Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola Politécnica
Departamento de Eletrônica e de Computação
Estimulador Elétrico Neuromuscular
Autor:
_________________________________________________
Anderson Francisco da Costa Souza
Orientador:
_________________________________________________
Prof. Alexandre Visintainer Pino, D. Sc.
Examinador:
_________________________________________________
Prof. Marcio Nogueira de Souza, D. Sc.
Examinador:
_________________________________________________
Prof. Fernando Antônio Pinto Barúqui, D. Sc.
Examinador:
_________________________________________________
Eng. Aluízio D’affonsêca Netto, M. Sc.
DEL
Março de 2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola Politécnica – Departamento de Eletrônica e de Computação
Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária
Rio de Janeiro – RJ
CEP 21949-900
Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que
poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar
qualquer forma de arquivamento.
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre
bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja
ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem
finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es).
II
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho ao meu amigo Nill Robert Fernandes, cujos ensinamentos e
entusiasmo com a ciência, serviram e servirão de inspiração para manter viva a vontade
de aprender.
III
AGRADECIMENTO
Agradeço principalmente a minha família, minha mãe, Maria Lúcia, meu pai,
José Francisco e a meu irmão, André Francisco, que acreditaram no meu potencial e
tornaram este sonho possível.
A minha namorada, Dayanne Freitas, e os amigos que também fazem parte da
minha família, pelo incentivo.
Aos amigos de laboratório, João Catunda, Denise Costa, Fernando Monteiro,
Danielle Polato, Marcio Nunes, Ingrid Bohórquez, Filipe Maia, entre outros, que ao
passarem pelo laboratório, compartilharam suas experiências, colaboraram e
incentivaram a realização deste trabalho.
Aos amigos de curso, ao qual a união tornou a faculdade um desafio menos
assustador para ser enfrentado.
Aos meus orientadores, Alexandre Pino e Marcio Souza, que me acolheram em
seu laboratório e investiram seu tempo e conhecimento, em meu aprendizado.
Aos professores do curso, em especial ao professor Casé, cuja paciência em
esclarecer dúvidas de um aluno indeciso sobre o curso, resultaram na descoberta de um
curso excelente, com conhecimento muito além das expectativas, ao qual tenho orgulho
de ter realizado.
Agradeço a CAPES, CNPq, FAPERJ e ao povo brasileiro pelo apoio e incentivo
a pesquisa.
IV
RESUMO
A estimulação elétrica é uma técnica empregada terapeuticamente e que é
baseada na excitabilidade de certos tecidos à corrente elétrica, em especial os neurônios
e os músculos. A estimulação elétrica neuromuscular (NMES) têm como objetivo
restaurar ou auxiliar o movimento dos membros de pacientes com dificuldades motoras,
entre outros, pela aplicação de pulsos de corrente ao paciente.
O objetivo do presente trabalho é desenvolver um sistema para estimulação
elétrica capaz de fornecer pulsos de corrente bifásicos, com amplitude, frequência e
duração das fases controlados, mantendo o voluntário isolado eletricamente. O sistema
conta com um software, em LabVIEW, para a configuração de tais parâmetros pelo
usuário; e um hardware, responsável pela comunicação com o computador e a aplicação
dos pulsos.
O software disponibiliza uma biblioteca de funções para o controle do
eletroestimulador pelo usuário, além de uma interface para construção de protocolos de
estimulação. O hardware é composto por um microcontrolador (PIC32MX795F512L)
responsável pela comunicação com o computador e modulação dos pulsos desejados,
com o auxílio de um potenciômetro digital; e um estágio de saída analógico, este
responsável pela conversão dos pulsos, modulados em tensão, para corrente.
O microcontrolador foi avaliado pela sua capacidade de modular os pulsos,
buscando-se os erros na modulação da frequência e sensibilidade. Em relação ao estágio
de saída o circuito apresenta uma topologia de realimentação, utilizando-se de
transformadores para aplicar e amostrar o sinal de corrente que circula pelo paciente.
Para avaliá-lo foram feitos ensaios de bancada com cargas resistivas com valores
assemelhados aos esperados para o caso real, 100 Ω, 560 Ω (valor típico) e 1200 Ω. O
isolamento foi avaliado aplicando-se, por 30 s, 5000 V entre o primário e o secundário
dos transformadores utilizados, medindo-se a resistência.
O microcontrolador mostrou-se capaz de produzir pulsos com erros de
frequência inferiores a 0,06% com uma variação máxima de 3,3009 Hz e a sensibilidade
obtida para esta etapa foi de 2,15 mV/bit. No estágio de saída, o levantamento das
curvas de calibração, considerando-se os três valores de carga, apontaram para
sensibilidades de 224,7 mA/V; 209,5 mA/V e 200,5 mA/V, respectivamente. Isso
mostra que o sistema possui uma redução de sensibilidade com o aumento da carga,
com erro máximo de 7,3%. O transformador apresentou uma resistência de 56,4 MΩ,
V
indicando uma corrente de fuga de 88,65 µA. Os resultados obtidos mostram que os
circuitos digital e analógico possibilitam uma resolução efetiva de 0,45 mA/bit para o
ajuste da amplitude de corrente dos pulsos.
O presente trabalho apresenta o projeto de um estimulador elétrico
neuromuscular, com pulso bifásico simétrico e saída isolada, os resultados podem ser
considerados toleráveis para o uso do hardware em aplicações clínicas.
Palavras-Chave: NMES, LabVIEW , microcontrolador, isolamento.
VI
ABSTRACT
Electrical stimulation is a technique used therapeutically and is based on the
excitability of certain tissues to electric current, in particular neurons and muscles.
Neuromuscular electrical stimulation (NMES) are intended to restore or assist the
movement of the limbs of patients with motor difficulties, among others, by applying
current pulses to the patient.
The objective of this work is to develop a system capable of providing electrical
stimulation pulses of biphasic current, amplitude, frequency and duration of controlled
phases, keeping the volunteer electrically isolated. The system consists of a software in
LabVIEW, for setting such parameters by the user, and hardware, responsible for
communication with the computer and the application of the pulses. The software
provides a library of functions for controlling the electrical stimulator, and an interface
for building stimulation protocols. The hardware consists of a microcontroller
(PIC32MX795F512L) responsible for communicating with the computer and
modulation of the desired pulses with the aid of a digital potentiometer, and analog
output driver, responsible for converting the modulated pulses from voltage to current.
The microcontroller was evaluated for its ability to modulate the pulses,
searching for errors in the modulation frequency and sensitivity. Regarding the output
driver of the circuit shows a feedback topology, using a transformer and to apply the
sampled signal current flowing through the patient. To evaluate it bench tests were
made with resistive loads with values similar to those expected for the real case, 100 Ω,
560 Ω ( typical value ) and 1200 Ω. The isolation was evaluated by applying for 30 s,
5000 V between the primary and secondary windings of the transformers used, by
measuring the resistance.
The microcontroller has shown itself capable of producing pulses with
frequency error less than 0.06% with a maximum variation of 3.3009 Hz and sensitivity
obtained for this step was 2.15 mV/bit. In the output stage, the lifting of the calibration
curves, considering the three load values, pointed to sensitivities of 224.7 mA/V,
209.5 mA/V and 200.5 mA/V, respectively. This shows that the system has a reduced
sensitivity with increasing load, with a maximum error of 7.3%. The transformer had a
resistance of 56.4 MΩ, indicating a 88.65 µA of current leakage.
The results show that digital and analog circuits implemented enable an effective
resolution of 0.45 mA/bit for adjusting the amplitude of the current pulses.
VII
This paper presents the design of a neuromuscular electrical stimulator with
symmetrical biphasic pulse and isolated output, the results can be considered tolerable
for use in clinical applications.
Key-words: NMES, LabVIEW , microcontroller, isolation.
