Fundamentos de Sistemas EmbarcadosACERVO DE PROJETOS · UnB

Saúde e vestíveis · 2024/2

Marca-passo

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Trabalho 1 - 2024-2 - Pacemaker

Integrantes

Matrícula Aluno
190089601 João Lucas Pinto Vasconcelos
211062259 Mateus Orlando Medeiros Ribeiro

1. Definição

   Um marca-passo, ou marcapasso, é um dispositivo médico implantável que regula os batimentos cardíacos de pacientes com arritmias. Ele utiliza um sistema embarcado para monitorar a atividade elétrica do coração e enviar impulsos elétricos quando necessário, garantindo que o coração mantenha um ritmo adequado.

Exemplos de condições que podem necessitar do uso do marca-passo incluem:

  • Bradicardia: Frequência cardíaca muito lenta.
  • Taquicardia: Frequência cardíaca muito rápida (em modelos especializados).
  • Bloqueios cardíacos: Interrupções ou atrasos na condução elétrica que coordenam os batimentos cardíacos.

O dispositivo monitora os sinais elétricos naturais do coração e, ao detectar anormalidades, emite impulsos elétricos que estimulam as câmaras cardíacas a se contraírem de forma sincronizada. Isso assegura a manutenção de um fluxo sanguíneo adequado para o corpo.

O marca-passo exemplifica um sistema embarcado crítico, onde hardware e software interagem em tempo real para desempenhar funções vitais. Ele combina sensores para monitoramento cardíaco, microcontroladores para processamento de dados e mecanismos de atuação que geram pulsos elétricos com alta precisão e confiabilidade.

Figura 1

Figura 1: Marca-passo. FONTE: minhavida Saúde

2. Listagem de Características

1. Unidade de Processamento

  • Tipo de Unidade: Microcontrolador (MCU)
  • Modelo: MSP430F1611
  • Fabricante: Texas Instruments
  • Arquitetura:
    • Data Processor: RISC de 16 bits
      • Essa arquitetura minimiza os ciclos de máquina necessários para executar instruções, aumentando a eficiência do processamento. Tal otimização é essencial em marcapassos, que requerem operação confiável e em tempo real.
    • CPU: Von Neumann
      • Utiliza um único barramento para dados e instruções, reduzindo o consumo energético e simplificando o design do hardware.
  • Clock: 32.768 Hz (frequência baixa, ideal para consumo mínimo de energia)
  • Referência: Journal of Computers, Vol. 3, No. 8, August 2008

Figura 2

Figura 2: MSP430F1611. FONTE: Texas Instruments

2. Memória

  • Flash: 48 KB + 256 B
  • RAM: 10 KB
  • Organização:
    • Segmentos de memória flash são usados para otimizar o armazenamento e facilitar a gestão de dados.
  • Referência: Datasheet MSP430F1611

Figura 3

Figura 3: Organização da Memória. FONTE: MSP430F1611 Datasheet

Figura 4

Figura 4: Diagrama de Blocos da Memória Flash. FONTE: MSP430x1xx Family User's Guide (Rev. F)

Figura 5

Figura 5: Segmentos da Memória Flash. FONTE: MSP430x1xx Family User's Guide (Rev. F)

3. Sistema Operacional

  • Tipo: RTOS (Sistema Operacional em Tempo Real)
  • Características:
    • Gerenciamento determinístico de eventos e interrupções, permitindo resposta em tempo real às condições cardíacas.
  • Referência: RTOS for Medical Devices 101

4. Sensores e Atuadores

  • Sensores:
    • Eletrodos para detecção de sinais elétricos cardíacos.
  • Atuadores:
    • Gerador de pulsos elétricos para estimulação cardíaca.
  • Compatibilidade: Componentes biocompatíveis e certificados.
  • Referência: TI MSP430 Documentation

Figura 6

Figura 6: Piezoelectric Crystal (Vibration Sensor). FONTE: thoracickey

5. Interfaces de Comunicação

  • Com Fio: UART e SPI para programação e diagnóstico.
  • Sem Fio: Tecnologias como NFC ou BLE podem ser aplicadas em modelos modernos.
  • Referência: Texas Instruments MSP430

