Este documento descreve o desenvolvimento de uma cinta torácica de baixo custo utilizando um sensor piezoétrico e Arduino para capturar dados respiratórios e propor um jogo para auxiliar na fisioterapia respiratória de crianças. O circuito converte os movimentos respiratórios em tensões elétricas que são processadas pelo Arduino para fornecer indicações visuais da respiração e alimentar o jogo. Testes iniciais mostraram resultados promissores para monitoramento respiratório.

1. Cinta de expansão torácica utilizando
Arduino aplicado na fisioterapia
respiratória
Resumo
Este trabalho demostra uma cinta de expansão torácica
de baixo custo para capturar os impulsos elétricos
gerados em um piezo no processo de inspiração e
expiração. Estes dados foram utilizados para propor um
jogo para ser utilizado na fisioterapia respiratória de
crianças de forma dinâmica.
Palavras chaves
Sensor respiratório, cinta torácica, fisioterapia
respiratória.
Adilmar Coelho Dantas
Universidade Federal de
Uberlândia – Nutec LAB 1X05
adilmarcoelho@hotmail.com
Hermes Gustavo
UFU - Nutec LAB 1X05
hermesneri@hotmail.com
Eduardo Kojy Takahashi
UFU - Nutec LAB 1X05
ektakahashi@gmail.com

2. Introdução
Este projeto consiste no desenvolvimento de um sensor
utilizado para indicar o momento de inspiração e
expiração torácica. Este sensor converte movimentos
de respiração peitorais ou abdominais em uma pequena
tensão que fornece uma indicação clara, e confiável em
formas de ondas de respiração. Além de fornecer uma
medida qualitativa do esforço respiratório. Junto com
este sensor de baixo custo e com codificação livre foi
desenvolvido um software em forma de jogo para
auxiliar na fisioterapia de crianças com problemas
respiratórios de forma dinâmica e divertida que permite
ao indivíduo mais conforto durante a seção de
fisioterapia. A cinta proposta e de baixo custo pois não
leva nenhum tipo de microcontrolador especifico
ficando responsável por processamento a placa Arduino
[1], uma prototipagem de Hardware livre e de baixo
custo. A pratica de exercícios respiratórios são
fundamentais para melhorar a respiração e mobilizar os
músculos ventilatórios [2].
Circuito
O circuito deste projeto e constituído de um sensor
piezo de 27mm com frequência de ressonância de 4,2
kHz, este sensor será fixado no tórax do indivíduo atrás
de uma fita elástica presa nas costas através de velcro
em suas extremidades. Quando bem preso na região
torácica o sensor piezo e capaz de converter os
movimentos peitorais ou abdominais da respiração em
pequenas tensões que quando tratadas em software
fornecem uma indicação clara, e confiável em forma de
onda permitindo identificar o processo de inspiração e
expiração. A Figura 1 ilustra o sistema em utilização em
um indivíduo com a respectiva localização do sensor.
Figura 1 Representação do sensor torácico no indivíduo.
Figura 2 Circuito elétrico
Passo a passo para
montagem do sensor
Sensor Piezo: Solde dois
fios nos terminais do sensor
piezo, um deles para saída
GND e entrada A0 no
Arduino.
Elástico para a cinta: Para
segurar o sensor junto ao
tórax do indivíduo utilize uma
cinta elástica para prender
junto ao tórax o sensor piezo.

