelo carinho, paciência, auxílio e por sua capacidade de me
trazer paz na correria de cada semestre.
Ao curso de Engenharia de Computação, e às pessoas com quem convivi nesses espaços
ao longo desses anos.
If you can dream it, you can do it.
(Walt Disney)
RESUMO
Uma prática constante para pacientes diabéticos é o automonitoramento da concentração de
glicose no sangue através da utilização de glicosímetros. Tal técnica, é invasiva e muitas vezes
dolorosa, mas indispensável para o controle da variação do nível de glicemia e fundamental
para a gestão do diabetes. Neste contexto, a presente pesquisa tem por objetivo projetar um
sistema que seja capaz de monitorar a concentração de glicose no sangue arterial, por meio de
um método não-invasivo sem causar desconforto ao usuário. A escolha da técnica adotada para
o desenvolvimento do sistema de medição glicêmico foi a fotopletismografia (PPG). O dispo-
sitivo desenvolvido é composto por uma fonte e um detector sensitivo de luz, sendo a fonte
de luz um diodo e o detector um sensor óptico, permitindo medir a intensidade luminosa que
atravessa o tecido epitelial. Posteriormente, para que seja possível o correto condicionamento,
o sinal coletado é submetido a filtros ativos e um amplificador de instrumentação, preparando-o
para a digitalização por meio de um dispositivo microcontrolado responsável por possibilitar
a conversão deste sinal para um valor glicêmico legível. O valor então, é enviando via blueto-
oth para um celular, onde um aplicativo armazena a informação juntamente com a data e hora
para um controle adequado dos níveis glicêmicos por parte do paciente. O dispositivo apresen-
tou um resultado satisfatório para a medida glicêmica, apresentando desvios de 10 a 20% de
exatidão. Deste modo, com os testes realizados neste trabalho, conclui-se que o sistema proje-
tado apresentou eficácia no funcionamento, demonstrando que é possível tornar o processo de
monitorização da concentração de glicose no sangue arterial não-invasivo, indolor e de baixo
custo.
Palavras-chave: Fotopletismografia. Condicionamento. Filtros. Amplificador. Glicemia.
ABSTRACT
The constant practice for patients with diabetes and self-monitoring of the concentration of
Glucose in the blood through the use of glymeters. Such technique is invasive and often painful,
but indispensable for the control of the variation of the glycemia level and fundamental for
diabetes management. In this context, a research present for the purpose of designing a control
of an arterial blood glucose concentration by means of a non-invasive method without causing
discomfort to the user. The choice of technique adopted for the development of the glycemic
medication system for a photoplethysmography (PPG). The device developed is composed of
a source and a sensitive light detector, being a source of light a diode and the detector an
optical sensor, allowing to measure the luminous intensity that it crosses the epithelial tissue.
Subsequently, in order for correct conditioning to be possible, the signal collected and subjected
to active filters and instrumentation amplifier, preparing it for the by means of a microcontrolled
device responsible for of this signal to a readable value. The value then, is sending via bluetooth
to a cell phone, Where an application stores information please with a given time and date for
proper control of glycemic levels by the patient. The device presented a satisfactory result for
the glycemic measurement, presenting deviations of 10 to 20% of accuracy. Thus, with tested
tests, it is not a system, but it is not a system, but it is not a system, but it is not a non-invasive,
painless, low-cost blood glucose monitoring process.
Key-words: Photoplethysmography. Conditioning. Filters. Amplifier. Glycemia.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Fisiologia da glicose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Figura 2 – Complicações a longo prazo do diabetes mellitus . . . . . . . . . . . . . . . 22
Figura 3 – Diagrama de blocos do sistema Oxímetro de pulso . . . . . . . . . . . . . . 26
Figura 4 – Placa de aquisição com sensor de dedo conectado . . . . . . . . . . . . . . 26
Figura 5 – Funcionamento básico do glicosímetro de pulso . . . . . . . . . . . . . . . 27
Figura 6 – Dispositivo CNOGA Tensortip Combo de glicômetro (CoG) . . . . . . . . 28
Figura 7 – Dispositivo FreeStyle R○ Libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Figura 8 – (a) Com menor concentração de glicose; (b) Com maior concentração de
glicose no sangue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 9 – Modos de obter sinal PPG: (a) Refletância; (b) Transmitância . . . . . . . . 31
Figura 10 – Padrões da curva fotopletismográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 11 – Pinagem Amplificador Operacional 𝜇A741 e LF 351 . . . . . . . . . . . . 32
Figura 12 – (a) Amplificador de instrumentação com uma resistência externa para ajustar
o ganho; (b) Diagrama esquemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figura 13 – Simbologia usual filtro passa-baixas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Figura 14 – Simbologia usual filtro passa-altas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Figura 15 – Simbologia usual filtro passa-faixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Figura 16 – Simbologia usual filtro rejeita-faixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Figura 17 – Filtro Passivo - (a) Curva ideal; (b) Curvas reais . . . . . . . . . . . . . . . 35
Figura 18 – Exemplo de circuito de um filtro passivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Figura 19 – Exemplo de circuito de um filtro ativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Figura 20 – Encapsulamentos do PIC16F877A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Figura 21 – Pinagem PIC16F877A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Figura 22 – Diagrama de blocos da arquitetura do PIC16F877A . . . . . . . . . . . . . 40
Figura 23 – App Inventor: Janela Designer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figura 24 – App Inventor: Janela Blocks Editor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figura 25 – Diagrama de blocos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Figura 26 – Diagrama de processos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Figura 27 – Diagrama de requisitos sistema embarcado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figura 28 – Estrutura básica do sensor transmissivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Figura 29 – Esquemático do circuito do sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Figura 30 – Circuito do sensor na matriz de contatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura 31 – (a) Sensor (b) Estrutura final do sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura 32 – Esquemático do circuito do condicionamento do sinal. . . . . . . . . . . . 50
Figura 33 – Circuito do condicionamento do sinal na placa . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Figura 34 – Esquemático do circuito do amplificador do sinal . . . . . . . . . . . . . . 51
Figura 35 – Circuito do amplificador do sinal na matriz de contatos . . . . . . . . . . . 52
Figura 36 – Circuito do amplificador do sinal na placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Figura 37 – Circuito de conversão analógico/digital na placa . . . . . . . . . . . . . . . 53
Figura 38 – Esquemático do circuito de conversão analógico/digital . . . . . . . . . . . 54
Figura 39 – Fonte Simétrica para o módulo de condicionamento . . . . . . . . . . . . . 56
Figura 40 – Fonte e Esquemático da Fonte Reguladora de Tensão . . . . . . . . . . . . 56
Figura 41 – Esquemático do circuito do sistema de monitorização glicêmica . . . . . . . 57
Figura 42 – Hardware do sistema de medição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Figura 43 – Diagrama de requisitos do aplicativo móvel . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Figura 44 – Tela inicial aplicativo móvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Figura 45 – Tela de leitura glicêmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Figura 46 – Tela de histórico glicêmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Figura 47 – Placa de circuito impresso por processo térmico . . . . . . . . . . . . . . . 63
Figura 48 – Leitura do sinal do sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Figura 49 – Resultado dos testes do filtro passa-baixas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Figura 50 – Resultado dos testes do filtro passa-altas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Figura 51 – Resultado do teste do amplificador com resistor de 5.6kΩ . . . . . . . . . . 66
Figura 52 – Resultado do teste do amplificador com resistor de 12kΩ . . . . . . . . . . 66
Figura 53 – Resultado do teste dos sinais analógicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Figura 54 – Resultado do este de conversão A/D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Figura 55 – Sistema de medição não-invasivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Figura 56 – Monitor de glicemia pessoal G-Tech Free . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Figura 57 – Medição em jejum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Figura 58 – Medição pós refeição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Figura 59 – Medição pós consumo açúcares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Figura 60 – Medição em jejum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Figura 61 – Medição pós refeição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Figura 62 – Medição pós consumo açúcares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Cronograma de atividades TCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Tabela 2 – Recursos de hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Tabela 3 – Recursos de software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Tabela 4 – Dados coletados do voluntário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A/D Analógico/Digital
ampop Amplificadores Operacionais
CAD Cetoacidose Diabética
CCP Capture/Compare/PWM
CI Circuito integrado
CPU Unidade de Processamento Lógico
DM Diabetes Mellitus
DM1 Diabetes Mellitus Tipo 1
DM2 Diabetes Mellitus Tipo 2
DMID Diabetes Mellitus Insulinodependente
DMNID Diabetes Mellitus não Insulinodependente
EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory
EHH Estado Hiperglicêmico Hiperosmolar
Hz Hertz
I/O Input Output
IA Amplificador de Instrumentação
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IR Infravermelho
LC Indutor Capacitor
LED Light Emitting Diode
mg/dL Miligrama por Decilitro
MIPS Microprocessor Interlocked Pipeline Stages
MIT Massachusetts Institute of Technology
MS Ministério da Saúde
nm Nanômetro
OMS Organização Mundial da Saúde
OPA Oximetria de Pulso Arterial
PA Passa-Altas
PB Passa-Baixas
PF Passa-Faixa
PIC Programmable Intelligent Computer
PPG Fotopletismografia
PWM Pulse-Width Modulation
RAM Random Access Memory
RC Resistor Capacitor
RF Rejeita-Faixa
RISC Reduced Instruction Set Computer
ROM Read-only memory
SBD Sociedade Brasileira de Diabetes
SPI Serial Peripheral Interface
SpO2 Saturação de hemoglobina com oxigênio medida pelo oxímetro de pulso
TCC Trabalho de Conclusão de Curso
USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter
USB Universal Serial Bus
V Volts
