UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Projeto e desenvolvimento de um sistema
multicanal de biotelemetria para detecção
de sinais ECG, EEG e EMG
Thiago Bruno Caparelli
Março de 2007
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Projeto e desenvolvimento de um sistema
multicanal de biotelemetria para detecção
de sinais ECG, EEG e EMG
Thiago Bruno Caparelli
Texto da dissertação apresentada à Universidade Federal de Uberlândia como parte dos
requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências.
Prof. Alcimar Barbosa Soares, PhD.
Thiago Bruno Caparelli
Orientador
Orientando
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Projeto e desenvolvimento de um sistema
multicanal de biotelemetria para detecção
de sinais ECG, EEG e EMG
Thiago Bruno Caparelli
Texto da dissertação apresentada à Universidade Federal de
Uberlândia, perante a banca de examinadores abaixo, como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do título de Mestre em Ciências.
Banca Examinadora:
Prof. Alcimar Barbosa Soares, PhD – UFU (Orientador)
Prof. Raimes Moraes, PhD.
– UFSC
Prof. João Batista Destro Filho, Dr. – UFU
Prof. Adriano Alves Pereira, Dr.
– UFU
“Quando nada parece dar certo, lembro-me do
cortador de pedras martelando sua rocha;
uma centena de vezes, sem que uma única
rachadura apareça. Mas na centésima primeira
martelada a pedra se abre em duas, e sei que
não foi aquela que conseguiu isso,
mas todas as outras que vieram antes.”
Jacob Riis
Aos meus pais, Paulo e Alabibia,
pelo amor, entusiasmo, e incentivo sempre constantes.
A minha querida Kety, pela paciência e carinho.
Agradecimentos
Agradeço a Deus, o grande engenheiro do universo, por sempre iluminar meu
caminho, pelas pessoas que colocou à minha volta, e pelas oportunidades que tive em
minha vida.
Aos meus pais Paulo e Alabibia, que nunca mediram esforços para estarem do meu
lado, apoiando e acreditando na conquista deste sonho. São vocês os responsáveis pela
minha formação moral e intelectual, conduzindo-me pelos preceitos de idoneidade,
solidariedade e acima de tudo, respeito pelo ser humano. Agradeço de coração pelo
amor, confiança e compreensão nos momentos difíceis. Minha eterna gratidão.
Um muito obrigado a Kety Rosa de Barros por sua compreensão, amizade e
paciência. Pelo
amor incondicional e incentivo nesta trajetória. Sem seu
companheirismo, a concretização deste trabalho seria impossível. Agradeço a Deus pela
felicidade de podermos juntos construir nossa família. Ao meu querido Arthur que me
motiva a sempre seguir adiante.
Um muito obrigado também, a todos os amigos do Biolab, que de uma forma ou de
outra contribuíram não só para o desenvolvimento deste trabalho, mas também para
meu crescimento pessoal.
Obrigada Marly, por me ajudar prontamente em tudo que foi necessário durante o
curso de mestrado.
Ao Prof. Ph.D. Alcimar Barbosa Soares, orientador deste trabalho, meu
reconhecimento, respeito e agradecimento pelos ensinamentos recebidos durante todo o
tempo da realização do curso de mestrado. Minha gratidão pela orientação precisa e
segura desta dissertação, pela paciência, confiança e oportunidades a mim ofertadas.
Um muito obrigado ao Dr. João Michelotto, pela ajuda na obtenção dos eletrodos.
À CAPES pelo parcial apoio financeiro durante o desenvolvimento deste trabalho.
Resumo
CAPARELLI, T. B. Projeto e desenvolvimento de um sistema multicanal de
biotelemetria para aquisição de sinais ECG, EEG e EMG. Uberlândia: FEELT-UFU,
2007, 109 p.
O emprego de novas técnicas na aquisição, processamento e análise de sinais
bioelétricos, têm contribuído significativamente para o melhoramento dos processos de
monitoramento fisiológico de indivíduos. Porém, em muitas situações deseja-se
registrar aqueles sinais concomitantemente com monitoração e execução de
movimentos livres, como durante corridas e saltos. A forma convencional de registro
utiliza, normalmente, conexões de fios aos indivíduos, dificultando sobremaneira a
execução de movimentos e até o registro fiel do processo biológico durante aqueles
movimentos. Este trabalho descreve o projeto e desenvolvimento de um sistema
telemétrico multicanal capaz de captar diversos tipos de sinais bioelétricos (ECG, EEG
e EMG), permitindo maior mobilidade ao paciente. Na transmissão proposta emprega-se
a Radiotelemetria num sistema GFSK. São implementadas, também, uma interface
USB, para comunicação com computadores padrão IBM/PC e um software para
visualização e processamento dos sinais coletados. Os resultados dos experimentos
mostram que o sistema é robusto, leve e permite a monitoração de processos
fisiológicos à distância, sem utilização de cabos que conectem o indivíduo a
equipamentos tipo desktop. Exemplos de sinais adquiridos com o sistema desenvolvido
são apresentados.
Palavras-chave: telemetria, radiotelemetria, sinais bioelétricos, teleprocessamento.
viii
Abstract
CAPARELLI, T. B.. Design and development of a multichannel biotelemetry system
for ECG, EEG and EMG signal acquisition. Uberlândia: FEELT-UFU, 2007
109 p.
The application of new techniques for data acquisition, processing and analysis of
bioelectrical signals has contributed to the improvement of physiological monitoring.
However, in some circumstances, it is necessary to record those data during complex
activities, such as running and jumping. Conventional monitoring relies on devices that
require a set of cables to connect the person to the equipment. This strategy has a
number of drawbacks such as the increase in artifacts and the inconvenient os
restraining important movements, hindering the faithful recording of the biological
signals. This work describes the design and development of a telemetric multi channel
system capable of recording several bioelectric signals (ECG, EEG and EMG). The
proposed transmission system uses radiotelemetry via GFSK. It has also been
implemented an USB interface for IBM/PC computer communication, and dedicated
software for data acquisition and processing the collected signals. The results have
shown that the system is robust, light weight and capable of monitoring physiological
data via a secure wireless link. Examples of acquired signals are presented.
Keywords: telemetry, radiotelemetry, bioelectric signals, teleprocessing.
ix
Conteúdo
Capítulo 1 – Introdução............................................................... 1
1.1 Objetivo e metas.................................................................... 6
1.2 Estrutura da dissertação.........................................................
7
Capítulo 2 – Biopotenciais........................................................... 8
2.1 Introdução.............................................................................. 8
2.1.1 O potencial de membrana celular............................................
8
2.1.2 O potencial de ação..................................................................
9
2.2 O Eletroencefalograma.......................................................... 11
2.2.1 O cérebro.................................................................................. 11
2.2.2 O neurônio...............................................................................
12
2.2.2.1 Sinapses..................................................................... 13
2.2.2.2 O potencial pós-Sináptico.........................................
14
2.2.3 O eletroencefalograma (EEG).................................................. 15
2.2.4 Técnicas de aquisição do EEG................................................. 16
2.2.4 Interferências no sinal EEG (Artefatos)................................... 17
2.3 O Eletromiograma.................................................................
18
2.3.1 O neurônio motor..................................................................... 18
x
2.3.2 O processo de contração muscular........................................... 19
2.3.2.1 Fisiologia do músculo esquelético............................
19
2.3.2.2 A unidade motora ..................................................... 20
2.3.2.3 O potencial de ação na unidade motora ...................
21
2.3.3 Características do sinal EMG .................................................. 23
2.3.4 Aquisição de sinais EMG ........................................................ 24
2.3.4.1 Posicionamento dos eletrodos ..................................
25
2.4 O Eletrocardiograma.............................................................. 27
2.4.1 O coração ................................................................................
27
2.4.2 Potenciais elétricos cardíacos .................................................
30
2.4.3 Características do sinal eletrocardiográfico (ECG).................
32
2.4.4 Interferências no sinal eletrocardiográfico .............................. 35
Capítulo 3 – Telemetria .............................................................. 36
3.1 Origem da telemetria ............................................................
36
3.2 Estrutura básica de um sistema de telemetria ....................... 37
3.2.1 Variável ................................................................................... 38
3.2.2 Sensores...................................................................................
38
3.2.3 Condicionamento.....................................................................
38
3.2.3.1 Amplificação ............................................................
38
3.2.3.2 Filtragem ..................................................................
39
3.2.4 Digitalização ...........................................................................
39
3.2.4.1 Retenção ................................................................... 40
3.2.4.2 Amostragem ou Digitalização .................................. 40
3.2.5 Transmissão ............................................................................
40
3.2.5.1 Modulação de sinais ................................................. 41
3.2.5.1.1 Modulação Analógica ................................ 41
3.2.5.1.2 Modulação Digital ..................................... 41
3.2.5.1.3 Modulação GFSK ..................................... 42
3.2.6 Recepção .................................................................................
44
xi
3.2.7 Controle ................................................................................... 44
3.2.8 Processamento.......................................................................... 44
3.2.3 Condicionamento.....................................................................
44
3.3 Sistemas de comunicação sem fios modernos ......................
44
3.3.1 Bluetooth ................................................................................. 44
3.3.2 Wi-Fi (IEEE 802.11x) ............................................................. 46
3.3.3 WiMax (IEEE 802.16) ............................................................
46
3.3.4 Near Field Communication (NFC) .........................................
47
3.3.5 IrDA ........................................................................................
48
3.3.6 ZigBee (IEEE 802.15.4) .........................................................
48
3.4 Tecnologia Nacional ............................................................. 49
3.5 Dispositivos Comerciais ....................................................... 50
3.5.1 TekScan Wireless ELF ...........................................................
50
3.5.2 NORAXON TeleMyo 2400T .................................................
51
3.5.3 BTS FreeEMG ........................................................................
52
Capítulo 4 – Uma Proposta de sistema de medição de
biopotenciais por telemetria ....................................................... 54
4.1 Requerimentos do sistema .................................................... 54
4.1.1 Requisitos Fundamentais.........................................................
54
4.1.2 Especificações de software para o PC ....................................
56
4.2 Desenvolvimento do Hardware ............................................
58
4.2.1 Visão Geral .............................................................................
58
4.2.2 Sensores ..................................................................................
59
4.2.3 Subsistema de condicionamento de sinais ..............................
60
4.2.4 Conversor Analógico - Digital ................................................ 62
4.2.5 Controle do módulo de coleta .................................................
64
4.2.6 Transceptor do módulo de coleta ............................................
65
4.2.7 Alimentação do módulo de coleta ........................................... 66
4.2.8 Transceptor do módulo de recepção .......................................
67
4.2.9 Controle do módulo de recepção ............................................
67
xii
4.2.10 Comunicação com o computador hospedeiro .......................
68
4.2.11 Computador hospedeiro ........................................................
68
4.2.12 Diagramas de Hardware ........................................................ 68
4.3 Protocolo de comunicação .................................................... 69
4.4 Desenvolvimento do software ..............................................
70
4.4.1 Software de controle do módulo de coleta .............................. 70
4.4.2 Software de controle do módulo de recepção .........................
73
4.4.3 Software do computador hospedeiro ........ .............................
74
4.5 Construção do Protótipo ....................................................... 79
Capítulo 5 – Experimentos e avaliações..................................... 84
5.1 Avaliação de sinal emulado .................................................. 86
5.2 Avaliação de sinal proveniente do gerador de funções ......... 87
5.2.1 Sinal Senoidal 30Hz ................................................................ 88
5.2.2 Sinal Senoidal 500Hz .............................................................. 89
5.3 Eletrocardiografia ................................................................. 90
5.4 Eletromiografia ..................................................................... 94
5.5 Eletroencefalografia .............................................................
96
Capítulo 6 – Conclusões e trabalhos futuros.............................. 100
6.1 Conclusões............................................................................
100
6.2 Trabalhos Futuros ................................................................
101
Anexo 1 – Diagramas de Hardware ..........................................
102
Referências Bibliográficas .........................................................
106
xiii
Lista de Acrônimos
A/D Analógico - Digital
ASK Amplitude Shift Keying
BPM Batidas por minuto
CC Corrente Contínua
CRC Cyclic Redundancy Check
ECG Eletrocardiográfico
ECoG Eletrocorticograma
EEG Eletroencefalográfico
EMG Eletromiográfico
EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory
FEELT Faculdade de Engenharia Elétrica
FFT Fast Fourier Transform
FIFO First In – First Out
FSK Frequency Shift Keying
GFSK Gaussian Frequency Shift Keying
IEEE Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica
ISM Industrial, Scientific and Medical
MUAP Motor Unit Action Potential
MUAPT Motor Unit Action Potential Train
NAV Nódulo Átrio-Ventricular
xiv
NSA Nódulo Sino-Atrial
RNA
Rede Neural Artificial
PA Potencial de Ação
PCM Pulse Code Modulation
PPS Potencial Pós-Sináptico
PSD Power Spectral Density
RAM Random Access Memory
RF Radiofreqüência
RMS Root Mean Squared
SAR Successive Approximation Register
SMD Surface Mounting Device
SNC Sistema Nervoso Central
TDM Time Division Multiplex
USB Universal Serial Bus
UFSC Universidade Federal de Santa Catarina
UFU Universidade Federal de Uberlândia
xv
Lista de Figuras
Fig. 1.1 – Registro de atividade eletroencefalográfica ........................ 3
Fig. 1.2 – Formação do vetor Cardíaco ............................................... 3
Fig. 1.3 – Geração do sinal eletromiográfico em unidade motora ...... 4
Fig. 1.4 – Captura de sinais EMG por instrumentação convencional . 5
Fig. 2.1 – Diagrama esquemático da membrana plasmática ............... 9
Fig. 2.2 – Potencial de ação ................................................................ 10
Fig. 2.3 – Propagação do potencial de ação ao longo da membrana .. 10
Fig. 2.4 – Cérebro e seus hemisférios ................................................. 12
Fig. 2.5 – Diferentes tipos de neurônios ............................................. 12
Fig. 2.6 – Sinapse Neuronal ................................................................ 13
Fig. 2.7 – Registro EEG ...................................................................... 15
Fig. 2.8 – Posicionamento dos eletrodos - sistema 10-20 ................... 16
Fig. 2.9 – Neurônio motor e suas partes constituintes ........................ 18
Fig. 2.10 – Estrutura de um músculo esquelético ............................... 19
Fig. 2.11 – Unidade Motora ................................................................ 21
Fig. 2.12 – Esquema de geração de MUAP ........................................ 22
Fig. 2.13 – Representação da formação do sinal eletromiográfico a
partir dos MUAPTs das unidades motoras .................................. 23
Fig. 2.14 – Espectro de frequência do sinal EMG de superfície ......... 24
Fig. 2.15 – Exemplo de eletrodos para captação do sinal de
superfície EMG ............................................................................ 25
Fig. 2.16 – Posicionamento dos eletrodos .......................................... 26
Fig. 2.17 – Vista posterior do coração ................................................ 28
Fig. 2.18 – Estrutura excito-condutora cardíaca ................................. 29
Fig. 2.19 – Formação do sinal eletrocardiográfico ............................. 30
Fig. 2.20 – Potencial de ação de fibra do nodo sino-atrial .................. 31
xvi
Fig. 2.21 – Potencial de ação de fibra ventricular ............................... 31
Fig. 2.22 – Principais componentes de um ECG Típico ..................... 32
Fig. 2.23 – Exemplos de eletrodos para ECG ..................................... 32
Fig. 2.24 – Triângulo de Eithoven ...................................................... 33
Fig. 2.25 – Posição dos eletrodos para obter as 12 derivações
clássicas ....................................................................................... 33
Fig. 2.26 – Esquema de ligação para derivação bipolar ...................... 34
Fig. 2.27 – Derivações Precordiais ..................................................... 34
Fig. 2.28 – Esquemas de ligação para Derivação Aumentada ............ 34
Fig. 3.1 – Estrutura básica de um sistema de telemetria ..................... 37
Fig. 3.2 – Aliasing de um sinal no domínio do tempo ........................ 39
Fig. 3.3 – Processo de Digitalização de um sinal ................................ 40
Fig. 3.4 – Modulação de um sinal por FSK ........................................ 43
Fig. 3.5 – Ação do filtro gaussiano ..................................................... 43
Fig. 3.6 – Exemplo de rede Bluetooth ................................................ 45
Fig. 3.7 – Organização típica de uma rede 802.11 .............................. 46
Fig. 3.8 – Modelos de utilização da tecnologia WiMAX ................... 47
Fig. 3.9 – Sistema Tekscan Wireless ELF ………………………….. 50
Fig. 3.10 – Diagrama esquemático do sistema TekScan Wireless
ELF .............................................................................................. 51
Fig. 3.11 – Sistema TeleMyo 2400T .................................................. 51
Fig. 3.12 – Sistema BTS FreeEMG .................................................... 52
Fig. 3.13 – Eletrodo FreeEMG ........................................................... 53
Fig. 4.1 – Diagrama de blocos do sistema desenvolvido ................... 49
Fig. 4.2 – Estágios do subsistema de condicionamento ...................... 60
Fig. 4.3 – Esquema elétrico do estágio pré-amplificador ..................
