SISTEMA BASEADO EM ELETROOCULOGRAMA PARA CONTROLE DE
DISPOSITIVOS COMPUTACIONAIS
Leonardo Araújo Lima - Danilo Veloso Daher - Edgard A. Lamounier Jr. - Adriano O. Andrade
([email protected] - [email protected] - [email protected] - [email protected])
Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Elétrica
Resumo - Este projeto descreve um método de controle
através do olho baseado em eletrooculograma (EOG). O
eletrooculograma é um teste que usa eletrodos colocados
na pele ao redor dos olhos para medir potencial elétrico
entre a retina e a córnea. Os diferentes sinais são obtidos
por medida da posição do olho (posição do olho na sua
órbita). Esta técnica de controle pode ser útil em várias
aplicações, contudo neste projeto ela será usada como um
sistema para ajudar pessoas com deficiências graves. A
teoria sobre o projeto e a implementação também é
apresentada.
Palavras-Chave - Deficiência; Eletrooculograma;
EOG; Interface Homem-Máquina; Sistema de Controle.
ELECTRO-OCULOGRAM BASED SYSTEM
FOR COMPUTER DEVICE CONTROL
Abstract - This project describes a computer eyecontrol method based on electro-oculogram (EOG). The
electro-oculogram is a test that use electrodes placed on
the skin around the eyes to measure electrical potential
between the retina and cornea. The different signals are
made by means of the ocular position (eye displacement
into its orbit). This control technique can be useful in
many applications, however in this work it will be used as
a system to help people with severe disabilities. The
theory behind this project and the implementation that
will be used is also presented.
1
Keywords - Disabled People; Electrooculogram; EOG;
Human-Computer Interface; System Control.
1 PROBLEMATIZAÇÃO
A capacidade de comunicação do ser humano com
seus semelhantes e o seu ambiente representa uma das
necessidades mais básicas da sua existência, com a qual este
expressa seus anseios e sua evolução quanto a sua identidade.
Perder tal capacidade pela imobilidade de movimentação e
expressão, torna a existência de um indivíduo uma tortura,
pelo aprisionamento da sua mente em um corpo que passa a
ser o seu cativeiro.
1.1 Objetivos
O principal objetivo deste projeto é implementar um
dispositivo capaz de ajudar pessoas com deficiência grave a
usar o computador, em especial aqueles sem movimentos dos
membros superiores. É importante salientar que o sistema
permitirá a utilização do computador, como os programas de
aplicações na internet, leitura de livros, jogos, entre outros.
Além disso, a possibilidade de controlar objetos externos,
como cadeiras de roda ou eletrodomésticos mais comuns,
através do computador é tida em conta.
Os movimentos oculares podem ser monitorados pela
moderna tecnologia com grande velocidade e precisão, logo
isto pode ser usado como um poderoso dispositivo de entrada
com diversas aplicações práticas na interação homemcomputador. Este projeto irá utilizar o sinal da
eletrooculografia como base para o seu processo de controle.
Em outras palavras, o sinal será obtido através da
movimentação dos olhos. O sistema irá envolver aquisição e
tratamento do sinal e software de controle e avaliação, com o
objetivo de treinar o usuário e medir os erros do sistema. Os
sinais EOG podem ser identificados como movimento no
eixo horizontal (esquerda e direita), e os movimentos no eixo
vertical (para cima e para baixo). Existe a possibilidade de
executar outras ações, além das mencionadas, através do
piscar dos olhos.
Assim esse projeto busca fornecer a possibilidade de
que pessoas portadoras de necessidades especiais, com
tetraplegias, ausência ou alto grau de comprometimento dos
membros superiores, doenças degenerativas, dentre outros,
possam utilizar um computador. Através do mouse ocular e
de um teclado virtual adaptado será possível inserir palavras,
frases ou textos, navegar na Web e utilizar diversos
softwares. Também possibilitará a seus usuários, o resgate da
auto-estima, o aumento da sua autonomia, a reinserção no
mercado de trabalho e o retorno aos estudos, proporcionando
tanto a sua inclusão social, quanto digital.