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1 APRESENTAÇÃO DO TEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 JUSTIFICATIVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 DIABETES MELLITUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.1 Tipos de Diabetes Mellitus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1.1 Diabetes Mellitus tipo 1 - DM1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1.2 Diabetes Mellitus tipo 2 - DM2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.1.3 Diabetes Mellitus Gestacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.2 Complicações do Diabetes Mellitus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.3 Estatísticas do Diabetes Mellitus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.4 Verificação da glicose sanguínea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 TIPOS DE INSTRUMENTOS PARA MEDIÇÃO DE GLICOSE . . . . . . 24
2.2.1 Exame laboratorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 Exame de ponta de dedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.3 Sensores contínuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 TRABALHOS CORRELATADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 Oxímetro de pulso com transmissão de sinal sem fios . . . . . . . . . . . 25
2.3.2 Glicosímetro de pulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 PESQUISAS RELACIONADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.1 CNOGA Tensortip Combo de glicômetro (CoG) . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.2 FreeStyle R○ Libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1 FOTOPLETISMOGRAFIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 AMPLIFICADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 FILTROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 Filtros passivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2 Filtros ativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 MICROCONTROLADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.1 Microcontroladores PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5 CONVERSÃO A/D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6 LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.6.1 Linguagem C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.7 INTERFACE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.7.1 O ambiente App Inventor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 44
4.1 MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.1 Visão geral do sistema computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.2 Visão geral do sistema embarcado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.3 Aquisição do sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.4 Condicionamento e amplificação do sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.4.1 Filtros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.4.2 Amplificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.5 Conversão analógica/digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.6 Conversão do sinal para uma medida glicêmica . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.7 Comunicação software/hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.8 Fonte de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.9 Estrutura final do Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.10 Aplicativo móvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2 CRONOGRAMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3 RECURSOS E ORÇAMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.1 Recursos de hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.2 Recursos de software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1 TESTES INDIVIDUAIS DE AQUISIÇÃO, CONDICIONAMENTO E AM-
PLIFICAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2 TESTE DO HARDWARE PARA AQUISIÇÃO DE SINAIS DE FOTOPLE-
TISMOGRAFIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3 TESTE DE CONVERSÃO A/D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.4 AVALIAÇÃO DO FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE GLICEMIA . . 68
6 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
15
1 INTRODUÇÃO
A busca por uma melhor qualidade de vida para portadores do diabetes mellitus, tem
demandado pesquisas nas áreas da saúde e engenharia para desenvolver tecnologias que utilizem
métodos não-invasivos para a medição de concentração da glicose no sangue de forma rápida e
indolor. Pessoas que sofrem de diabetes precisam automonitorar a concentração de glicose no
sangue constantemente, a técnica mais utilizada é a coleta de sangue de capilares sanguíneos
geralmente do dedo, através da perfuração cutânea por uma lanceta e a medição é realizada em
aparelhos próprios para esse fim. Este tipo de ferramenta vem ganhando espaço no mercado,
mas ainda apresenta limitações, tais como o método invasivo, que devido à frequência que deve
ser realizado acaba sendo doloroso, bem como, o custo elevado, mas é indispensável para o
controle do nível de glicemia e fundamental para a gestão do diabetes. Devido a estes fatores
buscaram-se soluções e técnicas para tornar esse processo mais confortável.
Ante o exposto, o presente trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema para a
monitorização da concentração de glicose no sangue arterial de baixo custo, adotando a técnica
da fotopletismografia (PPG). O sistema proposto pretende utilizar um método não-invasivo,
sendo possível realizar as medições necessárias sem causar dor ou desconforto ao usuário.
1.1 APRESENTAÇÃO DO TEMA
Devido à globalização o número de pessoas com diabetes mellitus tem crescido de forma
exponencial, a má alimentação e sedentarismo são os dois grandes fatores que levaram a evolu-
ção significativa desta doença (OMS, 2016).
Desenvolver um sistema não invasivo capaz de realizar a monitorização em tempo real
da concentração de glicose no sangue arterial em pessoas que possuem diabetes mellitus, pode
tornar este processo confortável e indolor, sendo possível melhorar a qualidade de vida destas
pessoas.
1.2 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA
Segundo a Organização Mundial da Saúde (OMS, 2016) estima-se que o número de
pessoas vivendo com Diabetes Mellitus quadruplicou nos últimos 24 anos, chegando a 422
milhões de adultos no mundo (aproximadamente 8,5% da população) vivendo com diabetes em
2014. Em 1980, havia 108 milhões (4,7%). Para prevenir mortes e complicações, é necessário
16
que os portadores da doença promovam uma dieta saudável acompanhada de atividades físicas
e autocuidado. Deste modo, o automonitoramento se torna importante, verificando os níveis de
glicemia diariamente pode-se evitar possíveis complicações e realizar o tratamento de forma
precoce.
1.3 JUSTIFICATIVA
Com o intuito de melhorar a qualidade de vida dos portadores do Diabetes, a técnica
da fotopletismografia têm sido utilizada, pois permite mensurar a concentração de glicose no
sangue de modo não-invasivo. Segundo a literatura é o modo que apresentou melhor desempe-
nho, chegando a valores extremamente próximos aos reais ao realizar a medição da glicemia
(CASTRO-JÚNIOR, 2010).
O Diabetes Mellitus pode gerar complicações agudas como cetoacidose, hipoglicemia e
hiperglicemia. Podendo gerar também complicações crônicas, microvasculares e macrovascu-
lares. Com o automonitoramento e gerenciamento adequado da taxa de glicemia do paciente é
possível reduzir drasticamente o risco de desenvolver qualquer tipo de complicação (BARONE
et al., 2007).
O principal motivo que levou o desenvolvimento deste trabalho é a forma invasiva e
desconfortável da medição realizada diariamente para controle da glicemia de pacientes diabé-
ticos, ainda mais quando se tratando de crianças. Utilizando a tecnologia e pesquisas realizadas
na literatura é possível tornar o processo não-invasivo e confortável.
1.4 OBJETIVOS
Nesta seção serão destacados os objetivos que devem ser alcançados ao final deste tra-
balho.
1.4.1 Objetivo Geral
Desenvolver uma solução de baixo custo para o desenvolvimento de um sistema de me-
dição não-invasivo para a monitorização da concentração de glicose no sangue arterial adotando
a técnica da fotopletismografia para determinar o volume sanguíneo através da absorção ou re-
flexão da luz.
17
1.4.2 Objetivos Específicos
Com o desenvolvimento do trabalho espera-se contribuir da seguinte forma:
∙ Implementar o módulo de conversão analógico/digital.
∙ Implementar a comunicação software/hardware.
∙ Desenvolver um aplicativo para manter histórico das medidas.
∙ Desenvolver a lógica de conversão do sinal digital em um valor glicêmico.
∙ Efetuar testes finais do projeto.
18
2 DIABETES MELLITUS
Na presente seção será apresentada a revisão bibliográfica sobre o Diabetes Mellitus,
doença que torna necessária a monitorização da concentração de glicose no sangue arterial.
2.1 INTRODUÇÃO
De acordo com a Sociedade Brasileira de Diabetes (SBD, 2016), em 2016 no Brasil,
existem mais de 13 milhões de pessoas vivendo com diabetes, o que apresenta 6,9% da po-
pulação e esse número vem crescendo, pois em alguns casos, o diagnóstico ocorre de forma
tardia favorecendo o aparecimento de complicações. O Diabetes Mellitus é uma doença crônica
provocada pela deficiência de produção e/ou secreção de insulina pelo corpo humano o que
interfere diretamente no controle de glicose no sangue (LUCENA, 2007).
Localizadas no pâncreas, as ilhotas de Langerhans contém células conhecidas como
beta, elas são responsáveis por produzir insulina, hormônio regulador da quantidade de glicose
no sangue (GUYTON; HALL, 2002).
Figura 1 – Fisiologia da glicose
Fonte: (MIGUEL-JUNIOR, 2008).
19
A glicose penetra nas células graças a ação da insulina. No diabetes há falta de
insulina, portanto a glicose não penetra nas células permanecendo na circula-
ção. O nível normal de açúcar no sangue é de 70 a 110 mg/dL. Acima de 110
e até 126mg/dL fala-se em intolerância à glicose e após 126mg/dL, Diabetes
Mellitus (MIGUEL-JUNIOR,2008).
"O diabetes está associado ao aumento da mortalidade e ao alto risco do desenvolvimento de
complicações[...], sendo responsável por gastos excessivos em saúde e substancial redução da
capacidade de trabalho e da expectativa de vida."(BATISTA et al., 2005, p. 220).
2.1.1 Tipos de Diabetes Mellitus
Segundo a Organização Mundial da Saúde (OMS, 2016), existem basicamente três tipos
de diabetes, sendo eles:
∙ Diabetes mellitus tipo 1 (DM1) o sistema imunológico ataca equivocadamente as cé-
lulas beta, fazendo com que pouca ou nenhuma insulina seja liberada para o corpo, cau-
sando a dependência do portador da doença a insulina. O DM1 é mais frequente em
crianças e jovens.
∙ Diabetes mellitus tipo 2 (DM2) surge quando o organismo não consegue usar adequa-
damente insulina que produz ou pela produção insuficiente. Normalmente afeta, adultos
maiores de 40 anos e obesos.
∙ Diabetes gestacional ocorre devido às mudanças hormonais decorrentes da gravidez.
Quando o feto está em desenvolvimento há grandes alterações hormonais, fazendo com
que o corpo fique resistente aos efeitos da insulina.
2.1.1.1 Diabetes Mellitus tipo 1 - DM1
Normalmente ocorre na infância e adolescência, mas pode ser diagnosticada em adultos
também. Causa destruição auto-imune das células beta localizadas nas ilhotas de Langerhans,
levando o corpo do indivíduo há não produzir insulina ou produz, mas em quantidades insu-
ficientes, consequentemente levando ao aumento do nível de glicose no sangue (SMELTZER;
BARE, 2002).
