Método baseado em filtro analógico Wavelet para modulação e decomposição adaptativa da bioimpedância elétrica torácica em componentes cardíaco e respiratório

Abstract

As doenças cardiovasculares são a principal causa de morte entre seres humanos nos últimos anos sendo responsáveis por 50% delas em países desenvolvidos de acordo com a Sociedade Europeia de Cardiologia. No Brasil corresponde a 30% dos óbitos registrados, conforme a Sociedade Brasileira de Cardiologia. Esses números são a principal preocupação da medicina moderna considerando que, de acordo com a Organização Mundial da Saúde, 80% das doenças cardíacas prematuras são evitáveis. O coração de uma pessoa saudável é capaz de variar a frequência dos batimentos, de acordo com a demanda metabólica do seu corpo. Quando isso não é possível um marcapasso cardíaco implantável é usado para regularizar a atividade cardíaca de maneira induzida. Com isso, um sensor para indicar ao marcapasso a demanda metabólica tornou-se necessário. Os estudos realizados na última década mostraram que a bioimpedância elétrica torácica (TEB) é uma eficiente variável fisiológica para essa tarefa. O processo de aquisição da TEB em marcapassos, é porém, bastante complexo; principalmente por envolver processos de modulação num ambiente fisiológico em que existem outros sinais presentes que dificultam a separação da TEB. Com a evolução da microeletrônica, o projeto de sistema do marcapasso também sofreu alterações; sugiram novos estudos propondo diferentes sinais de modulação e outros métodos de separação da TEB e os resultados se mostraram promissores. Apesar disso, apenas alguns sinais de modulação e poucos filtros analógicos foram testados em sistemas para marcapasso devido especialmente às severas limitações de consumo de energia que um dispositivo implantável impõe. Por outro lado, houve avanços nas pesquisas envolvendo o filtro analógico wavelet (FAW), mostrando que esse elemento pode ser implementado com baixo consumo de energia, compatível com sistemas implantáveis. Nesse contexto, observando os estudos prévios que indicam que o uso do FAW pode reduzir o consumo de energia do sistema de medição da TEB em marcapasso artificiais, formula-se seguinte hipótese científica: partindo das evidencias (estudos prévios) que o uso do FAW pode ser implementado em ultra-baixo consumo de energia, este estudo busca desvendar se a hipótese de que o uso do filtro para compor um sistema de medição da TEB em marcapasso implantável, em substituição a outros dispositivos que tem maior consumo de energia (como os conversores digital para analógico e os filtros digitais) pode melhorar, ou pelo menos manter a acurácia na medição da TEB e de suas componentes cardíacas e respiratórias. Para verificar esta hipótese, são propostos dois novos subsistemas baseados no FAW, para serem aplicados no sistema de medição da TEB em marcapassos cardíacos implantáveis, sendo eles: 1) Gerador de corrente senoidal para modulação da TEB; 2)Decompositor da TEB em suas componentes cardíaca (ZC) e respiratória (ZR). O primeiro sistema proposto, o Gerador de Corrente Senoidal, consiste em usar o filtro analógico wavelet para eliminar os harmônicos de uma onda quadrada, deixando somente um tom, com intuito de criar um sinal com características senoidais. A partir disso, produzir métricas de desempenho – como a Distorção Harmônica Total (THD) e a Faixa Dinâmica Livre de Espúrios (SFDR) - para validar a proposta frente a outros trabalhos. Em outra análise, o sinal proposto é aplicado em um sistema de Detecção Módulo e Fase (MPD) para recuperar a TEB e avaliar a acurácia do sistema. O resultado obtido é comparado com outros estudos publicados. O segundo método apresentado, o Decompositor da TEB, se trata de um sistema que separa o sinal da TEB em suas componentes cardíaca e respiratória. O sinal da TEB utilizado neste estudo é gerado a partir de um Sintetizador de Sinal da Bioimpedância (BISS). O processo de decomposição tem com elemento principal o FAW, que é inserido num arranjo de realimentação cruzada com outro filtro passa baixo do tipo butteworth, em que os sinais cardíaco e respiratório são separados por meio da combinação de filtragem no domínio do tempo e da frequência. Alguns testes qualitativos da separação da TEB são mostrados, em que as frequências analisadas são típicas de usuários de marcapasso. O sistema do Decompositor da TEB também é avaliado junto a arquitetura geral apresentada, envolvendo o Gerador de Corrente Senoidal e o sistema de detecção MPD. A métrica de desempenho, aplicada para revelar a acurácia, foi a Raiz do Erro Quadrático Médio (RMSE). Os resultados mostram que o sinal senoidal apresentado tem uma amplitude de pico de 10 mμA a uma frequência de 10 kHz. Sua análise espectral mostra uma THD de 1,4% e uma SFDR 36,7 dB, esses resultados se mostraram promissores em comparação com o estado da arte de sinais de modulação da TEB em marcapasso, já que os melhores resultados publicados haviam sido com o pseudo-seno que teve 2,3% de THD e 32,8 dB de SFDR. Além disso, a acurácia obtida pelo sinal senoidal aplicado na modulação da TEB em um sistema do tipo MPD foi de 0,11 ΩRMS, para valores de impedância na faixa de 100 Ω até 3300 Ω. Esse resultado mostra que a precisão encontrada nesse estudo foi equivalente ao estado da arte de sistema de medição da TEB em marcapasso, sendo que o melhor resultado publicado, foi pseudo-seno que obteve uma acurácia de até 0,13 Ω. Já o sistema de decomposição da TEB, conseguiu separar os componentes ZC e ZR em diferentes frequências, sendo elas valores típicos de usuários de marcapasso. Uma análise qualitativa dos resultados da decomposição da TEB, comparando com as publicações do estado da arte, indica que os resultados são pelo menos equivalentes ao estado da arte. Em outra análise o decompositor proposto tem a vantagem de não utilizar componentes digitais, o que abre espaço para possibilidade de ser utilizado em sistema implantáveis sem comprometer o consumo de energia. Adicionalmente o estudo apresenta uma acurácia da decomposição da TEB, em que ZC ficou entre 22,8 mΩRMS até 92,7 mΩRMS e para ZR foi de 27,3 mΩRMS á 74,7 mΩRMS. Portanto, os resultados encontrados permitem concluir que houve avanço no conhecimento científico, demonstrado pela descrição de uma nova tecnologia para modulação e decomposição da TEB, onde os seus parâmetros de desempenho para o sistema de medição da TEB foram revelados pela primeira vez. Além disso, os resultados deixam um caminho promissor para que novas investigações possam ser realizadas: tanto na continuidade deste trabalho com a implementação de circuitos integrados quanto fazendo a transferência de conhecimento para outras áreas, como a de dispositivos vestíveis e telecomunicações.