60
Fig. 4.4 – Esquema elétrico do estágio de amplificação programável 61
Fig. 4.5 – Esquema elétrico do estágio de filtragem ........................... 62
Fig. 4.6 – Diagrama de blocos do sistema de conversão analógicodigital .......................................................................................... 62
Fig. 4.7 – Diagrama elétrico do estágio de multiplexação ................. 63
Fig. 4.8 – Diagrama elétrico do estágio de conversão analógicodigital .......................................................................................... 63
xvii
Fig. 4.9 – Diagrama elétrico do circuito de controle do módulo de
aquisição ...................................................................................... 64
Fig. 4.10 – Diagrama elétrico de conexão do transceptor do módulo
de aquisição ................................................................................. 65
Fig. 4.11 – Diagrama elétrico do sistema de alimentação do módulo
de coleta ....................................................................................... 66
Fig. 4.12 – Diagrama elétrico de conexão do transceptor do módulo
de recepção .................................................................................. 67
Fig. 4.13 – Diagrama elétrico do sistema de controle do módulo de
recepção ....................................................................................... 67
Fig. 4.14 – Diagrama elétrico de conexão do módulo USB ............... 68
Fig. 4.15 – Pacote de comandos .......................................................... 69
Fig. 4.16 – Pacote de dados ................................................................ 69
Fig. 4.18 – Fluxograma do programa de controle do módulo de
aquisição ...................................................................................... 71
Fig. 4.19 – Fluxograma de funcionamento da função “configurar
dispositivo” .................................................................................. 72
Fig. 4.20 – Fluxograma de funcionamento da função “realizar
aquisição” .................................................................................... 73
Fig. 4.21 – Fluxograma de funcionamento do software de controle
do módulo de recepção ................................................................ 74
Fig. 4.22 – Fluxograma de funcionamento do programa principal ..... 75
Fig. 4.23 – Interface do programa exibindo erro na conexão ............. 75
Fig. 4.24 – Interface do programa exibindo status dos dispositivos ... 76
Fig. 4.25 – Interface de configuração do dispositivo .......................... 76
Fig. 4.26 – interface de cadastro de paciente ...................................... 77
Fig. 4.27 – Caixa de diálogo para seleção de arquivo ......................... 77
Fig. 4.28 – Interface de aquisição de dados ........................................ 78
Fig. 4.29 – Interface de processamento dos sinais coletados .............. 79
Fig. 4.30 – Placa superior do módulo de coleta, vista superior .......... 80
Fig. 4.31 – Placa inferior do módulo de coleta, vista superior ........... 81
Fig. 4.32 – Montagem das placas do módulo de coleta, vista lateral
direita ........................................................................................... 81
Fig. 4.33 – Montagem do módulo de recepção, vista superior ........... 82
Fig. 4.34 – Módulos de coleta e recepção completos ......................... 82
xviii
Fig. 4.35 – Sistema acoplado ao computador hospedeiro ................... 83
Fig. 5.1 – Gerador de sinais HP 33120A ............................................ 85
Fig. 5.2 – Sinal em rampa e Interface utilizada .................................. 86
Fig. 5.3 – Interface de aquisição exibindo resultados da coleta do
sinal em 30Hz ............................................................................. 88
Fig. 5.4 – Interface de processamento do sinal em 30Hz ................... 88
Fig. 5.5 – Espectro encontrado para aquisição do sinal em 30Hz ...... 89
Fig. 5.6 – Interface de aquisição exibindo resultados da coleta do
sinal em 500Hz ............................................................................ 89
Fig. 5.7 – Interface de processamento do sinal em 500Hz ................. 90
Fig. 5.8 – Espectro encontrado para aquisição do sinal em 500Hz .... 90
Fig. 5.9 – Computador com o módulo de recepção conectado e
programa instalado ...................................................................... 91
Fig. 5.10 – Voluntário com o sistema de biotelemetria fixado e
eletrodos ECG posicionados ........................................................ 92
Fig. 5.11 – Sinal ECG coletado em derivação I.................................. 93
Fig. 5.12 – Espectro de freqüência (FFT) e espectro de potência
(PSD) do primeiro ciclo cardíaco do sinal coletado .................... 93
Fig. 5.13 – Eletrodos posicionados no voluntário para captura do
sinal EMG .................................................................................... 94
Fig. 5.14 – Voluntário executando contração isométrica .................... 95
Fig. 5.15 – Sinal EMG coletado .......................................................... 95
Fig. 5.16 – Espectro de freqüência (FFT) e densidade espectral de
potência (PSD) para a primeira contração do sinal EMG
coletado......................................................................................... 96
Fig. 5.17 – Eletrodos posicionados no voluntário para captura do
sinal EEG ..................................................................................... 97
Fig. 5.18 – Voluntário durante a sessão de captura EEG .................... 98
Fig, 5.19 – Sinal EEG coletado ........................................................... 98
Fig. 5.20 – Espectro de freqüência (FFT) e densidade espectral de
potência (PSD) do sinal EEG coletado ........................................ 99
Fig. A1 – Diagrama elétrico do módulo receptor
102
Fig. A2 – Diagrama elétrico do módulo de coleta – placa superior
103
Fig. A3 – Diagrama elétrico do módulo de coleta – placa inferior
104
Capítulo 1
Introdução
A evolução tecnológica vem ocorrendo em velocidade espantosa, e o
progresso resultante destes avanços tem modificado significantemente a prática da
medicina atual. Basta mencionar as precisas informações obtidas pelos modernos
tomógrafos, pela ressonância nuclear e, ainda, o amplo uso do ultra-som como método
diagnóstico;
as
detalhadas
informações
obtidas
pela
endoscopia
e
pelas
cineangiografias; as cirurgias realizadas por videolaparoscopia; as microcirurgias e os
procedimentos cirúrgicos com auxílio da robótica, que tornaram quase inexistente a
distância entre a realidade e a ficção.
Uma das áreas de maior destaque neste cenário tecnológico é o da medicina
esportiva. Hoje, equipamentos e treinamentos avançam sobre seus limites, usando a
tecnologia e a ciência onde o corpo humano já alcançou, aparentemente, o auge de sua
performance física. Atletas olímpicos são preparados para desafiar as restrições
provenientes da gravidade, do tempo e da distância. Encontram suporte nas pesquisas
aplicadas na área de fisiologia, e através do avanço tecnológico das técnicas de
treinamento e dos equipamentos. A ciência permite "construir" um atleta para ser
recordista olímpico, maximizando suas potencialidades físicas por meio do profundo
conhecimento da fisiologia do movimento. E quando o homem esportivo chega ao
limite, com o corpo humano no máximo de sua capacidade, entra em campo a alta
tecnologia dos equipamentos e dos materiais a seu serviço.
2
As atividades dos diversos sistemas biológicos podem ser monitoradas
através de seus biopotenciais. Os biopotenciais originam-se da diferença de níveis de
concentração iônica entre os meios celulares, gerando diferenças de potencial elétrico
através das membranas celulares de praticamente todas as células do corpo. Algumas
destas células são excitáveis, podendo ter seu potencial de membrana alterado por
algum estímulo e, depois de algum tempo, re-estabelecerem seu potencial inicial. Este
processo pode se propagar pela membrana e excitar células vizinhas, constituindo assim
o chamado potencial de ação. Biopotenciais podem então ser definidos como reflexo da
somatória dos potenciais de ação existentes nas proximidades de um sensor posicionado
nas imediações da região onde eles ocorrem, e são, portanto, um reflexo do
funcionamento de determinado sistema biológico, possuindo características e
mecanismos únicos [GUYTON, 2002].
Dentre os biopotenciais, três foram selecionados para utilização neste
trabalho. Dentre os critérios utilizados para a seleção, os de maior peso foram a
importância do potencial no entendimento dos diversos fenômenos que ocorrem no
organismo e o uso do biopotencial em outros projetos desenvolvidos pelo laboratório.
São estes biopotenciais:
•
Potencial Eletroencefalográfico (EEG): O cérebro consiste em
bilhões de células nervosas, cada qual recebendo sinais elétricos de
outros neurônios e os retransmitindo a outras células nervosas. Todas
as funções do cérebro, incluindo sensibilidade, raciocínio, emoções e
reflexos dependem desta transmissão de sinais elétricos [AIRES]. O
sinal eletroencefalográfico é o conjunto de potenciais elétricos
captados na região do encéfalo (Fig. 1.1), constituindo um diagrama
funcional [TURNER] que pode conter informações sobre a extensão,
dinâmica, localização e distribuição da atividade cerebral. Este sinal
pode ser captado por eletrodos de superfície conectados ao escalpo,
ou através de eletrodos inseridos diretamente no córtex.
3
Fig. 1.1 – Registro de atividade eletroencefalográfica. Modificado de [www.u.arizona.edu]
•
Potencial Eletrocardiográfico (ECG): O eletrocardiograma baseia-se em
diferenças de potenciais gerados durante a atividade do músculo
cardíaco, estabelecendo correntes nos tecidos em volta do coração. Podese explicar a atividade elétrica do coração comparando-o a um dipolo
elétrico, representado por um vetor. O ECG registra e associa a seqüência
destes vetores instantâneos (representação da atividade cardíaca) a um
dipolo imaginário que muda seu tamanho e direção durante a propagação
de um impulso (Fig. 1.2) [BERBARI].
Fig. 1.2 – Formação do vetor cardíaco. Modificado de [buttler.cc.tut.fi]
4
O sinal eletrocardiográfico pode ser coletado através de eletrodos
localizados sobre a caixa torácica em pontos adequados ao registro, como
proposto originalmente por Eithoven [DeLUCA, 2003].
•
Potencial Eletromiográfico (EMG): Os músculos esqueléticos são
compostos de fibras musculares que são organizadas em feixes,
compostos por fios finos de duas moléculas de proteínas, actina e
miosina. O processo de contração muscular ocorre quando um potencial
de ação é disparado pelo nervo motor associado a um grupo de fibras
musculares, provocando o deslocamento das fibras de actina e miosina
[GUYTON]. Pode-se dizer, então, que o sinal eletromiográfico é a soma
de vários potenciais de ação gerados pelas fibras musculares (Fig. 1.3)
quando as mesmas são excitadas por neurônios motores, ou seja, é uma
manifestação de uma ativação neuromuscular associada a uma contração
muscular [DeLUCA, 1985].
Fig. 1.3 – Geração do sinal eletromiográfico em unidade motora. Modificado de [DeLUCA, 2006]
Este sinal pode ser coletado através de eletrodos de superfície colocados
sobre o músculo a ser estudado, ou através de eletrodos-agulha inseridos
diretamente no músculo em questão.
5
A instrumentação tradicional de coleta destes biopotenciais segue um mesmo
processo:
•
Detecção do sinal, através de eletrodos conectados ao paciente
•
Condicionamento do sinal detectado, de modo a eliminar interferências e
adequá-lo à manipulações futuras
•
Digitalização, que transforma o sinal analógico em sinal digital,
permitindo que o mesmo seja processado por microcomputadores.
Porém, este processo apresenta alguns fatores limitantes. A digitalização dos
sinais coletados com baixa resolução pode “mascarar” sinais com pequenas amplitudes
(DELSYS, 1996), impedindo que o profissional analise variações sutis que podem ter
significância clínica. A aquisição em baixas freqüências de amostragem pode eliminar
informações importantes inseridas nas altas freqüências do sinal. Além disso, a análise
ainda é prejudicada por sensores, fios e outros sistemas acoplados ao equipamento de
medição, que restringem o movimento corporal do paciente ao equipamento (Fig. 1.4)
impedindo que o movimento seja feito com naturalidade, podendo em alguns casos até
impossibilitar seu estudo.
Fig. 1.4 – Captura de sinais EMG por instrumentação convencional. Extraído de [www.hhdev.psu.edu]
6
Uma das soluções atualmente adotadas por profissionais para o conceder
liberdade de movimento durante a análise biomecânica dos atletas é a denominada
telemetria [MARTINS, MÜLLER, BERTEMES, SILVA]. A telemetria caracteriza-se
como a medição de uma grandeza através de comunicação sem fios, seja por meios
óticos, acústicos ou RF. Com este modelo de transmissão, é possível uma análise das
variáveis biológicas do atleta em seu estado natural, ou seja, sem nenhum tipo de
restrição de movimento, permitindo obter informações importantes sobre o
funcionamento do sistema corporal nas reais condições de ocorrência. Utilizando estas
informações, é possível uma melhora significativa do entendimento do movimento, suas
causas e conseqüências, além da possibilidade de aperfeiçoar os programas de
treinamento de atletas e reabilitação de pacientes com problemas neuromotores.
1.1 Objetivo e Metas
O objetivo proposto para este trabalho foi o desenvolvimento de um sistema que
seja capaz de aquisicionar e transmitir remotamente os biopotenciais selecionados
(EEG, ECG e EMG).
Para atingir este objetivo, as seguintes metas foram cumpridas:
•
Estudo dos processos fisiológicos que envolvem a geração dos sinais de
interesse;
•
Estudo dos modelos de transmissão remotos existentes e sua aplicabilidade.
•
Estudo do estado da arte e principais técnicas de biotelemetria em uso
•
Desenvolvimento e implementação de um protótipo para detecção, captura e
processamento de sinais EEG, ECG e EMG a partir de um dispositivo remoto
•
Avaliação do protótipo em estudos de caso.
7
1.2 Estrutura da dissertação
A metodologia utilizada para atingir os objetivos citados anteriormente está descrita
nos capítulos desta dissertação, que estruturalmente encontra-se da seguinte forma:
•
Capítulo 1 - Apresenta a motivação, os objetivos, metas e estrutura do
presente trabalho.
•
Capitulo 2 - Descreve as características dos biopotenciais envolvidos no
projeto, e os meios de aquisição destes biopotenciais.
•
Capítulo 3 - Apresenta os princípios da telemetria, suas principais técnicas e
o estado da arte em sistemas de biotelemetria.
•
Capítulo 4 - Apresenta o projeto e desenvolvimento do hardware e software
do protótipo de aquisição de biopotenciais.
•
Capítulo 5 - Apresenta uma avaliação do sistema desenvolvido e os
resultados obtidos.
•
Capítulo 6 - Análise das contribuições deste trabalho sugestões importantes
para trabalhos futuros, que poderão ser realizados a partir desta dissertação.
Capítulo 2
Biopotenciais
2.1 Introdução
Os biopotenciais (ou potenciais bioelétricos) são resultados da atividade
eletroquímica em células excitáveis – componentes do sistema nervoso, muscular ou
glandular. Eletricamente, estas células exibem um potencial de repouso em suas
membranas e, quando apropriadamente estimuladas, um potencial de ação.
Com o desenvolvimento de equipamentos de monitoração adequados, é possível captar
diversas formas de fenômenos bioelétricos com relativa facilidade, permitindo a análise
dos sistemas biológicos associados a eles. Dentre estes fenômenos, estão incluídos o
eletromiograma (EMG), eletrocardiograma (ECG) e o eletroencefalograma (EEG).
2.1.1 O Potencial de Membrana Celular
Toda célula pode ser considerada como uma cápsula contendo uma solução
protéica revestida por uma membrana lipoprotéica, denominada membrana plasmática
(Fig. 2.1). Os meios intra e extracelular possuem diferentes concentrações iônicas,
proporcionando uma diferença de potencial elétrico entre o meio interno e o meio
externo, denominado potencial de membrana ou potencial de repouso da membrana. O
interior da membrana celular apresenta uma carga elétrica catódica menor que a carga
9
elétrica catódica do exterior. Dizemos, assim, que o potencial elétrico interno é negativo
em relação ao potencial elétrico externo, que é tomado por referência.
O potencial de repouso da membrana é, em geral, de aproximadamente -65 a -70
milivolts (tomando o meio exterior à célula como referência) [GUYTON].
Fig. 2. 1 –Diagrama esquemático da membrana plasmática
Extraído de [LENT].
2.1.2 O Potencial de Ação
Os sinais neurais são transmitidos por meio de potenciais denominados
“potenciais de ação”, que são variações muito rápidas do potencial de membrana. Cada
potencial de ação começa por uma modificação abrupta do potencial de repouso
negativo normal para um potencial positivo e, em seguida termina com uma
modificação quase tão rápida para o potencial negativo.
O potencial de ação atravessa três fases, denominadas repouso, despolarização e
repolarização (fig. 2.2):
Na fase de repouso, diz-se que a membrana está polarizada. Na despolarização, a
membrana fica em determinado momento muito permeável aos íons sódio, o que
permite a entrada de muitos desses íons para o interior da célula. O estado de
polarização normal de –70mV varia rapidamente para o sentido positivo. Por fim, na
fase de repolarização, alguns milésimos de segundos após a membrana ter ficado
extremamente permeável aos íons sódio, os canais de sódio começam a se fechar,
enquanto os canais de potássio abrem-se, acarretando em uma rápida difusão de íons
potássio para o exterior da célula restaurando o potencial de repouso normal.