A etiologia do DM1 ainda não está bem definida, mas acredita-se que esteja relacionada
ao seu desenvolvimento, a predisposição genética ou em fatores ambientais como, infecções
virais, nutrição na infância ou no início da vida adulta. Qualquer que seja a causa, no DM1
20
mais de 90% das células produtoras de insulina são destruídas de modo permanente (GUYTON;
HALL, 2002).
A DM1 ataca de forma rápida, caracterizando-se pelos principais sintomas:
∙ Fome e sede excessiva;
∙ Náusea ou vômito;
∙ Micção excessiva;
∙ Perda de peso;
∙ Visão embaçada.
Os portadores da doença devem realizar a automonitorização dos valores de glicemia,
recebendo doses de insulina, quando necessário, para manter o nível de glicose regulada, além
de um programa alimentar e atividades físicas para poder levar uma vida saudável, evitando
complicações (GUYTON; HALL, 2002).
2.1.1.2 Diabetes Mellitus tipo 2 - DM2
No DM2 a insulina é produzida continuamente, porém há redução da sensibilidade do
corpo humano ao efeito da insulina, essa sensibilidade é descrita como resistência a insulina
(COTRAN; COLLINS; KUMAR, 2000).
O DM2 só pode ser detectado através de exames laboratórias, o diagnóstico normal-
mente vem de forma tardia, pois os sintomas se apresentam de forma leve ou ausentes. Embora
não se saiba o que de fato causa o DM2, acredita-se que neste caso o fator hereditário é maior
do que no tipo 1, existindo também uma conexão com a obesidade (COTRAN; COLLINS; KU-
MAR, 2000). Segundo a (SBD, 2016), (Sociedade Brasileira de Diabetes), a DM2 normalmente
é diagnosticada em pessoas com mais de 40 anos e 60 a 90% dos pacientes também apresentam
obesidade.
Ainda segundo (COTRAN; COLLINS; KUMAR, 2000), assim como na DM1, a DM2
responde bem ao tratamento com programa alimentar e atividades físicas regulares. O automo-
nitoramento é indicado para controle dos níveis de glicemia, para verificar se é necessária a
utilização de hipoglicemiantes orais ou insulina.
2.1.1.3 Diabetes Mellitus Gestacional
Durante o período gestacional da mulher é produzido grandes quantidades de hormônios
para o desenvolvimento saudável do feto, porém os hormônios criam uma resistência à ação da
21
insulina no organismo materno.
Sua fisiopatologia é explicada pela elevação de hormônios contra-reguladores
da insulina, pelo estresse fisiológico imposto pela gravidez e a fatores predeter-
minantes (genéticos ou ambientais). O principal hormônio relacionado com a
resistência à insulina durante a gravidez é o hormônio lactogênico placentário,
contudo, sabe-se hoje que outros hormônios hiperglicemiantes como cortisol,
estrógeno, progesterona e prolactina também estão envolvidos (SBEM, 2008,
p. 477).
O diabetes gestacional utiliza o mesmo método de tratamento do diabetes mellitus tipo
1 e 2, composto pelo programa alimentar e atividades físicas acompanhadas por um médico.
Durante todo o tratamento os níveis de glicose devem ser monitorados e mantidos dentro dos
limites estabelecidos pelo médico, para que tanto a mãe quanto o bebê não corram riscos. Em
alguns casos para se manter os níveis glicêmicos aceitáveis é receitada a aplicação de insulina
(BARONE et al., 2007).
A Diabetes gestacional é uma das complicações médicas mais comuns da gra-
videz, sendo caracterizada por uma alteração glicêmica capaz de causar con-
sequências danosas fetais e maternas. A importância de um diagnóstico pre-
coce é incontestável para se evitar complicações (JACOB et al., 2014, p. 36).
Este é um tipo de diabetes de curto prazo, pois na maioria dos casos, após o fim da
gestação, os níveis de glicose voltam ao normal.
2.1.2 Complicações do Diabetes Mellitus
Pessoas que sofrem de diabetes mellitus independente o tipo, devem realizar a auto-
monitoramento da concentração de glicose no sangue para que sejam evitadas complicações
agudas e/ou crônicas. "As complicações agudas normalmente ocorrem de eventos esporádicos,
enquanto as crônicas habitualmente são provocadas pelo mau controle glicêmico através dos
anos."(OLIVEIRA; MILECH, 2006, p. 28).
Representam as complicações agudas:
∙ Cetoacidose diabética (CAD): ocorre quando há deficiência profunda de insulina. "Aco-
mete principalmente pacientes com DM tipo 1 (DM1) e geralmente é precipitada por
condições infecciosas ou omissão da administração de insulina."(BARONE et al., 2007,
p. 1434).
∙ Estado Hiperglicêmico Hiperosmolar (EHH):
22
[...]típica do diabético Tipo 2, caracteriza-se por uma descompensação
grave do estado diabético com uma taxa de mortalidade ainda muito
significativa. O paciente típico de tal complicação é, geralmente, idoso
e adentra as unidades de emergência por acentuação das alterações de
consciência, crises convulsivas e sintomas sugestivos de acidentes vas-
culares cerebrais (FOSS-FREITAS; FOSS, 2003, p. 390).
∙ Hipoglicemia: normalmente surge em pessoas com DM1, onde os valores de glicose
no sangue ficam demasiadamente baixos (OLIVEIRA; MILECH, 2006).
O controle inadequado com o passar dos anos do diabetes mellitus leva há complicações
crônicas, que são divididas em dois grupos, microvasculares e macrovasculares.
As complicações crônicas microvasculares englobam a nefropatia diabética, a
retinopatia diabética e neuropatia diabética. As complicações crônicas macro-
vasculares, como o próprio nome diz, são resultantes de alterações nos grandes
vasos e causam infarto agudo do miocárdio, acidente vascular cerebral e do-
ença vascular periférica (TSCHIEDEL, 2014, p. 7).
Figura 2 – Complicações a longo prazo do diabetes mellitus
Fonte: (ROBBINS; COTRAN, 2016).
2.1.3 Estatísticas do Diabetes Mellitus
O diabetes mellitus tipo 1 era conhecido anteriormente como diabetes mellitus insuli-
nodependente (DMID), diabetes juvenil ou com tendência à cetose, representando de 10 a 20%
23
dos casos de diabetes. Os 80 ou 90% restantes dos pacientes apresentam a segunda forma, dia-
betes tipo 2, anteriormente denominada de diabetes mellitus não insulinodependente (DMNID)
ou diabetes de forma adulta (COTRAN; COLLINS; KUMAR, 2000)
O desenvolvimento dos países junto com a urbanização crescente, levam as pessoas
à adotarem um estilo de vida mais sedentário, tendo dietas inadequadas, consequentemente,
dando espaço a obesidade, fatores que impelem a incidência e prevalência do diabetes em todo
o mundo. O diabetes mellitus é considerado um desafio mundial para os sistemas de saúde, pois
atinge uma grande parcela da população (BRASIL, 2006).
Segundo a Sociedade Brasileirade Diabetes (SBD, 2016), estima-se que no ano de 2016
a população mundial com diabetes seja em torno de 387 milhões e que pode alcançar 471 mi-
lhões em 2035. A Pesquisa Nacional de Saúde, realizada pelo Ministério da Saúde em parceria
com o IBGE, estima que no Brasil a ocorrência média de diabetes corresponde a 6,2% da po-
pulação adulta, cerca de 12 milhões de pessoas (SBD, 2016). A seguir algumas estatísticas
divulgadas pelo Ministério da Saúde (BRASIL, 2006):
1. O diabetes e suas complicações acometem 4 milhões de mortes por ano, o que repre-
senta 9% da mortalidade mundial;
2. A expectativa de vida é reduzida em média em 15 anos para o diabetes tipo 1 e em 5 a
7 anos na do tipo 2;
3. Adultos com diabetes têm risco 2 a 4 vezes maior de doença cardiovascular e acidente
vascular cerebral;
4. Mundialmente, os custos diretos para o atendimento ao diabetes variam de 2,5% a 15%
dos gastos nacionais em saúde.
2.1.4 Verificação da glicose sanguínea
O tratamento do diabetes mellitus é realizado com medicamentos, exercícios físicos,
dieta balanceada e monitorização glicêmica. O automonitoramento independente do tipo de
diabetes é de extrema importância para o controle dos níveis de glicose no sangue. O teste
mais utilizado por apresentar maior precisão é a medição do sangue capilar. A desvantagem é
que o exame torna-se doloroso e desconfortável, pois normalmente precisa ser realizado com
certa frequência, através da utilização de um glicosímetro pelo próprio paciente, que punciona
o dedo com um lancetador ou agulha, coletando a quantidade de sangue necessária para fazer a
medição.
24
A monitorização dos níveis de glicemia tem extrema importância para o tratamento do
diabetes, o acompanhamento realizado de forma ativa por parte do paciente, facilita o acom-
panhamento médico, pois mantém um controle mais preciso, melhorando a qualidade de vida
desses indivíduos (OLIVEIRA; MILECH, 2006).
2.2 TIPOS DE INSTRUMENTOS PARA MEDIÇÃO DE GLICOSE
Manter os níveis de glicose da corrente sanguínea dentro do padrão normal é o ponto
chave para melhor qualidade de vida dos portadores do diabete mellitus.
Os métodos mais utilizados hoje em dia são divididos em três grupos: os exames labo-
ratoriais, os exames com glicosímetros, conhecido como exames de "ponta de dedo"e a mensu-
ração por sensores contínuos semi invasivos (MURAKAMI, 2007).
