Samuel dos Santos Cardosobiblioteca.ifsul.edu.br/pergamum/anexos_sql_hom81/000038/...Resumo O...

Curso de Engenharia ElétricaMonografia do Projeto de Fim de Curso

Sistema de monitorição de glicose de modo contínuo e nãoinvasivo ao corpo humano baseado em métodos de

espectroscopia e fotopletismografia

Samuel dos Santos Cardoso

2017

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-rio-grandense

Departamento de Ensino de Graduação e Pós-Graduação

Campus Pelotas

Curso de Engenharia Elétrica


Orientador: Prof. Me. Júlio César M. Ruzick

Coorientador: Prof. Dr. Márcio B. Machado

Sistema de monitorição de glicose de modo contínuo e não invasivo ao corpohumano baseado em métodos de espectroscopia e fotopletismografia

Monografia do Projeto de Fim de Curso

Pelotas-RS

2017

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-rio-grandenseDepartamento de Ensino de Graduação e Pós-Graduação

Curso de Engenharia Elétrica

Monografia do Projeto de Fim de Curso

Sistema de monitorição de glicose de modo contínuo e não invasivo ao corpohumano baseado em métodos de espectroscopia e fotopletismografia


Relatório submetido como requisito parcialpara obtenção do grau de Engenheiro Eletricista

Banca examinadora

Prof. Me. Júlio César M. RuzickOrientador

Prof. Dr. Adão Souza Jr.Examinador

Prof. Me. Rafael GalliExaminador

CESSÃO DE DIREITOS

AUTOR: Samuel dos Santos CardosoTÍTULO: Sistema de monitorição de glicose de modo contínuo e não invasivo ao corpohumano baseado em métodos de espectroscopia e fotopletismografiaGRAU: Engenheiro Eletricista ANO: 2017

É concedida ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-rio-grandense permissão para reproduzir cópias desta monografia de graduação epara emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos ecientíficos. O(s) autor(es) reserva(m) outros direitos de publicação e nenhumaparte desta monografia de graduação pode ser reproduzida sem autorização porescrito do(s) autor(es).

Samuel dos Santos CardosoAv. 25 de Julho 327, casa 12596065-620 – Pelotas – RS – Brasil

Este trabalho é dedicado ao meu pai por sua amizade, ao meu irmão pelo auxílioe confiança, mas em especial a minha amada mãe Valéria que me incentivouatravés de seu afeto, carinho, e amizade, assim como minha companheira Lidianeque se manteve presente, durante todos os momentos, com seu apóio, carinho eatenção.

Agradecimentos

Ao meu orientador prof. Mr. Julio Cesar M. Ruzick , pela dedicação, aprendizado ecompreensão durante desenvolvimento desta pesquisa.

Ao meu coorientador prof. Dr. Márcio B. Machado, pelo estímulo, compreensão eauxílio ao transcorrer deste projeto. E pelo bom humor.

Aos professores que aceitaram fazer parte da banca examinadora.

Aos membros do Laboratório de pesquisa e inovação - LAB 14, que me concederamum espaço para que este trabalho fosse concebido.

Aos meus familiares, pelo apoio, confiança e por compreenderem os momentos em queestive ausente.

À minha querida mãe Valéria, que não mediu esforços para me proporcionar o conhe-cimento, acreditando em meu potêncial me instigando a ser inconformado com simplesrespostas.

À minha amada companheira Lidiane, que passou diversas noites em claro durante asexaustivas maratonas de trabalhos e provas, me apoiando nos bons e maus momentos.

Ao meu querido irmão Gustavo, que me auxíliou ao decorrer do curso e se mantevepresente quando preciso.

Ao meu grande amigo Lucas, por seu companherismo e auxílio em diversos momentosao transcorrer desta caminhada.

Ao meu amigo Gustavo Peglow, pelo seu auxílio e dedicação ao desenvolvimento destetrabalho. E pelo bom humor.

Ao meu amigo Julian, pelo seu auxílio e dedicação ao desenvolvimento deste trabalho.

Ao meu amigo Giandrio, pela sua compreensão e flexibilidade. E pelo bom humor.

À minha amiga Aléxia, por me assistir de forma espontânea e dedicada quando foipreciso.

Aos meus colegas e amigos, que me assistiram de alguma forma ao decorrer de todo oprocesso.

Resumo

O Diabetes Mellitus configura-se como uma epidemia mundial que causa um grandedesafio para os sistemas de saúde de todo o planeta. No Brasil, esta doença está entreas primeiras causas de amputação de membros inferiores, cegueira, problemas vascularese também de mortalidade. Neste contexto, o monitoramento intensificado dos níveisglicêmicos em pacientes pré-diagnosticados ou já diagnosticados, permite a prevenção decomplicações agudas e crônicas. Entretanto, os processos mais utilizados ainda possuemalgumas limitações como, por exemplo, a adesão dos pacientes, devido ao desconfortoprovido pelas técnicas habituais. Avaliando as dificuldades encontradas por diabéticos econsiderando a inadequação dos métodos utilizados para a avaliação mais apropriada dospacientes o trabalho proposto descreve o desenvolvimento e a avaliação in vitro de uminstrumento para a monitorização contínua e não invasiva da concentração de glicose nosangue arterial utilizando o método de espectroscopia e fotopletismografia visando provermaior comodidade aos usuários. O sistema elaborado para a mediçao de concentraçõesglicêmicas deste trabalho foi projetado através da utilização de dois arranjos distintos apartir da utilização de pares de sensores ópticos similares aos sensores de oximetria depulso. O primeiro arranjo proposto foi projetado utilizando pares infravermelhos com oscomprimentos de onda de 805 e 1470 nm, já o segundo foi elaborado com comprimentos de805 e 940 nm. Ao fim da pesquisa foi realizada a avaliação do instrumento através de umsistema funcional in vitro, que emulou a pulsação arterial sanguínea de modo simplificado.Para a avaliação in vitro, o instrumento apresentou exatidão em torno de 6 a 22 mg/dL eprecisão em torno de 4 a 23 mg/dL para uma faixa de trabalho de 175 a 300 mg/dL. Demodo contrário, para faixas inferiores a 175 mg/dL o dispositivo demonstrou pouca exatidãoe pouca precisão. No entanto, os resultados finais são promissores e apresentam possíveismelhorias para elevar a precisão e a exatidão em avaliações para baixas concentrações.

Palavras-chaves: glicose, diabetes, dispositivo , infravermelho, monitoramento.

Abstract

Diabetes Mellitus is a worldwide epidemic that poses a major challenge to health systemsacross the globe. In Brazil, this disease is among the first causes of lower limb amputation,blindness, vascular problems and also mortality. In this context, the intensified monitoring ofglycemic levels in pre-diagnosed or already diagnosed patients allows the prevention of acuteand chronic complications. However, the most used procedures still have some limitations,such as patient compliance, due to the discomfort provided by the usual techniques.Assessing the difficulties encountered by diabetics and considering the inadequacy of themethods used for the most appropriate evaluation of the patients, the proposed workdescribes the development and in vitro evaluation of an instrument for the continuousand non-invasive monitoring of arterial blood glucose concentration using the methodof spectroscopy and photoplethysmography to provide greater convenience to users. Thesystem developed for the measurement of glycemic concentrations of this work was designedthrough the use of two distinct arrangements from the use of pairs of optical sensors similarto pulse oximetry sensors. The first proposed arrangement was designed using infraredpairs with wavelengths of 805 and 1470 nm, while the second was made with lengths of805 and 940 nm. At the end of the research, the instrument was evaluated through an invitro functional system, which emulated the blood pulsation in a simplified way. For invitro evaluation, the instrument showed accuracy of about 6 to 22 mg / dL and accuracyaround 4 to 23 mg / dL for a range of 175 to 300 mg / dL. Conversely, for bands below175 mg / dL the device showed little accuracy and low accuracy. However, the final resultsare promising and present possible improvements to raise precision and accuracy in lowconcentration assessments.

Key-words: glucose, diabetes, device, infrared , monitoring.

Lista de figuras

Figura 1 – O processo de regulação glicêmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Figura 2 – (A)fitas reagentes e o glicosímetro por estimativa “fotométrica” qualita-

tiva,(B) glicosímetro por fotometria de absorbância. . . . . . . . . . . . 22Figura 3 – (A)um dos primeiros Glicosímetros amperométricos.(B) glícosimetro

amperométrico atual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Figura 4 – Composição do eletrodo enzimático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Figura 5 – Sensor aplicado ao líquido intersticial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Figura 6 – Acetona exalada no ar utilizada para a predição de glicose sanguínea. . 24Figura 7 – Lente para detecção de glicose baseada em um principio eletroquímico. 25Figura 8 – Processo de espectroscopia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Figura 9 – Espectro efetivo da absorção de glicose pelo corpo humano ilustrado na

patente 5086229. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Figura 10 – Correlação da absorção devido ao efeito da temperatura. . . . . . . . . 27Figura 11 – Modelo dos instrumentos propostos na patente 5086229. . . . . . . . . 28Figura 12 – Arquitetura do instrumento proposto no pedido de patente PI 10013332-

