O que é um fotopletismógrafo?

Fotopletismógrafo é um aparelho com o qual podemos medir a frequência cardíaca através da variação do fluxo de sangue em determinada parte do corpo.

A medida que o coração bate, a densidade de sangue em determinado membro do corpo varia mantendo um comportamento bem definido que acompanha a frequência cardíaca. Desta forma, podemos medir a frequência cardíaca citada através do uso de um emissor e de um sensor de luz, pois a intensidade de luz que atinge o sensor varia juntamente com a densidade de sangue. Este tipo de processo é também chamado de hemodinâmico, devido ao seu princípio de funcionamento.

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Mãos à obra – Montando um fotopletismógrafo

Componentes necessários

Para a montagem do projeto necessitamos dos seguintes itens:

• 1 x Protoboard;
• 2 x Capacitor eletrolítico maior que 10µF;
• 8 x Capacitor cerâmico de 100nF;
• Jumpers;
• 4 x Amplificador TL071;
• 1 x Capacitor de poliéster de 100nF;
• 1 x Capacitor de poliéster de 1.5µF;
• 1 x Capacitor de poliéster de 2.2µF;
• Resistores – 1 de  4.7MΩ/ 1 de 680Ω/ 1 de 68kΩ/ 2 de 2.2kΩ/ 1 de 2.7kΩ/ 1 de 22kΩ/ 1 de 1kΩ/ e 1 de 10kΩ;
• 1 x Diodo foto-emissor de alto brilho;
• 1 x Pedaço de velcro preto.
• 1 x Foto-receptor (BPW34 ou outros).

Observação: Para montar este dispositivo, você precisará de um led de alto brilho branco e de um sensor de luz. Neste caso usaremos o BPW34, que nada mais é que um foto receptor cuja sensibilidade é mais direcionada (a luz ambiente pouco interfere no resultado, já que o sensor é sensível a luz incidente em uma área bem determinada). Além disso, construiremos filtros e amplificadores de sinais usando capacitores, resistores e amplificadores operacionais.

Montando o projeto

– Montagem do sensor

Primeiramente faremos a montagem do nosso sensor. Para isso, cortamos um pedaço de velcro, de modo que possa cobrir o dedo indicador e através de furos inserimos o fotoemissor em uma parte e o fotorreceptor em outra. Para firmá-los colocamos cola quente nas laterais e na parte de trás. Nas imagens abaixo temos o fotoemissor e o fotorreceptor respectivamente:

 

 

– Bloco amplificador

Nas montagens de protoboard a seguir as duas linhas de alimentação mais externas serão destinadas ao Ground ou referência do circuito.

Feito isso, agora vamos ao primeiro bloco do nosso circuito para tratar o sinal. O fotorreceptor gera um sinal de corrente que é proporcional a luz que incide sobre ele. Com isso, precisamos de um bloco que transforma esse sinal de corrente em um sinal de tensão amplificado. Para isso, usamos um Amplificador de Transresistência, que está representado abaixo:

 

– Bloco do filtro passa-alta

Assim, partimos para a segunda parte do nosso projeto, que é um filtro passa altas de primeira ordem com frequência de corte em 1Hz e ganho unitário:

 

– Bloco filtro passa-baixa

A terceira parte é um filtro passa baixas de segunda ordem, com frequência de corte em 40Hz e ganho de 20dB:

 

Com isso, a montagem completa do circuito é mostrada abaixo:

Na montagem podemos ver um resistor circulado em vermelho que serve para limitar corrente no LED de alto brilho, já que ele é ligado com a mesma tensão de alimentação positiva dos amplificadores operacionais. Seu valor é 680 ohms.

O fotorreceptor deve ter um de seus terminais ligados na entrada inversora do amplificador de transresistência e o outro ligado ao GND.

Com isso, já podemos visualizar a onda correspondente aos batimentos cardíacos de uma pessoa no osciloscópio. Na figura abaixo é mostrada a onda de frequência cardíaca de uma pessoa usando a montagem deste tutorial.