2.2.1 Exame laboratorial
O exame laboratorial é invasivo, porém o mais tradicional para se medir a glicemia atra-
vés de uma amostra de sangue. Tal amostra, é examinada por um laboratório específico, através
da utilização de alguns métodos como, separação do plasma sanguíneo por centrifugação e
aplicação de enzimas específicas, as quais, causam reações químicas levando à glicose a degra-
dação, formando um produto que pode ser facilmente medido através da reação de oxi-redução
ou mudança de cor da mistura (MURAKAMI, 2007).
Os resultados deste método apresentam erros estimados entre 2 e 3%, possuindo um
grau elevado de exatidão, aproximadamente de 2 a 4mg/dl para a faixa de medição (BöHME
et al., 2003). Devido a isso, exames laboratoriais são considerados os mais eficazes em quesito
exatidão de resultados, porém o processo para a obtenção deste resultado se torna inviável
quando se trata de controle diário da glicemia. Há necessidade de deslocamento até o centro
especializado para a coleta de sangue, o método invasivo e o tempo necessário de espera para
a obtenção do resultado (CASTRO-JÚNIOR, 2010). Todo esse processo torna o método não
prático para controle diário, levando o surgimento de dispositivos portáteis para a medição de
glicemia.
2.2.2 Exame de ponta de dedo
O exame de ponta de dedo é realizado através da coleta de uma amostra de sangue capilar
(uma ou duas gotas), a qual é colhida através de um pequeno furo na ponta do dedo do paciente.
A amostra coletada é aplicada em uma fita que é inserida em um dispositivo portátil, conhecido
25
como glicosímetro, o qual realiza a medição da concentração de glicose no sangue. De modo
geral, o método de analise utilizado pelo glicosímetro é semelhante aos exames laboratoriais, as
fitas utilizadas contém enzimas que degradam a glicose, realizando a medição (MURAKAMI,
2007).
Pela rapidez e praticidade o exame de ponta de dedo é o mais utilizado por pacientes
que necessitam realizar a monitorização e controle da glicemia diariamente.
A principal desvantagem encontrada neste tipo de exame é a o método invasivo e a
exatidão da leitura que pode apresentar desvios da ordem de 15% quando comparado com
exames laboratoriais (BöHME et al., 2003).
2.2.3 Sensores contínuos
Devido a evolução tecnológica, surgiram os primeiros dispositivos capazes de realizar
a medição contínua de glicemia, através de sensores cutâneos ou subcutâneos que ficam em
contato com o líquido intersticial, minimizando o desconforto do paciente. Utiliza-se a denomi-
nação de "contínuos", mas os aparelhos existentes realizam leituras pontuais em intervalos de
tempo curtos (MURAKAMI, 2007).
A grande desvantagem destes métodos é o erro existente nas leituras, sendo que estes
erros variam entre 15% a 20% em comparação aos exames laboratoriais (GOLDBERG et al.,
2004).
2.3 TRABALHOS CORRELATADOS
Nesta seção são descritos alguns trabalhos correlatados que foram utilizados para auxílio
no decorrer do levantamento bibliográfico.
2.3.1 Oxímetro de pulso com transmissão de sinal sem fios
O projeto desenvolvido por (LIMA, 2009), acadêmico da Universidade Federal do Rio
Grande do Sul, tem como objetivo realizar um estudo e implementação de um método de de-
terminação da taxa de concentração de oxigênio no sangue através da técnica da oximetria de
pulso, tal técnica foi escolhida para que o processo se torne não-invasivo.
Lima (2009) utilizou um sensor comercial da marca Emai que contém embutido dois
LEDs de comprimento de ondas diferentes, vermelho e infravermelho, e um fotodiodo receptor.
Durante a ativação de cada LED, existe um circuito amplificador que amplifica o sinal, que pos-
teriormente é adquirido por um sistema digital, para ser transmitido via Radio Frequência para
26
um microcomputador, o qual realiza o processamento e cálculos necessários para apresentar os
resultados através de um software desenvolvido pelo acadêmico, conforme Figura 3.
Figura 3 – Diagrama de blocos do sistema Oxímetro de pulso
Fonte: (LIMA, 2009).
O protótipo de oxímetro de pulso desenvolvido contêm transmissão de dados sem fio.
Foi utilizado um sensor transmissivo, um amplificador de transimpedância, um microcontrola-
dor Texas MSP430 para amostragem e gerenciamento da transmissão e módulos zigbee para
transmissão e recepção de sinal sem fios. A Figura 4 demonstra a placa de aquisição com o
sensor de dedo conectado.
Figura 4 – Placa de aquisição com sensor de dedo conectado
Fonte: (LIMA, 2009).
O microcontrolador utilizado possui conversor A/D interno, onde foi possível obter uma
taxa de amostragem de 500 amostras por segundo, sendo 250 amostras de cada LED.
27
Os testes preliminares do sistema foram realizados em indivíduos durante exercícios
físicos, onde pode ser observado grandes variações na oxigenação sanguínea.
2.3.2 Glicosímetro de pulso
O glicosímetro de pulso é um trabalho desenvolvido por (CASTRO-JÚNIOR, 2010),
doutorando da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, que desenvolveu um dispo-
sitivo para tornar o processo de medição glicêmica não-invasivo, indolor, agradável e portátil,
para que os usuários sejam incentivados à monitorização contínua a fim de evitar possíveis
complicações.
O dispositivo utiliza a característica pulsátil do sangue para realizar a medição, por meio
de uma luz infravermelha, onde é feito a análise da parte contínua e alternada da luz absorvida
pelo tecido vivo. As medições da concentração de glicose no sangue utilizam dois diferentes
comprimentos de ondas, é composto por dois diodos emissores de luz, comprimento de onde de
805 e 1350nm respectivamente,que emitem luz através dos tecidos do dedo de um paciente até
encontrar seus respectivos fotodetectores. Os LEDs são ligados de forma alternada, para evitar
influência cruzada entre os emissores e receptores. Os sinais são amplificados separadamente
e então filtrados para remover os ruídos provenientes da frequência de chaveamento, da rede
elétrica e do ambiente. Os sinais são então digitalizados por um conversos analógico digital,
sendo lidos por um microcontrolador que estima o valor da concentração de glicose, mostrando
os dados em um computador através de um software supervisório. A Figura 5 ilustra a estrutura
do glicosímetro de pulso desenvolvido por (CASTRO-JÚNIOR, 2010).
Figura 5 – Funcionamento básico do glicosímetro de pulso
Fonte: adaptado de (CASTRO-JÚNIOR, 2010).
A avaliação clínica do sistema desenvolvido foi realizada através de medições em 20
28
voluntários em um laboratório de Engenharia Biomédica, onde comparava-se as medidas por
um monitor comercial e o instrumento proposto, no total foram efetuadas 180 medidas do valor
de glicemia apresentando uma exatidão de ± 10.33 mg/dl e uma precisão de ± 10.40 mg/dl.
2.4 PESQUISAS RELACIONADAS
Nesta seção será apresentada o uso de dispositivos não-invasivos no mercado brasileiro.
2.4.1 CNOGA Tensortip Combo de glicômetro (CoG)
O processo de medição de glicemia não-invasivo com certeza melhoraria de algum
modo, a vida de diabéticos que precisam automonitorar a concentração da glicose no sangue ar-
terial regularmente. Mas infelizmente é difícil encontrar está tecnologia no mercado atual. Hoje
no Brasil, existe apenas uma empresa com autorização da ANVISA para comercializar este
tipo de produto. A CNOGA Medical Ltd. recebeu em maio de 2016 a aprovação da ANVISA
para comercializar seus dispositivos não-invasivos, o CNOGA Tensortip Combo de glicômetro
(CoG) (Figura 6) (CNOGA, 2016).
Figura 6 – Dispositivo CNOGA Tensortip Combo de glicômetro (CoG)
Fonte: adaptado de (CNOGA, 2016).
Este aparelho utiliza um sensor de imagem de cor em tempo real e algoritmos únicos
para medir com precisão os níveis de glicose a partir de capilares sanguíneos na ponta dos dedos
de pacientes sem picada da lanceta, retirada de sangue ou dor. Além de ser totalmente portátil,
permitindo ao usuário a utilização em qualquer hora e lugar, os únicos inconvenientes são, que
29
o dispositivo é adaptado exclusivamente para diabetes do tipo 1 e o valor é alto, em torno de
R$3.000,00 (CNOGA, 2016).
Para que o dispositivo funcione com precisão, durante as primeiras semanas de uso é
realizado uma espécie de personalização para que as medidas tornem-se altamente precisas.
Todas as medições podem ser acompanhadas via aplicativo em um smartphone ou no web app
disponibilizado pela empresa. Ao fazer isso, os diabéticos podem compreender, gerenciar e
melhorar seus resultados, tanto a curto como a longo prazo (CNOGA, 2016).
2.4.2 FreeStyle R○ Libre
No segundo semestre de 2017, deu início à venda do aparelho FreeStyle R○ Libre (Figura
7), monitor de glicose da empresa Abbott, o mesmo promete eliminar as tradicionais picadas
no dedo, pois possui um sensor que capta os níveis de glicose no sangue por meio de um
microfilamento (0,4 milímetros de largura por 5 milímetros de comprimento) que, sob a pele
e em contato com o líquido intersticial, mensura a cada minuto a glicose presente na corrente
sanguínea. Um leitor escaneia o sensor e mostra o valor da glicose medida (ABBOTT, 2017).
Figura 7 – Dispositivo FreeStyle R○ Libre
Fonte: adaptado de (ABBOTT, 2017).