1.2 Discussão
Há muitas maneiras de avaliar os movimentos dos
olhos. Alguns aparelhos podem fornecer um sinal de saída
que é proporcional à posição do olho na órbita, e muda
quando a posição do olho sofrer alguma mudança. Este sinal
pode então ser registrado e analisado para fornecer as
informações necessárias as mais diversas finalidades.
Inicialmente os problemas de obtenção do movimento
dos olhos são discutidos. Dois métodos foram analisados:
eletrooculografia e oculografia baseado em infravermelho
(imagens dos olhos obtidas através de fonte luminosa de
infravermelho).
Devido ao fato de existir uma permanente diferença
de potencial entre a córnea e o retina de aproximadamente
1mV, pequenas voltagens podem ser verificadas na região ao
redor do olho sendo que estas variam de acordo com o
posicionamento dos olhos (Figura 1). Eletrooculografia é o
método usado para obter esse potencial. Colocando eletrodos
de forma cuidadosa é possível obter separadamente
movimentos horizontais e verticais. Esta aquisição é
dependente do estado de adaptação a luz e é afetado por
mudanças metabólicas no olho. Entretanto, este método é
mais barato e mais fácil de obter os sinais dos movimentos
dos olhos [2].
estes sinais para controle de cadeiras de rodas elétricas dentre
outros sistemas. Muitos desses projetos já estão disponíveis
comercialmente.
Existem alguns artigos internacionais utilizando sinais
eletrooculográficos
para
controle
de
dispositivos
computacionais. Alguns deles são citados nas referências
deste trabalho. Há, também, um modelo comercial sendo
elaborado pela Digibrás, uma empresa de Manaus, sobre
responsabilidade do engenheiro eletrônico Manuel Cardoso
com previsão para ser vendido por R$200,00. Contudo este
modelo não identifica quantidade de movimento, apenas
sentido.
Figura 3. Modelo sendo desenvolvido pela empresa Digibrás
Figura 1. Exemplo do potencial na região ocular
Se uma fonte de luz infravermelha é direcionada para
o olho, a quantidade de luz refletida para um sensor varia de
acordo com a posição do olho (Figura 2). A luz
infravermelha é usada pois é “invisível” para o olho humano
e não causa distração. Como os sensores de infravermelho
não são influenciados por outras fontes de luz a iluminação
ambiente não afeta as medições. Entretanto a medição
horizontal é melhor detectada do que a vertical sendo um dos
empecilhos do sistema e também o piscar dos olhos acarreta
problemas na medição [2]. Uma outra desvantagem desses
sistemas é que o módulo (óculos infravermelho) pode
atrapalhar a visão do usuário [3].
Figura 2. Esquema de oculografia baseado em infravermelho
O sistema de infravermelho apresenta uma
implementação mais problemática e relativamente mais cara
em relação ao eletrooculograma. Apesar da instabilidade do
sinal, o sistema de identificação do movimento dos olhos
através de eletrooculografia foi escolhido.
1.3 Estudos e Pesquisas
O eletrooculograma é usado a algum tempo como
diagnóstico de doenças do sono, mas recentemente ele vem
sendo usado para identificação dos movimentos dos olhos.
Diversos artigos e pesquisas tratam de coleta, identificação e
uso de sinais eletrooculográficos para controle de
dispositivos. Muitos trabalhos já foram realizados utilizando
1.4 Eletrooculograma
Sinais eletrofisiológicos são fenômenos elétricos
relacionados com eventos fisiológicos, como o batimento
cardíaco ou a contração muscular. Esses sinais podem ser
divididos entre sinais voluntários e sinais involuntários.