6 A2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Figura 13 – O Diagrama do sistema proposto em US8340738 B2. . . . . . . . . . . 29Figura 14 – O gráfico ilustra a absorção relativa a variação da absorvância in vivo. 30Figura 15 – A absorção em um meio homogêneo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 16 – A absorção em tecidos vivos conforme a variação do caminho óptico. . 34Figura 17 – Ilustração dos movimentos do coração e das artérias conforme o ciclo

cardíaco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 18 – Ilustração do sinal fotopletismográfico captado por um fotorreceptor. . 36Figura 19 – A absorção de luz em tecidos vivos conforme o ciclo cardíaco. . . . . . 36Figura 20 – Coeficientes de extinção para hemoglobinas oxigenadas e reduzidas

conforme o comprimento de onda da fonte de luz emissora. . . . . . . . 38Figura 21 – Espectro de absorvância da glicose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Figura 22 – O gráfico ilustra a porcentagem de luz que permeia um meio composto

por particulas de água como em tecidos vivos. . . . . . . . . . . . . . 39Figura 23 – A Absorção de glicose em comprimentos de onda mais baixos. . . . . . 40Figura 24 – Ilustração dos sinais brutos e dos sinais normalizados pronto para serem

comparados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Figura 25 – A arquitetura do sistema de monitoramento. . . . . . . . . . . . . . . 45Figura 26 – Pinagem do 7660s , vista superior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Figura 27 – Módulo de alimentação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 28 – Layout do módulo de alimentação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Figura 29 – Esquemático do módulo emissor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Figura 30 – Layout do módulo emissor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 31 – Lógica de acionamento de acordo com o tempo. . . . . . . . . . . . . . 51Figura 32 – Estrutura de fixação dos emissores e do receptor. . . . . . . . . . . . . 52Figura 33 – Responsividade espectral do S5972. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Figura 34 – Configuração típica de um amplificador de transimpedância. . . . . . . 54Figura 35 – Filtro passa baixa com ganho unitário. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Figura 36 – Filtro passa alta passivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figura 37 – Filtro passa alta ativo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figura 38 – Regulador de offset ajustável. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Figura 39 – Buffer de saída. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Figura 40 – Esquemático dos circuitos interligados(A) e layout do módulo receptor

(B). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Figura 41 – Plataformas de desenvolvimento (a)KL25 e (b)Arduíno Leonardo. . . . 60Figura 42 – Estrutura do software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Figura 43 – Ilustração dos parâmetros do método de inspeção no sinal pletismográfico. 64Figura 44 – Curva R de segunda ordem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Figura 45 – Curva R de terceira ordem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Figura 46 – Esquemático da placa de teste para avaliação dos sensores com 805 nm. 66Figura 47 – Placa para a avaliação dos sensores com 805 nm. . . . . . . . . . . . . 66Figura 48 – Segundo circuito proposto para a etapa de transdução do receptor de

1470 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Figura 49 – A nova etapa de filtragem proposta para o circuito com o receptor com

1470 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Figura 50 – Esquemático da etapa de filtragem para o receptor com 1470 nm. . . . 68Figura 51 – PCB com os módulos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Figura 52 – PCB do módulo emissor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Figura 53 – O movimento de compressão (A) e dilatação (B) da mangueira na zona

de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Figura 54 – Circuito de acionamento da bomba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Figura 55 – Sistema de avaliação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Figura 56 – Sinal resultante que permeou a mangueira e o bastão do sistema de

avaliação comparado ao sinal pletismográfico teórico, onde (A) é providopelo emissor com 940 nm e (B) pelo emissor com 805 nm. . . . . . . . 73

Figura 57 – Diagrama de interligação das etapas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Figura 58 – O protótipo e suas etapas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Figura 59 – Diagrama de bode do filtro passa baixas de 2◦. . . . . . . . . . . . . . . 75Figura 60 – Diagrama de bode do filtros passa alta de 1◦ e 2◦ ordem. . . . . . . . . 76Figura 61 – Diagrama de bode de toda a etapa de processamento analógico. . . . . 76Figura 62 – Resultado após a filtragem pelo filtro passa baixa. . . . . . . . . . . . . 77Figura 63 – Resultado após a filtragem pelo filtro passa baixa. . . . . . . . . . . . . 78

Figura 64 – Resultados após o ajuste de offset. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79Figura 65 – Inversão digital do sinal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Figura 66 – Sinais com ruído na aba superior e após a filtragem digital na aba inferior. 81Figura 67 – Resultado da detecção de picos e vales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Figura 68 – Curva identidade para o ajuste polinomial de 2◦ ordem. . . . . . . . . . 85Figura 69 – Curva identidade para o ajuste polinomial de 3◦ ordem. . . . . . . . . . 87Figura 70 – Teste funcional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Figura 71 – Sinal obtido e o sinal teórico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Lista de tabelas

Tabela 1 – Funções dos pinos do 7660s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Tabela 2 – Análise de fatores para a seleção. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Tabela 3 – Controle dos emissores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Tabela 4 – Parâmetros técnicos do fotoreceptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Tabela 5 – Especificação das plataformas de processamento. . . . . . . . . . . . . 60Tabela 6 – Dados para o levantamento da curva de calibração. . . . . . . . . . . . 64Tabela 7 – Descrição do êxito no desenvolvimento dos circuitos elaborados. . . . . 70Tabela 8 – Condições de teste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Tabela 9 – Valores de glicose estimados e os erros relativos ao valor de referência. 84Tabela 10 – Cálculos da exatidão (Arms), do desvio médio (B), da precisão(Ps)e

do disvio padrão (SDR) para cada referência utilizada no sistema deavaliação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Tabela 11 – Erro encontrado entre as medições com a calibração pelo ajuste de 3◦

ordem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Tabela 12 – Resultados dos cálculos para a medições através da curva de calibração

de 3◦ ordem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Tabela 13 – Valores da variável de R antes e após a ingestão de carboidratos, obtidas

no teste funcional realizado no autor deste trabalho. . . . . . . . . . . 88

Lista de abreviaturas e siglas

AC Componente Alternada

A/D Analógico-Digital

Arms Exatidão

B Desvio médio

BPM Batimento por minuto

CC Corrente contínua

CI Circuito Integrado

DC Componente contínua

DM1 Diabetes Mellitus tipo 1

DM2 Diabetes Mellitus tipo 2

IV Infravermelho

KDS Kinetis Design Studio

LED Diodo emissor de luz

LD Diodo laser

PCB Placa de circuito impresso

Ps Precisão

SDR Desvio padrão

TIA Amplificador de transimpedância

Lista de símbolos

A Absrovância não dispersa de luz

c Concentração de uma determinada substância

cg Concentração de glicose

C2H6O12 Molécula de glicose

d Comprimento do caminho óptico

f Frequência

HbO2 Hemoglobina oxigenada

Hb Hemoglobina reduzida

I Intensidade de luz

R Razões das razões

Q Fator de qualidade

SpO2 Saturação de oxigênio no sangue arterial

T Transmitância de luz

V Tensão

λ Comprimento de onda

ε Coeficiente de extinção de uma substância

Sumário

Lista de figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1 Aplicação e Escopo do projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2 Justificativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.4 Organização do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1 Metabolismo energético e o acréscimo de glicose no sangue . . 172.2 Diabetes Mellitus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.3 Revisão de exames glicêmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3.1 Exame laboratorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3.2 Exame de "ponta de dedo"com dispositivo portátil . . . . . . . . . . . . 212.3.3 Exame através de sensores contínuos semi-invasivos . . . . . . . . . . . 212.4 Revisão de dispositivos e métodos para a avaliação da glicemia 222.4.1 Métodos invasivos e de monitoramento contínuo . . . . . . . . . . . . . 222.4.2 Métodos com sensores não invasivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.5 Revisão de patentes relacionadas ao método de espectroscopia

no monitoramento glicêmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.1 Princípios da espectroscopia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.1.1 Lei de Beer-Lambert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.1.1.1 A validade da Lei de Beer-Lambert para mais de uma substância absorvedora 32

3.2 A absorção de luz por tecidos biológicos e sua aplicação noglicosímetro não invasivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3 Critérios para a escolha dos comprimentos de onda do sistemanão invasivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.4 Normalização dos sinais (WEBSTER, 1997) . . . . . . . . . . . . 413.5 Utilização da Lei de Beer-Lambert no sistema não invasivo para

o monitoramento da concentração de glicose sanguínea . . . . . 423.6 A descrição do projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4 DESENVOLVIMENTODO SISTEMADEMONITORAMENTOGLICÊMICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.1 Arquitetura do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.1.1 Módulo de alimentação geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.1.2 Módulo emissor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.1.3 Módulo receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.1.3.1 Etapa de transdução - Receptor infravermelho . . . . . . . . . . . . . . . . 524.1.3.2 Etapa de condicionamento - Processamento analógico . . . . . . . . . . . . 544.1.3.2.1 Amplificador de ganho Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.1.3.2.2 Filtro Passa Baixas de ganho unitário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.1.3.2.3 Filtro Passa Altas passivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.1.3.2.4 Amplificador de ganho não inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.1.3.2.5 Filtro passa altas ativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.1.3.2.6 Regulador de offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.1.3.2.7 Buffer para limitação de saída com alimentação simples . . . . . . . . . . . . . . 584.1.3.3 Esquemático e layout do módulo receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.1.4 Módulo de processamento digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.1.4.1 Funcionamento e estruturação do software . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.1.4.2 Filtragem digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.1.4.3 Algoritmo de detecção de picos e vales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.1.4.4 Cálculo da Concentração de glicose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.2 Confecção de esquemáticos e placas de circuitos impresso (PCB) 664.3 Sistema de avaliação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.4 O protótipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.5 Testes e resultados parciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.5.1 Diagrama de bode das etapas de filtragem . . . . . . . . . . . . . . . . 754.5.2 Resultados das etapas de transdução e condicionamento do sinal . . . . 774.5.3 Resultados do processamento digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.5.3.1 Filtragem digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.5.3.2 A detecção dos picos e dos vales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5 RESULTADOS FINAIS E CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . 835.1 Resultado com o sistema funcional in vitro . . . . . . . . . . . . . 835.2 Teste funcional sobre tecidos vivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.3 Conclusões e trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

ANEXOS 95

ANEXO A – ESQUEMÁTICO E PLACA GERAL . . . . . . 96

13

1 Introdução

1.1 Aplicação e Escopo do projeto

A monografia em questão descreve o desenvolvimento de um dispositivo para o monito-ramento contínuo e não invasivo da concentração de glicose presente no sangue arterial.O dispositivo desenvolvido foi embasado em técnicas optoelétricas como as utilizadas noprocesso de oximetria de pulso, o qual é empregado para a determinação da saturação deoxigênio no sangue arterial.