O diferencial deste dispositivo é que não existe a necessidade de calibração com a ponta
do dedo, o sensor é resistente à água e descartável, mas pode ser utilizado pelo período de 14
dias, além de oferecer um histórico de medidas das últimas 8 horas e a tendência do nível de
glicose do usuário (ABBOTT, 2017). Mas as grandes desvantagens são, que o dispositivo é
invasivo e possui um custo elevado, o kit inicial composto pelo leitor e dois sensores, custa
R$599,70, para manter o aparelho é necessário adquirir os sensores, pois são descartáveis, cada
sensor tem o custo de R$239,90.
30
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo será abordado as técnicas e metodologia necessária para desenvolver um
sistema de medição não-invasivo para monitorização da concentração de glicose no sangue
arterial.
3.1 FOTOPLETISMOGRAFIA
A fotopletismografia (PPG) utiliza as mudanças que ocorrem com a luminosidade em
um determinado trajeto quando transmitida ou refletida nos tecidos e corrente sanguínea (CHE-
ANG; SMITH, 2003).
A PPG utiliza como base o método utilizado pela oximetria de pulso para determinação
da saturação de oxigênio do sangue arterial. Este método funciona através da utilização do foco
de um feixe de luz no dedo, onde a onda da luz transmitida através do mesmo, pode ser analisada
devido as mudanças no seu comprimento (SANTOS et al., 2014).
Santos et al. (2014, p. 2092) ainda comenta que:
Este método se baseia nas propriedades de dispersão da luz causada pela gli-
cose presente no sangue. O aumento da glicose diminui o desalinhamento do
feixe que atravessa o tecido, pois o índice de refração é diminuído pela sua pre-
sença, proporcionando assim um caminho melhor para a passagem da luz [...].
Como resultado, menos luz é absorvida e a intensidade da luz que atravessa o
tecido é maior.
Na Figura 8 pode ser observado a influência da glicose na propagação da luz no meio
sanguíneo.
Figura 8 – (a) Com menor concentração de glicose; (b)
Com maior concentração de glicose no san-
gue
Fonte: (SANTOS et al., 2014).
A Figura 9 ilustra os dois modos de obter o sinal PPG a partir de um sensor, por refle-
tância ou transmissão. O modo de refletância faz uso de um fotodiodo adjacente a luz emissora,
31
possibilitando a utilização em diversas extremidades do corpo. O modo de transmissão utiliza
uma fonte de luz situada ao lado oposto do tecido em que se encontra o fotodiodo receptor, o
que acaba limitando os locais de aplicação (YADAV; AYUB, 2014).
Figura 9 – Modos de obter sinal PPG: (a) Refletância; (b) Trans-
mitância
Fonte: adaptado de (YADAV; AYUB, 2014).
Na Figura 10, podemos observar os padrões do sinal fotopletismográfico conforme in-
terferências que possam vir a ocorrer.
Figura 10 – Padrões da curva fotopletismográfica
Fonte: adaptado de (PALACIOS et al., 2010).
32
3.2 AMPLIFICADORES
Os primeiros amplificadores eram construídos com válvulas e surgiram na década de
40, com o propósito de realizar equações matemáticas eletronicamente. Por se tratar de sinais
analógicos, para que a amplificação seja viável quando se utiliza sinais de grandezas físicas
com baixa amplitude, é necessário a conversão para sinais elétricos, para posteriormente serem
amplificados e digitalizados por conversores A/D (PERTENCE-JUNIOR, 2015).
Ainda segundo (PERTENCE-JUNIOR, 2015), os amplificadores operacionais (ampop)
possuem oito terminais (Figura 11), sendo eles:
∙ Ajustes de offset: pinos 1 e 5;
∙ Entrada inversora: pino 2;
∙ Entrada não inversora: pino 3;
∙ Alimentação negativa (-3V a -18V): pino 4;
∙ Alimentação positiva (+3V a +18V): pino 7;
∙ Saída: pino 6;
∙ Não possui nenhuma conexão, mas caso o ampop possua encapsulamento metálico,
deve ser colocado no terra: pino 8.
Figura 11 – Pinagem Amplificador Operacional 𝜇A741
e LF 351
Fonte: (PERTENCE-JUNIOR, 2015).
Buscando o aperfeiçoamento das características apresentadas por um único ampop, te-
mos os amplificadores de instrumentação (IA), são utilizados para medições de precisão, onde
se necessita a ampliação de sinais com níveis reduzidos, ou seja, rejeitando tensões comuns e
amplificando pequenas tensões de sinal. (DUNN, 2013).
Conforme pode ser observado da Figura 12 e segundo (ALEXANDER; SADIKU, 2013,
p. 174), "[...]um amplificador de instrumentação é formado, geralmente, por três amplificadores
33
operacionais e sete resistores", sendo possível determinar o ganho do sinal, rejeitando o sinal
indesejado.Figura 12 – (a) Amplificador de instrumentação com uma resistência externa para ajus-
tar o ganho; (b) Diagrama esquemático
Fonte: (ALEXANDER; SADIKU, 2013).
Devido ao seu largo emprego em sistemas de medição podemos citar alguns exemplos
de aplicações dos IAs, como em sistemas de aquisições de sinais, instrumentação médica, am-
plificadores termopares e isolamento (ALEXANDER; SADIKU, 2013).
3.3 FILTROS
O condicionamento é necessário pois o processo de aquisição do sinal gera diversos ruí-
dos, gerando a necessidade da utilização de filtros capazes de eliminá-los, para que se obtenha
apenas os sinais desejados (NALON, 2009).
Filtro é um circuito que permite a passagem de sinais com frequências desejadas e/ou
elimina as indesejadas. Estes circuitos são classificados em passivos (sem amplificação, utili-
zando apenas capacitores e indutores) e ativos (com amplificação) (MUSSOI, 2004).
Ainda segundo (MUSSOI, 2004, p. 24), "os filtros são classificados quanto à tecnologia
e componentes empregados na sua construção e quanto à função que deverá ser executada por
ele num circuito eletrônico.". Basicamente os filtros se classificam em quatro tipos básicos:
∙ Passa-Baixas (PB): permite apenas a passagem de sinais de tensão e corrente abaixo da
frequência de corte;
34
Figura 13 – Simbologia usual filtro passa-baixas
Fonte: (MUSSOI, 2004).
∙ Passa-Altas (PA): permite apenas a passagem de sinais de tensão e corrente acima da
frequência de corte;
Figura 14 – Simbologia usual filtro passa-altas
Fonte: (MUSSOI, 2004).
∙ Passa-Faixa (PF): permite apenas a passagem de sinais de tensão e corrente localizadas
entre as duas frequências de corte;
Figura 15 – Simbologia usual filtro passa-faixa
Fonte: (MUSSOI, 2004).
∙ Rejeita-Faixa (RF): atenua a passagem de sinais de tensão e corrente presentes entre as
duas frequências de corte.
Figura 16 – Simbologia usual filtro rejeita-faixa
Fonte: (MUSSOI, 2004).
Para que um filtro possua qualidade é necessário existir uma boa seletividade, para que
isso seja possível é preciso levar em conta a ordem do mesmo, através do número de compo-
nentes reativos que o circuito apresenta (FRENZEL-JUNIOR, 2015). Por exemplo:
35
∙ Filtro RC (resistores e capacitores): a qualidade do filtro ocorre devido ao número de
capacitores;
∙ Filtro LC (Indutores e capacitores): a qualidade do filtro ocorre devido ao número de
indutores e capacitores.
Praticamente todos os sistemas eletrônicos possuem circuitos de filtros em sua estrutura.
Entre a vasta variedade de aplicações, pode-se citar a presença acentuada de filtros no campo de
telecomunicações, onde são aplicados em MODEMS, processamento da fala e seleção de canais
em centrais telefônicas e na instrumentação industrial (PERTENCE-JUNIOR, 2015).
3.3.1 Filtros passivos
O nome passivo surgiu do fato de que estes circuitos utilizam apenas componentes pas-
sivos, como resistores, capacitores e indutores, não necessitando de fontes de energia externa
para alimentação (MUSSOI, 2004).
Quando um sinal é completamente atenuado, uma determinada frequência de corte leva
o ganho à zero, onde encontramos uma curva ideal para um filtro, como demonstra a Figura 17
(a). Para se chegar o mais próximo desta curva ideal na prática, são utilizadas ordens de filtro
como exemplificado na Figura 17 (b) (PINTO, 2004).
Figura 17 – Filtro Passivo - (a) Curva ideal; (b) Curvas reais
Fonte: adaptado de (MALVINO, 1997).
Ainda segundo (PINTO, 2004) um sinal é considerado atenuado quando a amplitude
atinge 70% do valor máximo do nível do sinal. Na Figura 18 podemos observar a estrutura
básica de um circuito de um filtro passivo, onde Ve é a entrada, L1 é um indutor, C um capacitor,
R1 um resistor e Vs a saída do circuito.
36
Figura 18 – Exemplo de circuito de um filtro passivo
Fonte: (MUSSOI, 2004).
3.3.2 Filtros ativos
Ao contrário dos filtros passivos, os filtros ativos realizam a filtragem e amplificação do
sinal selecionado, com a utilização de amplificadores operacionais como elementos ativos. Este
filtro também pode ser implementado com válvulas ou transistores, mas quando utilizado estes
elementos ativos a qualidade torna-se insatisfatória, devido ao alto consumo de potência, alta
margem de ruídos, baixo ganho, entre outros (PERTENCE-JUNIOR, 2015).
A Figura 19 ilustra um exemplo de circuito para um filtro ativo, onde Ve é a entrada, R1
e R2 são resistores, C1 e C2 capacitores e Vs a saída do circuito.
Figura 19 – Exemplo de circuito de um filtro ativo
Fonte: adaptado de (PERTENCE-JUNIOR, 2015).