VIII
Siglas
NMES – Neuromuscular Electrical Stimulation
COFFITO – Conselho Federal de Fisioterapia e Terapia Ocupacional
PIC – Peripheral Interface Controller
SMD – Surface Mount Device
USB – Universal Serial Bus
LSB – Least Significant Byte
MSB – Most Significant Byte
VI – Virtual Instruments
VISA – Virtual Instrument Software Architecture
IX
Sumário
Capítulo 1
Introdução ................................................................................................. 1
Capítulo 2
Fundamentos Teóricos ............................................................................. 2
2.1
Fisiologia ........................................................................................................... 2
2.2
Estimulação elétrica neuromuscular .................................................................. 3
Capítulo 3
Materiais e Métodos ................................................................................. 5
3.1
Descrição geral .................................................................................................. 5
3.2
Hardware ........................................................................................................... 5
3.2.1
Parte Digital........................................................................................................... 6
3.2.2
Parte Analógica ..................................................................................................... 9
3.2.3
Circuito de proteção ............................................................................................ 14
3.3
Firmware ......................................................................................................... 15
3.3.1
Modulação da estimulação .................................................................................. 16
3.3.2
Modos de utilização do estimulador .................................................................... 23
3.3.3
Comandos de controle da estimulação ................................................................ 23
3.4
Software ........................................................................................................... 24
3.4.1
Biblioteca de funções .......................................................................................... 25
3.4.2
Interface com o usuário ....................................................................................... 27
3.5
Metodologia de avaliação ................................................................................ 31
3.5.1
Parte Digital......................................................................................................... 31
3.5.2
Parte analógica .................................................................................................... 32
Capítulo 4
Resultados ............................................................................................... 34
4.1
Parte Digital ..................................................................................................... 34
4.2
Parte Analógica ................................................................................................ 36
4.3
Software ........................................................................................................... 39
4.4
Protótipo........................................................................................................... 40
Capítulo 5
Discussão ................................................................................................. 42
Capítulo 6
Conclusão ................................................................................................ 44
X
Bibliografia 45
Apêndice A Circuito projetado .................................................................................. 47
Apêndice B Comandos do firmware .......................................................................... 48
XI
Lista de Figuras
Figura 2.1: Estrutura do neurônio. .................................................................................... 2
Figura 2.2: Efeito do eletrodo sobre a pele do paciente. .................................................. 3
Figura 3.1: Topologia de hardware adotada. .................................................................... 5
Figura 3.2: Estrutura utilizada pelo hardware digital para modulação dos pulsos. .......... 6
Figura 3.3: Placa de desenvolvimento UBW32. .............................................................. 7
Figura 3.4: Circuito implementado para modulação dos pulsos (Os pinos /RS e /SHDN
do AD8403, são utilizados para forçar o cursor do potenciômetro para a metade e
colocar a entrada A em aberto, estes não foram utilizados no circuito e são mantidos
desativados). ..................................................................................................................... 9
Figura 3.5: Topologia de realimentação, onde o paciente e a amostragem de corrente
encontram-se isolados do restante do circuito. ............................................................... 10
Figura 3.6: Circuito do conversor tensão-corrente (“Circuito de Proteção” é um módulo
responsável pela desconexão do paciente, caso necessário, e não interfere no circuito em
análise; “N” define a proporção de espiras entre o primário e secundário). .................. 10
Figura 3.7: Circuito referente à análise do ganho de malha aberta ( ). ......................... 12
Figura 3.8: Circuito referente à análise do ganho de realimentação ( ). ....................... 12
Figura 3.9: Circuito utilizado para proteção do paciente................................................ 15
Figura 3.10: Fluxograma simplificado do firmware. ...................................................... 16
Figura 3.11: Parâmetros para modulação da estimulação pelo microcontrolador (“IEF”,
“DurPos”, “DurNeg”, “AmpPos” e “AmpNeg” significam respectivamente, o intervalo
entre fases, a duração das fases positiva e negativa, e a amplitude positiva e negativa;
“PerInativo” é o intervalo inativo necessário para modular a frequência). .................... 17
Figura 3.12: Fluxograma com as tarefas para início da estimulação.............................. 19
Figura 3.13: Algoritmo para modulação dos pulsos. ...................................................... 20
Figura 3.14: Sinais de barramento que controlam a modulação dos pulsos. .................. 21
Figura 3.15: Exemplo de uso dos VIs desenvolvidos para o modo fast. O exemplo
programa o canal 1 para estimulação contínua de um pulso com frequência 100 Hz,
duração de cada fase em 250 µs e amplitude de 50 mA. ................................................ 27
Figura 3.16: Exemplo de uso de VIs desenvolvidos para o modo perfil. Neste é
realizada a programação de um único parâmetro para estimulação com frequência
100 Hz, duração de fase de cada pulso em 250 µs e Amplitude de 50 mA. Como são
pedidos 1000 pulsos, a estimulação terá uma duração de 10 segundos. ........................ 27
Figura 3.17: Teste de contração, utilizado para configuração de um único formato de
estimulação por vez, apresenta uma amostra simulada do formato dos pulsos. ............. 28
Figura 3.18: Tela inicial do modo perfil. ........................................................................ 29
Figura 3.19: Tela para criação ou edição de protocolos existentes, no exemplo é criado
um protocolo com forma de rampa................................................................................. 30
Figura 3.20: Tela para estimulação no modo perfil. ....................................................... 31
Figura 4.1: Amplitude do pulso modulado pela posição do potenciômetro. .................. 34
Figura 4.2: Medição do erro na largura das fases. (a) Caso ideal, largura de pulso com
50 µs. (b) Largura mínima do pulso, 29 µs. (c) Largura máxima do pulso, 69 µs. ........ 35
XII
Figura 4.3: Amostra do pior caso para o pulso modulado. (a) Destaque na amplitude do
pulso, em 22,8 mV. (b) Destaque para a frequência do pulso, com medida do período
entre os pulsos (5 ms). .................................................................................................... 36
Figura 4.4: Amostras do pulso modulado. (a) Destaque na amplitude do pulso, em
544 mV. (b) Destaque para a frequência do pulso, com medida do período entre os
pulsos (50 ms)................................................................................................................. 36
Figura 4.5: Diagrama de bode resultante da análise teórica, em destaque o ganho na
banda passante (244 mA/V). .......................................................................................... 37
Figura 4.6: Resposta ao degrau obtido pela análise teórica. Em destaque estão o tempo
de estabilização (14,8 µs) e o regime permanente (244 mA). ........................................ 37
Figura 4.7: Gráfico da amplitude da corrente no paciente pela amplitude do pulso de
tensão de entrada, fixando a frequência em 20 Hz e a duração de pulso em 500 µs...... 38
Figura 4.8: Pulso bifásico simétrico gerado pelo estágio de saída, obtido sobre uma
resistência de 10 Ω. (a) Largura das fases com 50 µs. (b) Largura das fases com 250 µs.
(c) Largura das fases com 500 µs. .................................................................................. 39
Figura 4.9: Formas de onda de um protocolo de estimulação. ....................................... 40
Figura 4.10: Protótipo montado do eletroestimulador. ................................................... 40
Figura 4.11: Visualização interna do eletroestimulador. (a) Circuito digital para
modulação. (b) Circuito analógico utilizado na conversão de tensão para corrente.
(c) Circuito de proteção para desconexão do paciente. (d) Fonte para alimentação. ..... 41
Figura 6.1: Circuito implementado para a parte analógica. ............................................ 47
Figura 6.2: Comando READ_VERSION. ...................................................................... 48
Figura 6.3: Comando START_CANAL. ........................................................................ 48
Figura 6.4: Formato do registrador START. .................................................................. 49
Figura 6.5: Comando STOP_CANAL. .......................................................................... 49
Figura 6.6: Formato do registrador STOP (Os bits com “X” não atuam no comando).. 49
Figura 6.7: Comando UPDATE_FAST_MODE. ........................................................... 50
Figura 6.8: Estrutura de configuração do registrador “Canal” (Os bits com “X” não
atuam no comando). ....................................................................................................... 50
Figura 6.9: Comando UPDATE_ALL_FAST_MODE. ................................................. 52
Figura 6.10: Comando GET_PERFIL_FROM_PIC. ..................................................... 53
Figura 6.11: Comando SEND_ONE_PERFIL_TO_PIC. .............................................. 54
Figura 6.12: Comando CLEAR_PERFIL....................................................................... 54
Figura 6.13: Comando GET_CANAL_STATUS. ......................................................... 55
Figura 6.14: Comando RESET. ...................................................................................... 55
XIII
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Comando para ajuste do potenciômetro digital (Ex representam bits para o
endereçamento e Dx bits para dados) ............................................................................... 7
Tabela 2 – Coeficientes da equação 3.9 ......................................................................... 14
Tabela 3 – Possíveis configurações para o Timer........................................................... 18
Tabela 4 – Registradores de configuração da estimulação ............................................. 22
Tabela 5 – Comandos de controle do eletroestimulador ................................................ 24
Tabela 6 – Biblioteca de funções para comunicação com o eletroestimulador .............. 26
XIV
Capítulo 1 Introdução
Estimuladores elétricos são dispositivos médicos utilizados na fisioterapia, para
auxiliar no tratamento de lesões e doenças. A estimulação ocorre com o uso de eletrodos
localizados na superfície ou internos a pele do paciente, através dos quais são aplicados
pulsos com tensão ou corrente controlada. Tais pulsos são caracterizados pelo seu
formato, amplitude e frequência, onde a variação destes parâmetros produz diferentes
efeitos no tecido biológico.
A técnica utilizada para obter contração muscular recebe o nome de estimulação
elétrica neuromuscular (NMES), esta apresenta pulsos com formato bifásico e
frequência em torno de 100 Hz. O emprego da NMES é motivo de estudo em diversas
aplicações, como: reabilitação de lesões (MADDOCKS et al., 2013), tratamento de
feridas crônicas (MULDER, 1991), exercícios para melhora de vida em portadores de
Parkinson (HEIJNEN et al., 2012), melhora de desempenho em atividades esportivas
como corrida e salto (BENITO-MARTÍNEZ et al., 2013), recuperação de lesões em
atletas (BIEUZEN et al., 2012), entre outros.
O objetivo do presente trabalho consiste em desenvolver um estimulador elétrico
neuromuscular para pesquisa de métodos de aplicação de NMES que utilizem pulsos de
corrente com formato retangular simétrico em ambos os sentidos de corrente. Este terá
dois canais de estimulação independentes, capazes de produzir pulsos com amplitude
máxima de 100 mA, frequência de 20 Hz à 200 Hz e largura dos pulsos de 50 µs à
500 µs.
O dispositivo será controlado por um programa desenvolvido em LabVIEW que
permitirá ao pesquisador a criação de perfis de estimulação, onde será possível editar
um conjunto de pulsos, cujos parâmetros são variáveis no tempo. Uma biblioteca de
funções foi disponibilizada para utilização do dispositivo em aplicações de malha
fechada (CATUNDA et al., 2012), ou mesmo para o controle através de um programa
desenvolvido pelo pesquisador.
