Desenvolvimento de hardware de aquisição e processamento digital de sinais para estimação da saturação do oxigênio por meio de fotopletismografia

Abstract

A fotopletismografia (PPG) é um método de aquisição eletro-óptica através de uma ex tremidade do corpo e requer a captura de dois sinais de fotopletismografia que podem ser obtidos por um oxímetro de pulso. Dessa forma, para este projeto foi estudado e desen volvido um hardware para aquisição e condicionamento de sinais de PPG e um algoritmo robusto para o processamento digital desses sinais. Com isso, tem-se a integração desses processos para melhores cálculos do nível de saturação de oxigênio no sangue (SpO2) e da frequência cardíaca (FC). A tecnologia foi escolhida como objeto de estudo, pois contribui no monitoramento da oxigenação sanguínea, um fator importante em diagnósticos de doenças que afetam o trato respiratório, como a COVID-19, oferece ao usuário comodidade, por ser um sistema não invasivo. A arquitetura de hardware desenvolvida foi separada em sistema de emissão, onde foi realizada a temporização (frequência de amostragem de 500Hz) dos LEDs; sistema de aquisição, onde um fotodiodo envia sinais para serem di gitalizados pelo microcontrolador ESP32, e visualização, em que os valores calculados do nível SpO2 e FC são expostos em um display. De modo a atenuar ruídos, foi implementado um algoritmo com técnicas de filtragem digital e adaptativa, a fim de aplicá-lo aos dados de PPG (banco de dados e hardware) para extração de características e estimação dos parâmetros cardiorrespiratórios abordados. Neste estudo, comparamos duas técnicas de cálculo do nível de SpO2 que são: (1) “vermelho sobre infravermelho”, calculando as pro porções dos componentes AC e DC dos sinais vermelho e infravermelho PPG no domínio do tempo, seguido pelo uso de uma curva de calibração para determinar o nível de SpO2 (WEBSTER, 1997); e (2) um algoritmo resistente ao movimento que usa a Transformação de Saturação Discreta (DST) com análise no domínio da frequência (GOLDMAN et al., 2000). Assim, foi avaliado o desempenho das duas abordagens para o cálculo de SpO2 e da FC ao utilizar os sinais de PPG de um banco de dados, com valores de SpO2 como referên cia, e também os adquiridos pelo hardware implementado, com comparação pelos valores desses parâmetros obtidos por um oxímetro comercial. Foram utilizadas métricas de erro simples e RMSE para analisar os resultados dos dois métodos desenvolvidos, e com isso, nossa principal conclusão é que, a abordagem utilizando o algoritmo DST apresentou um RMSE de 1,732 e média de erro de 1,05% em relação ao “vermelho sobre infravermelho”. No entanto, essa melhoria vem com um custo computacional significativo.