O filtros ativos possuem várias vantagens em relação aos filtros passivos, conforme
(PERTENCE-JUNIOR, 2015) podemos citar:
∙ Eliminação de indutores, os quais em baixas frequências são volumosos, pesados e
caros;
∙ Facilidade de projetos de filtros complexos através da associação em cascata de estágios
simples;
37
∙ Possibilidade de se obter grande amplificação do sinal de entrada (ganho), principal-
mente quando este for um sinal de nível muito baixo;
∙ Grande flexibilidade de projeto.
Mas também apresentam desvantagem, como:
∙ Necessitam de fonte de alimentação;
∙ A resposta em frequência dos mesmos está limitada à capacidade de resposta dos am-
pops utilizados;
∙ Não podem ser aplicados em sistema alta e média potência.
Apesar das limitações citadas, os filtros ativos têm se tornado cada vez mais
úteis no campo de eletrônica em geral.[...] Dentro da área de instrumentação,
é interessante ressaltar a eletromedicina ou a bioeletrônica, na qual os equipa-
mentos utilizados fazem grande uso dos filtros ativos, principalmente quando
esses equipamentos devem operar em baixas frequências (PERTENCE-JUNIOR,
2015, p. 142).
3.4 MICROCONTROLADORES
Microcontroladores são utilizados em várias aplicações rotineiras de interação com o
usuário, principalmente onde exista a necessidade de controle automático sobre um determinado
equipamento eletrônico.
O microcontrolador é considerado um computador, só que em menor escala, que pos-
sui diversas aplicações específicas como, por exemplo, controle de velocidade de um veículo
ou temperatura de um refrigerador, situações que o diferem de um computador normal, que é
utilizado para aplicações gerais (BRAIN, 2014).
Independente do tamanho, tanto microcontroladores quanto computadores de mesa de-
sempenham seus papéis com características em comum, segundo (BRAIN, 2014) são aspectos
de um microcontrolador:
∙ Dotados de uma CPU (Unidade de Processamento Lógico) para executar programas;
∙ Embutidos no interior de algum outro dispositivo;
∙ Dedicados e executam um programa em específico armazenado na memória ROM;
∙ Dispositivos de baixa potência;
∙ Pequenos, baratos e robustos.
38
Microcontroladores são microcomputadores, que podem executar tarefas específicas,
seu tamanho se torna sua principal vantagem, pois, consome muito menos energia, consequen-
temente gerando um baixo custo.
3.4.1 Microcontroladores PIC
A família dos microcontroladores PIC (Programmable Intelligent Computer) são fábri-
cados pela Microchip Technology, entre suas principais características podemos citar: proces-
samento de dados de 8, 16 e 32 bits em conjunto com arquitetura Harvard e instruções RISC,
possuindo recursos de programação por Memória Flash, EEPROM e OTP. Ainda fazem parte
da família, microcontroladores PIC com núcleos de processamento de 12, 14 e 16 bits, que
trabalham em velocidades de 0 KHz a 48 MHz, contando com ciclo de instrução mínimo de 4
períodos de clock, possibilitando uma velocidade máxima de 10 MIPS e realizando o reconheci-
mento de interrupções tanto externas como internas. Suas famílias são geralmente utilizadas nas
áreas de: eletrônica de consumo, automação, robótica, instrumentação, eletrônica embarcada e
periféricos de informática (VENTURINI, 2013).
A figura 20 demonstra o microcontrolador do modelo PIC16F877A, que pode ser en-
contrado em quatro encapsulamentos distintos.
Figura 20 – Encapsulamentos do PIC16F877A
Fonte: adaptadode (MICROCHIP, 2016).
Segundo o Datasheet da (MICROCHIP, 2013) as principais características do microcon-
trolador modelo PIC16F877A são:
∙ 368 bytes de memória RAM;
∙ 256 bytes de memória EEPROM;
39
∙ 33 pinos de entrada e saída (I/O) configuráveis;
∙ 8 canais de 10-bit analógico-digital (A/D);
∙ 2 módulos CCP: Capture, Compare e PWM;
∙ Comunicação serial padrão RS232: SPI, I2C e USART;
∙ 3 timers (dois de 8-bit e um de 16-bit).
Este modelo segundo (CORTELETTI, 2015) e como demonstrado na Figura 21, possui
40 pinos, sendo 33 deles de I/O que são agrupados em PORTs (PORTA, PORTB, PORTC,
PORTD e PORTE) e sete que são utilizados para alimentação e controle do PIC, sendo:
∙ Pino 1: quando em 5V, está em condições de executar o programa. Em 0V (GND),
causa um reset no PIC e quando em tensão de 13.4V, entra em modo gravação;
∙ Pinos 11 e 32: alimentação (máximo 5V);
∙ Pinos 12 e 31: referência (GND);
∙ Pinos 13 e 14: pinos reservados para o ressonador externo (cristal de clock).
Figura 21 – Pinagem PIC16F877A
Fonte: adaptado de (CORTELETTI, 2015).
A arquitetura Harvard presente no PIC16F877A é composta por memórias de dados e
programas com barramentos de dados separados, tornando possível a programação dos PORTs
em registradores específicos. Tal arquitetura é demonstrada na Figura 22.
40
Figura 22 – Diagrama de blocos da arquitetura do PIC16F877A
Fonte: adaptado de (MICROCHIP, 2013).
3.5 CONVERSÃO A/D
A conversão analógica digital (A/D) nada mais é do que a transformação de um sinal
originalmente analógico em um sinal equivalente digital.
Segundo (SOUZA; LAVINIA, 2005), vivemos em um mundo analógico. Seja por uma
temperatura ou um valor de tensão, quanto mais complexo o sistema, maior será o número de
entradas analógicas que devem ser monitoradas pelo microcontrolador. Perante isso e levando
em consideração a tecnologia atual, por mais digital que tudo pareça, é praticamente impossível
não trabalhar com variáveis analógicas.
Para melhor entendimento deste processo de conversão, pode-se fazer uso de um exem-
plo prático, como sensores de temperatura. Normalmente a informação deste tipo de sensor é
analógica, fornecida por uma tensão, para que esta possa ser analisada pelo microcontrolador
há necessidade de um conversor analógico digital.
De acordo com (SOUZA; LAVINIA, 2005), o menor passo, ou resolução, de um con-
versor A/D é dado diretamente pelo seu número de bits e poder ser expresso pela Equação
41
3.1.
𝑟𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑎𝑜 =
𝑉𝑟𝑒𝑓
2𝑛
(3.1)
Onde:
𝑉𝑟𝑒𝑓 : tensão de referência;
n: número de bits do conversor.
"Cada um dos n bits que compõem a informação digital representa uma parcela do valor
da tensão analógica a ser convertida, de forma que a soma de todas as contribuições de cada um
n bits forma a tensão de entrada do conversor A/D"(SOUZA; LAVINIA, 2005, p. 128).
3.6 LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO
O desenvolvimento tecnológico foi um dos grandes fatores que levaram a evolução das
linguagens de programação, com o decorrer dos anos surgiram inúmeras novas linguagens, com
as mais variadas características para suprir as necessidades tecnológicas, desde controlar usinas
nucleares até disponibilizar jogos eletrônicos em telefones celulares (SEBESTA, 2011).
Entre as linguagens de programação mais populares e utilizadas no mundo encontram-se
JavaScript, Java, PHP, Python, C e C++ (REDMONK, 2016).
3.6.1 Linguagem C
Em 1972 Dennis Ritchie criou a linguagem C, a fim de evitar o uso do Assembly para o
desenvolvimento de um novo sistema operacional (o Unix), assim recorrendo a uma linguagem
de alto nível, que mais tarde disseminou-se e passou a ser conhecida por vários programadores
(DAMAS, 2007).
Suas principais características são:
∙ Rapidez;
∙ Simplicidade;
∙ Portabilidade;
∙ Modularidade;
∙ Popularidade;
∙ Alto nível;
∙ Bibliotecas poderosas.
42
Ainda segundo (DAMAS, 2007) umas das grandes vantagens da linguagem C é que ela
não se destina a nenhuma área específica, é considerada uma linguagem de propósito geral, se
adaptando ao desenvolvimento de qualquer projeto, como sistemas operacionais, interfaces grá-
ficas, processamento de registros, além disto pode ser utilizada para desenvolver compiladores
de outras linguagens de programação, sendo considerada uma linguagem extremamente potente
e flexível.
Devido as características citadas acima, deu-se a escolha desta linguagem para a progra-
mação do firmware do projeto proposto.
3.7 INTERFACE
A interface é um importante critério de projeto no desenvolvimento de sistemas ao usuá-
rio. Ela necessita seguir os princípios de usabilidade, possuindo enfoque na efetividade, efici-
ência e satisfação. O aplicativo que serve como interface, foi desenvolvido com uma ferramenta
especial, o App Inventor. Essa seção apresenta os aspectos do desenvolvimento desta aplicação
para Android.
3.7.1 O ambiente App Inventor
App Inventor for android é uma linguagem visual de programação para desenvolvimento
de aplicativos para dispositivos móveis baseados em Android, criada conjuntamente pelo Goo-
gle e MIT. O App Inventor possui um ambiente com inúmeras funcionalidades, seu diferencial é
o desenvolvimento baseado em blocos, possibilitando aos usuários a criação de aplicações que
incorporem serviços baseados na web, interação com redes sociais, leitura de códigos de barras,
interação com sensores, entre outras (MIT, 2017).
A criação de aplicativos com App Inventor é simples e intuitiva, não exigindo conhe-
cimento avançado em programação. A programação de uma aplicação no App Inventor é ori-
entada a eventos, ou seja, a atuação dos componentes depende, em sua maioria, de eventos
provocados pela interação do usuário com o aplicativo.