10
Fig. 2.2 - Potencial de ação mostrando as fases de (A) Repouso,
(B)Despolarização, (C) Repolarização, (D) Repouso
A despolarização de uma membrana de uma célula excitável, gerada em
qualquer ponto da mesma, geralmente excita as regiões adjacentes resultando na
propagação daquela despolarização. Este processo se desencadeia em ambos os sentidos
da membrana e é chamado potencial de ação. Este processo pode ocorrer tanto em fibras
nervosas quanto musculares.
A Fig. 2.3 ilustra a propagação do potencial de ação ao longo da membrana
celular.
(a)
(b)
(c)
Fig. 2.3 – Propagação do potencial de ação ao longo da membrana. Extraído
de [VILELA, 2004]
11
Partindo de uma célula em repouso (fig. 2.3a), onde um segmento excitado da
membrana passou a ter sua permeabilidade aumentada para o sódio, dando início ao
processo de despolarização da membrana, cargas elétricas se difundem para o interior
da fibra através da região despolarizada. Essas cargas positivas aumentam a ddp em
áreas adjacentes, a uma distância de cerca de 1mm a 3mm, para um valor acima do
valor limiar da voltagem para geração do potencial de ação, o que ocasiona a abertura
dos canais de sódio nessas regiões adjacentes, proporcionando a propagação do
potencial de ação ao longo da célula (fig. 2.3b).
Logo em seguida, ocorre o processo de repolarização (fig. 2.3c), onde os canais
de sódio começam a se fechar, enquanto os canais de potássio se abrem, acarretando em
uma rápida difusão de íons potássio para o exterior da célula restaurando o potencial de
repouso normal.
O potencial de ação é bidirecional, ou seja, segue em ambos sentidos a partir
do ponto estimulado, e até mesmo pelas ramificações de uma fibra nervosa, até que toda
a membrana seja despolarizada.
Conhecendo a origem dos sinais bioelétricos, é possível então associar estes
sinais aos sistemas biológicos, tornando possível sua caracterização.
2.2 O Eletroencefalograma
O eletroencefalograma (EEG) é uma manifestação bioelétrica das terminações
nervosas contidas na cavidade craniana [TURNER].
2.2.1 O cérebro
Segundo Guyton [GUYTON, 2002] o cérebro (Fig. 2.4) constitui a maior porção
do sistema nervoso. É também o maior órgão do encéfalo, sendo dividido em dois
hemisférios (esquerdo e direito). Ambos os hemisférios cerebrais apresentam uma
camada de 2 a 5mm de espessura de substância cinzenta, composta por neurônios,
células da glia e fibras nervosas, denominado córtex cerebral [NIEDERMEYER].
12
Fig. 2.4 – Cérebro e seus hemisférios. Modificado de [www.focuseducation.au]
2.2.2 O Neurônio
O
neurônio,
assim
como
outras
células,
possui
organelas,
núcleo
individualizado, necessita de oxigênio e nutrientes, possui membrana plasmática e
conseqüentemente potencial de membrana. As células são diferenciáveis umas das
outras por suas especializações, sendo assim, o que difere os neurônios (Fig. 2.5) de
outras células, além da sua maior necessidade metabólica, é a especialização e
capacidade de condução do potencial de ação.
Fig. 2.5 – Diferentes tipos de neurônios. Modificado de [FRISÓN]
13
Os neurônios contam com duas propriedades fundamentais para as funções que
exercem: a excitabilidade (capacidade de reagir aos estímulos) e a condutibilidade (uma
vez alterados pelos estímulos, os neurônios transmitem essa alteração por toda sua
extensão, em grande velocidade). A maioria dos sinais é recebida pelos neurônios em
seus dendritos, outros sinais são recebidos no corpo celular e alguns poucos no início do
axônio, que é uma estrutura encontrada somente no neurônio. O sinal nervoso que será
transmitido é iniciado no cone axonal e percorre todo o axônio (o axônio pode ter de
alguns micrômetros a um metro) até uma terminação sináptica ou botão sináptico.
Como o neurônio é uma célula excitável, o seu potencial de ação pode sofrer
alterações, dependendo dos estímulos realizados.
2.2.2.1 Sinapses
Os cem bilhões de neurônios existentes em todo o sistema nervoso não estão diretamente ligados entre si. A comunicação entre eles acontece através de espaços de
conexão denominados sinapses (Fig. 2.6).
O número de sinapses, ou conexões, sobre um mesmo neurônio pode variar de
algumas unidades até algumas centenas de milhares [LENT].
Fig. 2.6 – Sinapse Neuronal. Modificado de [www.ainenn.org]
14
O neurônio cuja terminação do axônio conecta-se ao soma ou ao dentrito de outro
neurônio é chamado de neurônio pré-sináptico. Este neurônio transmite o impulso para
o neurônio seguinte, denominado neurônio pós-sináptico. Entre esses dois neurônios
existe a fenda sináptica, que é o local onde há a transmissão. As sinapses são de extrema
importância para o funcionamento do sistema nervoso, porque são elas que possibilitam
a transmissão do impulso nervoso (informação) de um neurônio ao outro, ou de um
neurônio a uma fibra muscular, determinando, as direções em que esses sinais nervosos
devem se espalhar, pois uma sinapse pode ser excitatória ou inibitória.
Existem dois tipos de sinapses: química (maioria no corpo humano) e elétrica. Esta
última se dá pela transmissão direta de íons de uma célula a outra. Ocorrem,
principalmente na transmissão do potencial de uma fibra muscular lisa à seguinte e
também de uma célula muscular cardíaca à seguinte [MACHADO].
Na sinapse química, o neurônio pré-sináptico secreta uma substância química
chamada neurotransmissor, que se difunde na fenda sináptica fixando-se sobre proteínas
receptoras encontradas na membrana celular do neurônio pós-sináptico, alterando as
propriedades elétricas dessa membrana [LENT]. Nesse momento, o neurônio receptor
será inibido (sinapse inibitória) ou excitado (sinapse excitatória), permitindo que a ação
neural seja restringida ou estimulada. As sinapses químicas são extremamente
importantes por possuírem uma característica muito peculiar: elas permitem que o
impulso nervoso seja conduzido numa única direção. A importância dessa transmissão
unidirecional se dá pela necessidade de enviar sinais a determinados pontos ou áreas
específicas do sistema nervoso, permitindo a análise do mesmo por zonas
especializadas, bem como pela necessidade de atuação de controle em determinados
grupos musculares, ou glândulas secretoras.
2.2.2.2 O Potencial Pós-Sináptico
Os biopotenciais encefálicos podem ser diferenciados em dois tipos [BUTTON]:
Potenciais de ação, e potenciais pós-sinápticos. Como foi explicado anteriormente, o
potencial de ação caracteriza a transmissão dos impulsos eletroquímicos através dos
axônios. O potencial de ação não fornece muitos dados para o registro de EEG, uma vez
que ocorrem de forma assíncrona e em direções diversas ortogonais à superfície do
escalpo. O potencial Pós-Sináptico (PPS), é o potencial de membrana resultante no
15
neurônio pós-sináptico. Quando as sinapses excitatórias disparam sobre as superfície
dos dentritos ou do soma do neurônio, aparece um potencial pós-sináptico no neurônio
que dura muitos milissegundos. Esse potencial continua a excitar o neurônio enquanto
estiver existindo [GUYTON]. Conforme as entradas excitatórias e inibitórias, são
definidos dipolos elétricos, que mudam de intensidade e sentido produzindo flutuações
ondulares que se propagam conduzidas pelos fluidos encefálicos até o escalpo. O
potencial registrado na superfície cortical depende da polaridade, orientação e
localização do PPS em relação ao eletrodo de medida [BUTTON].
2.2.3 O Eletroencefalograma (EEG)
A atividade elétrica do cérebro é medida como a diferença de potencial entre um
eletrodo colocado sobre a superfície do córtex (sub ou sobre-cutâneo) e outro, que
servirá de referência [BUTTON]. Os registros de EEG (Fig. 2.7) são a variação
propagada dos potenciais pós-sinápticos de determinada região do encéfalo, somados
espacialmente e temporalmente, e capturados em determinada região. Se a medida é
feita dentro do tecido neural, chamamos de registro profundo; se é na superfície do
córtex, chamamos de eletrocorticograma (ECoG); no caso da superfície do escalpo,
eletroencefalograma (EEG) [MONTENEGRO e CENDES].
Fig. 2.7 – Registro EEG [modificado de BUTTON]
16
2.2.4 Técnicas de Aquisição do EEG
Para o registro de sinais EEG, o paciente deverá estar sem brincos ou objetos de
metal, com os cabelos secos e o escalpo limpo. Cabelos longos devem ser presos de
forma a exibir o couro cabeludo. O ambiente de registro deve ser calmo, silencioso, sem
luzes intensas, sem movimentos de pessoas passando e sem interferência eletroeletrônica. A aparelhagem deve ser mantida muito limpa e freqüentemente calibrada. O
uso de pastas especiais para aderência de eletrodos ao escalpo, e filtros para registro da
atividade elétrica devem ser feitos de forma sistematizada. Movimentos oculares e
contratura muscular são causas freqüentes de artefatos que por vezes impedem a
avaliação do traçado [PEREIRA].
Tipo de Onda
Detecção
Freqüência
Amplitude
Delta
Eletrodo de superfície
0,1 a 4 Hz
2 a 100 µV
Teta
Eletrodo de superfície
4 a 8 Hz
2 a 100 µV
Alfa
Eletrodo de superfície
8 a 13 Hz
2 a 100 µV
Beta
Eletrodo de superfície
13 a 22 Hz
2 a 100 µV
Tabela 1 – Relações entre tipos de onda e freqüências para sinais EEG
Em 1947 [YACUBIAN, GARZON e SAKAMOTO], foi recomendada a criação de
um padrão para a fixação dos eletrodos na cabeça do paciente, com o objetivo de
facilitar as comparações dos registros obtidos por diversos laboratórios, contribuindo
para as pesquisas cientificas na área. O sistema de medidas padronizado é composto por
regras que uniformizam a nomenclatura e o posicionamento dos eletrodos (Fig. 2.8),
denominado sistema internacional 10-20.
Fig. 2.8 – Posicionamento dos eletrodos de acordo com o sistema 10-20.
Modificado de [www.add-adhd-plus.com]
17
2.2.5 Interferências no Sinal EEG (Artefatos)
Diversos fatores influem na qualidade do sinal EEG captado. As principais
fontes de interferência são citadas abaixo:
•
Artefatos ECG: Devido à sua característica distinta, artefatos ECG são
facilmente identificáveis. Para evitar dúvidas, basta registrar o sinal cardíaco
(ECG) em um canal, durante a captação do EEG.
•
Artefatos EMG: A atividade muscular do paciente também é registrada nas
redondezas do eletrodo. O espectro do EMG é muito mais largo que o do
EEG, com componentes espectrais bem acima das do EEG, permitindo sua
filtragem. Porém, uma parte do espectro é comum a ambos sinais, e portanto
o sinal filtrado pode ter sua forma de onda um pouco alterada. Os artefatos
causados pelos músculos são os mais comuns encontrados em um EEG, e
são reconhecidos principalmente pela sua morfologia: sinais pontiagudos e
de curta duração.
•
Artefatos Diversos: Mudanças na atividade elétrica da pele podem gerar
tensões que são captadas pelos eletrodos e registradas no EEG. Geralmente
este artefato é fácil de ser reconhecido, pois possui baixa freqüência Os
movimentos do paciente e particularmente os movimentos de cabeça causam
artefatos de grandes amplitudes não desejados para o sinal. Artefatos de
mastigação também são muito comuns.
•
Artefatos técnicos: Ocorrem interferências devido a campos elétricos
provenientes de outros equipamentos, como lâmpadas fluorecentes e rede de
distribuição de energia, que irradiam ondas em 60Hz captadas pelo
equipamento EEG. Outro tipo de interferência freqüente é aquela ocasionada
pela má colocação dos eletrodos, bem como seu mal estado de conservação.
18
2.3 O Eletromiograma
O sinal mioelétrico é proveniente do potencial de ação originado em um
neurônio motor que percorre a fibra muscular levando-o à contração [ORTOLAN].
2.3.1 O neurônio motor
O neurônio, assim como outras células do corpo, possui organelas, núcleo
individualizado, necessita de oxigênio e nutrientes, e é envolta por uma membrana
semipermeável denominada de membrana plasmática. Dentre vários tipos de neurônio,
destaca-se o neurônio motor (fig. 2.9) que tem como função transmitir impulsos
nervosos responsáveis pelo desencadeamento do processo de contração muscular.
Fig. 2.9 - Neurônio motor.
Modificado de [www.sdmesa.sdccd.net]
No neurônio motor, podem ser identificadas três estruturas com funções distintas: o
corpo celular ou soma, os dendritos e o axônio.
O corpo celular é a porção que contem o citoplasma, núcleo e organelas. Em um
neurônio motor, que é o que comanda diretamente a contração das fibras musculares, o
soma está entre os dendritos e o axônio, já em certos neurônios sensoriais localiza-se
discretamente à margem do axônio.
Os dendritos são processos celulares, tipicamente curtos e altamente ramificados
de maneira a oferecer amplas áreas de contato para a recepção da informação; são
especializados em receber informações e enviar estímulos para o corpo celular. Os
19
impulsos nervosos são conduzidos do corpo celular para outros neurônios através do
axônio. Em sua extremidade o axônio se ramifica, formando terminais que contém
pequenas estruturas denominadas botões sinápticos. Quando estes recebem um impulso
nervoso, liberam substâncias químicas que transmitem estímulos de um neurônio para
outro, denominadas neurotransmissores.
O axônio tem como função básica transmitir informações na forma de pulsos
regenerativos, isto é, sem atenuação, para várias partes do sistema nervoso e do
organismo. Podem chegar a 1 metro de comprimento e geralmente se reúnem em
troncos nervosos que chegam a conter milhares de axônios.
2.3.2 O processo de contração muscular
2.3.2.1 Fisiologia do Músculo Esquelético
Para compreender a fisiologia e o mecanismo da contração muscular, deve-se
conhecer a estrutura do músculo esquelético (fig. 2.10). Os músculos esqueléticos são
compostos de fibras musculares que são organizadas em feixes (fascículos).
Os miofilamentos compreendem as miofibrilas que, por sua vez, são agrupados
juntas para formar as fibras musculares. Cada fibra possui uma cobertura ou membrana,
o sarcolema, composta de uma substância gelatinosa, o sarcoplasma. Centenas de
miofibrilas contráteis e outras estruturas importantes (tais como as mitocôndrias e o
retículo sarcoplasmático) estão inclusas no sarcoplasma.
Fig. 2.10 – Estrutura de um músculo esquelético..
Extraído de [Biomania, 2004]
20
A miofibrila contrátil é composta de unidades, e cada unidade é denominada
um sarcômero. Cada miofibrila contém muitos miofilamentos, que são fios finos de
duas moléculas de proteínas, actina (filamentos finos) e miosina (filamentos grossos).
Pode-se então dizer que o processo de contração muscular ocorrerá seguindo as
seguintes etapas: [DeLuca]
1 – O potencial de ação trafega ao longo de um nervo motor até suas
terminações nas fibras musculares onde, em cada terminação, o nervo secreta uma
pequena quantidade da substância neurotransmissora (acetilcolina).
2 – O neurotransmissor, por sua vez, atua sobre uma área localizada na
membrana da fibra muscular, abrindo numerosos canais acetilcolina-dependentes (ad)
dentro de moléculas protéicas na membrana da fibra muscular.
3 – A abertura dos canais ad permite que uma grande quantidade de íons sódio
flua para dentro da membrana da fibra muscular abaixo da terminação neural,
desencadeando o potencial de ação na fibra muscular e sua posterior propagação pela
mesma.
4 – O potencial de ação despolariza a membrana da fibra muscular e faz com
que o retículo sarcoplasmático libere para as miofibrilas grande quantidade de íons
cálcio, armazenados no seu interior.
5 – Os íons cálcio provocam grandes forças atrativas entre os filamentos de
actina e miosina, fazendo com que eles deslizem entre si, o que constitui o processo
contrátil da ação muscular.
6 – Os íons cálcio são então bombeados de volta para o retículo
sarcoplasmático, onde permanecem armazenados até que ocorra um novo potencial de
ação.
2.3.2.2 A unidade motora
Na sinapse, na região de interação entre dois neurônios, existe geralmente uma
pequena distância entre as duas células envolvidas, isto é, não há perfeita continuidade
entre a membrana de ambas. A passagem do impulso nervoso nessa região é feita por
substâncias químicas ou mediadores químicos, que são os neurotransmissores. Como
esses mediadores estão acumulados somente no final do axônio, a transmissão do
impulso ocorre sempre do axônio de um neurônio para o dendrito ou corpo do neurônio
21
seguinte. Um processo semelhante ocorre nas junções entre as terminações dos axônios
e músculos; essas junções são chamadas placas motoras ou junções neuro-musculares.