6. Unidades de Entrada/Saída (I/O)

  • GPIO: 48 canais configuráveis.
  • PWM: 1 canal, usado em controle de baixa potência.
  • ADC/DAC: 8 canais ADC para leitura precisa de sinais analógicos.
  • Referência: Texas Instruments MSP430

Figura 7

Figura 7: Pin designation. FONTE: MSP430F15x, MSP430F16x, MSP430F161x Mixed Signal Microcontroller datasheet

7. Fonte de Energia e Gerenciamento

  • Fonte: Bateria interna de lítio de longa duração.
  • Gerenciamento: Módulo PMIC para operação em ultralow-power.
  • Referência: MSP430 Design Guide

8. Firmware e Atualizações

  • Firmware: Customizado, escrito em C, otimizando os periféricos do MSP430.
  • Atualizações OTA: Não implementadas em sistemas tradicionais; realizadas apenas durante a fabricação ou manutenção hospitalar.
  • Referência: Journal of Computers

9. Proteção e Segurança

  • Criptografia: Implementações básicas podem incluir AES ou SHA-256 para autenticação de comandos.
  • TPM: Não aplicável diretamente; segurança baseada em isolamento físico e controle estrito de acesso.
  • Referência: RTOS Security Standards

10. Armazenamento Externo

  • Compatibilidade: Não aplicável, pois não há necessidade de armazenamento externo em marcapassos.

11. Interface com o Usuário (UI)

  • Displays: Não presente.
  • Entrada de Comandos: Interface de programação externa, geralmente via UART.
  • Referência: TI MSP430 Documentation

3. Artigos Científicos

  1. Design Overview Of Processor Based Implantable Pacemaker (2008)
    Autores: Santosh Chede e Kishore Kulat
    Este artigo apresenta um estudo detalhado sobre os aspectos de hardware/software de marcapassos implantáveis. O microcontrolador MSP430F1611 é destacado por sua baixa potência e capacidade de gerenciar tarefas críticas em tempo real, incluindo modos operacionais como VOO, VVI e VVIR. O artigo também aborda o impacto do design de software sobre a eficiência energética e a longevidade da bateria.
    Fonte: Journal of Computers, Vol. 3, No. 8, August 2008.

  2. Design and Implementation of an Ultralow-Energy FFT ASIC for Processing ECG in Cardiac Pacemakers (2019)
    Autores: Safwat Mostafa Noor, Eugene John, Manoj Panday
    Este artigo foca no uso de circuitos específicos (ASICs) para implementar algoritmos FFT de forma eficiente em marcapassos. Ele propõe otimizações baseadas em hash e tabelas de busca para reduzir o consumo energético, prolongando a vida útil das baterias. Os resultados mostraram uma redução de 14,22% no consumo de energia em relação a métodos convencionais.
    Fonte: IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems, Vol. 27, No. 4, April 2019.

  3. From Pacemaker to Wearable: Techniques for ECG Detection Systems (2018)
    Autores: Ashish Kumar, Rama Komaragiri, Manjeet Kumar
    Este trabalho explora técnicas avançadas para detecção de ECG, aplicáveis tanto a marcapassos quanto a dispositivos vestíveis. Ele destaca métodos como transformada wavelet discreta e uso de redes neurais artificiais para melhorar a precisão na detecção de complexos QRS em sinais de ECG, abordando também desafios como remoção de ruído e otimização para dispositivos implantáveis.
    Fonte: Journal of Medical Systems, Vol. 42, 2018.

4. Produtos Relacionados

  1. Sistema de Medição e Controle de Temperatura Sem Fio

    Figura 8

    Figura 8: Sistema de Medição e Controle de Temperatura Sem Fio(Imagem Ilustrativa). FONTE: AliExpress

