A cardiografia de impedância (ICG), um importante sinal eletrofisiológico, mede o volume sistólico (VS) através da monitorização das alterações da impedância torácica média instantânea, avaliando assim a função hemodinâmica do coração humano. Este artigo apresenta os princípios básicos e os métodos de medição da ICG e, com base no chip de interface analógica (AFE) altamente integrado da ADI, concebe e implementa uma solução para a aquisição do sinal de ICG e o cálculo do VS.

Introdução
A cardiografia de impedância (ICG) é uma técnica não invasiva para avaliar a função cardiovascular através da medição das variações da impedância bioelétrica torácica associadas à atividade cardíaca. As alterações do volume sanguíneo durante o ciclo cardíaco provocam variações correspondentes na impedância, a partir das quais se podem obter o cardiograma de impedância e a sua primeira derivada (dZ/dt). A forma de onda dZ/dt contém pontos característicos distintos que refletem eventos fisiológicos importantes do ciclo cardíaco, permitindo a extração de parâmetros hemodinâmicos importantes, como o volume sistólico (VS) e o tempo de ejeção do ventrículo esquerdo (TEVE). Devido à sua natureza não invasiva, simplicidade e capacidade de monitorização contínua, a ICG tem sido amplamente aplicada na monitorização dos sinais vitais (MSV) e na avaliação cardiovascular.
Cardiograma de impedância.
O cardiograma de impedância, também conhecido como sinal/constante da ICG, é obtido através da tecnologia de bioimpedância (Bio-Z) e reflete as alterações do volume sanguíneo. A Figura 1 mostra um cardiograma de impedância típico.

Figura 1. Cardiograma de impedância (ICG).

De entre estes parâmetros, ΔZ representa a impedância torácica total e dZ/dt é a sua primeira derivada. A forma de onda dZ/dt contém pontos e componentes característicos. Com base nas posições e amplitudes destes pontos característicos, podem ser calculados parâmetros como o volume sistólico (VS). Os pontos característicos de um ciclo cardíaco incluem:
• Ponto A: Surge como uma deflexão descendente no sinal de ICG, provocada pela contração auricular.
• Ponto B: Representa o fim da contração isovolumétrica, a abertura das válvulas semilunares e o início da fase de ejeção ventricular rápida. No sinal de ICG, é caracterizado como o início da onda sistólica, correspondendo ao momento de aumento máximo da aceleração do fluxo sanguíneo.
• Ponto C: Representa o momento em que o fluxo sanguíneo aórtico atinge o seu máximo, marcando o fim da fase de ejeção rápida e a transição para a fase de ejeção reduzida. No sinal de ICG, é caracterizado como o pico (valor máximo) da onda sistólica.
• Ponto X: Representa o final da sístole ventricular e o início do fecho das válvulas semilunares. No sinal de ICG, é caracterizado como o valor mínimo após a onda sistólica (que varia com a frequência cardíaca) e corresponde ao ponto de aumento máximo na desaceleração do fluxo sanguíneo.
• Ponto O: Representa a abertura da válvula atrioventricular esquerda e o início do enchimento ventricular.

Princípio da Medição da Bioimpedância:
Medindo as alterações da impedância dos tecidos humanos em resposta a uma corrente alternada fraca, obtém-se o sinal de impedância cardíaca, que reflete as variações do volume sanguíneo. O corpo humano é composto por inúmeras células, e o modelo elétrico do tecido biológico pode ser representado pelo circuito equivalente apresentado na Figura 2. Neste modelo, Cm representa a capacitância paralela da membrana celular, Re a resistência do fluido extracelular e Ri a resistência do fluido intracelular. É de notar que Cm, Re e Ri neste circuito não representam a capacitância da membrana e as resistências intra e extracelulares de uma única célula, mas sim a capacitância e as resistências equivalentes de todo o tecido biológico. Este circuito é também conhecido como modelo de bioimpedância RC de três elementos. Este artigo emprega o método dos quatro elétrodos, amplamente utilizado para medir a bioimpedância humana. O princípio deste método consiste em aplicar uma corrente de excitação através de um par de elétrodos enquanto se extrai a tensão utilizando outro par de elétrodos.

Figura 2. Modelo de impedância equivalente do tecido humano.