A unidade motora (Fig. 2.11) é composta de um neurônio motor localizado no
corno anterior da medula espinhal, e todas as fibras musculares supridas pelas
ramificações terminais do axônio.
Os impulsos oriundos do Sistema Nervoso Central (SNC) atingem os seus
órgãos efetores, no caso o músculo esquelético, através dos neurônios motores
inferiores. Cada neurônio inerva um conjunto de fibras musculares, de modo que não é
possível ativar voluntariamente uma única fibra muscular. A unidade motora é,
portanto, a menor unidade funcional do sistema neuromuscular e objeto principal de
estudo da eletromiografia. Cada músculo, dependendo de suas características e funções,
possui diferentes proporções de unidades motoras. [Ortolan]
Fig. 2.11 – Unidade Motora.
Extraído de [Ortolan, 2002]
2.3.2.3 O Potencial de ação na Unidade Motora
A unidade motora é a menor unidade muscular controlável. A soma algébrica
dos potenciais de ação das várias fibras de uma unidade motora é chamado de Potencial
de Ação da Unidade Motora (MUAP – Motor Unit Action Potential). A Fig. 2.12
apresenta a representação esquemática da formação da MUAP representado por h(t).
22
Fig. 2.12 – Esquema de geração de MUAP.
Extraído de [Basmajian & De Luca, 1985]
Existem diversos fatores que podem influenciar o sinal gerado pela unidade
motora, como a relação geométrica entre a superfície de detecção do eletrodo e a fibra
muscular da unidade motora, a posição relativa entre a superfície de detecção do
eletrodo e a zona de inervação, o diâmetro da fibra, o número de fibras musculares de
uma unidade motora na região de detecção do eletrodo e a interface eletrodo/pele.
A duração da MUAP é de aproximadamente 2 a 10 ms com amplitudes na faixa
de 10 µV a 2 mV com largura de banda de 5Hz a 10 kHz. A análise desse potencial é
muito usada para a detecção de miopatias, lesões neurogênicas e outras desordens nos
músculos.
Pelo fato da MUAP ter um período relativamente pequeno, as unidades motoras
devem ser ativadas repetitivamente para que se possa sustentar a contração muscular por
períodos maiores. Essa seqüência de MUAPs é denominada trem de potenciais de ação
na unidade motora (MUAPT - Motor Unit Action Potential Train). Como os músculos
contem fibras de diversas unidades motoras, a captação do MUAPT isolado só pode ser
obtida se forem recrutadas apenas as fibras de uma única unidade motora, na vizinhança
do eletrodo, só podendo ser realizada em contrações muito fracas. [DeLuca]
O eletromiograma (Fig. 2.13) é o somatório de todas as MUAPTs das Unidades
motoras, captada pelo eletrodo na região de detecção [De Luca & Basmajian, 1995].
23
Fig. 2.13 – Representação da formação do sinal eletromiográfico a partir dos
MUAPTs das unidades motoras. Extraído de [Basmajian & De Luca, 1985].
2.3.3 Características do sinal EMG
O sinal eletromiográfico é o registro dos potenciais de ação gerados por
diferentes fibras musculares quando as mesmas são excitadas por neurônios motores, ou
seja, é uma manifestação de uma ativação neuromuscular associada a uma contração
muscular.
Considerando a diferença entre os MUAPTs, a irregularidade na taxa de disparo
dos neurônios motores, e o fato de contrações terem mais de um músculo envolvido, o
sinal EMG pode ser descrito como sendo um processo estocástico [Kreifeldt & Yao,
1974; De Luca, 1979; Parker et al., 1997] aproximando a função densidade espectral por
uma função gaussiana, onde a amplitude instantânea do sinal é uma variável gaussiana
de média zero. No entanto, foram encontradas características determinísticas dentro dos
primeiros 200 ms de uma contração muscular [Hudgins et al.,1991; Hudgins et al.,
1993; Basha et al, 1994].
24
A fig. 2.14 apresenta as características do sinal EMG no que diz respeito ao seu
espectro de freqüências. A amplitude do sinal pode variar de: 0 a 10mV (pico a pico),
em uma faixa de freqüência entre 0 à 1kHz, podendo se estender à até 10kHz para EMG
intramuscular. A energia útil está limitada na faixa 0 a 500 Hz com a maior parte da
energia dominante do sinal entre 50 e150Hz.
Fig. 2.14 – Espectro de frequência do sinal EMG de superfície.
Modificado de [Delsys, 1996]
2.3.4 Aquisição de Sinais EMG
A captação dos sinais EMG é feita através de eletrodos, onde a escolha do tipo
de eletrodo a ser utilizado dependerá do tipo de músculo a ser estudado. Para músculos
grandes e superficiais, geralmente utilizam-se eletrodos de superfície (Fig. 2.15a e
Fig. 2.15b), e para músculos pequenos e superficiais, ou situados entre ou abaixo de
outros músculos, podem ser utilizados eletrodos invasivos, ou intramusculares (Fig.
2.15c).
Eletrodos intramusculares geralmente são compostos de fios finos inseridos por
uma agulha no músculo. Com isso pode-se coletar sinais de áreas bem definidas e tem-
25
se uma baixa possibilidade de cross-talk (interferências geradas por outros músculos).
As maiores desvantagens são o desconforto e a dor causados na inserção, câimbras e
uma grande dificuldade de repetição de experimentos.
Fig. 2.15 - Exemplo de eletrodos para captação do sinal de superfície EMG.
(a) Passivos; (b) Ativos; (c) Intramusculares.
2.3.4.1 Posicionamento dos eletrodos
O mal posicionamento dos eletrodos na área de detecção implica na obtenção
errônea dos sinais, de forma que esses podem não representar com fidelidade a
realidade, podendo provocar, dessa forma, avaliações errôneas. A amplitude e espectro
de freqüência do sinal de EMG são afetados pela localização dos eletrodos (Fig. 2.16)
em relação à zona de inervação (eletrodo superior), a junção miotendinosa (eletrodo
inferior) e a extremidade lateral do músculo (eletrodo no centro à direita).
O melhor local está na região entre a zona de inervação e a junção
miotendinosa. Nesta localização o sinal EMG com maior amplitude é detectado.
[DeLuca]
Alguns cuidados a serem tomados no posicionamento dos eletrodos [De Luca, 2002]:
• O fenômeno de cross-talk devido à proximidade entre os músculos pode ser
minimizado selecionando o tamanho adequado dos eletrodos e a separação ideal entre
eles;
• É preferível a escolha de áreas que não obstruam a visão ou a movimentação;
• Sempre que possível, os pares de eletrodos devem ser posicionados paralelamente
às fibras, maximizando dessa forma a sensibilidade à seletividade;
26
• É preferível a escolha de regiões de fácil localização, ou seja, que possuam boas
referências anatômicas, para facilitar o posicionamento dos eletrodos durante os
experimentos.
Fig. 2.16 – Posicionamento dos eletrodos
sobre a fibra muscular. Modificado de [De Luca,1997]
Além do posicionamento dos eletrodos, existem algumas considerações
importantes a serem feitas com relação à qualidade do sinal, que são: Tipo de fibras,
diâmetro das fibras, distância entre as fibras, tipo de tecido entre as fibras, ponto de
captação do sinal, distribuição espacial das unidades motoras, quantidade de unidades
motoras recrutadas, posicionamento e propriedades dos eletrodos utilizados para
detecção do sinal, dentre outros.
Um outro ponto de grande importância é a presença de ruído que pode ser
emanado de várias fontes, sendo grande responsável por deteriorações nas
características do sinal. Esses ruídos podem ser:
•
Ruídos inerentes dos componentes do equipamento de detecção de
armazenamento: Estes ruídos estão na faixa de frequência que vai de 0Hz a
milhares de Hertz. Por serem gerados pelo equipamento, não podem ser
27
eliminados, mas podem ser reduzidos usando componentes de alta qualidade,
bom layout de circuitos e técnicas corretas de construção dos equipamentos;
•
Ruídos de ambiente: são provenientes de fontes de radiação eletromagnética, tais
como rádio, transmissão de TV, luzes fluorescentes, etc. O próprio corpo
humano está sujeito à radiação eletromagnética, estando mais presentes
freqüências de 60 Hz com amplitudes cerca de três vezes maior do que o sinal
EMG;
•
Artefatos de movimento: este ruído inclui dois tipos básicos de interferências; o
movimento relativo entre a pele e o eletrodo de detecção e o movimento dos
cabos que conectam os eletrodos aos amplificadores. Estes ruídos produzem
freqüências na faixa de 0 à 20 Hz;
•
Instabilidade inerente do sinal: o sinal EMG é por natureza quase randômico e
as componentes de freqüências entre 0 à 20Hz são particularmente instáveis. Em
virtude dessa instabilidade natural, é recomendável considerar essa faixa de
frequência como ruído e removê-la do sinal desejado.
2.4 O Eletrocardiograma
A atividade elétrica do coração coordena a sua atividade mecânica, sendo útil do
ponto de vista da prática clínica, no diagnóstico de patologias cardíacas.
Esta atividade pode ser detectada na superfície do corpo e registrada no
eletrocardiograma (ECG). O ECG constitui um dos mais úteis métodos não-invasivos de
diagnóstico médico.
2.4.1 O Coração
O coração (Fig. 2.17) é um órgão oco, constituído de paredes musculares que
delimitam quatro cavidades (átrios direito e esquerdo, e os ventrículos direito e
esquerdo), aproximadamente esférico, que tem o tamanho da mão fechada e pesa cerca
de 300 g. Está localizado na região centro-lateral da caixa torácica, inclinadamente para
a esquerda, tendo sua ponta inferiormente situada próxima ao mamilo esquerdo, e sua
28
base superiormente situada no centro do tórax aproximadamente 5 cm abaixo da fúrcula
esternal.
Fig. 2.17 – Vista posterior do coração.
Retirado de [NETTER]
O coração é composto de uma estrutura muscular espessa, de cerca de 1 - 2 cm,
denominada miocárdio, que integra as paredes das cavidades atriais e ventriculares. O
miocárdio está envolto externamente por uma membrana, denominada pericárdio, cuja
função é proteger o miocárdio e permitir o suave deslizamento das paredes do órgão
durante o seu funcionamento mecânico, pois contém líquido lubrificante em seu
interior. Internamente, o miocárdio é recoberto pelo endocárdio, que se constitui na
membrana de proteção interna que fica em contato direto com o sangue, separando a
musculatura, do interior das cavidades do órgão [GUYTON]. O coração possui também
um conjunto de valvas intracavitárias, as quais têm a função de direcionar o fluxo de
sangue em um único sentido no interior do coração. Ademais destes componentes
anatômicos, o coração possui ainda uma estrutura denominada tecido excito-condutor
29
(Fig. 2.18), que é o responsável pela geração e condução do impulso elétrico que ativa
todo o órgão para o seu funcionamento mecânico.
Fig. 2.18 – Estrutura excito-condutora cardíaca. Adaptado de [BUTTON].
O tecido excito-condutor compreende um conjunto de quatro estruturas
interligadas morfo-funcionalmente: o nodo sino-atrial, que é um aglomerado de células
excitáveis especializadas, situado no extremo da região ântero-superior direita do
coração, próximo a junção da veia cava superior com o átrio direito; o nodo
átrioventricular, que também se constitui num aglomerado celular excitável
especializado, situado na junção entre os átrios e os ventrículos, na porção basal do
septo interventricular, na região mediana do coração; o feixe de His e seus ramos
principais direito e esquerdo com suas sub-divisões, que se localizame na estrutura
muscular miocárdica, partindo da base do septo interventricular e dirigindo-se aos
ventrículos direito e esquerdo, respectivamente; o sistema de fibras de Purkinje, que
representa uma rede terminal de condução do impulso elétrico a cada célula miocárdica
contrátil.
Cada parte desta estrutura é especializada para uma função:
•
Tecido sino-atrial: o NSA tem a função de auto-ritmicidade. O nodo sinoatrial, também chamado de marca-passo primário, é formado por um
agrupamento de células (1 a 2mm de comprimento e 2mm de largura). É
onde ocorre o primeiro Potencial de Ação. A ativação elétrica iniciada no
30
NSA, é transmitida ao NAV através dos tratos internodais (anterior, médio e
posterior) e interatrial (primeiro o átrio direito é ativado, e depois o
esquerdo).
•
Tecido nodal átrio-ventricular: o NAV é o marca-passo secundário. Quando
a despolarização chega ao NAV, suas fibras retardam a condução antes que
ela continue pelo feixe de His e pela rede de Purkinje. Isto é necessário para
que não ocorra contração simultânea de átrios e ventrículos.
•
Rede de Purkinje: as fibras de Purkinje apresentam velocidade de
propagação alta, permitindo a contração efetiva dos ventrículos. Mais de
50% da massa ventricular é estimulada em aproximadamente 10ms.
2.4.2 Potenciais elétricos Cardíacos
O sistema de condução especializado representa uma pequena porção da massa
cardíaca. Assim, os átrios e os ventrículos são quem mais contribuem para o potencial
elétrico captado externamente ao coração, sendo que cada tipo de tecido exibe um
potencial de ação característico (Fig. 2.19).
Fig. 2.19 – Formação do sinal eletrocardiográfico. Modificado de [WEBSTER]
31
Diferentes células apresentam formas diferentes de atividade elétrica, mas em
geral, a contração é sincronizada pela despolarização do nodo sino-atrial há cada
(aproximadamente) 800ms. A fig. 2.20 apresenta o potencial de ação de uma fibra do
NSA. A fig. 2.21 é apresenta o potencial de ação de uma fibra ventricular.
Fig. 2.20 – Potencial de ação de fibrado nodo sino-atrial. Modificado de [BUTTON]
Fig. 2.21 – Potencial de ação de fibra ventricular. Modificado de [BUTTON]
O potencial da fibra ventricular exibe as fases de (0) ativação, (1) recuperação
inicial rápida (principalmente devida à rede de Purkinje), (2) platô de despolarização,
(3) repolarização e (4) potencial de repouso. As fases (1) e (2) correspondem à
contração ou sístole e as fases (3) e (4) à diástole. O músculo cardíaco só apresenta uma
nova contração depois de completada a relaxação da contração anterior.
32
O PA da fibra do NSA praticamente não exibe platô: despolariza e repolariza
rapidamente e não tem período refratário absoluto.
2.4.3 Características do sinal Eletrocardiográfico (ECG)
A seqüência de eventos elétricos que resultam no ciclo sístole/diástole
propagam-se através do volume condutor do tórax e pode ser medida na superfície do
corpo (Fig. 2.22).
Fig. 2.22 – Principais componentes de um ECG típico. Modificado de [www.nyu.edu]
O ECG pode ser medido sobre qualquer ponto do corpo humano, através de eletrodos
(Fig.2.23).
Fig 2.23 – Exemplos de eletrodos para ECG. Retirado de [www.tycohealthcare.co.uk]
33
Para facilidade de padronização, os eletrodos correspondentes ao triângulo de
Einthoven (Fig. 2.24) são colocados sobre os pulsos e no tornozelo esquerdo.
Fig. 2.24 – Triangulo de Einthoven. Modificado de [buttler.cc.tut.fi]
Para o sistema padrão (12 derivações clássicas) os sinais são captados através de
9 eletrodos (Fig. 2.25): 2 nos braços, 1 na perna esquerda e 6 sobre o peito.
Fig. 2.25 – Posição dos eletros para obter as 12 derivações clássicas. Retirado de [BUTTON]
O sistema padrão de 12 derivações inclui 3 colocações diferentes de eletrodos:
•
Derivação bipolar (Fig. 2.26)
34
Além da derivação clássica, outros sistemas podem ser usados. Três deles serão
apresentados, a título de ilustração.
Fig. 2.26 – Esquema de ligação para derivação bipolar. (a) Derivação I (b) Derivação II
(c) Derivação III (d) Derivação do vetor cardíaco a partir das 3 derivações. Retirado de [BUTTON]
•
Derivação Precordial (Fig. 2.27)
Fig. 2.27 – Derivações Precordiais. Modificado de [BUTTON].
•
Derivação Aumentada (Fig. 2.28)
Fig. 2.28 – Esquemas de ligação para Derivação Aumentada. Modificado de [BUTTON]
35
2.4.4 Interferências no sinal Eletrocardiográfico
Como toda captação de potenciais, a do ECG também está sujeita a
interferências, de diversas naturezas:
•
Fontes Biológicas e artefatos:
o Potenciais da pele: A interface pele-gel-eletrodo pode estabelecer
potenciais de meia célula que se superpõem aos sinais sendo
captados. Estes podem ser reduzidos pela raspagem ou unção da pele.
Potenciais CC podem ser eliminados por filtros.
o Artefatos de movimento: São produzidos pelo movimento entre peleeletrodo, gerando ruído no traçado.
o Ruído Muscular: potenciais EMG podem ser captados juntamente
com o ECG. Os potencias EMG têm mesma amplitude dos ECG,
porém com maior freqüência. Podem ser retirados mediante uso de
filtros, colocação adequada dos eletrodos e repouso do paciente.