O monitoramento intensificado dos níveis glicêmicos de pacientes já diagnosticadoscom diabetes permite a prevenção de complicações agudas e crônicas. No entanto, osprocessos mais utilizados ainda possuem algumas limitações como, por exemplo, a adesãodos pacientes - devido ao desconforto provido por estas técnicas. Além disso, outro problemaestá relacionado ao baixo número de registros das medidas feitas durante o dia, que podemnão retratar de forma adequada a avaliação do paciente. Considerando estes problemas,fica evidente que para um bom controle da diabetes é necessário a avaliação de váriasamostras glicêmicas ao decorrer do dia, para o ajuste do tratamento de acordo com acondição do paciente. A partir destas constatações iniciou-se a pesquisa de dispositivosque efetuassem o monitoramento dos níveis glicêmicos de forma contínua, não invasivae que fosse o mais confortável possível para não atrapalhar ações dos usuários em suasatividades diárias.

Pelos motivos já citados, o dispositivo visa disponibilizar a monitorização contínuada glicose presente no sangue arterial, sendo totalmente não invasivo, procurando nãoocasionar dores ou desconforto aos usuários, possibilitando desta forma um aumento daadesão de pacientes diabéticos ao tratamento.

1.2 Justificativas

A diabetes pode prover complicações que ocorrem de forma repentina, tais comohiperglicemia e hipoglicemia, ou complicações crônicas, que se desenvolvem há longo prazo,como a Neuropatia, Nefropatia, Retinopatia e Vasculopatia diabética.

Presume-se que para o controle estável dos níveis glicêmicos ao decorrer do dia ocorrauma variação destas concentrações dentro de uma faixa que vai de 80 a 160 mg/dL. Podemocorrer pequenos desvios tanto para mais quanto para menos, mas que são de fácil controlecom ajustes de dieta, atividade física ou medicações. Contudo, em algumas situaçõesesses desvios são mais acentuados caracterizando complicações como a hiperglicemiae a hipoglicemia. Nessas duas situações o automonitoramento do controle glicêmico éfundamental para auxiliar o paciente a impedir que pequenos desvios evoluam para

Capítulo 1. Introdução 14

complicações mais graves. (BRASIL, 2006)

A hiperglicemia é caracterizada pelo aumento dos níveis de glicose sanguínea acom-panhado por sintomas como: sede excessiva, desidratação, aumento da fadiga, respiraçãoacelerada, face avermelhada, dor abdominal e volume urinário em demasia. Essa ocorreespecialmente em casos que o tratamento com medicamentos ou insulina torna-se insufici-ente para a absorção da glicose. Concentrações glicêmicas acima de 126 mg/dL definema hiperglicemia, sendo que as causas da mesma podem estar relacionadas com abusosalimentares, doses insuficientes de medicamentos ou insulina e a ocorrência de infecções,como por exemplo a gripe.(BRASIL, 2006)

Nas formas mais graves a hiperglicemia pode apresentar-se como o estado hiperosmolarhiperglicêmico ou a cetoacidose diabética. Em ambos os casos o corpo utiliza a glicosecomo fonte de energia. A insulina auxilia na transferência de glicose para as células docorpo através do sangue. Na ocorrência da cetoasidose diabética, caso ocorra o aumentoda concentração de glicose e a mesma não possa ser transferida para as células, acontece àqueima de gorduras, como fonte de energia para o corpo, no lugar da glicose. Neste processosão produzidas cetonas, um composto orgânico que contém o agrupamento carbonila (CO)ligado a dois átomos de carbono, que acabam intoxicando o sangue, aumentando o riscode complicações. Segundo a Sociedade Brasileira de Diabetes é importante a checagemdos níveis de cetonas no sangue ou na urina, nos casos em que a taxa de glicose sanguíneapermaneça acima de 240 mg/dL durante alguns dias , visto que tais níveis podem ocasionarao diabetico à cetoasidose diabética, a qual costuma evoluir rapidamente podendo levaro paciente a um estado de coma. Diferentemente da cetoasidose diabética, no estadohiperosmolar hiperglicêmico o quadro é não cetótico. Esse estado ocorre normalmente nodiabetes tipo dois e é representado como um estado de hiperglicemia mais grave graças aoaumento dos níveis glicêmicos acima de 600 mg/dL (PAESE; VIDOR; BOTELHO, 2013;BRASIL, 2006).

De forma adversa, a hipoglicemia é caracterizada pela diminuição dos níveis glicêmicos,com ou sem sintomas, para valores abaixo de 70 mg/dL. Geralmente, estados prolongadosde manutenção glicêmica abaixo de 60 ml/dL podem ocasionar sintomas como, porexemplo: sudorese, taquicardia, apreensão, tremores, fome, tontura, dor de cabeça, fraqueza,convulsão, confusão mental e coma. Entre as principais causas estão: doses excessivas demedicação, atraso ou omissão de refeições, exercício físico vigoroso, consumo excessivo deálcool e erro na administração de insulina. A hipoglicemia está vinculada a potenciais danosneurológicos caracterizando, portanto, uma situação clínica que exige um diagnóstico precisoe de manuseio imprescindível para evitar possíveis lesões. (PAESE; VIDOR; BOTELHO,2013)

Grande parte dos casos hipoglicêmicos é facilmente tratável pelos próprios pacientes. Noentanto, a hipoglicemia pode se agravar quando o paciente ignora ou trata inadequadamenteas manifestações precoces desta, sendo necessário todo o esforço possível, através do


monitoramento intensificado dos níveis glicêmicos para a prevenção e tratamento destequadro nocivo.

Uma forma de pacientes diabéticos assumirem o controle da saúde em suas vidas éatravés da automonitorização glicêmica, prática na qual o paciente mede regularmentea sua própria glicemia por meio de instrumentos portáteis de uso doméstico, conhecidoscomo glicosímetros. A avaliação frequente dos níveis glicêmicos é uma das melhores formasde verificar a efetividade do tratamento para o diabetes, ou seja, verificar se concentraçãoglicêmica está sendo mantida próxima aos limiares considerados normais.

Os exames laboratoriais solicitados habitualmente por profissionais da área fornecemapenas uma estimativa da qualidade do controle glicêmico. No entanto, para que seja feitoum bom controle destes níveis é necessário mais do que apenas exames laboratoriais, e sim,realizar a monitorização domiciliar da glicemia para que os pacientes possam ajustar seustratamentos da melhor forma possível, considerando a variação do diabetes em diversassituações do cotidiano (BRASIL, 2006).

As principais complicações do diabetes se dão graças aos elevados níveis de glicemia.Considerando tal fato, é recomendado que pessoas com diabetes tipo 1, tipo 2 e diabetesgestacional realizem o acompanhamento da glicemia ou a automonitorização.

Entre os testes mais utilizados, está o teste de glicemia capilar, que possibilita omonitoramento glicêmico durante o dia, em momentos de interesse para o acompanhamentoe avaliação da eficiência do plano de alimentação, medicação e de administração de insulina,com intuído de orientar o tratamento dos pacientes. Além do teste é necessário realizar ocontrole no consumo de alimentos com qualidade, quantidade e regularidade ; fazer ajustesnas dosagens dos medicamentos e usá-los de forma correta.

Para controlar o plano alimentar e o ajuste de medicamentos, se faz necessária àconstrução de gráficos com um conjunto de glicemias capilares obtidas em um dia. Afrequência do perfil glicêmico será maior ou menor dependendo do objetivo que se queiraatingir, do grau de controle necessário, da condição emocional do paciente para realizarmúltiplos testes que podem se tornar dolorosos, além da quantidade e dos tipos demedicamentos utilizados. Em vista disso, é importante que as metas sejam individualizadase estabelecidas de acordo com o nível glicêmico desejado pelo portador de diabetes com odevido respaldo de um profissional médico (BRASIL, 2006; PAESE; VIDOR; BOTELHO,2013).

O teste de glicemia capilar deve ser feito sempre que houver suspeita de hipoglicemia ouhiperglicêmia e repetido quando os resultados localizarem-se fora dos limiares determinadospelo médico.

Os glicosímetros de uso doméstico, oferecem resultados razoavelmente precisos. Emgeral, a maioria dos erros ocorre devido a procedimentos inadequados como: falta delimpeza ou limpeza inadequada do aparelho, utilizar fitas com prazo de validade expirado,


uso de fitas não compatíveis com o glicosímetro, além do uso de amostras sanguíneas emexcesso ou em escassez.

Considerando os problemas relatados e as dificuldades encontradas por pacientes paraa adesão do tratamento, averiguou-se a necessidade do desenvolvimento de um dispositivoportátil capaz de aferir, de forma simples e totalmente não invasiva, concentrações deglicose no sangue, possibilitando a adesão de pacientes a realizarem diversas mediçõesdurante o dia.

1.3 Objetivo

O trabalho proposto tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema que disponibi-lize a monitorização contínua da glicose presente no sangue arterial, sendo totalmente nãoinvasivo, procurando não ocasionar dores ou desconforto aos usuários. Para isso, adotou-seuma técnica já conhecida e de validação consolidada em instrumentos como os oxímetrosde pulso, os quais são empregados para a determinação da saturação de oxigênio do sanguearterial -SpO2- através de sensores ópticos ligados ao paciente.

Tendo em vista o método a ser utilizado, ao final do trabalho almeja-se comprovar apossibilidade da monitorização não invasiva e contínua dos níveis de glicose presentes nosangue arterial, através deste método que vem sendo utilizado em algumas patentes jáexistentes.

1.4 Organização do trabalho

O trabalho desenvolvido foi organizado em cinco capítulos. No capítulo 1 serão descritasas possíveis aplicações e o escopo do projeto, as justificativas do trabalho e os objetivos.Já no Capítulo 2 deste texto, encontra-se a revisão da literatura, onde a partir da seção2.1 até a seção 2.3 será realizada uma revisão biológica ,na qual é descrita a influência daglicose para o bom funcionamento do metabolismo e os problemas de saúde associados aoseu desequilíbrio no corpo humano. A partir da seção 2.3 até o final 2.4 são retratadosos tipos de exames glicêmicos, os equipamentos utilizados e métodos já estudados para amedição da concentração de glicose. A seção 2.5 enfoca na revisão de algumas patentes demonitores não invasivo. No capítulo 3 é descrita toda a metodologia do sistema propostono trabalho. No capítulo 4 é feita a descrição do projeto , os componentes utilizados e ajustificativas para a utilização destes. O capítulo 5 demonstra os resultados conclusões eas possíveis melhorias.