  2. Sistema de Monitoramento de Pressão dos Pneus

    Figura 9

    Figura 9: Sistema de Monitoramento de Pressão dos Pneus(TPMS). FONTE: Amazon

  3. Sistemas de iluminação inteligente/Sensor de detecção de movimento

    Figura 10

    Figura 10: Sensor de movimento. FONTE: E Control Devices

  4. Sensor de detecção de fumaça

    • O MSP430FR235x é ideal para sensores de fumaça devido à sua arquitetura de baixo consumo de energia e funcionalidades integradas, como blocos de sinal analógico, ADC de 12 bits para medições precisas, e memória FRAM para armazenamento eficiente de dados. Ele também inclui um sensor de temperatura para compensação de variações térmicas, garantindo maior precisão nas medições. Com essas características, o MSP430FR235x oferece uma solução completa e de baixo custo para sistemas de detecção de fumaça.
    • Referências: Design Low-power Building Automation Sensors & Designing a Dual-Ray Smoke Detector Analog Front-EndWith MSP430FR235x MCUs

    Figura 11

    Figura 11: Sensor de fumaça. FONTE: Office of Congressional Workplace Rights

  5. Wearable technologies(Tecnologias vestíveis)

    Figura 12

    Figura 12: Tecnologias Vestíveis. FONTE: TechCrunch

5. Referências

1. Disponível em: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/pacemaker/about/pac-20384689. Acesso em: 11 de novembro de 2024.

2. Chede, Santosh e Kulat, Kishore. Department of Electronics and Computer Science Engineering, Visvesvaraya National Institute of Technology, Nagpur, Índia. "Design Overview Of Processor Based Implantable Pacemaker" (2008). Disponível em: http://www.jcomputers.us/vol3/jcp0308-06.pdf. Acesso em: 20 nov. 2024.

3. MSP430F1611 Datasheet. Disponível em: https://datasheet.octopart.com/MSP430F1611-Texas-Instruments-datasheet-150265.pdf. Acesso em: 20 de nov de 2024.

4. TI MSP430 Documentation. Disponível em: https://www.ti.com/product/MSP430F1611#params. Acesso em: 20 de nov. 2024.

5. "Security Standards in RTOS for Medical Devices." Disponível em: https://www.embedded.com/security-in-medical-devices/. Acesso em: 23 de nov. 2024.

6. 2010 Fourth International Conference on Genetic and Evolutionary Computing, Wireless Temperature Measurement and Control System Based on MSP430F149. Acesso em: 20 nov. 2024.

7. International Journal of Trend in Research and Development, Volume 2(3), Tire Pressure Monitoring System Based on SPI Protocol Using MSP 430. Acesso em: 26 nov. 2024.

8. Sanjay Belgaonkar, E. Elavarasi, Gurjeet Singh /International Journal Of Computational Engineering, Smart Lighting and Control using MSP430 & Power Line Communication. Disponível em: https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=13eecc97f32e8b8a0f3d93f5353b1797d347ce49#page=63. Acesso em: 20 nov. 2024.
Design Low-power Building Automation Sensors. Disponível em: https://www.ti.com/document-viewer/lit/html/SSZT171#:~:text=E-bikes%2C%20battery%20packs%20and,designs%20with%20our%20reference%20designs.. Acesso em: 20 nov. 2024.
Techniques for PIR-based motion detection. Disponível em: https://www.ti.com/video/6216936281001#transcript-tab. Acesso em: 28 nov. 2024.

9. Design Low-power Building Automation Sensors. Acesso em: 30 nov. 2024.
Designing a Dual-Ray Smoke Detector Analog Front-End With MSP430FR235x MCUs. Acesso em: 22 nov. 2024.

10. MSP430 Microcontroller Architecture and Applications: A Closer Look at Power Efficiency. Acesso em: 20 nov. 2024.
The hackable watch: a wearable MSP430 MCU. Acesso em: 20 nov. 2024.

11. From Pacemaker to Wearable: Techniques for ECG Detection Systems (2018). From Pacemaker to Wearable: Techniques for ECG Detection Systems (2018). Disponível em: Journal of Medical Systems, Vol. 42, 2018. Acesso em: 21 nov. 2024.

12. Safwat Mostafa Noor, Eugene John, Manoj Panday. Design and Implementation of an Ultralow-Energy FFT ASIC for Processing ECG in Cardiac Pacemakers (2019). Disponível em: IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems, Vol. 27, No. 4, April 2019. Acesso em: 26 nov. 2024.

13. Sensor Technology for Rate-Adaptive Pacing and Hemodynamic Optimization. Acesso em: 20 nov. 2024.

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