•
Fontes Ambientais:
o Interferência da Rede Elétrica: A rede elétrica de alimentação (60Hz
no Brasil) pode gerar ruídos por acoplamento capacitivo e indução
eletromagnética. É passível de redução via blindagem aterrada dos
cabos das derivações e redução do laço de captação magnético, entre
outros.
Capítulo 3
Telemetria
3.1 Origem da Telemetria
O marco inicial do desenvolvimento de sistemas de telemetria deu-se em 1863,
quando James Maxwell demonstrou teoricamente a provável existência das ondas
eletromagnéticas. Maxwell era professor de física experimental e, devido às suas
teorias, muitos outros pesquisadores se interessaram pelo assunto. Heinrich Hertz foi
um deles.
O princípio da propagação radiofônica foi apresentado por Hertz em 1887. Em
1890, Branly desenvolveu o coesor, que viria a ser muito utilizado como detector de
ondas de rádio durante os primeiros anos da rádio-telegrafia. Até então, o rádio era
exclusivamente "telegrafia sem fio", algo já bastante útil e inovador para a época, tanto
que outros cientistas se dedicaram a melhorar seu funcionamento como tal.
Em 1897, Oliver Lodge inventou o circuito elétrico sintonizado, que possibilitava a
mudança de sintonia selecionando a freqüência desejada. Em 1906, Lee Forest
desenvolveu a válvula triodo. O cientista alemão Von Lieben e o americano Armstrong
empregaram o triodo para amplificar e produzir ondas eletromagnéticas de forma
contínua.
O primeiro registro de um sistema de telemetria instalado foi em 1912, em Chicago, que
utilizava linhas telefônicas para transmissão de dados obtidos na operação de um
sistema de potência, enviando-os ao escritório central.
37
Em 1927, J. B. Johnson do Bell Labs determinou experimentalmente a potência
do ruído devido à variação térmica nas resistências, efeito hoje conhecido como “ruído
Johnson”, contribuindo para aumentar a relação sinal/ruído dos dados transmitidos por
sistemas de telemetria. No dia 5 de setembro de 1931, dois pilotos realizaram o primeiro
pouso por instrumentos no Aeroporto de College Park.
Em 1947, Bardeen e Brattain do Bell Labs desenvolvem o transistor, dispositivo
de estado sólido que podia ser utilizado para fins como amplificação, oscilação e
diversos outros, substituindo as válvulas termiônicas.
Em 1960, a NASA já utilizava a biotelemetria em astronautas nos vôos orbitais.
Os dados coletados consistiam em batimentos cardíacos, temperatura corporal, consumo
de oxigênio e concentração de carbono (CO2). Esta aplicação contribuiu de forma
significativa para o avanço desta técnica.
Desde então, a eletrônica tem avançado, miniaturizando e aumentando a
capacidade dos circuitos integrados. A evolução da informática possibilitou gerações de
computadores mais baratos e mais eficientes, beneficiando significativamente a área
biomédica.
3.2 Estrutura básica de um sistema de telemetria
A Fig. 3.1 mostra a estrutura básica de um sistema de telemetria:
Fig. 3.1 – Estrutura básica de um sistema de telemetria
Cada bloco representa um sistema específico, que será descrito detalhadamente
nas próximas seções.
38
3.2.1
Variável
A variável representa qualquer tipo de informação de interesse, que se deseja
coletada e transmitida. Pode ser tanto uma informação de fluxo de combustível em um
motor, pressão atmosférica em uma determinada altitude, um biopotencial, ou qualquer
outro tipo de informação.
3.2.2
Sensores
O sensor é um dispositivo que converte grandezas entre dois sistemas. Ele deve
ser capaz de detectar variações à sua volta (efetivamente, a variável de interesse),
convertendo estas variações em sinais elétricos. Ao se trabalhar com sensores, é
importante analisar os seguintes parâmetros:
o Exatidão: o quanto a medição se aproxima do valor real
o Resolução: representa a menor grandeza que o sensor pode
determinar
o Faixa de Operação: uma expressão da extensão total dos possíveis
valores de medição.
3.2.3
Condicionamento
Os sinais captados pelos sensores geralmente possuem amplitudes baixas, e são
contaminados por sinais interferentes. Assim sendo, necessitam de serem preparados
para manipulação futura. O condicionamento envolve duas ações principais:
Amplificação e filtragem.
3.2.3.1
Amplificação
A amplificação é o processo de elevação da magnitude do sinal, garantindo que
ele esteja em valor adequado para as etapas de filtragem e digitalização.
39
3.2.3.2
Filtragem
O processo de filtragem elimina componentes espectrais indesejadas, sejam elas
originadas de interferência, ou pertinentes ao sinal medido [LATHI].
•
Filtro Anti-Aliasing: O processo de aliasing refere-se ao fenômeno de um
componente de alta freqüência assumir a indentidade de um componente de
baixa freqüência (Fig. 3.2).
Fig. 3.2 – Aliasing de um sinal no domínio do tempo.
O aliasing distorce o espectro do sinal de tempo contínuo original. Para
evitar este problema, o teorema de Nyquist define que a quantidade de
amostras por unidade de tempo de um sinal deve ser maior que o dobro da
maior freqüência contida no sinal amostrado, de modo que esta possa ser
reproduzido fielmente. A metade da freqüência de amostragem é denominda
Freqüência de Nyquist e corresponde ao limite máximo de freqüência do
sinal reproduzido num processo de digitalização. Como não é possível
garantir que o sinal coletado não contenha componentes acima deste limite,
é necessário que a etapa de condicionamento filtre o sinal para eliminar as
componentes de freqüência superior à de Nyquist.
3.2.4
Digitalização
O processo de digitalização é responsável pela conversão do sinal analógico em
valores digitais. É composto pelas seguintes fases:
40
3.2.4.1
Retenção
Para que um conversor seja capaz de converter um sinal analógico em seu
equivalente digital, é necessário que este permaneça estável na entrada do conversor.
Assim, o processo de retenção tem a função de manter um valor analógico constante na
entrada do conversor enquanto durar o processo de conversão. Outra aplicação
importante é prover o que se chama de aquisição simultânea. Quando se necessita
trabalhar com vários sinais, é importante que eles sejam coletados em fase. Para
solucionar o problema, pode-se utilizar dispositivos de retenção para garantir a
aquisição simultânea dos valores de vários sinais, e enviá-los a um multiplexador
analógico.
3.2.4.2
Amostragem ou Digitalização
Amostragem é o processo de aquisição do sinal contínuo em intervalos de tempo
discretos, e sua conversão em valores digitais (Fig. 3.3). O responsável por este
processo é o conversor analógico-digital (A/D). Sua função é transformar cada amostra
do sinal em um valor com um número n de bits, definido pela construção de cada A/D.
Os valores são então codificados em uma seqüência de bits.
Fig. 3.3 – Processo de Digitalização de um sinal.
3.2.5
Transmissão
Devidamente digitalizado, o sinal segue para o módulo de transmissão, para ser
transmitido através de um link sem fios. Isto pode ser feito através de pares
transmissores / receptores que utilizam técnicas baseadas em sinais óticos, acústicos ou
41
de radiofreqüência. Para facilitar a transmissão do sinal através dos meios físicos e
adequar as freqüências aos sistemas de comunicação, utiliza-se o que chamamos de
onda portadora, sobre a qual é transmitido o sinal com a informação. A este processo é
dado o nome de modulação.
3.2.5.1
Modulação de Sinais
A modulação é o processo pelo qual são modificadas uma ou mais
características de uma onda portadora, segundo um sinal modulante que é a informação
que se deseja transportar. Para que este processo funcione eficientemente, é necessário
estabelecer um conjunto de regras, denominado protocolo, que seja de conhecimento de
ambas as partes envolvidas (transmissor / receptor) com a finalidade de que o
intercâmbio de informações seja realizado de modo ordenado e sem erros [SILVEIRA].
Com um protocolo definido, o dado é entregue ao transmissor, para que este
efetue a modulação e transmissão. Há duas formas básicas de se modular um sinal:
3.2.5.1.1
Modulação Analógica
A modulação analógica, também classificada como modulação de onda contínua
(CW), é uma técnica caracterizada pela variação do parâmetro modulado (geralmente
uma onda cossenoidal) em proporção direta ao sinal modulante (a informação a ser
transmitida). O processo se caracteriza por uma translação em freqüência, onde o
espectro dos dados é transladado para uma nova e maior banda. As técnicas mais
utilizadas para sinais analógicos são:
•
Modulação em Amplitude (AM)
•
Modulação em Freqüência (FM)
•
Modulação em Fase (PM)
3.2.5.1.2
Modulação Digital
A modulação digital, também conhecida como modulação discreta ou
codificada, é utilizada quando a informação a ser transmitida faz parte de um conjunto
42
finito de valores discretos, representados por um código (como o código binário, por
exemplo). Neste tipo de modulação, os bits do sinal de informação são codificados
através de símbolos. A modulação é responsável por mapear cada possível seqüência de
bits de um comprimento preestabelecido em um símbolo determinado. O conjunto de
símbolos gerado por uma modulação é chamado de constelação, sendo que cada tipo de
modulação gera uma constelação de símbolos diferentes. Os símbolos nos quais as
seqüências de bits de um sinal de informação são transformadas é que serão
transmitidos pela onda portadora.
Atualmente, existem diversas técnicas de modulação digital, sendo que para
cada uma podem existir diversas variantes. As principais técnicas utilizas são
[MARTINS]:
•
Modulação em Amplitude por Chaveamento (ASK)
•
Modulação em Freqüência por Chaveamento (FSK)
•
Modulação em Fase por Chaveamento (PSK)
•
Modulação em Largura de Pulso (PWM)
Este trabalho não tem como objetivo explorar as técnicas de modulação
existentes. Contudo, será detalhado o funcionamento de uma das variantes do FSK,
denominada GFSK, por ser utilizado pelo sistema desenvolvido, facilitando assim a
compreensão de etapas posteriores deste trabalho.
3.2.5.1.3
Modulação GFSK
A modulação FSK atribui freqüências diferentes para a portadora em função do
bit que é transmitido. Portanto, quando um bit 0 é transmitido, a portadora assume uma
freqüência correspondente a um bit 0 durante o período de duração de um bit. Quando
um bit 1 é transmitido, a freqüência da portadora é modificada para um valor
correspondente a um bit 1 e, analogamente, permanece nesta freqüência durante o
período de duração de 1 bit, (fig. 3.4)
43
Fig.. 3.4 – Modulação de um sinal por FSK.
Este tipo de modulação apresenta o inconveniente de ocupar uma banda de
freqüência bastante alta, devido a estas variações bruscas de freqüência em função da
transição de bits, além possibilitar taxas de transmissão relativamente baixas.
No GFSK, os dados são codificados na forma de variações de freqüência em
uma portadora, de maneira similar à modulação FSK. Portanto, o modulador utilizado
pode ser o mesmo que para a modulação FSK. Todavia, antes dos pulsos entrarem no
modulador, eles passam por um filtro gaussiano, de modo a reduzir a largura espectral
dos mesmos. O filtro gaussiano é uma espécie de formatador de pulso que serve para
suavizar a transição entre os valores dos pulsos, melhorando a eficiência espectral do
sistema. A Fig. 3.5 ilustra a transformação dos pulsos após passarem pelo filtro
gaussiano.
Fig. 3.5 – Ação do filtro gaussiano
44
3.2.6
Recepção
O módulo de recepção é responsável pelo processo inverso do módulo de
transmissão. Sua tarefa é demodular o sinal recebido, separando a informação de sua
portadora através do mesmo protocolo utilizado para a transmissão.
3.2.7
Controle
Esta unidade tem como função controlar o tráfego de dados do receptor, bem
como prover comunicação com o equipamento responsável pelo processamento das
informações recebidas.
3.2.8
Processamento
A unidade de processamento é responsável pela execução dos aplicativos de
software destinados a realizar todas as ações relativas ao armazenamento, visualização e
processamento dos dados.
3.3 Sistemas de comunicação sem fio modernos
A seguir, são descritos alguns dos padrões para sistemas de comunicação sem fio
utilizados nos modernos sistemas de telemetria. Posteriormente, serão detalhados alguns
sistemas de biotelemetria, tanto comerciais, quanto em desenvolvimento.
3.3.1
Bluetooth
Bluetooth é uma tecnologia de comunicação sem fios de curta distância, criada
com a intenção de substituir os cabos que conectam dispositivos eletrônicos fixos e
portáteis (BLUETOOTH SIG). As principais características deste sistema são robustez,
baixo consumo e custo relativamente baixo. Muitas características permitidas por seu
núcleo são opcionais, permitindo diferenciação nos produtos (personalização).
45
O núcleo do sistema consiste em um transmissor RF, banda-base e uma pilha de
protocolos (fig. 3.6). O sistema oferece serviços que permitem conexão de dispositivos
e troca de uma variedade de classes de dados entre estes dispositivos.
Fig. 3.6 – Exemplo de rede Bluetooth. Modificado de [www.bluetooth.com]
Princípio de Operação
O rádio Bluetooth (camada física) opera na freqüência não licenciada de 2.4Ghz.
O sistema emprega um transceptor frequency hop (salto de freqüência) para combater
interferências e atenuações. A operação RF utiliza uma modulação de freqüência binária
para minimizar a complexidade do transceptor. A taxa de transmissão é de 1
Megasímbolo por segundo (Msps) suportanto uma taxa de transferência de até 1
Megabit por segundo (Mbps) ou, através de um modo denominado Enhanced Data
Rate, obter-se taxas de até 2 Mbps. Durante uma operação típica, o canal de rádio é
compartilhado por um grupo de dispositivos sincronizados a um relógio comum e um
padrão de salto de freqüência. Um dispositivo fornece a referência de sincronização e é
denominado mestre. Todos os outros dispositivos são chamados escravos. Um grupo de
dispositivos sincronizados deste modo formam uma piconet. Esta é a forma fundamental
de comunicação para a tecnologia bluetooth.
Dispositivos em uma piconet usam um padrão de salto de freqüência
determinado via algoritmo utilizando certos campos na especificação de endereço e
relógio do mestre. O padrão de salto básico consiste em uma ordenação pseudo-
46
randômica das 79 bandas de freqüências contidas no espectro ISM. O padrão de salto
pode ser adaptado para excluir uma porção do espectro utilizado por dispositivos
geradores de interferência. Esta técnica de salto adaptivo melhora significantemente a
coexistência da tecnologia bluetooth com sistemas ISM estáticos em um mesmo local.
3.3.2
Wi-Fi (IEEE 802.11x)
O padrão Wi-Fi abrange uma série de sistemas de comunicação local (LANs),
com funcionamento na faixa de 2.4GHz até 5GHz (WI-FI ALLIANCE).
O sistema é baseado em uma arquitetura celular (Fig. 3.7), onde os elementos
componentes são dividos em células, controlados por uma estação base (access point).
Apesar de muitas redes práticas serem formadas por uma única célula (e portanto, um
único ponto de acesso) a maioria das instalações são formadas por várias células,
conectadas entre si por um backbone, tipicamente ethernet, e em alguns casos, wireless.
Fig. 3.7 – Organização típica de uma rede 802.11
3.3.3
WiMAX (IEEE 802.16)
O padrão WiMAX, ainda em desenvolvimento por uma equipe do IEEE, define
um sistema de comunicação móvel na faixa de microondas, com o potencial de
substituir um grande número de sistemas existentes de infra-estruturas de comunicação
47
(WIMAXFORUM). Por prover diversas configurações (Fig. 3.8), pode chegar a
substituir a rede de cobre de telefonia convencional e a rede coaxial de cabos de tv em
sua forma fixa, e ainda oferecer serviços de provedor de internet (ISP). Em sua variação
móvel, é capaz de substituir as redes de telefonia celular.
Fig. 3.8 – Modelos de utilização da tecnologia WiMAX. Modificado de [www.wimaxforum.org]
3.3.4
Near Field Communication (NFC)
Near Field Communication (NFC) é uma tecnologia de comunicação sem fios de
curto alcance, desenvolvida para comunicação intuitiva, simples e segura entre
dispositivos eletrônicos. A comunicação é estabelecida aproximando-se dois
dispositivos NFC a alguns centímetros um do outro. A comunicação é baseada no
princípio do acoplamento indutivo, onde circuitos indutivos fracamente acoplados
compartilham potência (e consequentemente, dados). Aplicações típicas incluem
48
transações bancárias (cartões de crédito e débito), bilhetagem eletrônica, sincronização
de PDA’s e acesso de conteúdo digital.
3.3.5
IrDA
IrDA define um sistema de comunicação de curto alcance, barato e muito
difundido, que provê transmissão através de pulsos de luz na faixa infravermelha,
funcionando de maneira similar a uma porta serial.
Sua principal idéia é de facilitar o uso de dispositivos eletrônicos até mesmo para os
usuários mais inexperientes, eliminando os diferentes cabos utilizados para conexões
entre aparelhos celulares, computadores, impressoras, câmeras digitais, pagers, relógios
e outros pelo IrDA, e tornando a comunicações entre dispositivos “universal”.