Como ilustrado na Figura 3, quatro elétrodos de gel Ag/AgCl da 3M estão posicionados na configuração padrão para a aquisição de ICG. D1 e D4 servem como o par de elétrodos de excitação, enquanto D2 e ​​​​D3 servem como o par de elétrodos de deteção. Uma corrente de alta frequência é injetada no corpo humano através de D1 e regressa ao chip através de D4. Quando é aplicada uma corrente constante ao tórax, é gerada uma diferença de potencial elétrico entre os elétrodos D2 e ​​​​D3. Como a impedância torácica varia com a atividade cardíaca, a diferença de potencial também varia em conformidade. Este sinal de potencial variável é o sinal de ICG, ou constante.
Durante a aquisição do sinal, o posicionamento ideal dos elétrodos é o seguinte:
• Elétrodo de excitação D1: posicionado nas depressões atrás das orelhas esquerda e direita.
• Elétrodo de excitação D4: posicionado na parte superior do abdómen.
• Elétrodo de deteção D2: posicionado simetricamente acima de ambas as clavículas.
• Elétrodos de deteção D3: posicionados em ambos os lados da depressão localizada abaixo do processo xifoide.


Cálculo do VS:
A aquisição do sinal de impedância tem como objetivo gerar o sinal ICG através dos seus pontos característicos e, subsequentemente, extrair e calcular o parâmetro hemodinâmico, ou seja, o VS. A fórmula de cálculo é a seguinte:

W (kg) e H (cm) representam o peso e a altura do indivíduo, respetivamente.
(dZ/dt)máx é a amplitude máxima do sinal ICG. LVET representa o tempo de ejeção do ventrículo esquerdo. Z₀ é a impedância basal dos tecidos corporais.

IW significa peso ideal, que é calculado através da fórmula da equação 2.

Solução AFE Altamente Integrada (MAX30009) para Medição de Bioimpedância.
Esta aplicação de medição de bioimpedância utiliza a solução AFE altamente integrada da ADI. Oferece diversas vantagens. Em primeiro lugar, o canal de transmissão integra uma fonte de corrente sinusoidal capaz de fornecer corrente de excitação CA numa vasta gama de frequências, de 16 Hz a 500 kHz, com uma amplitude de corrente de 16 nA rms a 1,28 mA rms. Tanto a frequência como a corrente são totalmente configuráveis. Além disso, o seu multiplexador (mux) de entrada/saída flexível suporta configurações de medição com elétrodos bipolares ou tetrapolares. Quanto ao canal de receção, apresenta uma elevada impedância de entrada, baixo ruído e uma elevada taxa de rejeição de modo comum (CMRR). Fornece também ganho programável, filtros passa-baixo/passa-alto configuráveis ​​e dois conversores analógico-digitais (ADCs) integrados de alta resolução (20 bits), permitindo a aquisição síncrona de sinais IQ. Em segundo lugar, em aplicações que exigem uma elevada precisão de impedância absoluta (como a análise/espectroscopia de bioimpedância (BIA/BIS) ou a medição da impedância corporal em desfibrilhadores automáticos externos (DAE)), o MAX30009 (https://www.analog.com/en/products/max30009.html) oferece múltiplas opções de calibração. A precisão máxima pode ser alcançada ligando um resistor de precisão externo à porta de calibração dedicada de quatro fios. Em alternativa, os seus resistores de precisão internamente ajustados também proporcionam um excelente desempenho de calibração. A Figura 4 mostra o diagrama de blocos do sistema interno.

Figura 4. Circuito interno do sistema MAX30009.
Como se pode observar na Figura 5, o sistema é uma solução completa para a medição de bioimpedância. O sistema emprega o circuito integrado MAX20356 ( https://www.analog.com/en/products/max20356.html ), altamente integrado e programável, para gerir as linhas de alimentação e comunicar com o AFE de bioimpedância MAX30009 através de uma unidade de microcontrolador (MCU) Bluetooth® de baixo consumo. Com base no princípio de medição de bioimpedância apresentado anteriormente, o canal de transmissão do AFE utiliza um sintetizador digital direto (DDS) interno e um conversor digital-analógico (DAC) para gerar uma tensão de varrimento sinusoidal com frequência ajustável. Esta tensão é convertida num estímulo de corrente através de um resistor de polarização e aplicada ao corpo humano. O sinal de resposta é obtido através do canal de receção do AFE, através da medição nos pinos de entrada. Nas medições de ICG, a gama de frequências do sinal de excitação mais utilizada é de 20 kHz a 200 kHz, com uma corrente de excitação RMS de aproximadamente 0,12 mA, correspondente a uma gama de impedância CA do corpo humano de 0,1 Ω a 0,4 Ω. Neste trabalho, é aplicado um sinal de excitação de 65,536 kHz e 256 μA ao corpo humano para medição de impedância.