1
Capítulo 2 Fundamentos Teóricos
A fisioterapia é uma ciência que estuda, define e trata disfunções cinéticas
geradas por alterações genéticas, por traumas ou por doenças adquiridas (“COFFITO Conselho Federal de Fisioterapia e Terapia Ocupacional”). Esta ciência pode empregar
diversos tipos de agentes físicos em seus tratamentos, como ondas eletromagnéticas,
ondas sonoras e a energia elétrica, cujo objetivo comum é transmitir calor ao tecido
biológico (KITCHEN; BAZIN, 2003). Ao se optar pela utilização da energia elétrica no
tratamento, esta é, então, denominada eletroterapia.
2.1 Fisiologia
Uma das práticas da eletroterapia busca a indução da contração muscular.
Fisiologicamente, esta ocorre a partir de sinais enviados pelo cérebro ou pela medula,
via neurônio motor, para os músculos. A estimulação elétrica é então utilizada para
complementar ou gerar este processo, realizando a ativação dos neurônios motores de
forma artificial (KITCHEN; BAZIN, 2003).
O neurônio motor é constituído de um corpo celular, dendritos e axônios (Figura
2.1), onde sua função principal é o envio de informações do sistema nervoso central em
direção aos músculos. Deste modo, as informações são recebidas e interpretadas pelo
corpo celular e pelos dendritos, enquanto os axônios são meios por onde as informações
são enviadas as extremidades do organismo (VELLOSO; SOUZA, 2007).
Figura 2.1: Estrutura do neurônio.
2
O envio de informações é realizado através de íons, utilizados em reações
químicas para gerar uma diferença de potencial entre o meio interno e externo da
membrana celular. Quando em repouso, o neurônio se mantém com um potencial
negativo de aproximadamente -90 mV, em relação ao meio extracelular. Sua ativação
ocorre quando um estímulo produz uma despolarização que ultrapasse um limiar em
torno de -40 mV. Isto resulta na propagação de um pulso de íons através dos axônios, o
que gera a contração das fibras musculares (BEAR et al., 2006).
Os eletrodos alocados na superfície ou internos a pele do paciente criam uma
diferença de potencial, induzindo uma corrente iônica no organismo (Figura 2.2). Esta
corrente circula pelo meio extracelular e eventualmente passa pela membrana dos
neurônios; sendo grande o suficiente em amplitude e duração, resultará em uma
despolarização acima do limiar para ativação do neurônio (VELLOSO; SOUZA, 2007).
Figura 2.2: Efeito do eletrodo sobre a pele do paciente.
2.2 Estimulação elétrica neuromuscular
A estimulação elétrica neuromuscular (NMES) ocorre pela injeção de pulsos
elétricos, através de eletrodos. Neste tratamento as características do pulso produzido
pelo eletroestimulador devem apresentar uma forma de onda com corrente direta ou
alternada, classificados como monofásicos e bifásicos, e saída controlada de tensão ou
corrente.
3
(a)
(b)
Figura 2.1: Formas de onda. (a) Monofásico. (b) Bifásico (CA).
A forma de onda da eletroestimulação pode ter diversos formatos, como
triangular, exponencial, retangular, senoidal e outras. Para uma forma de onda bifásica
são caracterizadas as fases positiva e negativa, definindo-se estas como simétricas ou
assimétricas. Onde um pulso bifásico simétrico é preferível por apresentar maior
conforto para os pacientes (BAKER et al., 1988).
(a)
(b)
Figura 2.2: Formato dos pulsos. (a) Pulsos bifásicos simétricos. (b) Pulsos bifásicos
assimétricos.
4
Capítulo 3 Materiais e Métodos
3.1 Descrição geral
Neste capítulo serão descritas as diferentes etapas do projeto do estimulador
elétrico. As especificações do projeto, o hardware analógico e o digital bem como o
software embarcado e de interface com o usuário são apresentados em detalhes nas
próximas seções.
Este é um projeto de estimulador elétrico NMES programável que proporciona
uma forma de onda de corrente controlada, quadrada, pulsada e bifásica simétrica. O
estimulador foi projetado para operar até quatro canais de estimulação, independentes,
que são configurados através de uma interface com usuário ou por uma biblioteca de
funções, escritas em linguagem G, no ambiente LabVIEW. Estão disponíveis para o
usuário o controle de amplitude, duração e frequência dos pulsos, onde a amplitude
pode variar entre 0 mA e 100 mA, a duração entre 50 µs e 500 µs, e pode-se configurar
uma frequência entre 20 Hz e 200 Hz. Por ser um equipamento biomédico, utilizado em
seres humanos, o mesmo respeita as normas de segurança (ABNT, NORMA IEC
60601-2-10, 1997), isolando o paciente da rede elétrica.
3.2 Hardware
A topologia adotada para o hardware deste projeto foi dividida em duas partes
(Figura 3.1), a primeira tem predomínio de componentes digitais, com a finalidade de
comunicar com o LabVIEW e modular os pulsos em formato de tensão; e a segunda,
totalmente analógica, tem como objetivo converter o pulso modulado de tensão para
corrente e aplicá-lo, com segurança, ao paciente.
Figura 3.1: Topologia de hardware adotada.
5
3.2.1
Parte Digital
O hardware digital é constituído por um microcontrolador, um potenciômetro
digital e um circuito subtrator. O componente central deste hardware é o
microcontrolador, responsável pela comunicação com o computador, através da porta
USB, a modulação dos pulsos, em relação à frequência e duração, e a programação do
potenciômetro digital, responsável pela modulação em amplitude. Em complemento,
utiliza-se um circuito subtrator para gerar a fase negativa do pulso e ajustar a amplitude.
Figura 3.2: Estrutura utilizada pelo hardware digital para modulação dos pulsos.
Microcontrolador
O
PIC32MX795F512L
foi
o
microcontrolador
adotado
por
possuir
características desejáveis ao projeto, como:

5 Timers de 16 bits;

4 módulos de comunicação SPI;

Módulo USB.
Este microcontrolador é fabricado pela Microchip Technology Inc. e pode ser
encontrado somente em formato SMD, o que torna difícil a sua manipulação. Adotouse, então, para o projeto, uma placa de desenvolvimento fornecida pela Sparkfun, a
UBW32 (Figura 3.3). Esta placa fornece ao desenvolvedor um circuito básico de
suporte ao funcionamento do PIC, disponibilizando acesso aos seus pinos de uma
maneira mais apropriada para utilização em protótipos (por pin headers), além de
circuito e conector para a comunicação USB.
6
Figura 3.3: Placa de desenvolvimento UBW32.
Potenciômetro Digital
Para o potenciômetro digital foi empregado o AD8403 da Analog Devices. Este
dispositivo possui internamente 4 potenciômetros digitais (canais) e é responsável por
regular individualmente a amplitude dos pulsos. O funcionamento de cada canal é
semelhante ao de um potenciômetro comum, porém seu ajuste é feito com uso de uma
comunicação serial síncrona, realizada através do protocolo SPI.
As principais características deste componente são:

4 canais independentes de 10 kΩ;

Resolução de 8 bits (256 posições);

Programação por protocolo SPI;

Atualização de seus valores a uma frequência de até 10 MHz;

Banda de passagem até 250 kHz.
Para se ajustar um potenciômetro é necessário o envio de 10 bits, onde os dois
bits mais significantes endereçam o canal a ser programado e os 8 bits restantes indicam
a posição desejada (Tabela 1) para o cursor do potenciômetro.
Tabela 1 – Comando para ajuste do potenciômetro digital (Ex representam bits para o
endereçamento e Dx bits para dados)
Endereço
Bit 9
Bit 8
E1
E0
Bit 7
D7
Bit 6
D6
Bit 5
D5
Posição
Bit 4
Bit 3
D4
D3
Bit 2
D2
Bit 1
D1
Bit 0
D0
Circuito para modulação dos pulsos
A largura, a amplitude e a frequência de cada pulso são controladas por um
circuito (Figura 3.4) composto por um microcontrolador, onde a modulação dos pulsos
utiliza as saídas digitais (RA15, RA14, RA3, RA2, RB3, RB4, RE9 e RE8) em conjunto
com um potenciômetro digital (AD8403) e um circuito subtrator (TL074, R1 e R2).
7
O processo de modulação dos pulsos é realizado da mesma forma para os quatro
canais de estimulação, onde cada canal utiliza duas saídas digitais, para as fases positiva
e negativa do pulso (Pos e Neg). Estas saídas são ativadas por períodos específicos de
tempo e em momentos distintos, resultado de um controle realizado pelo software
embarcado com o auxílio de um temporizador interno de 16 bits.
Os sinais das saídas digitais são modulados em amplitude individualmente para
cada fase do pulso, através de um divisor resistivo formado por um potenciômetro
digital, cujo ajuste de posição ocorre através de uma comunicação serial, protocolo SPI,
realizada pelo microcontrolador através dos pinos SDI e SCK do AD8403.
Para a modulação de cada canal de estimulação são utilizados dois
potenciômetros, devido às duas fases do pulso. Logo, a modulação de quatro canais de
estimulação necessitou de dois AD8403, estes dividem o barramento SPI, porém é
utilizado um seletor de chip (/CS) para identificar a quem é endereçada a comunicação.