3.3.6 ZigBee (IEEE 802.15.4)
O padrão ZigBee foi desenvolvido para se tornar uma alternativa de
comunicação em redes que não necessitem de soluções mais complexas para seu
controle (ZIGBEE ALLIANCE), reduzindo assim os custos com a aquisição, instalação
de equipamentos, manutenção e mão de obra. Trata-se de uma tecnologia relativamente
simples, que utiliza um protocolo de pacotes de dados com características específicas,
sendo projetado para oferecer flexibilidade quanto aos tipos de dispositivos que pode
controlar. Os dispositivos baseados na tecnologia ZigBee operam na faixa ISM, com
velocidades de conexão compreendidas entre 10kbps e 115kbps e com um alcance de
transmissão entre 10m e 100m.
49
3.4 Tecnologia nacional
Dada a grande contribuição da telemetria para a análise e diagnose médica,
diversos trabalhos envolvendo sistemas de biotelemetria vêm sendo desenvolvidos no
Brasil.
Joaquim Martins [MARTINS] descreve um sistema multifuncional de telemetria
para aquisição de biopotenciais. O sistema consiste em um canal controlável
(compreendidos por filtros e amplificadores programáveis) capaz de receber sinais
EMG, ECG e EEG, e transmití-los via RF, através de um protocolo proprietário, até
uma estação de recepção. O sinal é aquisicionado a uma taxa máxima de 200 Hz, e
digitalizado em 12 bits. A transmissão utiliza-se da modulação ASK para obter taxas de
transmissão de até 4kbps a 10 metros de distância. O processamento dos sinais é feito
por aplicativo de software desenvolvido na plataforma LabVIEW, permitindo
visualização em tempo real do sinal coletado, e posteriores análises.
Müller et AL, [MÜLLER] descreve um sistema portátil de biotelemetria digital,
dedicado à aquisição de sinais eletromiográficos. Suas 4 entradas analógicas são
digitalizadas em 10 ou 12 bits com taxa de 1k amostras por canal. A transmissão é feita por
Rádio Freqüência (RF) utilizando modulação digital em amplitude (ASK) e taxa de
transmissão de 115.2 Kbps.
Os sinais são tratados pelo software de aquisição,
desenvolvido em Visual Basic 6.0 que permite visualização dos dados coletados em
tempo real. Foram obtidos enlaces com 50m de distância entre transmissor e receptor,
ambos parados e em ambientes fechados, porém muito sensível aos deslocamentos de
pessoas ao redor, aumentando a taxa de erro.
O trabalho de Bertemes Filho et. al [BERTEMES], apresenta um sistema capaz de
captar sinais bioelétricos em 16 canais com digitalização em 8 bits, empregando um sistema
de transmissão digital, onde cada canal é multiplexado, digitalizado e transmitido serialmente.
Os autores utilizaram o sistema de transmissão digital TDM-PCM, por possuir boa
imunidade a ruídos de origem eletromagnética, um bom raio de ação da transmissão,
50
controle total dos dados recebidos e também a multiplexação dos sinais. Utilizou-se um
único transmissor e receptor comercial de sinal de vídeo.
3.5 Dispositivos Comerciais
O uso da biotelemetria no ambiente médico, apresentou um aumento
significativo nos últimos anos, e consequentemente intensificou-se o investimento no
desenvolvimento destes sistemas. Diversos trabalhos envolvendo a biotelemetria estão
sendo apresentados e comercializados por todo o mundo. Alguns dos trabalhos mais
significativos são descritos, a título de ilustração.
3.5.1
TekScan Wireless ELF
A Tekscan, empresa americana especializada na fabricação de sensores de força
e pressão, disponibiliza no mercado o TekScan Wireless ELF (Fig. 3.9). Este é um
sistema de mensuração de força sem fios, ideal para pesquisadores e profissionais
médicos que necessitam medir forças sem modificar a dinâmica dos testes [TEKSCAN].
Fig. 3.9 – Sistema Tekscan Wireless ELF Retirado de [www.tekscan.com]
Sua construção relativamente simples (Fig. 3.10) o torna um equipamento de
relativamente baixo custo, com dimensões reduzidas (8 x 6 x 2 cm). Aplicações típicas
incluem teste de equipamentos esportivos, ergonomia e conforto. O sistema de
transmissão permite medir os sinais de até 8 sensores a 60m de distância.
51
Fig. 3.10 – Diagrama esquemático do sistema TekScan Wireless ELF. Retirado de [www.tekscan.com]
Possui um software intuitivo, que permite gravar a informação e analisá-la em
um outro momento.Um grande diferencial é possuir drivers para LabVIEW, permitindo
o uso do sistema em programas customizados.
3.5.2
Noraxon TeleMyo 2400T
O TeleMyo 2400T (Fig. 3.11) é a última geração de sistemas de EMG
telemétricos da Noraxon, empresa americana líder em manufatura e
distribuição de equipamentos de EMG. Este sistema é capaz de transmitir 8
canais EMG com freqüências até 1kHz em 12 bits de resolução, com ganhos
individuais para cada canal [NORAXON].
Fig. 3.11 – Sistema TeleMyo 2400T. Retirado de [www.noraxon.com]
52
Com uma capacidade de transmissão do sinal em até 90 metros, permite
aquisição de dados com mobilidade, flexibilidade e facilidade de uso para
profissionais clínicos, pesquisadores, ergonomistas e preparadores físicos.
Possui opção de inserção de transmissores adicionais, permitindo a
expansão para 16 ou 24 canais, em uma combinação de EMG ou qualquer
outro sinal analógico. Virtualmente qualquer sensor analógico operado com
baterias na faixa +/- 5V, como chaves e goniômetros, pode ser conectado
diretamente ao sistema permitindo o envio de informações biomecânicas
adicionais.
Um nova versão deste sistema já está em desenvolvimento, denominada
TeleMyo 2400T G2. Entre as novas características, as que mais se destacam
são transmissores de 16 canais, bateria extendida (para até 16 horas de uso) e
comunicação Wi-Fi entre os dispositivos telemétricos.
3.5.3 BTS FreeEMG
A BTS, empresa italiana especializada em tecnologias de análise de
movimento, apresenta o sistema FreeEMG (Fig. 3.12). Este produto representa
um salto tecnológico em aplicativos para análise EMG de superfície (BTS).
Baseado unicamente em tecnologias wireless, é o primeiro dispositivo
comercial a utilizar eletrodos ativos sem fios.
Fig. 3.12 – Sistema BTS FreeEMG. Retirado de [www.bts.it]
53
Estes eletrodos comunicam-se com uma unidade de recepção que pode
ser colocada no paciente, ou nas proximidades. A ausência completa de fios
permite um arranjo rápido dos sensores e oferece o máximo conforto, pois o
paciente pode se mover livremente, sem obstrução de qualquer cabo ou caixa
de derivação. O tamanho e peso extremamente reduzido dos eletrodos
permitem análise de qualquer tipo de movimento em qualquer tipo de paciente
(como por exemplo crianças) sem alterar o padrão de movimento que se
deseja observar. A geometria variável dos eletrodos (fig. 3.13) permite uma
considerável redução de artefatos devido a movimentos entre eletrodo e pele.
Fig. 3.13 – Eletrodo FreeEMG. Retirado de [www.bts.it]
O sistema comporta até 16 canais de eletromiografia em 4kHz com 16
bits
de
resolução,
mais
8
canais
auxiliares
para
conexão
com
eletrogoniômetros, acelerômetros, medidores de pressão e outros. A
comunicação entre eletrodos e unidade de recepção é feita através do padrão
ZigBee (IEEE 802.15.4), com uma distância de recepção de até 30m.
A comunicação da unidade de recepção com o dispositivo de análise (a
recomendação é um tablet pc) é feita através do padrão Wi-Fi (IEEE 802.11b),
garantindo uma transmissão segura e sem interferências a uma distância de
até 350m.
54
Capítulo 4
Uma proposta de sistema de medição de
biopotenciais por telemetria
A proposta deste trabalho, como já mencionado, é o desenvolvimento de um
sistema que seja capaz de coletar e transmitir remotamente os biopotenciais EEG, ECG
e EMG. Para tanto, realizou-se uma pesquisa das características básicas dos
equipamentos de biotelemetria a fim de reunir o maior número possível de informações,
permitindo uma seleção de características para o protótipo condizente com os objetivos
propostos. Com base nos dados coletados, definiu-se o conjunto inicial de
requerimentos para o sistema, conforme descrito a seguir.
4.1 Requerimentos do Sistema
4.1.1 Requisitos Fundamentais
Os requisitos gerais para o sistema foram definidos observando-se a utilização
do equipamento no que se refere ao conforto e simplicidade de uso.
Módulo de Coleta
•
Peso deve ser o menor possível
•
Controle do sistema de coleta executado remotamente pelo profissional
médico. O módulo deve possuir apenas botão liga/desliga.
•
Dimensão mais reduzida possível, para não atrapalhar o movimento
•
Alimentação através de baterias recarregáveis
•
Detecção multifuncional para sinais ECG, EEG e EMG, conforme descrito
no Capítulo 2.
55
Módulo de Recepção
• Alimentação contínua 5V, obtida diretamente pela porta USB
• Peso e dimensão reduzidos, para facilitar o transporte e uso em campo.
Computador Hospedeiro
• Processador AthlonXP 2000+ ou superior
• 256 Mb de memória RAM
• Sistema Operacional Windows XP
Com base nas pesquisas sobre os sistemas de coleta realizadas, definiu-se as
principais características para cada subsistema do hardware, descritas a seguir:
Sistema de Condicionamento dos Sinais:
•
Detecção por eletrodos passivos
•
O sinal deve ser pré-amplificado de forma diferencial fixa 250 vezes e
posteriormente uma amplificação ajustável entre 1 e 32 vezes. Os ganhos
ajustáveis tem a finalidade de permitir a amplificação máxima do sinal sem
saturação do canal de aquisição, garantindo a melhor análise possível para
cada tipo de sinal estudado.
•
Filtros Passa-Faixa 0,05 a 1 kHz.
•
Taxa de amostragem: 2kHz.
Controle do Sistema de Condicionamento dos Sinais:
•
Receber comandos do sistema de transmissão, permitindo o controle
remoto dos ganhos de cada canal de aquisição e os momentos de início e
fim da aquisição dos dados.
•
Ajustar os ganhos de cada canal independentemente, de acordo com os
comandos recebidos.
•
Enviar os sinais aquisicionados ao módulo de transmissão.
56
Módulo Transmissor:
•
Comunicação Duplex
•
Alimentação por bateria 9V
•
Taxa de transmissão mínima de 800 kbps
•
Raio de comunicação mínimo de 50 metros, sem barreiras
•
Pelo menos 10 canais de transmissão, para evitar interferências e permitir o
uso de mais de um aparelho em um mesmo ambiente
Módulo de Recepção:
•
Comunicação Duplex
•
Alimentação por corrente contínua de 5V, fornecida pelo computador
hospedeiro
•
Taxa de recepção mínima de 800 kbps
•
Raio de comunicação mínimo de 50 metros, sem barreiras
•
Pelo menos 10 canais de recepção, de acordo com os canais de transmissão.
Controle do Módulo de Recepção:
•
Receber os dados transmitidos
•
Empacotar dos dados
•
Disponibilizar os pacotes para o módulo de comunicação com o
computador hospedeiro
Módulo de Comunicação com o hospedeiro:
•
Interface USB
•
Imunidade a transientes e ruídos
•
Taxa de transmissão mínima de 1Mbit/s
4.1.2 Especificações do Software para o PC
Avaliando-se as necessidades do sistema, obteve-se o seguinte conjunto de
características para o software a ser executado pelo computador hospedeiro:
57
•
Controle do fluxo de informações entre a unidade de recepção e o
computador hospedeiro
•
Capacidade de coleta dos dados, e posterior armazenamento
•
Leitura dos arquivos de dados
•
Visualização dos sinais coletados em tempo real
•
Processamento do sinal nos domínios do tempo e da freqüência, permitindo
inclusive o uso de filtros digitais
Processamento no domínio do tempo:
•
Valores RMS
•
Média
•
Desvio Padrão
•
Variância
•
Freqüência de batimentos (para sinais ECG)
Processamento no domínio da freqüência:
•
Conteúdo Espectral (FFT)
•
Freqüência média
Além das características funcionais, a interface deve ser capaz de prover quatro seções
distintas:
•
Configuração do sistema remoto
•
Cadastro de pacientes
•
Execução da sessão de análise
•
Processamento do sinal
A interface responsável pela configuração do sistema remoto deve conter as seguintes
opções:
•
Configuração de ganho independente para cada canal de aquisição
•
Configuração do filtro em hardware passa-baixa (anti-aliasing)
•
Configuração do canal de transmissão
58
•
Configuração da potência de transmissão
A interface responsável pelo cadastro deve permitir a inserção das informações
pessoais dos pacientes, bem como um conjunto de informações médicas que possam ser
relevantes para o diagnóstico de patologias.
A interface responsável pela execução da sessão deve conter as seguintes opções:
•
Configuração da duração do exame
•
Configuração do tipo de sinal a ser coletado
•
Botões para o início e encerramento da sessão
•
Visualização gráfica, em tempo real, dos sinais coletados
•
Opção de salvar os dados obtidos
A interface responsável pelo processamento dos sinais deve conter as seguintes opções:
•
Opção de aplicação de filtro digital passa-faixa, com controle das
freqüências superior e inferior
•
Gráfico dos sinais coletados
•
Gráfico do espectro do sinal
•
Opções de zoom e outras possibilidades de personalização para cada gráfico
individualmente
•
Informações referentes aos cálculos nos domínios do tempo e da freqüência,
específicos para cada tipo de sinal coletado
4.2 Desenvolvimento do Hardware
4.2.1 Visão Geral
O diagrama de blocos do sistema desenvolvido é mostrado na Fig. 4.1:
59
Fig. 4.1 – Diagrama de blocos do sistema desenvolvido
No paciente, são conectados sensores específicos para cada tipo de sinal, ligados
a um módulo de condicionamento. Este, por sua vez, envia o sinal para o módulo de
conversão, que por fim envia os dados digitalizados ao transmissor.
Chegando ao transmissor, o sinal é enviado ao módulo de recepção, que
recompõe a informação e a envia para ao módulo de comunicação conectado com um
microcomputador, responsável pela entrega dos dados para o software de aquisição.
O computador também é capaz de comunicar-se com o módulo utilizado pelo
paciente, de modo a permitir o controle do sistema de aquisição.
4.2.2 Sensores
O sistema foi projetado para captação diferencial de sinais provenientes de pares
de eletrodos Ag/AgCl. As características necessárias para os sensores de captação de
cada sinal em particular foram descritas no capítulo 2.
60
4.2.3 Subsistema de Condicionamento de sinais
O sistema de condicionamento foi projetado para garantir a fidelidade de cada
sinal coletado (ECG, EEG, EMG). Este processo pode ser desmembrado em três
estágios, de acordo com a Fig. 4.2:
Fig. 4.2 – Estágios do Subsistema de Condicionamento
O primeiro estágio é responsável pela captação do sinal dos eletrodos em forma
diferencial e realizar uma pré-amplificação fixa de 250 vezes, adicionando um offset de
2,5V ao sinal resultante para que este fique adequado ao processamento pelos estágios
posteriores. A Fig. 4.3 ilustra o esquema elétrico este estágio.
Fig. 4.3 – Esquema elétrico do estágio pré-amplificador
Este estágio é uma adaptação multicanal do estágio de amplificação denominado
“High Precision Analog Front End” descrito pela TEXAS Instruments [TEXAS], e
indicado para aplicações que requerem uma alta fidelidade de captação. O sistema de
realimentação funciona como um filtro passa-alta sintonizado em 0,05Hz, eliminando o
offset gerado pela interface pele-eletrodo. A elevação da tensão média para 2,5V é
obtida através da manipulação da tensão de referência dos amplificadores. O
amplificador de instrumentação escolhido foi o INA121 da Burr-Brown, devido à sua
61
alta razão de rejeição em modo comum, alta impedância de entrada, alta linearidade,
baixo consumo e baixo ruído, sendo indicado pelo fabricante para utilização em
aplicações médicas.
O segundo estágio é responsável pelo ajuste do condicionamento, permitindo
que o sistema trabalhe com sinais diferentes. Isto é obtido através do uso de
amplificadores programáveis. (Fig. 4.4)
Fig. 4.4 – Esquema elétrico do estágio de amplificação programável
O amplificador programável escolhido foi o MCP6S21, fabricado pela
Microchip, devido à suas características de baixo consumo, baixo offset, baixo ruído e
ganho de tensão programável em 8 níveis (1, 2, 4, 5, 8, 10, 16 e 32 vezes), sendo
apropriado para instrumentação médica.
O terceiro estágio, apresentado na Fig. 4.5, é responsável pela filtragem anti-aliasing,
responsável por eliminar o conteúdo espectral não desejado para a aplicação.