Caso você não tenha acesso a um osciloscópio, poderá plotar esse mesmo sinal com o Serial Ploter do arduino. Para isso, será preciso dar um Offset no sinal para que não haja parte negativa, já que a entrada analógica do arduino aceita tensões de 0V a 5V. Assim sendo, podemos acrescentar uma outra parte no nosso circuito, que é um amplificador somador.

– Adicionando um offset ao sinal

Além de amplificar o sinal, este bloco do circuito soma uma tensão DC ao sinal que é uma fração da tensão de alimentação, de modo que o sinal permanece no intervalo apropriado ao arduino.

Repare que o amplificador usado no final será um Amplificador somador inversor, de modo que a forma de onda estará de “cabeça para baixo”. Com isso, você precisará inverter seu sinal no arduino (usando uma lógica simples com valores altos para tensões perto de 0V e valores baixos para tensões perto de 5V), antes de plotá-lo no Serial Plotter, ou você poderá optar por usar um amplificador somador não-inversor. Ou ainda, acrescentar mais um circuito amplificador inversor antes do amplificador de Offset, o que não será muito eficiente, mas funcionará bem.

Hardware montado

Com isso, nossa montagem final para representar o sinal no arduino será a seguinte:

Programando

Caso você não tenha o osciloscópio e deseje ver a forma de onda no seu computador, basta utilizar o seu arduíno com o código descrito abaixo. A saída da montagem precisa estar conectada na entrada A0 analógica do arduíno. O código abaixo possui a função de ler o sinal e monta o gráfico em função do tempo do sinal de entrada.

int analogPin = A0;
int sinal = 0;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
void loop()
{
  sinal = analogRead(analogPin);   
  Serial.println(sinal);     
}

Feito isto, basta apertar Ctrl+Shift+L.

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Entendendo a fundo

Os batimentos do coração bombeiam sangue para as diversas partes do corpo de modo que a densidade sanguínea varia na mesma frequência que o coração bate. Com isso o sensor de luz na ponta do dedo indicador capta essa variação de densidade e transforma isso em um sinal de corrente que é amplificado e transformado em um sinal de tensão pelo amplificador de transresistência. O BPW34 é um fotorreceptor que funciona como uma fonte de corrente, com valores na faixa de µA, portanto, dependentes da luminosidade que incide nele.

Depois do amplificador de transresistência, temos um filtro passa-altas com frequência de corte de 1Hz, cuja função é atenuar toda e qualquer tensão com frequência menor que 1Hz. Deste modo, eliminamos qualquer tensão DC da iluminação natural sobre o sensor.

Com o filtro passa baixas de 40Hz, conseguimos atenuar tensões de frequência maiores que 40Hz, que na maioria das vezes são ruídos e não compõem os harmônicos do sinal de interesse.Esse filtro atenua as frequência maiores que 40hz de forma mais abrupta, pois ele é de segunda ordem. Além disso ele dá um ganho de 20dB (10 vezes) no sinal de entrada que está na banda de passagem (menor que 40Hz).

Todos os capacitores cerâmicos e os dois capacitores eletrolíticos (que ficam entre o +vcc e o terra e o outro entre o terra e o -vcc) servem para manter a tensão de alimentação dos amplificadores operacionais constantes e assim, eliminar ruídos e interferências.

No fim, o amplificador somador, além de amplificar o sinal, soma-o com uma tensão DC que neste caso é 0.22% da tensão de alimentação.

Se você ainda tiver problemas com ruído, talvez seja devido ao efeito capacitivo do diodo fotorreceptor. Para resolver isto, basta acrescentar um capacitor em paralelo com o resistor de 4.7MΩ. O valor deste capacitor deve o mesmo do efeito capacitivo do diodo, algo na faixa de pF, basta verificar no datasheet do componente (no caso do BPW34 é algo na faixa de 20 a 100 pF).

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Considerações finais

Assim concluímos o nosso tutorial. Espero que todos consigam montar este, que é um dos dispositivos mais usados na área médica. Lembrem-se de verificar os valores de todos os componentes e testar cada bloco do projeto para que erros sejam facilmente detectados. Em caso de dúvidas, deixem nos comentários.