Dependendo do sinal ou evento de interesse, existem
diversos tipos de medidas que podem ser consideradas, como
por
exemplo
o
Eletrocardiograma
(ECG),
o
Eletroencefalograma (EEG), o Eletromiograma (EMG) e o
Eletrooculograma (EOG). Em termos do projeto, o olho é um
dos principais subsistemas do corpo para controle, pois a
posição dos olhos está diretamente relacionada com a
informação visual de interesse. Utilizando a posição dos
olhos, podemos prover um dispositivo muito intuitivo [4].
Sabe-se que o movimento dos olhos é acompanhado
de um potencial elétrico que pode ser descrito como um
dipolo fixo com a córnea no pólo positivo e a retina no pólo
negativo. Tais potenciais são bem estabelecidos e estão na
faixa de 0 a 4.0 mV. Os movimentos oculares, assim,
produzem um movimento (rotativo) do dipolo e, portanto,
sinais que são a medida do movimento podem ser obtidos.
Os sinais elétricos gerados pelos movimentos dos olhos,
tanto nas direções horizontal e vertical, podem ser medidos
por eletrodos. Este método é conhecido como
eletrooculografia [5].
A Figura 4 ilustra o posicionamento dos eletrodos.
Os sinais do EOG são obtidos pela fixação de dois elétrodos
da direita para a esquerda (D - E) para detectar o movimento
horizontal e outro de cima para baixo do olho (B - C) para
detectar movimentos verticais. O eletrodo de referência é
colocado na testa (A). Com os olhos posicionados no centro,
os eletrodos possuem, efetivamente, o mesmo potencial e
nenhuma tensão é obtida. A rotação dos olhos à direita
resulta numa diferença de potencial, com o eletrodo na
direção do movimento positivo em relação ao eletrodo
contrário (E) (Figura 5).
mas também poderá ser abrangida a qualquer pessoa com
capacidade para controlar os seus movimentos oculares.
3 METODOLOGIA
3.1. Requisitos do sistema:
Figure 4. Posição dos eletrodos EOG
•
•
•
•
•
•
•
•
Deve reconhecer os movimentos verticais e
horizontais dos olhos para movimentar o cursor;
Deve reconhecer quando o usuário deseja clicar;
Deve ter um delay máximo de início do movimento
de 500ms (para reconhecer o clique);
Delay máximo de 100ms para alterar ou parar o
movimento (estabilização do sinal);
Deve dar condições de escrever um texto, navegar
na internet e utilizar aplicativos simples;
Deve ser confortável o suficiente para ser usado
durante horas;
Não deve confundir movimentos normais com
clique nem com movimentação do cursor;
O sistema deve permitir a calibração para se adaptar
a cada usuário;
3.2. Implementação
Figura 5. Sinais (EOG) gerados pelo movimento horizontal dos
olhos
A eletrooculografia possui vantagens e desvantagens
em comparação com outros métodos para determinar o
movimento dos olhos. A mais importante desvantagem
considerada é o fato de que o potencial da córnea e da retina
não é fixo, podendo ser afetado pela luz, fadiga, e outros.
Este fato pode ser corrigido via software através de um
sistema de calibração. As vantagens desta técnica incluem
mínimo desconforto por parte do usuário e baixo custo para
implantação [5].
2 JUSTIFICATIVA
Nos últimos anos, houve um grande desenvolvimento
em sistemas para auxiliar pessoas com deficiência tendo uma
melhoria significativa nos sistemas tradicionais. Além disso,
a crescente utilização de computadores, tanto no trabalho
quanto no lazer, levou ao desenvolvimento de aplicações
associadas ao PC, principalmente usando interfaces gráficas
[1].
Os métodos tradicionais utilizados para controle ou
comunicação com as máquinas (joystick, mouse ou teclado),
que exigem um determinado controle motor por parte dos
usuários são substituídos por outros que permitem a sua
utilização por pacientes com deficiências graves. Entre esses
novos métodos, é necessário mencionar o eletrooculograma,
pois o movimento dos olhos tende a ser uma das últimas
capacidades motoras em pessoas com deficiências.