62
Fig. 4.5 – Esquema elétrico do estágio de filtragem
O filtro escolhido foi o Maxim MAX7410, com característica Butterworth
passa-baixa de 5a ordem com freqüência de corte programável, que permite um controle
preciso das máximas componentes de freqüência do sinal a ser digitalizado.
4.2.4 Conversão Analógico / Digital
O sistema de conversão A/D é o responsável pela transformação dos sinais
analógicos provenientes dos sistemas de condicionamento em sinais digitais, prontos
para serem transmitidos. Devido às características do conversor envolvido, este
processo ocorre em dois estágios, conforme mostra a Fig. 4.6:
Fig. 4.6 – Diagrama de blocos do sistema de conversão analógico-digital
63
O primeiro estágio compreende a fase de multiplexação, ou seja, os quatro canais de
dados são apresentados um a um ao conversor analógico digital, para que este processe
cada canal independentemente. O diagrama elétrico do estágio de multiplexação é
apresentado na Fig. 4.7:
Fig. 4.7 – Diagrama elétrico do estágio de multiplexação
O multiplexador escolhido para compor o projeto foi o CD4052B, pelas suas
características de alta velocidade de chaveamento e 4 canais selecionáveis.
O próximo estágio é o responsável pela conversão analógico-digital, e seu
esquema elétrico é apresentado na Fig. 4.8:
Fig. 4.8 – Diagrama elétrico do estágio de conversão analógico-digital
64
O conversor escolhido para a tarefa é o ADS7807. Este efetua aquisição e
conversão com taxa máxima de 40kHz, com escala compreendida entre 0 e 5V em 16
bits através do método SAR [BURR-BROWN] em alta velocidade e com baixo
consumo. Além disso, possui interfaces paralela e serial (rs232) para comunicação com
microcontroladores, facilitando sua incorporação ao sistema.
4.2.5 Controle do módulo de coleta
O circuito de controle do módulo de aquisição é responsável pelas seguintes
operações:
•
Controle do processo de conversão analógico-digital realizado pelo
ADS7807: Chaveamento do multiplexador, controle dos momentos de
início e fim de conversão dos dados, transmissão dos dados para o
transceptor
•
Controle individual dos ganhos dos amplificadores MCP6S21
•
Controle da freqüência de corte dos filtros MAX7410
•
Empacotamento dos dados e envio para transmissão
As tarefas indicadas acima são executadas por um microcontrolador PIC18F252,
acoplado ao circuito conforme o diagrama elétrico da Fig. 4.9:
Fig. 4.9 – Diagrama elétrico do circuito de controle do módulo de aquisição
65
O microcontrolador PIC18F252 foi escolhido para utilização neste circuito por
ser um controlador de alta performance com alimentação simples em 5V, baixo
consumo (3,5mA típico), 32kb de memória de programação e 1536 bytes de memória
de dados(RAM), com 256bytes de memória graváveis em EEPROM, e um watchdog
timer.
4.2.6 Transceptor do módulo de coleta
O módulo transceptor é responsável pela modulação e transmissão dos dados
através de RF. Sua conexão com o circuito se dá conforme o diagrama elétrico da Fig
4.10:
Fig. 4.10 – Diagrama elétrico de conexão do transceptor do módulo de aquisição
O módulo transceptor escolhido para o projeto foi o nRF2401, produzido pela
Nordic Semiconductor, devido às suas características:
•
Modulação GFSK
•
Transmissão na faixa 2,4GHz
•
Fluxo de dados em até 1Mb/s
66
•
125 canais, suportando frequency hopping
•
Verificação dos dados transmitidos por CRC16
•
Baixo consumo de energia
Este transceptor é facilmente programado usando-se uma interface de 3 fios
[NORDIC], onde a velocidade da comunicação é determinada pela velocidade do
microprocessador. Para o presente trabalho, o transceptor foi programado da seguinte
maneira: Os dados a serem transmitidos são enviados de forma paralela, e armazenados
em uma FIFO (First In, First Out). Quando são armazenadas informações de 3
amostragens, é disparado um sinal de controle, e o transmissor envia o pacote contendo
as 3 amostras. No processo de recebimento, a integridade dos pacotes é verificada
através do processo CRC. Além disso, é realizado um controle dos pacotes enviados e
recebidos, tornando possível determinar se houve perda de pacotes durante a
transmissão. A antena, acoplada ao circuito, é construída com a tecnologia microstrip,
garantindo alto ganho e tamanho reduzido.
4.2.7 Alimentação do Módulo de coleta
O módulo de aquisição é alimentado por uma bateria Ni-Cd de 8.4V, facilmente
encontrada no mercado. A conversão da tensão da bateria nas tensões necessárias para o
circuito é realizada através de reguladores de tensão. Além disso, o circuito também
proporciona a possibilidade de recarregar a bateria sem a necessidade de desconectá-la
do aparelho. O diagrama elétrico do circuito é apresentado na Fig. 4.11:
Fig. 4.11 – Diagrama elétrico do sistema de alimentação do módulo de coleta
67
4.2.8 Transceptor do módulo de recepção
O módulo transceptor do módulo de recepção é idêntico ao utilizado no sistema
de aquisição. Sua ligação elétrica com o controlador do módulo de recepção dá-se de
acordo com a Fig. 4.12:
Fig. 4.12 – Diagrama elétrico de conexão do transceptor do módulo de recepção
4.2.9 Controle do módulo de recepção
O controle do módulo de execução é realizado por um microcontrolador
PIC16F873, responsável por receber dados enviados do módulo de aquisição e enviá-los
ao módulo USB para comunicação com o computador hospedeiro. É responsável
também por receber informações de configuração do computador, e transmití-las ao
módulo de aquisição, confirmando a execução da ação requisitada. Sua conexão elétrica
com o circuito está descrita na Fig. 4.13:
Fig. 4.13 – Diagrama elétrico do sistema de controle do módulo de recepção
68
4.2.10 Comunicação com o computador hospedeiro
O circuito de comunicação com o hospedeiro é baseado no módulo DLP2232.
Este módulo incorpora uma interface USB que é convertida em dois canais I/O seriais /
paralelos, configurados independentemente com uma taxa de transferência de até 1
megabit/s [FTDI]. Todo o protocolo USB é gerenciado pelo módulo, portanto nenhuma
programação específica de firmware USB é necessária. A tensão de 5V que alimenta o
módulo de recepção é recebida através do DLP2232. A conexão com o circuito está
detalhada na Fig. 4.14:
Fig. 4.14 – Diagrama elétrico de conexão do módulo USB
4.2.11 Computador hospedeiro
O computador hospedeiro deverá ser padrão IBM/PC ou compatível, executando o
sistema operacional Windows XP ou superior. Para funcionamento correto do programa
desenvolvido, deverá estar instalado a plataforma LabVIEW 8.0.
4.2.12 Diagramas de hardware
Os diagramas completos do sistema de hardware desenvolvidos são apresentados
no anexo I.
69
4.3 Protocolo de Comunicação
O sistema utiliza um protocolo de comunicação proprietário, desenvolvido para
garantir a fidelidade dos dados no processo de transmissão sem fios. A transmissão
sempre é feita em pacotes de 29 bytes, conforme se segue:
•
Pacote de comandos:
É composto por cabeçalho, comando e respectivos parâmetros. Os bytes
restantes são completados com zeros, conforme a figura abaixo.
Fig. 4.15 – Pacote de comandos
•
Pacote de dados:
É composto por cabeçalho, identificador e carga. O identificador é composto
por números seqüenciais de 4 bytes, que definem a ordem em que os pacotes
de dados foram enviados. A carga é composta por três seqüências de
amostras dos 4 canais em ordem. A figura abaixo exemplifica um pacote de
dados:
Fig. 4.16 – Pacote de dados
Os pacotes são sempre transmitidos utilizando-se CRC16 para detecção de erros,
implementado em hardware no transceptor.
70
O CRC [RAMABADRAN] é um tipo de função utilizada pra criar um checksum –
um número com quantidade fixa de bits – a partir de um bloco de dados (No caso do
CRC16, o checksum possui 16 bits). Este número é calculado e anexado à mensagem
antes da transmissão, e verificado após a recepção para confirmar que não houve
alterações durante o transito. CRC’s são populares por serem fáceis de se implementar
em hardware, possuem uma análise matemática simples e são muito eficientes para
detecção de erros causados por ruídos em canais de transmissão.
Pacotes que apresentem erros de CRC são descartados, e sinalizados para o
software. Em caso de perda de até 5 pacotes sequencialmente, o software repete o
último dado recebido, afim de evitar “falhas” no sinal. Em caso de perda de mais de 5
pacotes, mesmo processo de repetição é desenvolvido, e o usuário advertido, pois a
fidelidade do sinal pode estar comprometida.
4.4 Desenvolvimento do Software
O software utilizado pelo sistema foi desenvolvido em 3 blocos: Controle do
módulo de coleta, controle do módulo de recepção e programa principal:
4.4.1
Software de controle do módulo de coleta
Como descrito anteriormente, foi utilizado um microcontrolador PIC18F252
para realizar o controle do módulo de aquisição, tendo como principais funções:
•
Receber dados enviados pelo hospedeiro
•
Efetuar configuração de ganho dos canais individualmente
•
Efetuar configuração da freqüência de corte do filtro
•
Realizar o controle de início e fim da aquisição
O fluxograma da Fig. 4.18 descreve o funcionamento do programa construído e
gravado no PIC 18F252 para executar as tarefas:
71
Fig. 4.18 – Fluxograma do programa de controle do módulo de aquisição
O programa inicialmente configura o oscilador, os pinos e timers do PIC para
garantir seu correto funcionamento. A seguir, lê os dados de configuração da EEPROM
e configura os sistemas de coleta de acordo com a última configuração gravada. A partir
deste momento, o programa entra em um loop de espera por comandos. Assim que um
comando é recebido, o programa é desviado do loop para executar o que foi requisitado.
Existem quatro comandos principais, descritos a seguir:
72
•
“definir tempo de exame”: Este comando é responsável por armazenar o
tempo de duração da coleta de dados. Assim que este comando é
recebido, o respectivo valor de tempo é armazenado na EEPROM.
•
“enviar configuração”: Assim que este comando é recebido, o PIC reúne
as informações de configuração do dispositivo de coleta e as envia para o
programa principal.
•
“configurar dispositivo”: Esta função é responsável pelas alteração nas
configurações do dispositivo de coleta. Sua execução ocorre de acordo
com o algoritmo da Fig. 4.19
Fig. 4.19 – Fluxograma de funcionamento da função “configurar dispositivo”
73
•
“realizar aquisição”: Esta função é responsável pela coleta e envio dos
dados. Sua execução ocorre de acordo com o algoritmo da Fig. 4.20:
Fig. 4.20 – Fluxograma de funcionamento da função “realizar aquisição”
4.4.2 Software de controle do módulo de recepção
O módulo de recepção é gerenciado por um microcontrolador PIC16F873, tendo
como principais funções:
•
Receber comandos da interface USB, e enviá-los ao módulo de aquisição
•
Receber informações do módulo de aquisição, transmitindo-as à interface
USB
O programa inicia-se configurando o oscilador, os timers e os pinos I/O do PIC,
para garantir seu correto funcionamento. A seguir, o programa entra em um loop de
espera de comandos. Primeiramente, é verificada a FIFO do transceptor por alguma
informação. Caso haja informação recebida, esta é desempacotada e transferida para o
módulo USB, para envio ao computador hospedeiro. Se não houver informação, é então
verificada a FIFO USB. Caso haja algum comando, este é enviado ao transceptor para
comunicação com o módulo de coleta. Não havendo nenhum comando, o programa
retorna a busca para a FIFO do transceptor, mantendo o loop de busca.
A Fig. 4.21 exibe o fluxograma de funcionamento deste software:
74
Fig. 4.21 – Fluxograma de funcionamento do software de controle do módulo de recepção
4.4.3 Software do Computador Hospedeiro
O software principal executado no computador hospedeiro, responsável pela
configuração do dispositivo remoto, aquisição e análise dos dados, foi desenvolvido
para a plataforma Windows (Windows 2000, XP e versões superiores) obedecendo ao
conjunto de restrições estabelecidas no início deste capítulo. A ferramenta escolhida
para o desenvolvimento do software foi o LabVIEW 8.0 (National Instruments), devido
à sua agilidade de programação resultante de sua interface gráfica, e sua extensa
capacidade de acesso a dispositivos externos. Outros fatores de influência podem ser
listados:
•
Extensa biblioteca de funções, incluindo análise de dados nos domínios do
tempo e da freqüência
•
Possibilidade de programação concorrente
•
Alta precisão de cálculos e velocidade no armazenamento de dados
•
Facilidade de desenvolvimento de interfaces interativas
A Fig. 4.22 apresenta o algoritmo do programa principal:
75
Fig. 4.22 – Fluxograma de funcionamento do programa principal
Quando iniciado, o programa verifica a comunicação com os módulos de
transmissão e recepção. Caso a comunicação não seja possível, a execução do programa
é interrompida, como mostra a Fig. 4.23.
Fig. 4.23 – Interface do programa exibindo erro na conexão
76
Caso a comunicação ocorra normalmente, é exibido o status dos dispositivos de
transmissão e recepção, como mostra a Fig. 4.24.
Fig. 4.24 – Interface do programa exibindo status dos dispositivos
Passada a fase de diagnóstico, é apresentado ao usuário as opções de interação,
correspondentes as telas de configuração do sistema e controle de pacientes. A Fig. 4.25
mostra a interface de configuração do dispositivo:
Fig. 4.25 – Interface de configuração do dispositivo
77
A partir desta interface é possível configurar, independentemente, o ganho de cada canal
de dados, a freqüência do filtro de hardware, a potência e o canal de transmissão, além
do tipo de sinal aquisicionado. A próxima opção é apresentada na Fig. 4.26, mostrando
a interface de cadastro de paciente ou voluntário.
Fig. 4.26 – interface de cadastro de paciente
A opção “Nova Sessão” inicializa o sistema, e espera que sejam inseridas as
informações sobre o paciente. Deve-se lembrar porém, que as informações exigidas não
têm por objetivo simular uma anamnese completa, e sim exemplificar a potencialidade
do software. A opção “Ler Sessão” exibe uma caixa de diálogo, permitindo que o
usuário carregue as informações de um arquivo gravado no HD, conforme a Fig. 4.27.
Fig. 4.27 – Caixa de diálogo para seleção de arquivo
78
Assim que as informações para o paciente são completadas, é exibida uma nova
opção: Aquisição dos dados. A interface referente à aquisição é mostrada na Fig. 4.28:
Fig. 4.28 – Interface de aquisição de dados
Após selecionar o tempo de duração do exame e o tipo de sinal a ser coletado, o
usuário deve pressionar o botão “Iniciar Sessão”. Caso ocorra algum imprevisto, o botão
“Abortar Sessão” pode ser pressionado, interrompendo imediatamente a aquisição dos
dados. Os sinais coletados são apresentados em tempo real nos gráficos. Caso o tempo
de coleta seja maior que 5s, serão exibidos em tempo real apenas os dados relativos aos
últimos 5 segundos. Após a coleta, é disponibilizada a opção de salvar os dados em
arquivo (dados são salvos em um arquivo texto), e também de processamento dos
dados.
A interface de processamento dos dados é apresentada na Fig. 4.29:
79
Fig. 4.29 – Interface de processamento dos sinais coletados
Através desta interface é possível configurar o filtro digital, bem como observar
as características de amplitude e freqüência dos sinais, e as informações características
do tipo de sinal coletado, conforme requisitos citados no início deste capítulo.
4.5 Construção do protótipo
O protótipo construído é composto pelos módulos de coleta e recepção.
O módulo de coleta possui as seguintes características:
Peso: 460 gramas
• Dimensão: 18 x 11,5 x 4,5 cm
•
Controle: botão liga-desliga
•
Led indicador de atividade
•
Alimentação contínua por baterias recarregáveis
•
Detecção multifuncional para sinais ECG, EEG e EMG
O módulo de recepção possui seguintes características:
80
•
Peso: 75 gramas
•
Dimensão: 7,0 x 8,5 x 4,0 cm
•
Led indicador de atividade
•
Alimentação contínua 5V fornecida pela porta USB do hospedeiro
As Fig.s de 4.30 a 4.35 exibem os protótipos dos módulos de coleta e recepção
construídos, assim como o sistema completo acoplado ao computador hospedeiro.
Fig. 4.30 – Placa superior do módulo de coleta, vista superior
81
Fig. 4.31 – Placa inferior do módulo de coleta, vista superior
Fig. 4.32 – Montagem das placas do módulo de coleta, vista lateral direita
82
Fig. 4.33 – Montagem do módulo de recepção, vista superior
Fig. 4.34 – Módulos de coleta e recepção completos
83
Fig. 4.35 – Sistema acoplado ao computador hospedeiro
Para garantir a fidelidade dos dados coletados pelo sistema, este foi submetido à
uma bateria de testes de avaliação. Os resultados são descritos no capítulo 5.