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2 Revisão Bibliográfica

Neste capítulo serão abordados os aspectos energéticos do metabolismo relativos àingestão de carboidratos e consequentemente a produção de glicose. Em seguida o textoversa sobre o transporte de glicose através da membrana celular relacionando o acréscimoglicêmico no sangue com a produção de insulina. Em consequência disso serão explanadosfatores relativos à diabetes melitus e sua ligação à insulina, justificando a importância daautomonitorização glicêmica. A partir daí o enfoque do texto será a revisão de exames,dispositivos, métodos e patentes de monitores não invasivos de glicose.

A seção 2.1 se baseia principalmente nas obras de Guyton e Hall (2006), Mahan eEscott-Stump (2013), Paese, Vidor e Botelho (2013) e no manual “Cadernos de atençãobásica” (2006). Sendo as duas últimas, referências importantes na construção da seção 2.2.

2.1 Metabolismo energético e o acréscimo de glicose no sangue

Metabolismo é o processo de transformar alimentos em elementos tissulares e compostoscomplexos em simples para a produção de calor e energia, sendo constituído basicamentepor duas etapas conhecidas como anabolismo e catabolismo. A primeira é responsável porações construtivas, em que nutrientes são assimilados e utilizados principalmente parasíntese de materiais celulares e o armazenamento de energia. Já a segunda possui finalidadecontrária, sendo responsável pela quebra ou desdobramento de moléculas com liberação deenergia e a eliminação de substâncias de excreção.

Em geral, as reações químicas das células ocorrem com o intuito de obter energia apartir de alimentos para a execução de atividade muscular, secreção glandular, síntese desubstâncias nas moléculas, dentre outras funcões que mantêm o metabolismo equilibrado.Para isso é necessário que as reações químicas que ocorrem dentro das células estejam"acopladas"com os sistemas responsáveis pelas funções fisiológicas através da ação deenzimas, coenzimas e hormônios (GUYTON; HALL, 2006).

Como principal fonte energética estão os carboidratos, que convertidos em glicose, sãoessenciais para todas as reações metabólicas e para retardarem os efeitos da gliconeogênese1. No fígado os carboidratos são armazenados como glicogênio2 servindo como estoqueenergético para o controle hormonal da glicemia(MAHAN; ESCOTT-STUMP, 2013).

Conforme Guyton e Hall (2006), a glicose representa cerca de 80 % dos produtos finaisprovidos pela digestão de carboidratos tornando-a a via final comum para o transporte decarboidratos para as células. No entanto, para ser utilizada pelas células dos tecidos docorpo, a mesma deve ser transportada através da membrana celular para o citoplasma. Na1 conversão de compostos como proteínas e gorduras em glicose2 forma de armazenamento de energia, em pequena, escala

Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 18

maioria dos processos ela passa para o interior da célula através da difusão facilitada, naqual ocorre à ligação de moléculas de glicose a moléculas proteicas transportadoras, quesão carregadas para o interior das células e liberadas.

Para que o transporte da glicose seja realizado de modo regular ao interior das células,o pancrêas secreta dois hormônios distintos: a insulina e o glucagon. A liberação desteshormônios ocorrem em situações adversas. Assim, quando os níveis glicêmicos do sangueaumentam demasiadamente a liberação de insulina é intensificada para inibir a enzimaresposável pela degradação do glicogênio no fígado e consequentimente a liberação deglicose. Cessada a liberação de glicose, a insulina ainda intensifica o transporte de glicoseao interior das células, regulando novamente a glicemia sanguínea. Em uma situaçãocompletamente diferente, o glucagon é liberado quando ocorre a diminuíção dos níveisglicêmicos devido à ingestão diminuida ou a utilização excessiva de glicose, atuando sobrea degradação do glicogênio aumentando a liberação de glicose Guyton e Hall (2006). Oprocesso descrito é ilustrado de forma mais clara na figura 1.

Figura 1 – O processo de regulação glicêmica.

Fonte: . "acesso em :01/12/217"

A disfunção devido a estes hormônios podem ocasionar sérias complicações comoo diabetes. Esta doença é ocasionada por disturbios relacionados com a liberação deinsulina devido ao mau funcionamento do pâncreas ou por ações da mesma envolvendoprocessos patogênicos. A insuficiência de insulina leva à diminuição da capacidade de

http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Corpo


utilização da glicose pelas células, fazendo com que a concentração de glicose no sangueaumente, ocasionando a hiperglicemia. Assim, é importante que pacientes diabéticos façamo monitoramento glicêmico (BRASIL, 2006).

Conforme Jameson (2014) após refeições o sangue venoso permanece com níveisglicêmicos substâncialmente mais baixos que no sangue arterial durante algumas horas.Em diabéticos a glicose pós-prandial pode ser elevada, quando não tratada, sendo umfator de risco para complicações cardiovasculares (CRUZES et al., 2008). Embasado nessasinformações e em algumas patentes citadas mais adiante na seção 2.5 é justificada a buscapor sistemas que estimem concentrações glicêmicas no sangue arterial e capilar.

2.2 Diabetes Mellitus

O diabetes pode ser dividido em três tipos: o diabetes mellitus tipo 1 (DM1) , diabetesmellitus tipo 2 (DM2) e o diabetes gestacional, que em geral , é um estágio pré-clinico dediabetes.

O DM1 ocorre quando o pâncreas cessa ou reduz drasticamente a produção de insulinapara a captação satisfatória da glicose. Com a falta de insulina, pacientes que apresentama DM1 necessitam receber quantidades terapêuticas do hormônio para regular a glicemia emanterem uma vida saudável. Sem ela, as taxas glicêmicas aumentam podendo comprometero organismo a longo prazo. Logo o controle deve ser feito regularmente e seu tratamentodeve abranger: automonitorização regular da glicemia para traçar o perfil glicêmico dopaciente e realizar um planejamento alimentar, além do uso de insulina.

No diabetes DM2, o termo tipo 2 é usado para designar uma deficiência relativa deinsulina, ou seja , ela é produzida continuamente , no entanto há uma resistência à ação dainsulina sobre o metabolismo da glicose nas células. A incidência do DM2 é mais costumeiraque o DM1, respondendo melhor ao tratamento com planejamento alimentar e atividadefísica. O DM2 pode levar anos para ser diagnosticado, devido aos fracos sintomas que emalgumas ocorrências não se manifestam. Por outro lado, em casos em que os sintomas sãomais acentuados utilizam-se hipoglicemiantes orais ou insulina. Assim a automonitorizaçãoé a forma mais indicada para o controle do DM2.

Já Diabetes gestacional é a hiperglicemia diagnosticada na gravidez, de intensidadevariada, geralmente se resolvendo no período pós-parto, mas retomando anos depois emgrande parte dos casos. Acredita-se que as causas estejam relacionadas com a alta produçãode hormônios, realizada na placenta, que prejudicam a ação da insulina. Em geral, duranteo período de tratamento,deve ser realizada a verificação periódica através de exameslaboratoriais, também devem ser feitos a automonitorização com o auxílio do glicosímetro,além do planejamento alimentar através do perfil glicêmico que será avaliado por ummédico.

Para o diagnóstico do diabetes são necessários testes químicos de sangue. Esses testes


são realizados para medir a concentração de glicose presente no sangue. Assim, através deuma ou várias amostras será possível diagnosticar se o individuo porta ou não a doença.Um modo comum para o diagnóstico é a verificação da glicemia casual, na qual é feita aavaliação glicêmmica sem padronização do tempo desde a última refeição. Neste processoo indivíduo pode ser diagnosticado com diabetes se a glicemia casual for igual ou acima de200 mg/dL. O processo pode ser facilmente realizado por um glicosímetro , mas confirmadocom exame clínico.

O tratamento do diabetes exige cuidados que não podem ser negligenciados para seuêxito com sucesso. Nesse processo é importante que seja mantido a dieta, os exercíciosfísicos, a medicação quando necessária e a monitorização dos níveis de glicose (laboratoriale automonitorização).

Os testes de glicose plasmática e hemoglobina glicada realizados em laboratório sãomuito importantes, pois as medidas servem para regular o tratamento e prevenir complica-ções do diabetes. No entanto, a automonitorização auxiliada por um glicosímetro, tambémé de extrema importância para a manutenção dos níveis normais de glicemia e a realizaçãode ajustes no tratamento. Um dos testes mais precisos é a medição da concentração deglicose no sangue capilar. Sendo realizado através de um glicosímetro torna-se prático.Contúdo os glicosímetros atuais de baixo custo possuem como desvantagem à necessidadede lacerar, o dedo (normalmente), com uma lanceta ou agulha para a extração do sangue, oqual é necessário no procedimento. Fato que, que leva alguns pacientes a buscarem outrasalternativas.

2.3 Revisão de exames glicêmicos

Segundo Murakami (2007), os métodos utilizados na medição da glicemia podem serdivididos em três grandes grupos: os exames laboratoriais, os exames de “ponta de dedo”e a medição por sensores contínuos semi-invasivos.

2.3.1 Exame laboratorial

O exame laboratorial é o mais comum entre os exames glicêmicos, sendo realizadode modo invasivo. Com avaliação glicêmica feita a partir de uma amostra de sanguecoletada do paciente , os resultados possuem graus elevados de exatidão , apresentandoerros estimados entre 2 e 3 % (MURAKAMI, 2007 apud POIRIER et al., 1998).

O método mais difundido entre exames laboratoriais é o realizado através da separaçãodo plasma sanguíneo, pela centrifugação seguido da aplicação de enzimas específicas. Nesteprocesso, as enzimas degradam a glicose formando algum produto de fácil quantificaçãocomo, por exemplo, a tonalidade da mistura ou correntes elétricas que são fornecidasatravés de reações químicas que ocorrem na degradação da glicose.(MURAKAMI, 2007).