A subtração entre os sinais ocorre através de um circuito de subtração ligado as
saídas dos potenciômetros (W). Este circuito é utilizado para se obter a fase negativa do
pulso, pois o microcontrolador e o potenciômetro somente operam com valores
positivos de tensão. Além disto, ajusta o ganho necessário para acoplar a parte digital à
parte analógica com o objetivo de ajustar a amplitude máxima gerada pelo
potenciômetro digital, tornando os limites de operação deste, capazes de produzir pulsos
de corrente com amplitudes entre 0 e 100 mA sobre o paciente.
O ganho do circuito de subtração (
) foi projetado para 153 mV/V. O
controle ocorre pelo valor dos resistores R1 e R2 (equação 3.1), que devem ser maiores
que a impedância de saída do potenciômetro digital, para diminuir a influência deste
sobre o ganho. Como o potenciômetro é de 10 kΩ, sua impedância de saída máxima é
de 2,5 kΩ, dado pelo posicionamento do cursor na metade do seu limite. Foram
definidos R1 e R2 com 470 kΩ e 71,9 kΩ.
3.1
Deste modo, a sensibilidade obtida para o ajuste da amplitude do pulso, dada
pelo conjunto potenciômetro digital e o ganho do circuito de subtração, torna-se
1,97 mV/bit.
8
Um indicador de estimulação foi implementado com o uso de LEDs (D1, D2,
D3 e D4), estes estão conectados as saídas digitais do microcontrolador (RG9, RG6,
RC3 e RC1) e ativados com a metade da frequência de estimulação.
Figura 3.4: Circuito implementado para modulação dos pulsos (Os pinos /RS e /SHDN
do AD8403, são utilizados para forçar o cursor do potenciômetro para a metade e
colocar a entrada A em aberto, estes não foram utilizados no circuito e são mantidos
desativados).
3.2.2
Parte Analógica
A parte analógica, responsável pelo conversor tensão-corrente, foi desenvolvida
utilizando uma topologia de realimentação, onde a corrente que flui pelo paciente é
amostrada, transformada em tensão e comparada com a referência gerada pela parte
digital. Além disto, os estágios responsáveis pela excitação do paciente e pela
amostragem da corrente utilizam métodos que provêm isolamento elétrico em relação às
conexões de terra e alimentação (Figura 3.5), de modo a satisfazer as exigências da
9
ABNT (ABNT, NORMA IEC 60601-2-10, 1997). Este conversor tem como base o
circuito proposto por Cheng (CHENG et al., 2004) e adaptado por Veloso (VELLOSO;
SOUZA, 2007).
Figura 3.5: Topologia de realimentação, onde o paciente e a amostragem de corrente
encontram-se isolados do restante do circuito.
A Figura 3.6 ilustra o circuito que implementa o diagrama de blocos da Figura
3.5, destacando-se os transformadores utilizados na malha direta para excitar o paciente
e na malha de realimentação para manter isolada a amostragem de corrente, utilizando
um método de isolamento por campo magnético.
Figura 3.6: Circuito do conversor tensão-corrente (“Circuito de Proteção” é um módulo
responsável pela desconexão do paciente, caso necessário, e não interfere no circuito em
análise; “N” define a proporção de espiras entre o primário e secundário).
No caminho direto ao paciente destacam-se: o circuito subtrator com o
amplificador de erro, formado pelo amplificador operacional U1 e os componentes R1,
10
R2, R3 e R4; um filtro passa-altas (formado por R5 e C1), um conjunto entre filtro e
amplificador (formado por U2, R6, R7 e C2), um amplificador de corrente (formado
pelos transistores Q1, Q2, Q3 e Q4), em uma topologia push-pull, e um transformador
(T1) que isola o paciente do circuito do primário. O transformador T1 também foi
projetado para amplificar o valor de tensão do primário para o secundário (N), pois a
tensão necessária para se aplicar um pulso de 100 mA sobre o membro de um paciente
pode atingir valores próximos à 150 V.
Na parte de realimentação destacam-se o resistor amostrador de corrente (R9), o
transformador para isolamento (T2) e o circuito amplificador, formado pelo
amplificador operacional U3 e os componentes R10 e R11. O sinal fornecido por este
último amplificador é comparado com o sinal desejado fornecido pela parte digital.
O resistor R8 fica em paralelo com o paciente, atuando como proteção para o
equipamento, no caso de desconexão (acidental ou intencional) do paciente. Em série
com este se encontra um circuito utilizado para controlar uma desconexão do paciente
(“Circuito de Proteção”), caso necessário, que será abordado no capítulo seguinte.
Análise de projeto
A análise de um circuito de malha fechada é realizada com a definição de
componentes do circuito responsáveis pelo ganho malha aberta ( ) e o ganho de
realimentação ( ). Onde
e
relacionam-se com o ganho realimentado (
equação 3.2 (LATHI, 2005). Deste modo podemos identificar o ganho
entre a entrada (Vin) e a corrente que flui pelo paciente (
relação entre
) através da
como o ganho
) (Figura 3.7), e
a
e a tensão produzida pelo amplificador operacional U3 (
)
(Figura 3.8).
3.2
Para calcular os ganhos individuais de cada sub-circuito ( e
, realizou-se as
seguintes considerações: modelo de amplificador operacional dado pelo ganho de malha
aberta (
) e um pólo situado na origem, onde
corresponde a
, fornecido
pelo manual do componente; transistores Q1, Q2, Q3 e Q4 como um ganho unitário de
tensão, implicando apenas em um reforço de corrente para U2; modelo de
transformador ideal para T1 e T2, desprezando-se efeitos como histerese e saturação;
11
resistor R8 foi considerado como aberto por ser muito maior do que a impedância
prevista para o membro do paciente; e o “Circuito de Proteção” atua como curto quando
se deseja que ocorra a estimulação.
Para análise do circuito foi considerada a impedância de saída do circuito
amplificador formado por U2, R6, R7, C2 e o push-pull (Zo). O valor desta resistência
(0,5454) foi obtido por ensaios em bancada.
Figura 3.7: Circuito referente à análise do ganho de malha aberta ( ).
Figura 3.8: Circuito referente à análise do ganho de realimentação ( ).
Realizamos assim a análise teórica de cada etapa do circuito pelas equações:
3.3
12
3.4
3.5
3.6
3.7
Deste modo, utilizando as equações combinadas é possível calcular o ganho de
e , apresentados respectivamente pelas equações 3.8 e 3.9.
3.8
3.9
Com isto o ganho para o sistema realimentado (
), aplicando os valores dos
componentes (Apêndice A), é dado pela equação 3.10.
3.10
Os coeficientes são apresentados pela Tabela 2.
13
Tabela 2 – Coeficientes da equação 3.10
Coeficiente
Valor
5,412
Coeficiente
Valor
3,193
4,6
Com base na análise anteriormente mostrada, o ganho teórico encontrado para
banda passante foi 244 mA/V, considerando a carga do paciente como 560 Ω (valor
típico). Deste modo a resolução obtida teoricamente para o ajuste da amplitude dos
pulsos, através do conjunto digital e analógico, torna-se 0,48 mA/bit.
3.2.3
Circuito de proteção
Como o aparelho visa à utilização em seres humanos, existe a necessidade de
proteger o paciente (ABNT, NORMA IEC 60601-2-10, 1997), neste âmbito, o hardware
analógico utilizou transformadores como forma de isolar o mesmo da rede elétrica.
Porém, existe a necessidade de protegê-lo de um uso incorreto do aparelho ou uma falha
do mesmo. Para isto, uma estrutura composta por um botão de emergência e relés foi
adotada para assegurar a desconexão do paciente (Figura 3.9).
Nesta estrutura, o microcontrolador é responsável por colocar em nível alto o
pino RB13, ligado ao transistor, o que ativa o relé. No entanto, o botão de emergência
foi alocado no decorrer deste caminho, de modo a permitir ou não a chegada deste sinal.
Isto controla as saídas do relé (chave entre as conexões A e B), que estão ligadas em
série com o paciente. Assim a chave mecânica, manual, controlada pelo paciente, pode
desconectá-lo do circuito de estimulação em caso de falha. Além disto, a leitura da
tensão após o botão de emergência é feita constantemente pelo microcontrolador,
através da configuração do pino RB12 como uma entrada digital. Quando o botão está
em aberto, o microcontrolador interrompe o processo de modulação dos pulsos e envia
um aviso de erro como resposta a qualquer comando enviado por software. Após isto, o
eletroestimulador somente poderá ser reutilizado após a reinicialização do
microcontrolador.
14
Figura 3.9: Circuito utilizado para proteção do paciente.
3.3 Firmware
O ambiente de desenvolvido foi constituído pelo software MPLAB® IDE
fornecido pela Microchip Technology Inc.. O MPLAB® proporciona ao desenvolvedor
a programação de microcontroladores da família PIC através da linguagem C. Foi
utilizado também o pacote de exemplos Microchip Libraries for Application
(“Microchip Libraries for Applications (MLA) - MLA | Microchip Technology Inc.”).
Tal pacote fornece ao desenvolvedor uma biblioteca de funções e códigos exemplos
preparados para aplicações com a comunicação USB. Seu uso é simples, bastando que o
usuário defina a configuração adequada para a USB e aloque as tarefas de sua aplicação
em funções definidas nos arquivos “user.c” e “user.h”.