O desenvolvimento de uma aplicação nesta ferramenta é realizado através de duas ja-
nelas: App Inventor Designer e Blocks Editor. A janela App Inventor Designer permite a partir
do navegador, criar visualmente a interface do usuário, ao clicar e arrastar os componentes da
Pallete, tais como, caixas de texto, figuras, botões, animações, sons, entre outros, para o Viewer
(Figura 23).
43
Figura 23 – App Inventor: Janela Designer
Fonte: O Autor.
A janela Blocks Editor (Figura 24), possibilita controlar o comportamento dos compo-
nentes definidos na App Inventor Designer, onde o usuário encontra blocos conectáveis, que
podem ser eventos ou métodos, em uma interface do tipo arrastar e soltar. Estes blocos podem
operar strings e listas, realizar operações matemáticas, ações de controle, entre outras funci-
onalidades. Para a execução de testes do aplicativo, pode ser realizado diretamente em um
dispositivo Android ou através do emulador que acompanha a ferramenta.
Figura 24 – App Inventor: Janela Blocks Editor
Fonte: O Autor.
44
4 METODOLOGIA
Nesta seção são apresentadas as etapas necessárias para o desenvolvimento do projeto
de medição não-invasivo para monitorização de glicose no sangue arterial, utilizando como base
a pesquisa bibliográfica realizada na fundamentação teórica.
O sistema proposto adota os princípios da dispersão da luz para mensurar a glicêmia,
através do método de fotopletismografia por transmissão.
A presente pesquisa é classificada como qualitativa, onde se busca explicar o porquê
dos fatos, expondo o que convém ser feito. Também classifica-se quanto a sua natureza como
experimental, pois tem por objetivo gerar conhecimentos para aplicação prática, buscando a
solução de problemas específicos.
4.1 MÉTODOS
O sistema implementado baseia-se na construção de um dispositivo de hardware para
coletar, processar e converter sinais luminosos em elétricos, posteriormente enviar os dados
obtidos via comunicação bluetooth a um aplicativo móvel, responsável por manter um histórico
de medidas para acompanhamento e controle glicêmico.
4.1.1 Visão geral do sistema computacional
Com a finalidade de detalhar o sistema proposto, é apresentada abaixo a modelagem do
software e hardware através do diagrama de blocos (Figura25), exemplificando o funciona-
mento do sistema proposto desde a coleta do sinal até o armazenamento das leituras.
45
Figura 25 – Diagrama de blocos
Fonte: o autor.
A Figura 26 demonstra a modelagem do diagrama de processos representando a sequên-
cia de passos para a aquisição, condicionamento, amplificação e processamento do sinal (mi-
crocontrolador), apresentando o resultado ao usuário em tempo real através de um aplicativo,
permitindo armazenar as leituras glicêmicas para gerir de forma eficaz o controle da variação
do nível de glicemia.
Figura 26 – Diagrama de processos
Fonte: o autor.
46
4.1.2 Visão geral do sistema embarcado
A Figura 27 modela o diagrama de requisitos do sistema embarcado, expondo as ações
que cada componente do hardware executa durante seu funcionamento, tais elementos serão
descritos detalhadamente nas próximas seções.
Figura 27 – Diagrama de requisitos sistema embarcado
Fonte: o autor.
4.1.3 Aquisição do sinal
A primeira etapa de qualquer sistema de aquisição consiste na coleta dos sinais. O sensor
de glicemia proposto consiste de um LED infravermelho (IR) e um fotodetector. A luz emitida
pelo LED é parcialmente refletida, transmitida, absorvida e dispersada pela pele, por outros
tecidos e pelo sangue antes de atingir o fotodetector. A luz ambiente interfere na qualidade
do sinal coletado, portanto a montagem do sensor deve ser realizada de tal forma a proteger o
fotodetector da luminosidade do local.
Conforme demonstra a Figura 28, o método escolhido para o sensor foi da fotopletis-
mografia por transmissão, onde o fotodetector deve detectar a luz transmitida através do tecido.
Para que isso seja possível, o LED deve estar alinhado com o fotodetector, garantindo uma
maior detecção de energia luminosa.
47
Figura 28 – Estrutura básica do sensor transmissivo
Fonte: o autor.
Sensores transmissivos podem ser utilizados nos dedos, orelhas ou nariz do paciente.
Neste projeto, optou-se por utilizar o sensor no dedo pela maior facilidade de projetar o dispo-
sitivo e devido ao conforto para o uso pelo paciente.
Na Figura 29 está representado o esquemático do circuito do sensor, onde:
∙ R1 e R2 são resistores;
∙ D1 e D2 fotodiodos;
Figura 29 – Esquemático do circuito do sensor
Fonte: o autor.
A Figura 30 demonstra o circuito montado em uma matriz de contatos, utilizada para os
testes antes de soldá-los na placa.
48
Figura 30 – Circuito do sensor na matriz de contatos
Fonte: o autor.
Houve a necessidade de confeccionar o circuito com uma estrutura fechada, pois a lumi-
nosidade ambiente interfere diretamente na qualidade do sinal. A Figura 31 (a) ilustra o sensor
e a Figura 31 (b) a sua estrutura fechada para proteção da luz ambiente.
Figura 31 – (a) Sensor (b) Estrutura final do sensor
Fonte: o autor.
49
4.1.4 Condicionamento e amplificação do sinal
Nesta seção será detalhado o processo para realizar o condicionamento e amplificação
do sinal coletado.
4.1.4.1 Filtros
Com o sinal captado, a segunda etapa é o condicionamento do sinal. Utilizando a Equa-
ção 4.1, calcula-se a frequência de corte, tornando possível a escolha dos resistores e capacitores
adequados.
𝑓𝑐 =
1
2 × 𝜋 ×𝑅× 𝐶
(4.1)
Onde:
∙ fc: frequência de corte;
∙ R: resistência (Ω);
∙ C: Capacitância (F).
Como o sinal captado é demasiadamente baixo, foram realizadas pesquisas na literatura
para se obter uma melhora no sinal, os filtros ideais para o projeto proposto são:
∙ Filtro Passa-Altas (PA): para eliminar a tensão constante que interfere na coleta de
qualquer sinal, ou seja frequências em torno de 0 Hz. Utilizaram-se capacitores de 470
nF e resistores de 6.8 MΩ. Fazendo uso da equação 4.1, obteve-se a frequência de corte
de 0,05 Hz.
∙ Dois Filtros Passa-Baixas (PB): com uma frequência de corte de 7 Hz, contendo capa-
citores de 220 nF e resistores de 100 kΩ.
A Figura 32 ilustra o circuito dos filtros passa-altas e baixas, que além dos componentes
citados acima, utilizou-se também amplificadores operacionais UA741CN.
50
Figura 32 – Esquemático do circuito do condicionamento do sinal
Fonte: o autor.
Onde R1, R2, R3, R4, R5 e R6 são resistores e C1, C2, C3, C4, C5 e C6 capacitores.
A Figura 33 demonstra o circuito confeccionado na placa.
Figura 33 – Circuito do condicionamento do sinal na placa
Fonte: o autor.
4.1.4.2 Amplificadores
Posteriormente à filtragem, para ser utilizado o sinal necessita ser amplificado, pois o
sinal captado é demasiadamente baixo. Diante disso, foi utilizado o amplificador de instrumen-
tação INA128P, devido a sua alta rejeição de frequências de modo comum e a alta precisão
com baixo consumo de energia. Neste componente, o valor de saída é definido pelo resistor de
ganho, que é ligado nos pinos 1 e 8. Foi utilizado no desenvolvimento do projeto um resistor de
5.6kΩ, obtendo uma amplificação de 10 vezes, de acordo com a fórmula de ganho apresentada
51
na equação (4.2):
𝐺 = 1 +
50𝑘Ω
𝑅𝐺
(4.2)
Onde:
G: ganho;
RG: resistor de ganho (Ω).
A Figura 34 apresenta o circuito do amplificador. Onde R13 é o resistor de ganho, C9 e
C10 são capacitores de 100nF para estabilizar a fonte do microcontrolador para não oscilar.
Figura 34 – Esquemático do circuito do amplificador do sinal
Fonte: o autor.
A Figura 35 demonstra o circuito do amplificador confeccionado na matriz de contatos
para fins de testes.
52
Figura 35 – Circuito do amplificador do sinal na matriz de contatos
Fonte: o autor.
A Figura 36 representa o circuito montado na placa.
Figura 36 – Circuito do amplificador do sinal na placa
Fonte: o autor.
4.1.5 Conversão analógica/digital
Após filtrado e amplificado, o sinal precisa ser convertido de analógico para digital, este
processo foi realizado com a utilização de um microcontrolador PIC 16F877A, pois possui um
conversor A/D interno, tornando o processo simples e de baixo custo. Na Figura 37 são esboça-
53
dos os componentes básicos para que o microcontrolador da família PIC tenha um desempenho
adequado.
Figura 37 – Circuito de conversão analógico/digital na placa
Fonte: o autor.
Onde:
1. Regulador de tensão 7808SCT: para regular a tensão de entrada em 5 volts;
2. Botão de reset: conectado ao pino MCLR, que ao receber uma tensão baixa (0V) rei-
nicia o firmware gravado no PIC;
3. Microcontrolador PIC 16F877A: para realizar a conversão A/D;
4. Cristal de 20MHz: conectado aos pinos XTAL1 e XTAL2, fornecendo o sinal de clock,
juntamente com dois capacitores de 22pF, conforme informações do datasheet do PIC;
5. Módulo bluetooth: conectado aos pinos RX e TX para gravação do firmware no PIC e
posterior transmissão de dados ao aplicativo;
6. Slot para conexão do módulo USB, caso necessário.
A Figura 38 demonstra o esquemático do circuito desenvolvido para a montagem da
placa do sistema analógico/digital.