Embora a sua boa precisão, o método laboratorial possui alguns inconvenientes para


ser utilizado no controle glicêmico diário. Como principais incovenientes estão: o fato dospacientes precisarem se deslocar até um centro especializado para poderem realizar oexame, além de ser invasivo, demorado e necessitar de quantidades excessivas de sangueem relação a os demais métodos (JÚNIOR, 2010).

2.3.2 Exame de "ponta de dedo"com dispositivo portátil

Esses exames são realizados a partir da extração de uma ou duas gotas de sanguecapilar. As amostras utilizadas nestes exames são extraídas da ponta do dedo dos pacientes,através de um pequeno orifício feito por alguma lanceta descartável. Depois de extraída,as amostras são aplicadas a uma fita , que por sua vez , é inserida em um glicosímetroportátil que fará a leitura da glicêmia presente na amostra murakami2007vmongluco.

Uma das vantagens que os exames de "ponta de dedo"possuem em relação aos labo-ratoriais é a dinamicidade nas respostas, além da praticidade. Com resultados providosem aproximadamente 5 minutos , este torna-se o método mais difundido entre os diabéti-cos(JÚNIOR, 2010; MURAKAMI, 2007).

Embora seja o método mais difundido, existem algumas desvantagens como o fatode ser um exame invasivo com exatidão inferior a dos exames laboratoriais. Além disso,as leituras podem apresentar desvios na ordem de 15 %, com significativas variaçõesdependendo da habilidade de manuseio do aparelho pelo usuário no processo(BÖHME etal., 2003; KRISTENSEN et al., 2008).

2.3.3 Exame através de sensores contínuos semi-invasivos

Com a busca por métodos mais práticos , e menos dolorosos, o mercado tem absorvidodiferentes dispositivos para o monitoramento glicêmico. Em trabalhos como o de Melo(2016) e de Murakami (2007) são descritas em suas revisões, dispositivos semi-invasivos demonitoramento contínuo , que em geral realizam as leituras através de sensores cutâneos ousubcutâneos revestidos por enzimas que permanecem em contanto com o fluído intersticial,gerando uma corrente elétrica proporcional à concentração de glicose presente nele.

Embora sejam denominados “contínuos”, estes dispositivos geram, leituras pontuaisem curtos intervalos de tempo, compreendidos entre 5 e 15 minutos, apresentando erros deleitura com desvios na ordem de 15 a 20 %, quando comparados a leituras em exames delaboratórios (GOLDBERG et al., 2004). Sendo que, sobre certas condições estes desviospodem chegar a 50 % (METZGER et al., 2002; MASTROTOTARO; GROSS, 2003).


2.4 Revisão de dispositivos e métodos para a avaliação da glicemia

Os dispositivos para o monitoramento de glicose têm sido desenvolvidos através demuitos métodos ao longo do tempo, como apresentado no artigo “The Pursuit of NoninvasiveGlucose” (2006), o qual foi utilizado para a construção desta seção.

2.4.1 Métodos invasivos e de monitoramento contínuo

Os métodos invasivos consistem da extração de uma pequena amostra sanguínea, paraser avaliada por um aparelho que utilizará uma técnica especifica para mensurar a glicosenesta amostra.

Um dos primeiros glicosímetros elaborados usufruía de uma técnica qualitativa parafornecer seus resultados. Para usa-lo são necessárias fitas reagentes. Estas fitas quando emcontato com uma gota de sangue modificam a sua coloração de acordo com a concentraçãoda glicose sanguínea. Por fim, estas fitas são colocadas no dispositivo, que por sua vez,faz uma comparação qualitativa entre a coloração da fita e alguns rótulos com coloraçõespré-estabelecidas para se estimar a glicose presente no sangue.

Com o passar do tempo esses instrumentos modificaram-se, mas o método persistiu,exceto pela análise, que foi modificada, através de sistemas por fotometria de absorbância,que permitiram a interpretação de várias colorações providas pelas fitas reagentes.

Figura 2 – (A)fitas reagentes e o glicosímetro por estimativa “fotométrica” qualitativa,(B)glicosímetro por fotometria de absorbância.

Fonte:(A)adaptado de (SMITH, 2006).(B)(ACCU-CHEK, 2016).

Já um segundo modelo de glicosímetro se valia de outras propriedades. Por este métodoo dispositivo funciona através de medidas eletroquímicas, a reação da glicose no sanguegera uma corrente elétrica relacionada à concentração de glicose. Desta forma é possívelquantizar a concentração glicêmica presente no sangue. Este método é conhecido comoamperométrico e é utilizado em dispositivos como o Accu-chek Adevantage.


Figura 3 – (A)um dos primeiros Glicosímetros amperométricos.(B) glícosimetro ampero-métrico atual.

Fonte:(A)(SMITH, 2006).(B)(ACCU-CHEK, 2016).

já entre os métodos mais estudados para o monitoramento contínuo de glicose estãoos que utilizam sensores enzimáticos. Neste método, normalmente, utiliza-se um eletrodocomposto por uma camada de enzima. As enzimas presentes no eletrodo causam uma reaçãoquímica de oxidação na glicose, que por sua vez gera uma corrente elétrica proporcional àconcentração de glicose no meio.

Figura 4 – Composição do eletrodo enzimático.

Fonte:adaptado de (MURAKAMI, 2007).

Geralmente o sensor, possui o formato de uma agulha como na figura 4, sendo inseridono subcutâneo, ficando em contato direto com líquido intersticial e consequentementecom a glicose intersticial como apresentado na figura 5. Assim, quando sob a presença detensão elétrica, as moléculas resultantes da reação das enzimas com a glicose, podem serquebradas, gerando a corrente elétrica utilizada para a quantização da glicose no sangue.


Figura 5 – Sensor aplicado ao líquido intersticial.

Fonte:(MURAKAMI, 2007)

2.4.2 Métodos com sensores não invasivos

Um método bastante estudado para o monitoramento não invasivo de glicose é obaseado na correlação da acetona exalada no ar provido da respiração com os níveis deglicose. Neste método, normalmente, utiliza-se um sensor capaz de captar as moléculasfornecidas através da respiração. Após serem captadas e convertidas em dados elétricosnormalmente passam por um processamento envolvendo algum tipo de rede neural paraobter-se uma boa correlação entre as moléculas de acetona e a concentração de glicose.

Figura 6 – Acetona exalada no ar utilizada para a predição de glicose sanguínea.

Fonte: adaptado de ,"acesso em: 09/09/2017".

Outros métodos baseiam-se em técnicas transdérmicas como através da coleta de suor eanálise da glicose presente nele, ou através de fluidos lacrimais como proposto em algumaspesquisas.

Na primeira técnica a ideia era adicionar um composto sudorífico com nitrato depilocarpina na superfície da pele para aumentar o fluxo do suor para então ser realizada a

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análise da glicose presente no suor. O grande problema deste método é que o suor normalnão contém níveis mensuráveis de glicose e o suor estimulado não condiz com os níveis deglicose em tecidos não estimulados (SMITH, 2006).

A segunda técnica é baseada na análise de fluídos lacrimais. Em 2013 havia pelo menostrês anúncios de pessoas que estavam desenvolvendo esta técnica. Mais recentemente aGoogle anunciou o patenteamento e licenciamento de uma lente de contato com detecçãoeletroquímica de glicose. A técnica se fundamenta através do uso da micro-energia geradapelo ácido ascórbico e a glicose presente em fluidos lacrimais.

Figura 7 – Lente para detecção de glicose baseada em um principio eletroquímico.

Fonte:(SMITH, 2006)

Além dos métodos baseados em elementos transdérmicos há outro método baseadoem técnicas de espectroscopia. Este método é um dos mais utilizados, sendo empregadopara determinar a presença ou a concentração de uma substância através de medidasfeitas sobre a interação destas substancias com a luz. No processo é quantificada aquantidade de luz que é absorvida pelo material, sendo que em algumas circunstânciasas substâncias também podem liberar a luz em processo que é denominado de “emissão”.Assim através da observação dos valores mensurados da absorção da luz pelos objetos eo respectivo comprimento de onda da luz emitida é possível verificar uma curva que éreferida como um espectro de absorção. Cada material possui um espectro de absorçãoespecifico e razoavelmente exclusivo, dependendo de sua estrutura química, estado físicoou temperatura. No presente trabalho esta é a técnica empregada, visto sua utilizaçãoem trabalhos como os de Malin et al. (1999), Mendelson e Kent (1989) e Lima (2017),devido a sua praticidade para o usuário e a sua fácil utilização em locais como as pontasdos dedos, lóbulos das orelhas e até mesmo o pulso. No capítulo 3 a técnica será descritacom melhores detalhes para ser utilizada na detecção das moléculas de glicose.

O processo de espectroscopia se resume na emissão de uma onda eletromagnética queviaja através de um objeto, que por sua vez absorve parte da onda , o que consequentementeacarreta a atenuação da onda captada por um receptor conforme descrito na figura 8.


Figura 8 – Processo de espectroscopia.

Fonte: adaptado de (LIMA, 2009).

2.5 Revisão de patentes relacionadas ao método de espectroscopia no mo-

nitoramento glicêmico

Em geral, grande parte das pesquisas e patentes desenvolvidas até o momento utilizao princípio da espectroscopia. Com princípio baseado na emissão e na captação de luzabsorvida por substâncias, o método é empregado com o auxílio de vários artifícios deprocessamento e variações de emissores de colorações variadas.

Na patente internacional número 5086299 de Rosenthal, Paynter e Mackie (1991) foielaborado um instrumento para análise quantitativa de radiação infravermelha bem comoum método não invasivo para mensurar a glicose sanguínea relacionando-a com a radiaçãoremanescente da interação entre o sangue arterial e o sangue venoso sobre qualquerparte do corpo. Nesta patente foram realizados diversos testes com diversos emissoresde comprimentos de onda variáveis. Ao final dos testes foram obtidas as correlações dosprocessos de mensuração da glicemia com esses diversos comprimentos de ondas, onde osmelhores comportamentos se deram em regiões como as de 790 nm a 850 nm (região k)relacionados com uma região com valores mais elevados no espectro começando a partirde 1050 nm até 1100 nm (região j) conforme a figura 9.