O exemplo utilizado como base para o projeto foi o USB Device - MCHPUSB Generic Driver Demo, onde uma biblioteca de funções implementa a estrutura da pilha
USB. Esta pode ser entendida como as camadas do firmware responsáveis por
configurar o módulo USB do PIC e definições referentes ao tipo de dispositivo USB
desejado.
A troca de dados pela USB é realizada com a utilização de endpoints,
registradores compartilhados pelo computador e o dispositivo. No modo USB em uso
(Bulk) podem ser utilizados até 64 registradores de 8 bits cada, nestes definiu-se como
formato de comunicação de dados a utilização do primeiro registrador como o
15
identificador do comando a ser executado e o último com a soma dos dados a serem
enviados, mais dados podem ser adicionados neste intervalo de acordo com o comando
que se deseja implementar.
O firmware desenvolvido, após realizar as configurações básicas, possui uma
rotina de funcionamento voltada para atender os comandos recebidos pela comunicação
USB (Figura 3.10). Através desta comunicação devem ser enviados os parâmetros do
pulso a ser modulado, assim como o comando para iniciar a estimulação, o que ocorre
em funções executadas, com maior prioridade, pelos temporizadores internos.
Figura 3.10: Fluxograma simplificado do firmware.
3.3.1
Modulação da estimulação
O microcontrolador, além de prover a comunicação USB, é responsável pela
modulação da estimulação. Para tal, utilizou-se um algoritmo no qual os módulos
temporizadores internos ao PIC devem alertar o tempo necessário para a determinação
do período dos pulsos e largura das fases (Figura 3.11). Assim, os temporizadores
indicam os momentos de ativação das saídas referentes à fase positiva e negativa do
pulso (pinos RA15, RA14, RA3, RA2, RB3, RB4, RE9 e RE8), além do instante para
mudança na posição do potenciômetro digital. Esta alteração de amplitude pode ser
16
importante para a programação de sequências de pulsos com amplitudes diferentes, no
que é chamado de perfil de estimulação.
Figura 3.11: Parâmetros para modulação da estimulação pelo microcontrolador (“IEF”,
“DurPos”, “DurNeg”, “AmpPos” e “AmpNeg” significam respectivamente, o intervalo
entre fases, a duração das fases positiva e negativa, e a amplitude positiva e negativa;
“PerInativo” é o intervalo inativo necessário para modular a frequência).
Configuração do temporizador
Os módulos temporizadores (os timers do PIC) são registradores que foram
utilizados no modo 16 bits e tem seu valor incrementado a cada pulso de um clock
configurável. O valor de cada timer é comparado com um valor limite previamente
programado que, ao ser atingido, ativa o reset do timer e o disparo de uma interrupção
de transbordo.
O clock definido para esta aplicação levou em consideração a resolução
necessária para atingir os valores de duração das fases (DurPos e DurNeg) entre 50 µs e
500 µs, assim como o período mais próximo da menor frequência (20 Hz), 50 ms. Este
clock é configurável através de um divisor de frequência com oito possibilidades,
tornando possível ao timer atingir as resoluções e os intervalos máximos apresentados
na Tabela 3.
O divisor de frequência selecionado configura o clock dos timers para
1,25 MHz, tornando a resolução temporal inferior à 1 µs, esta definida de maneira
empírica como a resolução mínima aceitável. Com esta escolha, o sistema torna-se
capaz de realizar a modulação de frequências na faixa entre 19,07 Hz e 200 Hz, com
resolução de 800 ns.
17
Tabela 3 – Possíveis configurações para o Timer
Clock
Resolução
Tempo máximo
80 MHz
12,5 ns
0,8192 ms
40 MHz
25 ns
1,6384 ms
20 MHz
50 ns
3,2768 ms
10 MHz
100 ns
6,5536 ms
5 MHz
200 ns
13,1072 ms
2,5 MHz
400 ns
26,2144 ms
1,25 MHz
800 ns
52,4288 ms
312,5 KHz
3,2 µs
209,7152 ms
Para casos de testes de estimulação, úteis em situações como localizar o melhor
posicionamento dos eletrodos sobre a pele e averiguar o funcionamento do dispositivo,
frequências inferiores a 19,07 Hz podem facilitar o processo. Então, buscou-se uma
solução adicionando um parâmetro para repetir até 255 vezes os intervalos máximos do
timer (52,4288 ms), estendendo assim a menor frequência possível a ser utilizada para
0,074 Hz.
Algoritmo para modulação de pulsos
Na modulação de cada canal somente um timer é utilizado, sendo que este é
reprogramado constantemente durante a modulação dos pulsos com os parâmetros
temporais (“DurPos”, “IEF”, “DurNeg”e “PerInativo”), recebidos pela USB. Além dos
parâmetros para o formato do pulso, é necessário informar, também, o número de pulsos
desejados (Repet.), o que permite controlar o tempo ao qual a estimulação deve ocorrer.
O gerenciamento ocorre por uma máquina de estados, cujo objetivo é gerenciar a
configuração do timer, a ativação correta das saídas digitais e o ajuste dos
potenciômetros; a mudança entre os estados ocorre a cada interrupção.
A ativação da estimulação ocorre pelo recebimento do comando de início pela
USB (Figura 3.12). Este evento inicia uma etapa de verificação dos parâmetros
recebidos, caso estes estejam aptos, os potenciômetros são ajustados com os valores
recebidos em “AmpPos” e “AmpNeg”. Em seguida, configura-se a máquina de estados
para modular a fase positiva e ativa-se o timer. O mesmo é programado com um
intervalo de tempo curto (1 ms), cujo objetivo é causar uma interrupção, dando início a
máquina de estados responsável pela modulação dos pulsos (Figura 3.13).
18
Figura 3.12: Fluxograma com as tarefas para início da estimulação.
Na interrupção o primeiro estado a ser executado modula a fase positiva, na qual
a saída digital referente a esta fase é ativada, e a referente à negativa é desativada. Após
isto, o timer é configurado com o valor de “DurPos”, deste modo a interrupção ocorre
novamente após passado este intervalo de tempo programado. Enquanto se modula a
fase positiva, o próximo estado é decidido entre a modulação da fase negativa ou a
modulação do intervalo entre as fases, o que depende do valor definido em “IEF” ser
diferente de zero.
O estado responsável por modular a fase positiva é semelhante ao que ocorre
para modulação da fase negativa e o intervalo entre pulsos, diferenciando-se apenas pela
saída digital a ser ativada ou desativada e o valor a ser configurado no timer (“DurNeg”
e “IEF”).
Após a modulação da fase negativa a máquina de estados gerará a modulação do
período inativo, onde ambas as saídas digitais são desativadas. Nesta ocorre um
gerenciamento da estimulação, onde o contador dos pulsos é incrementado, verifica-se
se é necessário interromper a estimulação ou se os seus parâmetros devem ser
atualizados, o que pode ocorrer pela chegada de um novo parâmetro ou a execução de
uma sequência vinda de um perfil.
19
Figura 3.13: Algoritmo para modulação dos pulsos.
20
Um exemplo da modulação no tempo é demonstrado pela Figura 3.14, onde são
exibidas a saída modulada desejada e as saídas digitais do PIC. O objetivo é a
modulação de dois pulsos com formatos diferentes, o primeiro com amplitudes e
duração das fases iguais, e o segundo com amplitudes e durações diferenciadas para as
fases positiva e negativa, além de o segundo não apresentar o intervalo entre as fases.
Cada interrupção resulta no avanço de uma etapa da máquina de estados, sendo
necessárias 5 interrupções para modulação do primeiro, onde após a quinta o processo é
reiniciado.
Figura 3.14: Sinais de barramento que controlam a modulação dos pulsos.
Os parâmetros determinados para especificar o pulso da eletroestimulação são
constituídos de informações a respeito dos intervalos de tempo a serem programados no
timer, os valores que serão escritos nos potenciômetros digitais e o número de
repetições para o pulso. Aqueles enviados ao timer e representantes do número de
repetições possuem 16 bits, enquanto os enviados aos potenciômetros possuem 8 bits.
Os parâmetros relativos ao tempo são obtidos dividindo-se o tempo requerido pela
resolução do timer. Por exemplo, para se obter um intervalo de 500 µs é necessário
enviar o valor 625 (500 µs/800 ns); já os valores de amplitude configuram o
potenciômetro diretamente, com um intervalo de posições definidos entre 0 e 255.
21
O microcontrolador define como válidos os parâmetros de estimulação dentro do
intervalo especificado para o projeto, onde todos são independentes. Os parâmetros
“DurPos”, “DurNeg” são limitados a valores entre 61 e 625, respectivamente 49 µs e
500 µs, “IEF” pode ser definido como zero, caso não se deseje o intervalo, no entanto os
demais valores válidos estão entre os limites 61 e 625. Esta limitação é importante pois
evita que uma interrupção ocorre antes da finalização da anterior. O parâmetro
“PerInativo” possui apenas um limite mínimo de 6250, correspondente a frequência de
200 Hz.
Como a comunicação USB utiliza apenas registradores de 8 bits, os parâmetros
que possuem 16 bits são enviados em dois registradores (MSB e LSB) e os parâmetros
de 8 bits são passados utilizando apenas um registrador. Para a configuração do pulso, o
software deve enviar os dados presentes na Tabela 4, em ordem específica para cada
comando.
Tabela 4 – Registradores de configuração da estimulação
Parâmetros
Repet. (MSB)
Repet. (LSB)
Interrup.