84
Capítulo 5
Experimentos e avaliações
Para avaliar a fidelidade do processo de captura e transmissão do sinal, bem
como a confiabilidade do sistema de transmissão, definiu-se uma série de
experimentos a serem realizados:
•
Transmissão de um sinal emulado, de forma a avaliar a confiabilidade do
processo de transmissão
•
Aquisição de sinais provenientes de geradores, de modo a garantir a
fidelidade do processo de captura dos sinais
•
Aquisição de sinais ECG, para avaliar a resposta do sistema a este tipo de
sinal
•
Aquisição de sinais EMG, para avaliar a resposta do sistema a este tipo de
sinal
•
Aquisição de sinais EEG, para avaliar a resposta do sistema a este tipo de
sinal
85
Para estes experimentos, os seguintes materiais foram utilizados:
•
Gerador de sinais HP 33120A
•
Módulo de Coleta
•
Módulo de Recepção e Controle
•
Computador hospedeiro com o programa de teste e programa principal
instalados
As características do gerador de sinal (Fig. 5.1) utilizado são:
•
Capacidade de gerar sinais senoidais, triangulares, quadrados, e outros sinais
arbitrários com freqüência compreendida entre 10μHz e 15MHz
•
Ondas geradas de 8 a 16.000 pontos
•
Amplitude de 50mVpp a 10Vpp
•
Resolução de 12 bits
•
Precisão do sinal de ± 2% + 2 mV
Ruído de fase menor que -50 dBc a 30 KHz
Fig. 5.1 – Gerador de sinais HP 33120A
86
5.1 Avaliação de sinal emulado
Para garantir a fidelidade do processo de transmissão, foi implementado no
microcontrolador do módulo de coleta um programa com sinal em rampa conhecido
(Fig. 5.2a). Sempre que requisitado, o programa envia este sinal. No computador
hospedeiro, foi implementado um programa de teste. Este programa é responsável por
requisitar o envio do sinal padrão, e comparar os dados recebidos com o seu próprio,
de forma a identificar possíveis erros de transmissão e perda de pacotes de dados. Para
o experimento realizado, foi requisitado uma transmissão de 5 minutos (equivalente a
200.000 pacotes de dados), com o módulo de coleta a 30 metros do módulo receptor,
com obstáculos (pessoas caminhando), e um hotspot Wi-Fi próximo, operando na
mesma faixa de freqüência. Os resultados obtidos foram:
•
Perda de dados: Não houve perda de pacotes
•
Erro de transmissão: Nenhum pacote foi entregue com erros.
O resultado do experimento pode ser observado na Fig. 5.2b:
Fig. 5.2
a) Sinal em rampa utilizado
b)Interface do programa com resultados do experimento
A partir destes resultados, pode-se afirmar que o sistema apresenta alta
confiabilidade, sendo pouco susceptível à perda de informação durante a
transmissão neste ambiente.
87
5.2 Avaliação de sinal proveniente do gerador de
funções
Para avaliar a fidelidade do processo de captura, foram utilizados sinais senoidais
provenientes de um gerador de sinal, para posteriormente confrontar os resultados
obtidos do processamento dos mesmos com os resultados teóricos esperados.
O sinal utilizado para avaliação dos circuitos de aquisição e tratamento dos sinais
ECG é uma onda senoidal de 30 Hz (dentro da faixa de freqüências para qual o sistema
foi projetado) proveniente do gerador de funções. Para o circuito de tratamento de
sinais EMG, o sinal é uma onda senoidal de 500Hz. Os sinais, de amplitude 5mVp
deverão ser digitalizados, e enviados via RF para coleta pelo aplicativo principal
executado pelo computador hospedeiro.
É importante lembrar que o gerador de sinais utilizado não é capaz de gerar
senóides ideais, portanto algumas componentes espectrais, além da freqüência enviada,
são esperadas, quando os sinais coletados forem processados.
O ensaio foi realizado conectando-se o gerador de sinais aos quatro canais do
protótipo, e colocando-se os módulos de transmissão e recepção à uma distância fixa de
15 metros, com barreiras (paredes e portas).
O procedimento segue as seguintes etapas:
•
Conectar o módulo de recepção ao computador hospedeiro
•
Programar o gerador de função para as ondas descritas anteriormente
•
Ligar o módulo de coleta
•
Inicializar o programa principal
•
Ajustar os parâmetros do módulo de coleta através do programa principal
•
Autorizar o módulo de coleta a enviar os dados coletados
•
Armazenar e processar os dados
Foi estabelecido um tempo de teste de 5 segundos. Este tempo é suficiente para
capturar
um
bom
número
de
ciclos
de
cada
freqüência
estudada.
88
5.2.1
Sinal Senoidal 30 Hz
O gerador foi sintonizado em 30Hz e conectado aos 4 canais do protótipo.
Através do programa principal, o sistema foi configurado para a captura de sinais ECG,
com duração de 5s. A Fig. 5.3 mostra a interface do aplicativo após a execução:
Fig. 5.3 – Interface de aquisição exibindo resultados da coleta do sinal em 30Hz
O sinal foi processado e os resultados disponibilizados na interface de
processamento, conforme Fig. 5.4. Observe no detalhe (fig. 5.5) que o espectro
encontrado está em conformidade com o esperado: uma única componente em 30Hz.
Fig. 5.4 – Interface de processamento do sinal em 30Hz
89
Fig. 5.5 – Espectro encontrado para aquisição do sinal em 30Hz
5.2.2
Sinal Senoidal 500 Hz
O gerador foi sintonizado em 500Hz e conectado aos 4 canais do protótipo.
Através do programa principal, o sistema foi configurado para a captura de sinais
EMG, com duração de 5s. A Fig. 5.6 mostra a interface do aplicativo após a execução:
Fig. 5.6 – Interface de aquisição exibindo resultados da coleta do sinal em 500Hz
O sinal foi processado e os resultados disponibilizados na interface de
processamento, (Fig. 5.7). Observe no detalhe (fig. 5.8) que o espectro encontrado está
em conformidade com o esperado: uma única componente em 500Hz.
90
Fig. 5.7 – Interface de processamento do sinal em 500Hz
Fig. 5.8 – Espectro encontrado para aquisição do sinal em 500Hz
Uma vez que a resposta correta do protótipo foi validada pelos experimentos descritos,
passou-se à próxima fase:
5.3 Eletrocardiografia
A) Material Utilizado
•
Um par de eletrodos Ag/AgCl auto-adesivos e um eletrodo de referência
•
Gel condutivo
•
Módulo de recepção conectado ao computador hospedeiro (Fig. 5.9)
91
•
Computador hospedeiro com o programa principal instalado (Fig. 5.9)
•
Módulo de coleta preso ao cinto do voluntário (Fig. 5.10)
Fig. 5.9 – Computador com o módulo de recepção conectado e programa instalado
B) Preparação do voluntário
Foi realizada uma limpeza de pele com álcool na área de colocação dos eletrodos.
Os eletrodos foram posicionados na derivação I, conforme descrito no capítulo 2. O
voluntário foi instruído a se portar normalmente e caminhar durante a sessão,
conforme mostra a Fig. 5.10.
92
Fig. 5.10 – Voluntário com o sistema de biotelemetria fixado e
eletrodos ECG posicionados.
C) Definição da sessão
A sessão de captura de sinais foi realizada no Laboratório de Engenharia Biomédica
e Automática da Faculdade de Engenharia Elétrica da UFU. O voluntário foi
orientado a caminhar de forma compassada pelo laboratório.
D) Captura dos dados
Concluídos os procedimentos de preparação, os módulos de coleta e recepção foram
ligados, e o programa principal inicializado. A Fig. 5.11 mostra o sinal resultante do
processo de coleta.
93
Fig. 5.11 – Sinal ECG coletado em derivação I
E) Processamento dos dados
Finalizada a coleta, os dados foram armazenados e processados. A Fig. 5.12 mostra
o espectro de freqüência e a densidade espectral de potência para o primeiro ciclo
cardíaco do sinal coletado.
Fig. 5.12 – Espectro de freqüência (FFT) e espectro de potência (PSD)
do primeiro ciclo cardíaco do sinal coletado
Observa-se
que
os
batimentos
do
voluntário
estavam
em
aproximadamente 70 BPM. O sinal coletado está de acordo com o esperado para
sinais ECG capturados na derivação I, com conteúdo espectral e densidade espectral
de potência em acordo com a literatura, conforme descrito no capítulo 2.
94
5.4 Eletromiografia
A) Material utilizado
•
Um par de eletrodos Ag/AgCl auto-adesivos e um eletrodo de referência
•
Gel condutivo
•
Módulo de coleta preso ao cinto do voluntário (Fig. 5.9)
•
Módulo de recepção conectado ao computador hospedeiro (Fig. 5.8)
•
Computador hospedeiro com o programa principal instalado (Fig. 5.8)
B) Preparação do voluntário
O voluntário foi instruído a relaxar e aguardar comandos para realizar contração do
músculo bíceps.
C) Preparação da pele e posicionamento dos eletrodos
Foi realizada uma limpeza de pele com álcool na área de posicionamento dos
eletrodos. O eletrodo de referência foi colocado no acrômio, e os eletrodos de
captura situados no bíceps (cabeça longa). Para melhor desempenho, foi utilizado
gel condutivo nos eletrodos. A Fig. 5.11 mostra o voluntário com os eletrodos
posicionados.
Fig. 5.13 – Eletrodos posicionados no voluntário para captura do sinal EMG
95
D) Definição da sessão
A sessão de captura de sinais foi realizada no Laboratório de Engenharia Biomédica
e Automática da Faculdade de Engenharia Elétrica da UFU. O voluntário foi
orientado a realizar contrações isométricas do bíceps, conforme mostra a Fig. 5.12.
Fig. 5.14 – Voluntário executando contração isométrica
E) Captura dos dados
Concluídos os procedimentos de preparação, os módulos de coleta e recepção foram
ligados, e o programa principal inicializado. A Fig. 5.13 mostra o sinal resultante do
processo de coleta.
Fig. 5.15 – Sinal EMG coletado
F) Processamento dos dados
96
Finalizada a coleta, os dados foram armazenados e processados. A Fig. 5.14 mostra
o espectro de freqüência do sinal coletado, bem como a densidade de potência
espectral para a primeira contração do sinal coletado.
Fig. 5.16 – Espectro de freqüência (FFT) e densidade espectral de potência (PSD)
para a primeira contração do sinal EMG coletado
Observa-se que o sinal coletado se apresenta conforme o esperado e o conteúdo
espectral, bem como a densidade espectral de potência, estão em conformidade com
a literatura, conforme descrito no capítulo 2.
5.5 Eletroencefalografia
A) Material utilizado
•
Um par de eletrodos Pb e um eletrodo de referência
•
Pasta condutiva
•
Módulo de coleta preso ao cinto do voluntário
•
Módulo de recepção conectado ao computador hospedeiro
•
Computador hospedeiro com o programa principal instalado
97
B) Preparação da pele e posicionamento dos eletrodos
Foi realizada uma limpeza de pele com álcool na área de posicionamento dos
eletrodos. O eletrodo de referência foi colocado no lóbulo da orelha esquerda. Os
eletrodos de captura foram posicionados no lóbulo da orelha direita e sobre o
escalpo, na região F3. A Fig. 5.15 mostra o voluntário com os eletrodos
posicionados.
Fig. 5.17 – Eletrodos posicionados no voluntário para captura do sinal EEG
C) Definição da sessão
A sessão de captura de sinais foi realizada no Laboratório de Engenharia Biomédica
e Automática da Faculdade de Engenharia Elétrica da UFU. O voluntário foi
orientado a permanecer sentado e de olhos fechados em um ambiente iluminado e
com pouco barulho, conforme mostra a Fig. 5.16.
98
Fig. 5.18 – Voluntário durante a sessão de captura EEG
D) Captura dos dados:
Concluídos os procedimentos de preparação, os módulos de coleta e recepção foram
ligados, e o programa principal inicializado. A Fig. 5.17 mostra o sinal resultante do
processo de coleta.
Fig. 5.19 – Sinal EEG coletado
E) Processamento dos dados:
Finalizada a coleta, os dados foram armazenados e processados. O sinal foi filtrado
digitalmente em 40Hz, uma vez que o filtro em hardware tem seu limite inferior em
100Hz. A Fig. 5.18 mostra o sinal filtrado, bem como o espectro de freqüência e a a
densidade de potência espectral para 500ms de sinal, a partir de T = 2s.
99
Fig. 5.20 – Espectro de freqüência (FFT) e densidade espectral de potência (PSD)
do sinal EEG coletado
Observa-se que o sinal coletado se apresenta de acordo com o esperado. Observa-se
predominância de ondas nas faixas beta e alfa, condizentes com o estado de vigília
do voluntário. O conteúdo espectral, bem como a densidade espectral de potência
resultantes da coleta do sinal EEG estão de acordo com a literatura, conforme
descrito no capítulo 2.
100
Capítulo 6
Conclusões e Trabalhos Futuros
6.1 Conclusões
Este trabalho descreve o projeto e desenvolvimento de um sistema de
biotelemetria multicanal para sinais ECG, EEG e EMG. Para tal, realizou-se o estudo
prévio dos sinais biomédicos a serem coletados, bem como analisou-se as características
dos sistemas de coleta e softwares agregados atualmente utilizados para as aplicações
em questão. Após este estudo, chegou-se ao modelo de um sistema de hardware e
software apresentados no capítulo 4. O desenvolvimento do sistema abrangeu as
seguintes etapas:
•
Projeto e desenvolvimento do sub-sistema condicionador e digitalizador de
sinais
•
Projeto e desenvolvimento do sistema de controle telemétrico e interfaces
necessárias
•
Projeto e implementação de um aplicativo de software capaz de aquisicionar
e processar os sinais provenientes dos sensores em tempo real.
O protótipo desenvolvido mostrou-se capaz de coletar e transmitir os
biopotenciais com alta fidelidade. A transmissão apresentou alta confiabilidade mesmo
estando o indivíduo em movimento. Comparativamente a trabalhos antecessores, como
[MARTINS], o sistema apresenta diversas vantagens: digitalização com maior número
101
de bits, que significa uma reprodução mais fiel do sinal coletado; maior número de
canais, permitindo o estudo de vários sinais simultaneamente; maior freqüência de
aquisição, o que permite uma coleta dos sinais com maior fidelidade; controle
simplificado, uma vez que toda a configuração é realizada via software; além disso, a
detecção de erros durante a transmissão aumenta a confiabilidade do sistema, impedindo
que dados incorretos sejam transmitidos. É ainda importante ressaltar que, com o
desenvolvimento deste sistema, foi possível agregar know-how nacional e local nesta
área de desenvolvimento.
6.2 Trabalhos Futuros
O protótipo desenvolvido atende aos objetivos inicialmente traçados, mas ainda
existem vários pontos onde é possível realizar melhorias e otimizações. Dentre
estes, destaca-se:
•
Avaliação de novas técnicas e protocolos de comunicação sem fios em
busca de maior velocidade de transmissão e confiabilidade na
transmissão do sinal, permitindo uma maior taxa de amostragem ou
adição de mais canais ao sistema.
•
Implementação de novas rotinas de processamento do sinal, como
análises estatísticas, processamento por wavelets, entre outros.
•
Miniaturização do protótipo utilizando componentes SMD.
•
Implementação de outras técnicas de detecção e controle de erros durante
a transmissão.
•
Desenvolver um hardware que conectado ao módulo receptor, permita
que o mesmo se comunique com uma rede de dados hospitalar.
Este trabalho não teve o objetivo de explorar as potencialidades terapêuticas para
o equipamento proposto. Neste sentido, diversos estudos devem ser realizados por
profissionais capacitados para confirmar as potencialidades clínicas do equipamento.
102
Anexo 1 – Diagramas de Hardware
Figura A1 – Diagrama elétrico do módulo receptor
103
Figura A2 – Diagrama elétrico do módulo de coleta – placa superior
104
Fig. A3 – Diagrama Elétrico do módulo de coleta – placa inferior
105
Anexo 2 – Especificações Técnicas
Módulo de coleta:
o Dimensões: 18 x 11,5 x 4,5 cm
o Peso: 460g
o Transmissão: 2.4GHz ISM em 125 canais com suporte a frequency hopping
o Freqüência de Aquisição: 2 kHz
o Número de canais: 4
o Amplificação: Ganho programável 250x a 8000x
o Filtragem: Passa faixa programável
 Corte inferior: 0.05Hz
 Corte superior: programável 50Hz a 1kHz
o Alimentação: bateria Ni-Cd 7,2V
o Autonomia: 3,5 horas
Módulo de recepção:
o Dimensões: 7 x 8,5 x 4 cm
o Peso: 75g
o Transmissão: 2.4GHz ISM em 125 canais com suporte a frequency hopping
o Taxa máxima: 1Mbps
o Alimentação: 5V USB
Software:
o Requisitos necessários:
 Computador compatível com IBM/PC
 Processador 1Ghz, 256mb memória
 Sistema Operacional Microsoft Windows 2000 ou superior
 Plataforma LabVIEW 8
106
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