Figura 9 – Espectro efetivo da absorção de glicose pelo corpo humano ilustrado na patente5086229.

Fonte:(ROSENTHAL; PAYNTER; MACKIE, 1991).

Nestas regiões foram obtidas melhores correlações, pois foram considerados os efeitosde variação da absorção das moléculas de água presentes no sangue devido à variação datemperatura no local em que os sensores estão em contato com o corpo, como ilustradopelo gráfico da figura 10.

Figura 10 – Correlação da absorção devido ao efeito da temperatura.


Neste estudo foram ilustrados dois modelos de instrumentos: o primeiro utilizado naponta do dedo, composto por dois emissores de comprimentos de onda diferentes e umreceptor, e um segundo modelo para ser utilizado no pulso conforme a figura 11.


Figura 11 – Modelo dos instrumentos propostos na patente 5086229.


Também de forma similar a patente 5086229 encontra-se a patente depositada como: “Instrumento de Medição Não invasiva para monitorização Contínua da Concentração DeGlicose no Sangue Arterial” de José Carlos T. B. Moraes e Roberto Castro Jr (2010). Nodocumento depositado é proposto um instrumento não invasivo para o monitoramentocontínuo da concentração de glicose. Este instrumento é composto por dois ou maiscomprimentos de onda. Como exemplificado no documento foram utilizados dois emissoresde luz com comprimentos de onda diferentes, sendo um com valor de 805 nm e outro de1350 nm, compondo o instrumento descrito pelo diagrama apresentado na figura 12.

Figura 12 – Arquitetura do instrumento proposto no pedido de patente PI 10013332-6 A2.

Fonte:(JÚNIOR, 2010).


Assim como os métodos propostos acima, seguindo pela mesma vertente a patenteinternacional depositada em 2009, número US8340738 B2 de Xu (2012), também se valedas propriedades da espectroscopia, prevendo um sistema e um método não invasivo paraa mensuração dos níveis de glicose sanguínea baseados em dados espectrais de amostrasbiológicas in vivo. No documento é proposta uma gama de técnicas para melhorar arelação sinal-ruído na aquisição dos dados espectrais realizando os cálculos de atenuaçãoda luz atribuídos à amostra sanguínea in vivo. O sistema é composto por cinco principaiselementos:

1. O uso de um operador de desvio em conjunto com uma função logarítmica;

2. O uso de um fator de normalização;

3. O uso de um fator razão de absorvância;

4. Previsão dos efeitos de variação de temperatura em vários componentes do sistema;

5. O uso de um detector de luz para prever a "corrente de escuro"e auxilar na calibração.

Abaixo se encontra o esquemático proposto na composição do sistema:

Figura 13 – O Diagrama do sistema proposto em US8340738 B2.

Fonte:(XU, 2012)


O sistema ilustrado na figura 13 se ampara especialmente em propriedades relacionadasà variação da absorção da energia irradiada através de um local do corpo humano comodescrito na figura 14. Desta forma é possível mensurar principalmente a glicose presenteno sangue arterial conforme relatado no documento.

Figura 14 – O gráfico ilustra a absorção relativa a variação da absorvância in vivo.

Fonte:(XU, 2012)

No presente trabalho foram utilizadas algumas das propriedades descritas nesses trêsdocumentos relacionando elementos fundamentais de cada um deles, para que ao finalfosse desenvolvido um sistema para o monitoramento contínuo e de forma não invasivados níveis glicêmicos.

31

3 Metodologia

A metodologia utilizada no instrumento proposto para a monitorização contínua enão invasiva da concentração de glicose se vale dos mesmos princípios utilizados pelasmetodologias de oximetria de pulso para a determinação da oxigenação do sangue arterial,ou seja, é baseada em técnicas de espectroscopia.

3.1 Princípios da espectroscopia

3.1.1 Lei de Beer-Lambert

A lei de beer-lambert surgiu através da lei de beer, que descreve a atenuação de umfeixe de luz que se propaga através de um meio homogêneo contendo uma concentraçãomolecular de uma determinada substância absorvedora, e da lei de lambert, que descreve oenfraquecimento da intensidade de luz que atravessa o meio devido à espessura da camadado mesmo. Assim, pela descrição das leis: se uma luz monocromática de intensidade I0incide em um meio, uma parcela dela é transmitida através deste meio e outra é absorvidapor ele, sendo que a intensidade I remanescente que se propaga através do mesmo decaíexponencialmente conforme a seguinte expressão:

I = I0.eε(λ).c.d (3.1)

onde ε(λ), expresso em L.mmol−1.cm−1, é o coeficiente de extinção ou de absorção deuma determinada substância absorvedora devido à incidência de uma onda luminosa comum comprimento de onda específico de valor λ. Já o c representa a concentração destasubstância absorvedora com unidade mmol.L−1, e d expressa o comprimento do caminhoóptico através do meio conforme a figura 15.

Capítulo 3. Metodologia 32

Figura 15 – A absorção em um meio homogêneo.

Fonte:(WEBSTER, 1997)

Em acordo com a figura 15, a Lei de Beer-Lambert não considera processos físicos queincluem reflexão ou dispersão da luz que incide no meio absorvente. Desta forma, a leiconsidera que a soma das intensidades de luz absorvida e transmitida é igual à intensidadede luz que incide no meio.

3.1.1.1 A validade da Lei de Beer-Lambert para mais de uma substância absorvedora

Segundo Webster (1997) o processo descrito pela lei de Beer-Lambert , pode serrepresentado por outras propriedades com transmitância T , que representa a razão daintensidade de luz transmitida I em relação a intensidade luz incidente I0 que se propagadaatravés do meio conforme a seguinte equação:

T = II0

= eε(λ).c.d (3.2)

Entretanto, em casos nos quais há mais de uma substância absorvedora no meio, apropriedade analisada é a chamada absorvância (densidade óptica do meio) representadapor A e definida pela equação:

A = −ln(T ) = ε(λ).c.d (3.3)

Para esses casos, cada absorvedor contribui de forma parcial na composição da ab-sorvância total (At) presente no meio. Desta forma, a representação matemática de Atpode ser obtida pela superposição da absorvância de cada absorvedor (WEBSTER, 1997).Assim, a composição de At em um meio que contêm n substâncias absorvedoras é expressa


pela soma das absorvâncias de cada substância presente neste meio conforme a seguinteequação:

At = A1(λ)+A2(λ)+ · · ·+An(λ) = ε1(λ).c1.d+ε2(λ).c2.d+ · · ·+εn(λ).cn.d =n∑i=1

εi(λ).ci.d (3.4)

em que εi(λ) representa o coeficiente de extinção da substância i , a qual esta presenteno meio quantificada por uma concentração ci. Ainda nesta expressão o termo d representao comprimento do caminho óptico, que é constante para todos os comprimentos de onda esubstâncias presentes neste meio.

Considerando que a absorvância At em um meio é composta pelas n absorvânciasde diferentes substâncias, através da lei de Beer-Lambert é possível determinar as con-centrações destas n substâncias presentes neste meio. Para tanto, é necessário medir aabsorvância da luz em n diferentes comprimentos de onda para a resolução de um sistemacom n incógnitas (WEBSTER, 1997).

Para o instrumento proposto foram utilizados dois comprimentos de onda (λ1 , λ2)para determinar a concentração de glicose presente no sangue arterial através da mediçãoda absorvância da luz em tecidos humanos. Desta forma será necessário duas equações eduas incógnitas para a resolução do sistema.

3.2 A absorção de luz por tecidos biológicos e sua aplicação no glicosímetro

não invasivo

A absorção em tecidos vivos é diferente da absorção que ocorre em meios homogêneos.Em meios como, por exemplo, os dedos das mãos ou os lóbulos das orelhas existemdiversos tecidos e substâncias absorvedoras . Assim, o sistema deve prever um métodopara diferenciar a absorvância do sangue arterial em relação aos demais absorvedores quesão a pigmentação da pele do osso e o sangue venoso (WEBSTER, 1997). Abaixo a figura16 ilustra a absorção em tecidos vivos.


Figura 16 – A absorção em tecidos vivos conforme a variação do caminho óptico.

Fonte:(WEBSTER, 1997)

A absorção descrita pela figura 16 , é dividida em duas parcelas. Uma delas, naqual não há mudanças relativas ao grupo de absorvedores que é composto pelo sanguevenoso, a pigmentação dos tecidos e pelas demais substâncias que compões este meio. Jáa segunda parcela é composta pelo sangue arterial, o qual é responsável por transportarsubstâncias absorvedoras como a glicose. Devido às características biológicas que envolvema pulsação sanguínea arterial, a absorção deste meio é modificada conforme o acréscimoe o decréscimo do sangue a cada ciclo cardíaco . Desta forma, a absorvância total dostecidos e das substâncias absorventes é composta por uma parcela estática e por outraalternada (WEBSTER, 1997).

O ciclo cardíaco é composto por duas parcelas conhecidas como sístole e diástole. Deforma simplificada, o movimento sistólico é aquele em que ocorre a contração do coraçãoe o bombeamento do sangue até as artérias e arteríolas. Em contrapartida, na diástoleacontece a expansão do coração devido ao recebimento do sangue espalhado no corpoque é bombeado das artérias até coração novamente (GUYTON; HALL, 2006). Abaixo, afigura 17 ilustra o que ocorre nas artérias e no coração em ambos os ciclos.


Figura 17 – Ilustração dos movimentos do coração e das artérias conforme o ciclo cardíaco.

Fonte: Elaborado pelo autor

Como ilustrado nas figuras 16 e 17 a parcela correspondente ao sangue arterial variafazendo com que a absorvância da luz aumente devido ao acréscimo do caminho óptico eda quantidade de substâncias absorvedoras presentes nas artérias durante o movimentosistólico. De modo complementar, na diástole a absorção da luz é minimizada graças aodecréscimo do caminho óptico e dos absorvedores (WEBSTER, 1997).