3. Desenvolvimento
Para o processamento dos sinais foi utilizado o Arduino,
um circuito integrado de baixo custo e de codificação
aberta para desenvolvimento de projetos de eletrônica,
e desenvolvedores das mais diversas áreas [3].
Escolhemos o Arduino por esses fatores econômicos,
cujo principal objetivo do trabalho descrito neste artigo
é um sistema simples e de baixo custo que seja capaz
de capturar os movimentos torácicos em forma de
ondas respiratórias. Além disso, o Arduino coloca à
disposição uma plataforma de hardware já modelada, e
reconfigurável via firmware dispensando em muitos
casos os conhecimentos em eletrônica digital e
arquitetura de microcontroladores em relação ao
controlador da placa. Abaixo na figura 3 segue uma
demonstração do protótipo para testes do circuito
desenvolvido em protoboard com os respetivos
componentes utilizados.
Figura 3 Esquema ilustrativo
Programação – Software
A programação do sistema foi realizada em DSL
(domain specific language) uma linguagem baseada em
C, com sintaxe bem similar. A programação consiste
em capturar os impulsos elétricos gerados pelo piezo
quando ocorre o movimento do tórax.
Um LED foi utilizado para ilustrar este processo de
forma visual para o indivíduo e aplicador. Após esta
leitura esses impulsos elétricos são repassados para
uma interface desenvolvida em linguagem C#, uma
linguagem de programação orientada a objetos
desenvolvida pela Microsoft uma combinação da
linguagem C++ e Java [4] para geração de gráficos
dinâmicos do processo de inspiração e expiração. Após
tratado esses dados e exibidos para o usuário eles são
repassados para a plataforma e jogo.
Jogo prático para fisioterapia respiratória
Como proposta de utilização desde sensor foi
desenvolvido um jogo em linguagem C#, onde o
principal objetivo é motivar a pratica de exercícios
respiratórios em crianças. O jogo consiste basicamente
em utilizar o sensor durante a pratica desses exercícios,
caso o exercício seja realizado corretamente o usuário
acumulará pontos. Assim, estes pontos ao atingir um
ponto máximo estoura um balão na interface. O
vencedor e aquele que estourar rodos os balões em
menor tempo conforme exibido na figura 4.
Figura 4 Interface do jogo para fisioterapia
Afixar sobre o sensor
piezo uma base rígida:
Essa base rígida sobre o
sensor tem a finalidade de
manter o sensor piezo
sempre em contato com o
tórax aumentando assim a
superfície de contato.
Soldar o resistor e cabos
de acordo com o circuito.
Solde o resistor, LED e os
respectivos cabos de conexão
entre o Arduino e o sensor
piezo em uma placa de
fenolite perfurada.

4. Resultados
Para realização de testes com indivíduo selecionamos
alunos aleatórios na Universidade Federal de Uberlândia
após seu devido consentimento, este teste foi realizado
com o objetivo de comparar os dados adquiridos em
forma de gráficos a partir do nosso sensor e compara-
los com os gerados por uma cinta torácica comercial.
Os resultados gráficos foram considerados similares,
porém não equivalentes devido ao fato dessas faixas
comerciais possuírem filtros físicos em nível de
hardware e não somente a nível de software, a figura 5
demostra um dos gráficos gerados durante o processo
de inspiração e expiração.
Figura 5 Gráficos obtidos durante o processo de
inspiração e expiração
Observando a figura é possível notar a maior atenuação
no sensor durante o processo de expiração devido ao
relaxamento dos músculos da região torácica em
resposta as contrações realizadas no processo de
inspiração. A análise destes gráficos podem levar a
diversos resultados como por exemplo a identificação
de alguma insuficiência respiratória ou um estudo da
respiração do indivíduo durante o sono.
Conclusões
Este trabalho demostra que com componentes
eletrônicos simples é possível desenvolver sensores
biomédicos práticos para realização de experimentos e
entendimento dos sensores existentes atualmente e
que possuem as mesmas funcionalidades, além
demostrar como foi desenvolvido os primeiros conceitos
de sensores para o tratamento de deficiências
respiratórias.
Trabalhos futuros
O próximo passo será fazer realizar o sistema
embarcado, para que os indivíduos possam utilizar o
aparelho no dia a dia enviando dados coletados através
de rede móveis para o acompanhamento e histórico
clinico do mesmo. Utilizar o mesmo sensor em
experimentos da análise do sono em indivíduo com
problemas relacionados.
Referências
[1] Arduino. Disponível em: http://playground.arduino.cc/
acessado em 12 de março de 2015.
[2] Tua Saúde. Disponível em:
http://www.tuasaude.com acessado em 05 de abril de
2015.
[3] Banz, Massimo. Primeiros passos com Arduino, 2
(2011).
[4] Microsoft MSDN. Disponível em:
https://msdn.microsoft.com/ acesso em 15 de junho de
2015.
Programar a placa: Realizar
a leitura e programação
logica, para que os dados
coletados sejam tratados
adequadamente e repassados
para o jogo.
O último passo e realizar o
tratamento destes dados
graficamente: Para realizar
esta parte pode se utilizar
qualquer plataforma de
interesse do desenvolvedor.
A codificação completa você
encontra em
https://github.com/Adilmar