Com a tecnologia descrita neste projeto, uma pessoa
com limitação motora poderá interagir com um sistema de
computador de forma mais independente. Além disso, este
tipo de interface não será limitada a pessoas com deficiência,
3.2.1. Hardware
A Eletrooculografia é realizada por um módulo
EOG de aquisição de sinais. O diagrama de blocos do
sistema é apresentado abaixo.
Sinal
EOG
Hardware
Conversor
A/D
PC
Feed Back
Ambiente
Visual
Figure 6. Diagrama de blocos do sistema de medição do EOG
O sistema foi dividido em três etapas para um
melhor desenvolvimento devido ao fato que as mesmas
possuem configurações e requisitos diferentes. As etapas
estão listadas abaixo e são ilustradas no diagrama de blocos
subseqüente:
•
•
•
Aquisição do sinal
Tratamento do sinal e interfaceamento com o pc
(módulo EOG)
Etapa de software
Aquisição do Sinal
Módulo
EOG
PC
Figura 7. Diagrama de blocos do sistema
O trabalho do hardware do nosso sistema é de fazer
a aquisição do sinal elétrico dos eletrodos acoplados na face
do usuário e enviar esse sinal ao computador.
A maneira que escolhemos para fazer isso é de
condicionar o sinal para a entrada de um conversor AD e
enviar ao computador através do protocolo USB.
Este protocolo foi escolhido devido a suas várias
vantagens com relação à porta serial e paralela do
computador. Uma das vantagens é que atualmente muitos
computadores não vêm mais com as portas paralela e serial,
somente USB, ou caso venham já estão sendo utilizada por
outro periférico. Como nosso sistema ainda está em
desenvolvimento, devemos escolher um padrão que não cairá
em desuso num futuro próximo. Além disso, como a porta
USB é a mais popular do momento, existe muita
documentação a respeito facilitando o trabalho de
programação. Cabos, plugs e sockets também são facilmente
encontrados no mercado.
Para comunicar com o computador através do
protocolo USB, escolhemos trabalhar com o microcontrolador PIC 18F4550 da Microchip. Este microcontrolador é muito popular, o que implica grande facilidade
na obtenção de documentação e exemplos para
interfaceamento e controle. Além disso, o preço é acessível e
os integrantes da equipe já são familiarizados com os microcontroladores da família PIC.
Sabemos que há muitos ruídos nesse sinal. Por isso
decidimos usar um amplificador de instrumentação para
amplificar os sinais provenientes dos eletrodos.
Utilizaremos ainda um filtro passa-baixa para
eliminar ruídos de altas freqüências, e dependendo da
alimentação utilizada ruído de 60 Hz da rede elétrica.
Como o ganho do amplificador de instrumentação
não é suficiente para por o sinal numa faixa bem próxima da
faixa de operação do conversor A/D do PIC, incluiremos um
outro amplificador.
O PIC não trabalha com valores negativos de
tensão, então será necessário ainda um somador para por o
sinal numa variação em torno de 2,5 V ao invés de ser em
torno de 0 V.
Um esquema do circuito completo mostrando a
“duplicidade do sistema”, devido ao fato de sinais
horizontais e verticais exigirem aquisição e tratamento
separados, é mostrado na figura seguinte:
Figure 9. Componentes do sistema
A seguir apresentaremos mais detalhadamente os
componentes do circuito.
Amplificador de Instrumentação:
Figure 8. Diagrama de pinos do PIC18F4550
O sinal eletrooculográfico é basicamente um sinal
DC, não exigindo de nosso sistema muitos requisitos de
freqüência. Dessa forma optamos por utilizar o conversor
AD que já vem integrado no PIC, com tempo de conversão
inferior a 2.5 µs. Isso diminui e simplifica o circuito.