Segundo Webster (1997) utilizando a parcela pulsátil da absorvância total em tecidosvivos é possível diferenciar a absorvância devido aos absorvedores estáticos (parcelacontínua da absorvância total, ADC) da parcela alternada representada pelo sangue arterial(parcela alternada da absorvância total, AAC). Assim, a absorvância total é uma funçãodependente das duas absorvâncias conforme a equação 3.5.

At = f(AAC , ADC) (3.5)

Conforme Webster (1997) a parcela alternada da luz absorvida por tecidos biológicosgeralmente não excede de 1% a 2% da absorvância constante devido a componente DC. Ea variação do sinal remanescente da luz absorvida é referida como sinal pletismográfico oufotopletismográfico como observado na figura 18, onde é possível verificar o sinal elétricoque é gerado em um receptor óptico a partir da luz que transpassa o meio absorvedor.


Figura 18 – Ilustração do sinal fotopletismográfico captado por um fotorreceptor.


A intensidade de luz que se propaga durante a diástole é a alta (IH) e os absorvedorespresentes durante esta constituem os componentes contínuos (DC). Nesta etapa comojá mencionado anteriormente o diâmetro dos vasos arteriais é mínimo (dmín) e, portanto,a absorvância devido à hemoglobina arterial e outros absorvedores também é mínimaresultando em IH . De modo contrário, na sístole o caminho óptico é incrementado paradmáx devido à expansão das artérias. Assim a absorção do meio atinge um pico máximo quepor consequência resulta na intensidade mínima de luz transmitida (IL) como apresentadona figura 19 (WEBSTER, 1997).

Figura 19 – A absorção de luz em tecidos vivos conforme o ciclo cardíaco.

Fonte: (WEBSTER, 1997)

Desta forma a intensidade de luz captada pelo fotodetector pode ser escrita a partir daexpressão da lei de Beer-Lambert em função da variação do diâmetro ∆d das artérias e


da intensidade máxima recebida, podendo ser dividida em duas parcelas: uma devido àabsorvância provida pela glicose e outra provida pelos demais absorvedores presentes nomeio conforme a expressão 3.6 (WEBSTER, 1997).

I = IH .e−[εC6H12O6 (λ).cC6H12O6 ].∆d.e−[εdemaisabsorvedores (λ).cdemaisabsorvedores ].∆d (3.6)

, onde ∆d = dmáx − dmin

Assim é possível fazer a análise em cima dos absorvedores presentes no sangue arterialconforme está variação.

3.3 Critérios para a escolha dos comprimentos de onda do sistema não

invasivo

Para o sistema proposto foram feitas duas implementações distintas: uma utilizando opar de comprimentos onda de 805 e 1470 nm , e outra utilizando o par 805 e 940 nm.

Diferentes motivos levaram as escolhas dos distintos comprimentos de onda para adeterminação da concentração de glicose presente no sangue arterial. Conforme Webster(1997) a pigmentação da pele absorve uma grande quantidade de luz em comprimentos deonda menores que 600 nm e, portanto, não é apropriado realizar medidas de absorvânciada luz nesta faixa.

Para o sistema proposto foi utilizado como referência um emissor com comprimento deonda (λ1) de 805 nm, visto que a influência das hemoglobinas é mais baixa nesta faixa.Conforme a figura 20 é possível observar que é neste ponto onde ocorre o cruzamento doscoeficientes de absorção das hemoglobinas oxigenadas (HbO2) e reduzidas (Hb).


Figura 20 – Coeficientes de extinção para hemoglobinas oxigenadas e reduzidas conformeo comprimento de onda da fonte de luz emissora.

Fonte: (MOYLE, 2002)

Já o segundo comprimento de onda foi escolhido embasado em diferentes pesquisas:Conforme Malin et al. (1999), para se obter grandes variações da intensidade de luztransmitida através da glicose é preciso utilizar um comprimento de onda em uma faixaentre 1400 nm e 2400 nm como ilustrado pelo gráfico de coeficientes de extinção da glicoseilustrado na figura 21.

Figura 21 – Espectro de absorvância da glicose.

Fonte: (MALIN et al., 1999)


Através do gráfico é possível verificar três regiões em que ocorrem picos de absorção deglicose. No trabalho de Júnior (2010) o comprimento de onda escolhido foi 1350 nm, ouseja, o mais próximo possível de 1400 nm. Para o trabalho foi utilizado em um primeiromomento um comprimento de onda (λ2) de 1470 nm, pois nele há uma significativaabsorção de luz devido à glicose presente no meio. No entanto neste ponto a transmissãode luz em tecidos vivos é mais complicada devido à absorção da água como ilustrado nográfico 22 (MOYLE, 2002).

Figura 22 – O gráfico ilustra a porcentagem de luz que permeia um meio composto porparticulas de água como em tecidos vivos.

Fonte: (MOYLE, 2002)

Logo foi proposta uma segunda arquitetura para o sistema modificando este segundocomprimento de onda (λ2), pois segundo Yadav et al. (2014) a glicose também possui picosde absorção em regiões mais baixas como em 939 nm, 970 nm e 1197 nm.

Em análises feitas por Abidin et al. (2013) foram obtidos resultados promissores paraa utilização de comprimentos de onda de 940 nm e principalmente para o de 950 nm.Atrelado a essas análises é possível observar através do gráfico de absorvância 23 descritopor Lam et al. (2010) que em torno 960 nm ocorre um pico de absorção da glicose , noentanto por motivos técnicos-econômicos, no trabalho foi utilizado o comprimento de 940nm onde já ocorre uma variação na absorvância devido a diferentes concentrações deglicose.


Figura 23 – A Absorção de glicose em comprimentos de onda mais baixos.

Fonte: (LAM et al., 2010)

Assim, com base na Lei de Beer-Lambert e no princípio de funcionamento dos oxímetrosde pulso é possível fazer com que a leitura do glicosímetro seja uma estimativa daconcentração de glicose no sangue arterial, em função da razão entre absorvâncias devidoa absorção de luz a partir da radiação provida por dois emissores que emanam ondaseletromagnéticas com comprimentos de onda distintos como no caso dos oxímetros.

Logo a concentração de glicose será uma função entre duas absorbâncias diferentes:

Cg = f(A1A2

) (3.7)


3.4 Normalização dos sinais (WEBSTER, 1997)

A concentração de glicose é estimada como uma função da razão entre as absorvânciasA1 e A2. No entanto, para que as intensidades de luz medidas nos diferentes comprimentosde onda possam ser comparadas é necessário que seja feito a normalização deste sinal,devido ao fato de que os diodos emissores de luz (LEDs) podem emitir luz com diferentesintensidades. Além disso, as características de absorção devido à parcela dos absorvedorescontínuos e a sensibilidade do fotodetector diferem para os dois comprimentos de onda,assim como a absorção do tecido e o comprimento do caminho óptico que variam de pacientepara paciente e com o local em que o transdutor é aplicado (KOCK; TARASSENKO,1991). Deste modo, o sinal normalizado In é calculado dividindo as intensidades de luztransmitidas pelos seus picos máximos individuais devido à diástole do ciclo cardíaco (IH,1para λ1 = 805nm e IH,2 para λ2 = 1470nm e para o segundo arranjo utilizado λ2 = 940nm)conforme a formulação 3.8.

In =I

IH= e−[εC6H12O6(λ).cC6H12O6 ].∆d.e−[εdemaisabsorvedores(λ).cdemaisabsorvedores ].∆d (3.8)

Com os sinais normalizados, estes não dependem mais do nível de luz incidente enem da não linearidade dos emissores e fotodetectores. Assim a componente AC do sinalnormalizado representa somente variações da intensidade luminosa devido à pulsatilidadedo sangue, que agora poderá ser comparada com outras componentes AC, como apresentadona figura 24. Aqui vale salientar que as componentes AC são constituídas devido à pulsaçãodo sangue arterial, o qual possui absorvedores como a glicose, e do comprimento do caminhoóptico d que se modifica conforme a variação do volume de sangue presente nas artérias(WEBSTER, 1997).

Figura 24 – Ilustração dos sinais brutos e dos sinais normalizados pronto para seremcomparados.

Fonte: (WEBSTER, 1997)


Então, para que as absorbâncias normalizadas sejam obtidas, basta que se extraiao logaritmo natural da intensidade de luz transmitida normalizada (In). Assim, após anormalização é necessário fazer a comparação das absorvâncias A1 e A2 em uma razão Rconforme a equação 3.9, para reduzir os efeitos causados pela não linearidade dos fotode-tectores e da absorção de luz devido às distintas absorvâncias. Com este equacionamentoos cálculos acabam dependendo somente dos absorvedores presentes no sangue arterial(WEBSTER, 1997).

R = A1A2

=ln( IL,1IH,1 )ln( IL,2IH,2 )

(3.9)

onde IL,1 e IL,2 equivalem valor mínimo do sinal transmitido durante sístole paraos respectivos comprimentos de onda de 805 nm, e 940 nm ou 1470 nm. Já IH,1 eIH,2 correspondem ao valor máximo do sinal transmitido durante a diástole para oscomprimentos de onda citados acima.

3.5 Utilização da Lei de Beer-Lambert no sistema não invasivo para o mo-

nitoramento da concentração de glicose sanguínea

A luz que incide e se propaga através do tecido humano não se divide apenas em luzabsorvida e transmitida, como proposto pela lei de Beer-Lambert. Algumas parcelas destasão refletidas e outras dispersas.

A reflexão de luz na superfície da pele e a absorção de luz devido ao tecido o sanguenão arterial pulsante são superadas utilizando as técnicas de oximetria através da análisedo sinal fotopletismográfico. No entanto, a superfície da pele, os tecidos, os músculos,os ossos e principalmente o sangue provocam a dispersão da luz. O sangue provoca taldispersão por ser um líquido não homogêneo capaz de realizar absorções não lineares daluz fazendo com que a absorvância da luz varie (WUKITSCH et al., 1988).