Figura 5. Diagrama de blocos de um sistema de medição de bioimpedância com os componentes MAX32666, MAX20356 e MAX30009.

Algoritmo de Detecção de Pontos Característicos do ICG:
O sinal de impedância em bruto é inicialmente processado sequencialmente através de um filtro de rejeição de banda de 50 Hz, um filtro de mediana e um filtro passa-baixo para obter um sinal de impedância relativamente limpo. O sinal é então diferenciado uma vez para obter o sinal ICG. Os pontos de pico do sinal ICG, ou seja, os pontos C, são detetados através do método de limiarização diferencial. Com base nos pontos C do sinal ICG, são determinadas janelas de tempo para a deteção dos pontos B e X. Dentro de cada janela de tempo respetiva, a deteção é realizada da seguinte forma:
Algoritmo de deteção do ponto B: Dentro da janela de tempo do ponto B, o valor máximo da segunda derivada do ICG corresponde ao ponto B. Se o valor máximo for inferior a 15% de Cpico, o ponto de cruzamento por zero do sinal ICG é considerado o ponto B. Se não for encontrado nenhum ponto de cruzamento por zero, o ponto mais próximo 0,15 × Cpico é utilizado como ponto B.
Algoritmo de deteção do ponto X: Dentro da janela de tempo do ponto X, é identificado um máximo local do sinal ICG, representando o ponto O. A posição com a inclinação máxima em relação ao ponto O dentro desta janela de tempo é então selecionada como o ponto X. Se não for encontrado nenhum ponto com esta inclinação, o valor mínimo dentro da janela de tempo é considerado o ponto X. Cpeak é definido como (dZ/dt)max, e a diferença de tempo entre os pontos B e X representa o LVET. A Figura 6 mostra o fluxograma do algoritmo de deteção do ponto característico do ICG.

Resultados
A Figura 7 mostra os sinais de impedância humana adquiridos utilizando o sistema descrito na Figura 5. A Figura 8 apresenta os sinais de ICG obtidos após o processamento dos sinais de impedância com o algoritmo de deteção de pontos característicos de ICG, com os pontos característicos C, B e X — utilizados para calcular o SV — assinalados nos sinais.

Conclusão:
Os sinais de ICG são importantes sinais biológicos para a avaliação da saúde cardiovascular, estando intimamente relacionados com a função cardíaca e com a hemodinâmica. Portanto, a aquisição e análise precisas dos sinais de ICG são cruciais para a monitorização da saúde cardíaca. O MAX30009 é um dispositivo AFE de bioimpedância dedicado que pode gerar diversos sinais de estimulação, como varrimentos sinusoidais, e medir com precisão a bioimpedância através da desmodulação em quadratura. Pode ser utilizado para adquirir sinais de ICG e permitir a análise detalhada da atividade cardíaca. Este dispositivo pode também realizar medições sincronizadas com outros biossensores, o que lhe confere vantagens em relação às soluções tradicionais em aplicações portáteis de monitorização cardiovascular. É uma escolha ideal para a criação de sistemas de medição de sinais de ICG de alta precisão.

Sobre os autores:
Tian Zhu é engenheiro de aplicações de campo na área de Mercado Global Amplo da Analog Devices na China. Presta suporte principalmente a clientes dos setores automóvel e industrial. Obteve o mestrado em Engenharia Eletrónica pela Universidade de Comunicação da China em 2023 e ingressou na ADI no mesmo ano.
Elvin Chen é engenheiro de aplicações na área de Aplicações Centrais na Analog Devices na China. As suas áreas de especialização são as cadeias de sinal de RF e as soluções integradas de transceptores. Obteve o seu mestrado em Engenharia Biomédica pela Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrónica da China em 2022 e ingressou na ADI no mesmo ano.