Como já foi comentado anteriormente, não sabemos
ainda, com certeza, qual é a variação de amplitude do sinal
obtido, podendo variar bastante de usuário para usuário, mas
certamente não ultrapassará os 4000 µV. Este sinal deve ser
amplificado no mínimo 500 vezes para se chegar numa
variação de ±2V que é próxima à amplitude do conversor AD
do PIC (0V a 5V).
Nosso sistema terá muito ruído devido à baixa
amplitude do sinal (µV), possuir cabos que funcionam como
antenas e os eletrodos coletarem sinal eletromiográficos.
Logo há a necessidade de um primeiro estágio com rejeição
em modo comum.
Pedimos sugestões a várias pessoas que já
trabalharam com amplificadores operacionais para nos ajudar
a escolher um bom amplificador para o nosso sistema. Elas
nos sugeriram de utilizar os amplificadores AD620 da
Analog Devices ou o INA121 da Texas Instruments.
Analisando as características de cada um, optamos pelo
AD620, pois tem uma rejeição em modo comum maior que o
INA121, a diferença de preço é mínima e é facilmente
encontrado no mercado.
Decidimos dar um ganho de 100 vezes, pois,
segundo o datasheet do fabricante, um ganho de 1000
começa a dar um erro razoável e a CMRR para ganho de 100
é de pelo menos 110 dB.
Filtro passa-baixa:
Para fazer o filtro passa-baixa, decidimos usar um
filtro do tipo Butterworth de 4 pólos. Este filtro serve para
eliminar ruídos de alta freqüência como, por exemplo, o
ruído causado pela rede elétrica de 60 Hz além de outros
ruídos coletados pelo sistema.
Como o sinal de eletrooculografia que nos interessa
é quase 100% DC, configuramos o filtro para cortar
freqüências superiores a 5 Hz.
O cálculo dos valores de resistores e capacitores foi
feito com a ajuda de um utilitário chamado FilterPro, criado
pela Texas Instruments.
Os amplificadores operacionais escolhidos foram o
LM 741 pois é barato e o nosso sistema não exige muito com
relação a freqüência. Um potenciômetro foi acoplado a cada
um desses amplificadores para eliminar a tensão de offset.
Figure 11. Eletrodo e Presilha do Cabo
Amplificador Não-Inversor:
O ganho de 100 dado no início pelo amplificador de
instrumentação não é suficiente para deixar o sinal numa
faixa de variação próxima a faixa de variação de 0-5V do
conversor A/D do PIC. Por isso é necessário incluir um
segundo estágio de amplificação no sistema. Para isto foi
utilizado um Amplificador Não-Inversor construído com LM
741 pelos mesmos motivos listados acima na seção do filtro
passa-baixa.
Não sabemos ainda se o sinal captado pelos
eletrodos terá amplitude máxima de 4 mV, 2 mV ou 1 mV,
então construímos um amplificador de ganho ajustável. Ele
pode dar ganho de 5, 10 ou 20 vezes, basta alterar os switchs
do circuito alterando assim os resistores responsáveis pelo
ganho do circuito.
A alimentação do sistema será feita por baterias.
Essa decisão foi tomada com o intuito de evitar ruídos
provenientes da alimentação da rede elétrica. Já a referência
do sistema, o terra, será isolada em relação ao terra do
conector USB através de um acoplador óptico digital que
isolará qualquer contato elétrico entre as duas partes do
circuito, o que traz uma maior segurança e proteção ao
usuário.
Somador:
Agora que o sinal se encontra com uma variação de
amplitude na faixa de 4 volts pico-a-pico, é necessário
eliminar a parte negativa do sinal, pois o conversor A/D do
PIC não aceita sinais negativos.
Este circuito soma uma tensão DC de 2,5 V fazendo
com que o sinal varie entre 0,5 V e 4,5 V, faixa esta ideal
para se trabalhar com o conversor. Este Somador foi
construído com LM 741 pelos mesmos motivos listados
acima na seção do filtro passa-baixa.