54
Figura 38 – Esquemático do circuito de conversão analógico/digital
Fonte: o autor.
4.1.6 Conversão do sinal para uma medida glicêmica
Por ser uma área pouco explorada, existem poucos artigos e materiais sobre a técnica
da fotopletismografia para a medição da glicêmia, e nestes poucos trabalhos, os pesquisadores
costumam não revelar a fórmula de conversão para a unidade de medida mg/dL, pois a maioria
acaba patenteando o protótipo.
Dos diversos testes realizados com implementação das poucas fórmulas encontradas, a
que apresentou maior eficácia, com baixos desvios de exatidão, pode ser visualizada na Equação
4.3.
𝑚𝑔/𝑑𝐿 = ((𝑙𝑜𝑔10(𝐶𝐴)) × 10) × 18 (4.3)
Onde:
CA: representa os sinais coletados, mas para tal, foi utilizado apenas os picos altos do
sinal, que é o período que mais ocorre a transmissão de luminosidade;
× 10: utilizado para transformar o valor em decimal;
× 18: responsável por converter o resultado para a unidade de medida mg/dL.
55
O processo de conversão ocorre da seguinte maneira, após o microcontrolador converter
os sinais de analógicos para digitais, os mesmos são analisados um a um, onde são identifica-dos os períodos que apresentam maior absorvância de luminosidade, os armazenando. Destes
valores é realizada uma média, e então processado pela Equação 4.3, resultando na medida
glicêmica.
4.1.7 Comunicação software/hardware
A transmissão dos dados convertidos ocorre por meio de um módulo bluetooth HC-05,
responsável por enviar o sinal digital a um aplicativo móvel. A escolha da tecnologia bluetooth
para a transmissão de dados, deu-se devido ao baixo custo do módulo, além de serem equipa-
mentos altamente funcionais, que proporcionam uma comunicação segura e livre de fios.
As conexões físicas do módulo bluetooth podem ser visualizadas anteriormente na Fi-
gura 36, onde contém um slot para receber a fixação do módulo. Para seu correto funcionamento
é necessário que o segundo pino seja ligado ao VCC do circuito, o terceiro ao GND, e o quarto
e quinto para a comunicação, que são conectados aos pinos RX e TX, respectivamente.
4.1.8 Fonte de energia
Devido à grande quantidade de componentes, não foi possível alimentar todo o circuito
com as mesmas baterias, existindo perda de energia durante o percurso. Diante este problema,
o circuito foi dividido em duas partes, uma contendo o módulo de condicionamento (filtros e
amplificador) e outra a conversão analógica/digital.
A alimentação do sistema de condicionamento retratado na Figura 39, utiliza como fonte
de energia duas baterias de 9V, as quais são ligadas de forma simétrica para gerarem +9 e -9V
alimentando a parte analógica.
56
Figura 39 – Fonte Simétrica para o módulo de condicionamento
Fonte: o autor.
Para alimentação do módulo de conversão analógico/digital, foi utilizado apenas uma
bateria de 9V, onde foi ligada a um regulador de tensão com saída de 5V para alimentação
do microcontrolador e sensor. Na Figura 40 estão representadas as ligações da bateria com o
esquemático da fonte reguladora de tensão de 5V utilizada para o sistema microcontrolado.
Figura 40 – Fonte e Esquemático da Fonte Reguladora de Tensão
Fonte: o autor.
4.1.9 Estrutura final do Hardware
Após o detalhamento de confecção de cada item relatados nas seções anteriores, a Figura
41 demonstra o esquemático do circuito do hardware e a Figura 42 sua estrutura final.
57
Figura 41 – Esquemático do circuito do sistema de monitorização glicêmica
Fonte: o autor.
58
Figura 42 – Hardware do sistema de medição
Fonte: o autor.
4.1.10 Aplicativo móvel
Para o correto monitoramento dos níveis glicêmicos é necessário manter um histórico
das medidas realizadas, devido a isso, foi desenvolvido um aplicativo móvel, com a ferramenta
App Inventor citada na seção 3.7.1.
A Figura 43 representa quais as funcionalidades do aplicativo. Posteriormente o sinal
ser digitalizado pelo hardware, o mesmo é enviado ao aplicativo pelo módulo bluetooth, onde
o valor glicêmico é armazenado, juntamente com a data e horário da medida.
Figura 43 – Diagrama de requisitos do aplicativo móvel
Fonte: o autor.
59
O aplicativo é composto por uma tela inicial (Figura 44), onde o botão leitura de dados,
direciona o usuário para a tela de leitura glicêmia.
Figura 44 – Tela inicial aplicativo móvel
Fonte: o autor.
Na tela de leitura glicêmica (Figura 45), é possível buscar pelo bluetooth do hardware e
conectar-se à ele, bem como coletar as medidas glicêmicas e salvá-las em um banco de dados
local no smartphone.
Figura 45 – Tela de leitura glicêmica
Fonte: o autor.
60
Ainda na tela de leituras, existe o botão visualizar histórico, que possibilita verificar a
lista com os relatos de medidas realizadas pelo usuário, o qual apresenta a data, hora e valor
glicêmico, conforme Figura 46.
Figura 46 – Tela de histórico glicêmico
Fonte: o autor.
4.2 CRONOGRAMA
Para elaboração do projeto do trabalho de conclusão de curso, montou-se o cronograma
da Tabela 1, onde descreve-se as respectivas atividades para se atingir o objetivo geral proposto.
Tabela 1 – Cronograma de atividades TCC
Atividade Julho Agosto Setembro Outubro Novembro
Pesquisa bibliográfica X X X X
Definição do tema X
Orientação com professores X X X X X
Elaboração da proposta do projeto X
Definição dos objetivos X X
Elaboração da fundamentação teórica X X X X
Protocolação e apresentação X X
Fonte: o autor.
61
4.3 RECURSOS E ORÇAMENTOS
Para realização deste projeto foram necessários o uso de recursos de hardware e soft-
ware, conforme descritos a seguir.
4.3.1 Recursos de hardware
∙ Matriz de contatos: utilizada para realização de testes devido facilidade de manuseio e
baixo custo;
∙ Resistores, transistores, capacitores, reguladores de tensão, fotodiodos (componentes
diversos): componentes eletrônicos que serão utilizadas para a montagem do circuito;
∙ Amplificador INA 128p: amplificador de instrumentação, que será utilizado para am-
plificar o sinal;
∙ PIC 16F877A: microcontrolador para realizar a conversão do sinal de analógico para
digital;
∙ Módulo bluetooth HC-05: utilizado para realizar a comunicação entre aplicativo e hard-
ware.
∙ Multímetro: utilizado para medição da corrente e tensão elétrica, assim evitando danos
aos componentes;
∙ Osciloscópio Digital 50MHz Minipa MO-2050: instrumento de medição de grandezas
elétricas, utilizado para visualizar o sinal de saída do circuito.
A Tabela 2 demonstra um custo estimado para a realização do projeto, sob responsabili-
dade da autora do trabalho.
Tabela 2 – Recursos de hardware
Quantidade Dispositivo Custo (R$)
1 Circuito sensor 8,00
2 Circuito de filtro 20,00
1 Circuito amplificador 5,00
1 Placa de fenolite 8,50
1 Microcontrolador 15,00
1 Módulo bluetooth HC-05 28,88
Componentes Diversos - 10,00
Total 115,38
Fonte: o autor.
62
Um glicosímetro invasivo comercial de qualidade custa em média R$200,00, as tiras
reagentes utilizadas nestes dispositivos para realizar a medição são vendidas normalmente em
kits com 50 unidades, custando em torno de R$70,00 cada kit (ACCU-CHEK, 2017). Supondo
que uma pessoa necessite realizar cinco medidas diárias, em um ano seriam gastos R$2555,00
somente em tiras.
Realizando uma estimativa de preço do dispositivo desenvolvido, levando em conside-
ração impostos, mão-de-obra, lucro, entre outros, o valor previsto seria de aproximadamente
R$450,00, tal valor se torna baixo quando comparando-se ao gasto que o uso das tiras reagentes
nos glicosímetros comerciais resultam ao paciente.
4.3.2 Recursos de software
O recursos de software podem ser observados na Tabela 3.
Tabela 3 – Recursos de software
Software Finalidade Licença Gratuito
LaTeX (MiKTex e TeXstudio) Elaboração do relatório Livre Sim
Proteus
Simulação de circuitos
eletrônicos Proprietária Para testes
Bizagi Modelagem de processos Proprietária Sim
Astah Community Modelagem UML de projetos Proprietária Sim
Mplab IDE Desenvolvimento firmware Proprietária Para testes
APP Inventor
Desenvolvimento de interfaces
gráficas Livre Sim
Serial Boot Loader AN1310
Gravação do firmware no PIC
e testes A/D Livre Sim
Fonte: o autor.
63
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta seção serão apresentados os resultados dos testes realizados para verificar o cor-
reto funcionamento do sistema de medição não-invasivo para monitorização da concentração
de glicose no sangue arterial.
5.1 TESTES INDIVIDUAIS DE AQUISIÇÃO, CONDICIONAMENTO E AMPLIFICAÇÃO
A confecção da placa foi realizada por circuito impresso juntamente com processo tér-
mico, utilizando placa de fenolite com o cobre como material condutor, como demonstrado na
Figura 47, dispensando o uso de muitos fios para interligar os componentes tornando o circuito
mais compacto e organizado.
Figura 47 – Placa de circuito impresso por processo térmico
Fonte: o autor.
Cada etapa realizada no desenvolvimento do sistema de medição não-invasivo para mo-
nitorização da concentração de glicose no sangue arterial foi testada, para verificar o correto
funcionamento, validando os sinais coletados com auxílio do osciloscópio.
O primeiro item confeccionado para testes foi o sensor para a aquisição