Segundo (AMIR et al., 2007) o aumento da concentração da glicose diminui a dispersãodo meio criando-se um caminho óptico menor , ou seja a dispersão do meio diminui , o queresulta no acréscimo da intensidade luminosa transmitida e na diminuição da absorvânciado meio. Esse efeito pode ser observado na figura 23 na seção 3.3.

De modo geral, a maioria dos equipamentos que utilizam propriedades baseadas naLei de Beer-Lambert empregam a relação conhecida como razão das razões ou relação R.Está relação pode ser definida pela equação 3.9 e aproximada pela equação 3.10 , devido aimplementação do processo de medição.

R ≈AC1DC1AC2DC2

(3.10)


Onde a parcela AC representa a média da variação alternada de pico a pico do sinalcaptado durante alguns ciclos cardíacos pelo fotoreceptor na frequência cardíaca do pacientee a parcela DC é representada como a média de toda a intensidade de luz transmitidaspor cada emissor com um determinado comprimento de onda durante estes ciclos.

De modo semelhante aos oxímetros comerciais o sistema em questão deve utilizar umacurva de calibração para relacionar a razão R com a glicose que será apresentada noinstrumento. Conforme Mendelson e Kent (1989), não há como ignorar fatores como apigmentação do sangue e as diferentes estruturas de tecidos, logo é necessário modificar aequação da curva de calibração teórica baseada na Lei de Beer pela descrita em 3.11.

Cg =k1 − k2.Rk3 − k4.R

(3.11)

Além desta, curva existem outras aproximações matemáticas para a representação dacurva de calibração, baseada no uso de polinômios, como a descrita em Fine e Weinreb(1995) pela equação 3.12 e o utilizado no desenvolvimento de um oxímetro em Nghia (2012)representada por 3.13.

Cg = k1 + k2.R + k3.R2 (3.12)

Cg = k1 + k2.R + k3.R2 + k4.R3 (3.13)

Onde as constantes k1,k2,k3 e k4 devem ser determinadas através da avaliação clínicapara que se possa obter o ajuste “ótimo” da curva de calibração.

Para o levantamento dos parâmetros das curvas de calibração é necessário calcularo parâmetro R e verificar a concentração de glicose correspondente ao valor calculado.Este procedimento deve ser repetido diversas vezes para diversas concentrações glicêmicas.Ao final é necessário aplicar métodos como os de regressão linear e regressão polinomialou conjunto de dados para que os parâmetros constantes da curva de calibração sejamcalculados. Uma forma prática de realizar este tipo de procedimento é através de programascomputacionas. No trabalho o procedimento foi realizado no software MATLAB comodescrito o final da subseção 4.1.4.

3.6 A descrição do projeto

O sistema desenvolvido neste projeto foi embasado em técnicas optoelétricas como asprovidas em diversos sensores para a captação de sinais eletromagnéticos como a luz. Aimplementação do projeto foi baseada na utilização dos conceitos providos pela oximetriade pulso como retrado neste capítulo, apenas modificando os comprimentos de onda (805e 1470 nm ou 805 e 940 nm) empregados em sensores de oximetria, conforme os critériosdescritos pela seção 3.3.

44

4 Desenvolvimento do sistema de monitoramento glicêmico

Como objetivo principal, o projeto visa o desenvolvimento de um sistema que possibiliteo monitoramento da glicemia presente no sangue arterial de modo contínuo, e não invasivoao corpo humano. Considerando os objetivos do presente projeto, serão descritas nestecapítulo as etapas de desenvolvimento do sistema, nas quais estão inseridas as fases deelaboração, especificação e determinação dos componentes.

O sistema desenvolvido foi embasado em técnicas optoelétricas como as providas emdiversos sensores para a captação de sinais eletromagnéticos como a luz. A implementaçãodo projeto foi baseada na utilização dos conceitos providos pela oximetria de pulso, apenasmodificando os comprimentos de onda (805 e 1470 nm ou 805 e 940 nm) empregados emsensores de oximetria.

Para avaliação do projeto foi necessário uso de metodologias simplificadas, visto que otrabalho não foi submetido a um comitê de ética para a liberação da avaliação clínica emvoluntários. Para tanto foi indispensável o desenvolvimento de uma estrutura, na qual éemulada de forma simplificada, a circulação sanguínea, além de outras propriedades comoa translucides do meio, para ser utilizada como referência de calibração para o valor deglicemia medido após o processamento dos dados.

4.1 Arquitetura do sistema

A primeira etapa do projeto consistiu na definição de um sistema através de umaarquitetura geral, baseada em dispositivos semelhantes aos apresentados na seção 2.5,conforme ilustrado pela figura 25.

Capítulo 4. Desenvolvimento do sistema de monitoramento glicêmico 45

Figura 25 – A arquitetura do sistema de monitoramento.


Definida a arquitetura do sistema, iniciou-se a procura por elementos que provessema solução de mais baixo custo e que atendessem de forma razoável os requisitos paracada módulo do sistema. Ao decorrer da pesquisa surgiram algumas possíveis soluções, noentanto muitas foram descartadas devido aos aspectos econômicos.

4.1.1 Módulo de alimentação geral

Embora o módulo de alimentação não fique explicito na arquitetura ilustrada por 25este é uma componente importante do sistema, visto que existem diversas prescriçõesdevido ao âmbito em que este opera.

Inicialmente, analisaram-se alguns aspectos relativos a circuitos de alimentação paraaplicações biomédicas. Através das análises observou-se que para a utilização de fontes dealimentação ligadas à rede elétrica é necessário o isolamento desta dentro das prescriçõesprevistas pela família de normas técnicas NBR IEC 60601, a fim de eliminar o riscoaos pacientes. Diante de tais obstáculos, e com o propósito de minimização de ruídos,simplificação de projeto e maior proteção a um futuro usuário, propôs-se a utilização debaterias em detrimento do uso de fontes chaveadas.

Pretendendo-se utilizar uma alimentação simétrica de 5 V para a alimentação do módulo


receptor e uma derivação com 3,3 V para a alimentação dos módulos de processamentodigital e de emissão infravermelho , e com base em seus consumos máximos optou-se pelautilização de duas baterias ligadas em série de 3,7 V e 2200 mAh nominais , recarregáveis,de lítion. Além disso, ao final do circuito foi proposto o uso de reguladores de tensão, paraa melhor estabilidade da alimentação.

Para a composição do circuito de alimentação simétrica foi necessário o uso de uminversor de tensão, que permitiu a partir de uma tensão positiva a aquisição de outranegativa, cujo valor em módulo é o mesmo provido pela bateria utilizada para a alimentação.Para a inversão de tensão foi escolhido o CI (circuito integrado) TL7660 cuja faixa deoperação de entrada é de 1,5 a 12 V , podendo ser convertida em -1,5 a -12 V na saída, com eficiência mínima garantida de 96 % (INTERSIL, 1999). Para o funcionamentodeste CI como inversor de tensão é necessário o uso de apenas dois capacitores eletrolíticosexternos, ligados entre os terminais 2 e 4 e 3 e 5 respectivamente, conforme a pinagemrepresentada em 26.

Figura 26 – Pinagem do 7660s , vista superior.

Fonte: (INTERSIL, 1999)

Tabela 1 – Funções dos pinos do 7660s.

Pino E/S Símbolo Função1 S Boost Pino para elevar a frequência do circuito2 E CAP + Conexo positiva do capacitor eletrolítico C13 E GND Conexo GND4 E CAP – Conexão negativa do capacitor eletrolítico5 S Vout Saída de tensão com polaridade invertida6 E LV Utilizado em GND para operação em baixa tensão (abaixo de 3,5 v)7 E OSC Pino de redução da frequência de comutação do circuito8 E V+ Referencial de tensão a ser invertido (Tensão de Entrada)

Fonte: (INTERSIL, 1999)


Na saída do circuito de alimentação simétrica foram alocados dois reguladores detensão, um positivo e outro negativo, de modo que a alimentação ficasse mais estável,diminuíndo possíveis ruídos interferentes aos sinais biológicos. Para a regulação foramutilizados os CIs KA7805 para a etapa de regulação positiva e o L7905 para a regulaçãonegativa. Conforme os fabricantes estes CIs suportam correntes de saída de até 1 A epossuem proteção contra curto-circuito e sobreaquecimentos (SEMICONDUCTOR, 2008;ST, 2012).

Já a etapa de alimentação simples consistiu em apenas um regulador de tensão ajustávelpara regular a tensão ao nível de 3,3 V. O Ci utilizado nesta etapa foi o LM317, umregulador de tensão positiva linear.

A figura 27 ilustra a ligação dos componentes utilizados na construção do módulo dealimentação. Os capacitores presentes nas etapas de construção do circuito foram alocadosconforme recomendações apresentadas pelos datasheets dos fabricantes. A versão final daplaca de circuito impresso (PCBs) ilustrada em 28 foi desenvolvida no software EAGLE8.1, com o layout impresso em uma impressora a laser.

Figura 27 – Módulo de alimentação.



Figura 28 – Layout do módulo de alimentação.


4.1.2 Módulo emissor

Como mencionado na seção 3.3 foram implementados dois arranjos. Para o primeiroarranjo utilizou-se emissores com os comprimentos de onda de 805 nm e 1470 nm. Jápara o segundo arranjo foram utilizados emissores de 805 nm e 940 nm. Nestes arranjosa única modificação feita foi a troca do emissor de 1470 nm pelo de 940 nm devido àbaixa capacidade de ondas com pico espectral em 1470 nm permear um meio compostopor uma quantidade significativa de partículas de água. Como arranjo final do projetoforam utilizados os emissores de 805 e 940 nm. Assim, nesta seção será descrito apenas odesenvolvimento do segundo arranjo ficando para a seção 4.2 , na qual é feita a descriçãosucinta de todas as PCBs que não funcionaram adequadamente, a demonstração das etapasde confecção do primeiro arranjo.

O módulo de emissão infravermelho consiste em duas partes: Uma etapa com osemissores de radiação infravermelha ( e

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