PerInativo (MSB)
PerInativo (LSB)
Descrição
Determina a quantidade de repetições do pulso. Caso seja preenchido com
zero, a estimulação ocorre até o recebimento de um comando para
interrompê-la.
Utilizado para gerar frequências inferiores a 19,07 Hz, aumenta o
comprimento do período, adicionando intervalos de 52,4288 ms (valor
máximo do timer).
Determina o tempo que a fase positiva e negativa devem permanecer
inativos, utilizado para modular a frequência.
DurPos (MSB)
DurPos (LSB)
DurNeg (MSB)
Determina o tempo de duração da fase positiva.
Determina o tempo de duração da fase negativa.
DurNeg (LSB)
IEF (MSB)
Determina o tempo de intervalo entre a fase positiva e negativa.
IEF (LSB)
AmpPos.
AmpNeg.
22
Valor a ser escrito no potenciômetro para ajustar amplitude da fase
positiva.
Valor a ser escrito no potenciômetro para ajustar amplitude da fase
negativa.
3.3.2
Modos de utilização do estimulador
Com o algoritmo para modulação de pulsos preparado, foram implementados
dois modos de utilização, denominados fast e perfil. As características de cada uma
serão abordadas individualmente a seguir.

Modo Perfil: Para aplicações em que se tem definido um protocolo de
estimulação o modo perfil deve ser empregado. Neste é enviado ao
dispositivo um conjunto de pulsos que serão armazenados em uma fila,
limitada em 2000 posições, e executados na ordem que foram recebidos.
Após o recebimento de um comando de ativação da estimulação o
dispositivo percorre o conjunto recebido até seu fim ou até que ocorra
uma interrupção do processo pelo software.

Modo fast: consiste em um modo dinâmico de utilização, tornando
possível a modificação dos parâmetros da estimulação no decorrer da
mesma, sem a necessidade de encerrá-la para reprogramação. A
programação da estimulação pode ser feita com um número de pulsos
limitado ou indefinido, neste último, sendo repetida pelo estimulador até
que um novo parâmetro seja recebido. Apesar de não avaliado, estima-se
que seja possível modificar os parâmetros com intervalo mínimo da
ordem de 3 ms. O envio de um pacote de dados pela USB dura 1 ms
(USB, 2000) e cerca de 2 ms para latências de software.
O modo perfil pode ser usado em aplicações tradicionais de fisioterapia, por
meio de uma interface com o usuário, onde o terapeuta programa um perfil de pulsos e
um tempo total para a sua aplicação. O modo fast pode ser utilizado quando o
estimulador está sendo controlado por um programa, o que inclui aplicações de controle
em tempo real.
3.3.3
Comandos de controle da estimulação
Com a comunicação USB sendo gerenciada por funções já definidas, resta
conciliar o funcionamento da modulação com a comunicação. Isto ocorre através de
uma sequência de comandos dados pelo software e que são responsáveis por controlar o
eletroestimulador (Tabela 5).
23
Tabela 5 – Comandos de controle do eletroestimulador
Comando
Descrição
READ_VERSION
Utilizado para ler a versão do firmware em
uso.
0x02
START_CANAL
Inicia a estimulação no modo desejado.
Utilizado por todos os modos de
estimulação.
0x03
STOP_CANAL
Interrompe a estimulação. Utilizado por
todos os modos de estimulação.
0x09
UPDATE_FAST_MODE
Configura os parâmetros da estimulação no
modo fast.
0x0D
UPDATE_ALL_FAST_MODE
Utilizado para enviar diretamente aos quatro
canais seus parâmetros de estimulação.
0x06
GET_PERFIL_FROM_PIC
Retorna estimulações já programadas na fila.
Utilizada no modo perfil.
0x07
SEND_ONE_PERFIL_TO_PIC
Envia os parâmetros da estimulação para ser
adicionado a fila. Utilizada no modo perfil.
0x08
CLEAR_PERFIL
Limpa o conteúdo da fila no modo perfil.
0x0A
GET_CANAL_STATUS
Retorna os parâmetros de estimulação
configurados no canal. Pode ser utilizado em
qualquer modo.
0xFF
RESET
Reinicia o eletroestimulador.
0x00
O Apêndice B apresenta em maiores detalhes a utilização de cada comando.
3.4 Software
O software foi desenvolvido para proporcionar ao usuário o controle do
eletroestimulador através de uma interface amigável ou por uma biblioteca de funções.
Por ser de uso comum ao laboratório, adotou-se o LabVIEW 8.2 como ambiente de
programação para esta camada do projeto e todas as funções foram, então, escritas em
linguagem G.
24
A linguagem G consiste em uma forma gráfica de programação onde os
chamados Virtual Instruments (VI) são blocos que representam funções ou
procedimentos comuns às demais linguagens de programação. O ambiente LabVIEW
oferece ao desenvolvedor uma biblioteca de funções, denominado VISA (Virtual
Instrument Software Architecture), capaz de gerenciar o tráfego de dados por diversos
padrões, como o USB.
3.4.1
Biblioteca de funções
A biblioteca desenvolvida foi baseada na utilização dos dois modos
desenvolvidos: fast e perfil. O objetivo é possibilitar o controle do estimulador através
de comandos mais simples, dispensando o usuário de um entendimento aprofundado
sobre os comandos que o firmware deve receber.
Os comandos desenvolvidos incluem funções para iniciar e encerrar a conexão
com o eletroestimulador, ativar e interromper a estimulação, enviar parâmetros para
ambos os modos, e a leitura destes para o modo perfil (Tabela 6).
Um exemplo de uso para os modos fast e perfil são ilustrados pela Figura 3.15 e
Figura 3.16. Nestes, o fluxo dos dados ocorre da esquerda para direita, de modo que a
primeira função a ser executada em ambos é InitUSB, e a última CloseUSB. Para a
configuração no modo fast deve-se primeiro chamar a função StartFast, que iniciará o
canal desejado, restando apenas o envio dos parâmetros a serem utilizados na
estimulação. A interrupção da estimulação ocorre pela chamada da função StopCanais.
O modo perfil utiliza o VI SendPerfil para envio dos parâmetros, que deve ser
chamado constantemente até o preenchimento do perfil desejado, ou até que o limite
máximo de perfis aceitos pelo microcontrolador seja excedido. No exemplo, foi
definido o envio de apenas um pulso, porém este será repetido 1000 vezes. Como a
frequência utilizada é de 100 Hz, esta estimulação ocorrerá por 10 s após a chamada do
comando StartPerfil, que iniciará a estimulação no modo perfil.
25
Tabela 6 – Biblioteca de funções para comunicação com o eletroestimulador
Comando
Descrição
InitUSB
Inicia a conexão com o
eletroestimulador.
CloseUSB
Encerra a conexão com o
eletroestimulador.
StartFast
Inicia o modo de estimulação fast.
StartPerfil
Inicia a estimulação de um perfil
previamente enviado.
StopCanais
Encerra a estimulação nos canais
selecionados.
UpdateModoFast
Envia ao eletroestimulador parâmetros
de estimulação para um canal.
SendPerfil
Envia ao eletroestimulador parâmetros
para serem adicionado a sequência do
perfil.
GerArrayPerfil
Lê o perfil previamente programado no
eletroestimulador.
ClearPerfil
Limpa o perfil existente no canal
26
Figura 3.15: Exemplo de uso dos VIs desenvolvidos para o modo fast. O exemplo
programa o canal 1 para estimulação contínua de um pulso com frequência 100 Hz,
duração de cada fase em 250 µs e amplitude de 50 mA.
Figura 3.16: Exemplo de uso de VIs desenvolvidos para o modo perfil. Neste é
realizada a programação de um único parâmetro para estimulação com frequência
100 Hz, duração de fase de cada pulso em 250 µs e Amplitude de 50 mA. Como são
pedidos 1000 pulsos, a estimulação terá uma duração de 10 segundos.
3.4.2
Interface com o usuário
A interface com o usuário tem a função de fornecer o controle do
eletroestimulador através de uma interface amigável. Deste modo foram desenvolvidas
5 telas que possibilitam o uso do eletroestimulador para um teste de contração ou perfis
27
de estimulação. O programa executa funções de busca do eletroestimulador
automaticamente, bastando que o usuário conecte o dispositivo em uma porta USB. O
resultado é exibido por um LED posicionado no lado superior direito da tela,
acompanhado, também, de uma caixa de texto, por onde os erros que ocorrem durante a
execução do programa são informados.
O teste de contração é útil em situações onde se busca a melhor posição para a
alocação dos eletrodos no paciente. Sua funcionalidade permite ao usuário a
configuração de todos os parâmetros do pulso de forma independente, podendo
selecionar a amplitude positiva e negativa desejada, assim como a frequência, duração
das fases e do intervalo entre pulsos. O período de ocorrência desta estimulação pode
ser definido pela quantidade de pulsos desejada ou até o botão para encerrar estimulação
ser pressionado (Figura 3.17). A interface ainda fornece ao usuário uma simulação dos
pulsos que serão aplicados ao paciente, útil para confirmação da forma de onda
utilizada.
Figura 3.17: Teste de contração, utilizado para configuração de um único formato de
estimulação por vez, apresenta uma amostra simulada do formato dos pulsos.