Para faze de aquisição de sinal foi necessário a
escolha dos eletrodos e cabos para coleta. Eletrodos devem
ter baixa impedância ao longo de um intervalo freqüência,
que inclui de 0 a 10 Hz. Os cabos foram analisados pensando
na “isolação” quanto a ruídos, para isto foi escolhido um
modelo de cabo com blindagem. Outro detalhe fundamental
é que o amplificador de instrumentação deve estar o mais
próximo possível dos eletrodos evitando assim uma maior
coleta de ruídos. O óleo da pele deve ser limpo com álcool
ou com material próprio para limpeza da pele para diminuir
ruídos. Uma outra solução para diminuir ruídos é a aplicação
de uma pasta condutora [7].
Figura 12. Circuito de aquisição do sinal de um par de eletrodos
3.2.2. Software
Para projeto do software foram levantados os seguintes
requisitos:
•
•
•
•
•
•
Figure 10. Cabo para coleta de sinais eletrofisiológicos
O software deve ser capaz de se comunicar com a
porta USB e movimentar o cursor de acordo com
os dados recebidos; Além disso deve identificar o
comando de clique;
A interface deve ser um teclado virtual onde o
usuário pode digitar um texto utilizando o cursor;
Devem conter também atalhos para diversos
softwares, como navegador da web, editor de
textos, calculadora, entre outros;
O software deve permitir que qualquer entrada de
texto de qualquer aplicativo possa ser preenchida
pelos dados digitados no teclado virtual;
A janela do software deve sempre estar à frente
das outras janelas dos demais aplicativos;
O software deve permitir que haja uma calibração
do hardware, para definir o clique e a velocidade
de movimentação do cursor;
Por fim, o software deve, a partir de um banco de
dados de palavras, tentar prever a palavra que está
sendo digitada, informando opções para o usuário,
a fim de minimizar esforços do usuário; O usuário
poderá ou não aceitar uma das opções.
Um sistema em tempo real normalmente realiza
operações seqüenciais na forma padrão, mas é extremamente
importante que também seja capaz de manipular múltiplos
eventos ao mesmo tempo ou manipulá-los de forma que o
tempo de reação para cada evento seja tolerável para o
processo em questão.
movimentação dos olhos proporciona um método intuitivo de
controle da máquina. Assim, o sistema descrito pode ser
utilizado como uma importante ferramenta da comunicação,
em particular para aquelas que não são capazes de comunicar
por outros meios.
5 REFERÊNCIAS
Software
1.
Controle
Cursor
Hardware
API
USB
Controle
Teclado
Virtual
2.
Figura 13. Diagrama de blocos do software
A figura 10 representa o diagrama de blocos do
software. A API USB é capaz de comunicar com o hardware
através da porta USB e receber os dados. Estes dados, que
indicam a posição dos olhos nos eixos x e y, são repassados
para o módulo de controle do cursor, que irá tratá-los e tomar
as decisões.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Figura 14. Interface Gráfica
4 CONCLUSÃO
Este projeto será desenvolvido para fornecer
soluções para necessidades de um importante grupo das
pessoas com deficiência e/ou idosos por tentar ajudar aqueles
que não podem operar com segurança dispositivos
convencionais. O seu objetivo principal é o controle de
dispositivos através de eletrooculograma. Existem muitas
formas utilizadas para medir os movimentos oculares, alguns
são mais precisos do que EOG, porém, a maioria deles são
muito mais caros e trazem muito transtorno e sensação de
desconforto do usuário. O EOG é o método de baixo custo e
fácil de usar [8].
As principais características do eletrooculograma
foram mostrados: aquisição e processamento do sinal EOG e
suas aplicações em sistemas de apoio às pessoas com
deficiência. Um sistema baseado em EOG é proposto e é
feito um estudo das suas potencialidades. A utilização da
Barea, R., L. Boquete, M. Mazo, and E. López,
System for Assisted Mobility Using Eye Movements
Based on Electrooculography. IEEE Transactions
on Neural Systems and Rehabilitation Engineering,
2002. 10.
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