No modo perfil o usuário pode criar ou editar protocolos de estimulação
armazenando-os em arquivos para uso posterior. Cada protocolo consiste numa
sequência de pulsos onde toda a temporização e a amplitude de cada pulso pode ser
programada separadamente por meio de uma interface gráfica, o que facilita a
28
visualização do protocolo final. Mais de um arquivo de protocolo também podem ser
combinados. A única limitação imposta por este modo de estimulação é dada pelo
formato do pulso, no qual a amplitude e duração das fases positiva e negativa serão
iguais, e o intervalo entre os pulsos é mantido em zero, sendo este o formato clássico
dos pulsos encontrados na literatura (KITCHEN; BAZIN, 2003).
A tela inicial deste modo (Figura 3.18) exibe uma lista de arquivos para cada
canal, estes arquivos devem conter os protocolos que se deseje concatenar. O limite de
protocolos é indicado por uma barra vertical, para cada canal individualmente, que é
atualizada a cada novo arquivo adicionado. Para realizar a estimulação do perfil, o
usuário deve pressionar o botão “Visualizar”, que o levará a uma tela para estimulação,
Caso deseje criar ou editar protocolos, deve pressionar o botão “Criar”.
Figura 3.18: Tela inicial do modo perfil.
A criação de protocolos novos ou edição de existentes ocorre em uma tela
específica do programa (Figura 3.19). Nesta deve-se editar cada parâmetro por vez,
amplitude, duração e frequência, o que é realizado pela seleção entre estas opções na
parte superior da tela. O tempo ao qual o protocolo deve ocorrer é definido no campo
“Duração (s)”. Após esta seleção o usuário deve escolher a resolução desejada para
modificação dos parâmetros, o que possibilita um ajuste fino entre a mudança dos
parâmetros.
29
O protocolo pode ser editado de duas maneiras. Através do gráfico, movendo o
cursor, ou por edição manual dos valores, através da lista exibida a direita. Além disto, é
disponibilizado um campo para anotações, que serão salvas em conjunto com os
parâmetros num arquivo de texto.
Figura 3.19: Tela para criação ou edição de protocolos existentes, no exemplo é criado
um protocolo com forma de rampa.
A tela de estimulação (Figura 3.20) contém informações a respeito do protocolo
final a ser utilizado, que é disponibilizado para consulta através de uma representação
gráfica com os valores de amplitude, duração e frequência para cada canal. Os valores
apresentados são lidos diretamente do eletroestimulador, fornecendo uma confirmação
precisa dos parâmetros que serão executados.
As demais opções permitem ao usuário alternar a visualização do gráfico, entre
os demais canais e parâmetros; assim como, o controle da estimulação pelos botões
“ESTIMULAR” e “ENCERRAR”. Ao iniciar a estimulação uma animação mostra qual
pulso está sendo executado, através de um cursor vertical que se desloca no decorrer do
gráfico. Pressionar o botão “ENCERRAR” resulta no retorno a tela inicial do modo
perfil, e no envio de um comando para limpar os protocolos salvos no eletroestimulador.
30
Figura 3.20: Tela para estimulação no modo perfil.
3.5 Metodologia de avaliação
3.5.1
Parte Digital
Os pulsos gerados pelo sistema digital foram avaliados quanto a frequência e os
intervalos de tempo de cada fase, o que permite avaliar as rotinas de geração dos pulsos,
e a sensibilidade da amplitude do pulso modulado com relação ao ajuste do
potenciômetro.
Para avaliação da sensibilidade foram utilizados pulsos com frequência de
20 Hz, duração das fases em 500 µs e intervalo entre fases em 50 µs, sendo o
potenciômetro ajustado entre as posições: 10, 60, 110, 160, 210 e 250; e medidos os
respectivos valores de amplitude.
A frequência média foi avaliada por um programa desenvolvido em LabVIEW
que acionava o estimulador gerando pulsos em frequência fixa ao longo de 1 hora. Um
contador digital da placa iUSBDAQ - U120816 (HYTEK Automation, EUA) foi
utilizado para determinar o número de pulsos gerados e a frequência média ao final do
período foi calculada com base nestes valores. O procedimento foi repetido para as
frequências mínima (20 Hz), média (100 Hz) e máxima (200 Hz). A amplitude, a
31
duração das fases e o intervalo entre elas foram mantidos constantes em seus valores
máximos (255 para o potenciômetro digital, 500 µs para cada intervalo de tempo).
O erro máximo na temporização de cada etapa dos pulsos foi avaliado na
frequência de 20 Hz. A amplitude foi mantida no seu valor máximo, a largura de fase e
o intervalo entre eles foram fixados em 50 µs. Foram medidos utilizando o osciloscópio
digital, modelo TDS1001B (Tektronix, EUA), a maior e a menor largura de fase.
3.5.2
Parte analógica
O circuito analógico concebido foi avaliado por análise teórica e prática quanto à
sensibilidade e ao tempo de resposta dos pulsos. Além destes, para análise prática,
levou-se em consideração outros fatores como o balanceamento entre as fases positivas
e negativas e o isolamento obtido com o uso dos transformadores.
Para análise teórica da sensibilidade e o tempo de resposta será utilizada a
equação 3.10, que constitui o ganho de malha fechada do circuito projetado. A
sensibilidade será obtida através do diagrama de bode obtido e a resposta temporal pela
resposta ao degrau, medindo-se o tempo de subida, intervalo com amplitude do sinal
entre 10% e 90% da amplitude desejada, e o tempo de estabilização, intervalo entre a
aplicação do pulso e erro de amplitude inferior a 2% da desejada.
Nos testes práticos a variação da sensibilidade foi avaliada em relação a
mudanças na carga, onde o caso ideal é dado pelo valor típico, isto é, uma carga de
560 Ω, e os valores máximo e mínimo foram dados por cargas de 1200 Ω e 100 Ω,
respectivamente. Foram utilizados pulsos com frequência 20 Hz, duração das fases em
500 µs e intervalo entre pulsos de 50 µs. A partir desta consideração, foram feitas
medidas com as seguintes amplitudes para os pulsos de entrada 48,8 mV, 118 mV,
240 mV, 368 mV e 472 mV. No total foram coletados 15 valores de amplitude do pulso
de corrente gerado sobre a carga.
As sensibilidades adquiridas foram comparadas através do erro relativo, dado
pela equação 3.11.
3.11
Para avaliação do tempo de resposta foram analisadas formas de onda obtidas
com a variação da carga entre os valores mínimo (100 Ω), típico (560 Ω) e máximo
32
(1200 Ω), onde foram fixadas a frequência (20 Hz), a duração das fases (50 µs), o
intervalo entre os pulsos (50 µs) e a amplitude (50 mA). As amostras foram coletadas
por osciloscópio e analisadas em processamento posterior buscando o tempo de subida e
o tempo de estabilização. Os resultados foram comparados através do cálculo da média
e desvio padrão dos valores coletados.
O balanceamento entre as fases foi obtido pela análise de pulsos resultante da
variação na duração das fases, entre máxima (500 µs), típica (250 µs) e mínima (50 µs).
Foram fixados os parâmetros de frequência (20 Hz), intervalo entre os pulsos (50 µs),
amplitude (50 mA) e carga (560 Ω); e realizada uma média com os erros obtidos entre
as áreas das fases positiva e negativa do pulso, dada pela equação 3.12.
3.12
As medidas dos pulsos de corrente sobre a carga, assim como as amplitudes dos
pulsos de entrada foram realizadas com um osciloscópio digital, modelo TDS1001B
(Tektronix, EUA). A análise de sensibilidade utilizou somente as medições de
amplitude. Os dados referentes ao tempo de resposta e ao balanceamento das fases
necessitaram de uma análise mais detalhada, principalmente para o cálculo das áreas das
fases. Para isto, exportaram-se os dados da forma de onda digitalizada pelo osciloscópio
em arquivos que foram processados posteriormente.
Para realizar a medida do isolamento do estágio de saída levou-se em
consideração que o componente responsável pelo isolamento do paciente é o
transformador. O mesmo foi submetido a um teste com megôhmetro, modelo MG-3150
(ICEL – Manaus, Brasil) para quantificar o isolamento entre seu enrolamento primário e
secundário. Aplicou-se, por 30 segundos, uma tensão de 5000 V entre o primário e o
secundário e mediu-se o valor da resistência resultante.
33
Capítulo 4 Resultados
4.1 Parte Digital
O resultado obtido na avaliação da sensibilidade foi 2,15 mV/bit para modulação
dos pulsos (Figura 4.1).
As medidas de frequência média resultaram e um desvio inferior a 0,2 Hz (erro
percentual inferior a 0,06%) para todas as frequências investigadas (Tabela 7). A menor
duração de fase medida foi de 29,00 µs e a maior 69,00 µs, para intervalos programados
de 50 µs (Figura 4.2), o que resulta em um erro máximo de 21 µs. No pior caso este erro
de 21 µs pode ocorrer nas larguras das fases, no intervalo entre elas e no período inativo
resultando em um erro máximo de 84 µs. Esta mudança no período resulta em uma
variação da frequência que podem chegar a 3,3009 Hz (Tabela 7).
Nos pulsos com intervalos de fase de 50 µs foram observadas distorções no
formato do pulso, que deveriam apresentar um formato retangular (Figura 4.2).
Figura 4.1: Amplitude do pulso modulado pela posição do potenciômetro.
34
(a)
(b)
(c)
Figura 4.2: Medição do erro na largura das fases. (a) Caso ideal, largura de pulso com
50 µs. (b) Largura mínima do pulso, 29 µs. (c) Largura máxima do pulso, 69 µs.
Tabela 7 – Média e variação para modulação na frequência
Frequência desejada
Média
Variação
20 Hz
19,9992 Hz
0,0335 Hz
100 Hz
99,9706 Hz
0,8325 Hz
200 Hz
199,8922 Hz
3,3009 Hz
As Figura 4.3 e Figura 4.4 apresentam os pulsos modulados no pior e melhor
caso, onde o pior caso é dado pela amplitude do potenciômetro próxima a menor
possível (10), frequência em 200 Hz, largura e intervalo das fases em 50 µs; e o melhor
caso é dado por uma frequência de 20 Hz, largura das fases em 500 µs e intervalo entre
as fases em 50 µs.
35
(a)
(b)
Figura 4.3: Amostra do pior caso para o pulso modulado. (a) Destaque na amplitude do
pulso, em 22,8 mV. (b) Destaque para a frequência do pulso, com medida do período
entre os pulsos (5 ms).
(a)
(b)
Figura 4.4: Amostras do pulso modulado. (a) Destaque na amplitude do pulso, em
544 mV. (b) Destaque para a frequência do pulso, com medida do período entre os
pulsos (50 ms).
4.2 Parte Analógica
A análise teórica obteve um ganho de 244 mA/V para uma carga de 560 Ω, o
diagrama de bode é apresentado pela Figura 4.5. O tempo de subida encontrado foi de
1,86 µs e o tempo de estabilização 29,9 µs (Figura 4.6).
36
Figura 4.5: Diagrama de bode resultante da análise teórica, em destaque o ganho na
banda passante (244 mA/V).
Figura 4.6: Resposta ao degrau obtido pela análise teórica. Em destaque estão o tempo
de estabilização (29,9 µs) e o regime permanente (244 mA).
37
No gráfico da Figura 4.7 é possível observar a variação da sensibilidade do
sistema em relação à resistência de carga. O gráfico exibe três retas de calibração
obtidas com uma frequência de 20 Hz. Cada reta foi obtida para uma das três cargas
estudadas, isto é, 100 Ω, 560 Ω e 1200 Ω. As sensibilidades obtidas foram,
respectivamente, 224,7 mA/V; 209,5 mA/V e 200,5 mA/V, representando um erro
máximo de 7,3%.
Os resultados obtidos mostram que os circuitos digital e analógico, quando
utilizados em conjunto, possibilitam uma resolução efetiva para o ajuste da amplitude
dos pulsos de 0,45 mA/bit.
Figura 4.7: Gráfico da amplitude da corrente no paciente pela amplitude do pulso de
tensão de entrada, fixando a frequência em 20 Hz e a duração de pulso em 500 µs.
Em termos de resposta temporal, o circuito apresentou um tempo de subida de
11,23 ± 0,21 µs e tempo de estabilização 13,57 ± 0,06 µs. No balanceamento das fases
positiva e negativa, os pulsos de corrente bifásicos gerados pelo estágio de saída
apresentaram um erro médio de 2,69%. O erro máximo foi de 4,35%, obtido para um
pulso modulado com frequência de 20 Hz, duração de 50 µs por fase e uma amplitude
de 50 mA.
Como resultado do teste de isolamento do transformador, chegou-se no valor de
56,4 MΩ entre o primário e o secundário. O que representa uma corrente de 88,65 µA
quando aplicada uma tensão de 5000 V.
38
A Figura 4.8 exibe tensões observadas na saída do circuito desenvolvido quando
a aplicação de pulso de corrente bifásico simétrico com frequência de 100 Hz, duração
de fase com os valores 50 µs, 250 µs e 500 µs, amplitude de 50 mA e carga de 560 Ω.
(a)
(b)
(c)
Figura 4.8: Pulso bifásico simétrico gerado pelo estágio de saída, obtido sobre uma
resistência de 10 Ω. (a) Largura das fases com 50 µs. (b) Largura das fases com 250 µs.
(c) Largura das fases com 500 µs.
4.3 Software
A Figura 4.9 apresenta formas de onda resultante de um protocolo montado pelo
software através do modo perfil. Estas foram obtidas utilizando sobre um resistor de
10 Ω.
39
(a)
(b)
Figura 4.9: Formas de onda de um protocolo de estimulação.
4.4 Protótipo
A Figura 4.10 apresenta o protótipo montado do eletroestimulador, no qual
foram implementados dois canais para utilização.
Figura 4.10: Protótipo montado do eletroestimulador.
A visualização interna do protótipo pode ser obtida pela Figura 4.11, onde estão
destacados os circuitos desenvolvidos: parte digital utilizada na modulação dos pulsos,
40
parte analógica para conversão e aplicação dos pulsos no paciente, circuito de proteção
para desconexão do paciente e fonte para alimentação do dispositivo.
Figura 4.11: Visualização interna do eletroestimulador. (a) Circuito digital para
modulação. (b) Circuito analógico utilizado na conversão de tensão para corrente.
(c) Circuito de proteção para desconexão do paciente. (d) Fonte para alimentação.
41
Capítulo 5 Discussão
O presente trabalho apresentou o desenvolvimento de um estimulador elétrico
neuromuscular, com pulso bifásico simétrico e saída isolada. Os resultados obtidos na
avaliação da parte digital mostram um ganho de 2,15 mV/bit, um erro de 8,37% em
relação ao resultado teórico 1,97 mV/bit.
A distorção encontrada nos pulsos modulados (Figura 4.2) pode ter ocorrido
pois foi utilizada uma fonte de alimentação com capacidade de fornecer até 3 A, mas a
aplicação de pulsos de corrente com 100 mA de amplitude sobre o paciente, necessita
de uma fonte capaz de fornecer amplitudes de corrente de aproximadamente 5,5 A
durante um curto período de tempo, o que ocorre devido ao ganho aplicado pelo
transformador (N).
Para modulação da frequência, o sistema foi capaz de obter uma frequência
média com um erro inferior a 0,06% e uma variação de até 3,4 Hz. A duração das fases
e o intervalo entre fases apresentaram erros de modulação com variações de até 21 µs
no valor pedido. Ambos os erros são ocasionados pelo algoritmo utilizado no firmware
e podem ser melhorados através de um hardware com maior capacidade de
processamento.
Em relação à parte analógica, a sensibilidade do circuito implementado
(209,5 mA/V) ficou abaixo da sensibilidade teórica (244 mA/V), porém, com um erro
inferior a 16,5%. Este resultado em conjunto com as respostas temporais obtidas, tempo
de subida de 11,23 µs para o prático e 1,86 µs na teoria, e tempo de estabilização de
13,57 µs (prático) e 29,9 µs (teórico); sugerem que o modelo teórico adotado se
aproxima das respostas obtidas nos ensaios práticos, e que ainda pode ser melhorado
com a utilização de modelos mais complexos para os transformadores e transistores.
Estes modelos poderiam adicionar características importantes como histerese e
saturação, no transformador, e a resposta em frequência de ambos, No entanto, tais
características apresentam uma complexidade para medição, necessitando de
equipamentos não disponíveis no laboratório.
A variação de sensibilidade obtida no circuito implementado foi de 7,3% com
relação à carga. Os valores dos tempos de estabilização medidos implicam que os
estímulos gerados tenham duração mínima superior a 15 µs por fase. A redução deste
tempo e da variação de sensibilidade à carga pode ser obtida, caso desejado, com
42
alterações na topologia empregada pelo circuito analógico, porém, isto não impede o
uso do equipamento em aplicações clinicas.
O balanceamento entre as fases positiva e negativa foi em média de 2,69% e
nunca superior a 4,35%, valor este só obtido na condição mais crítica de uso. Mesmo
assim, estes valores conferem maior conforto sensorial, quando comparados aos efeitos
de sistemas monofásicos ou bifásicos assimétricos (BAKER et al., 1988). Quanto à
isolação, os testes revelaram corrente de fuga do primário para o secundário do
transformador de apenas 88,65 µA quando aplicada uma tensão de 5000 V entre os
terminais destes enrolamentos, valor este considerado seguro para aplicações clínicas
(VELLOSO; SOUZA, 2007). Vale ressaltar, entretanto, que em condições normais de
uso as tensões não devem ser superiores a 150 V de pico, o que deve reduzir
significativamente o valor desta corrente.
Neste trabalho foram apresentados ensaios pouco usuais na área de
eletroestimulação, caracterizando o equipamento quanto ao seu desempenho.
Normalmente estas especificações são desconsideradas uma vez que são tolerados até
30% de variação nos parâmetros quando seus efeitos são subjetivos (ABNT, NORMA
IEC 60601-2-10, 1997; IBRAMED, 2009) e a variação inter-paciente é alta. Entretanto,
variações bem menores são importantes para diagnóstico (ABNT, NORMA IEC 606012-10, 1997) ou pesquisa, mas estes valores não estão estabelecidos. Em todos os
experimentos as cargas foram resistivas com valores semelhantes aos utilizados por
outros trabalhos e com limites de carga de equipamentos comerciais (IBRAMED, 2009;
VELLOSO; SOUZA, 2007).
43
Capítulo 6 Conclusão
O eletroestimulador desenvolvido, apesar de ainda estar em fase de protótipo,
atende aos objetivos do trabalho, permitindo ao usuário realizar protocolos de
estimulação que utilizem pulsos bifásicos simétricos, mantendo o paciente isolado da
rede elétrica.
Como sugestão para os trabalhos futuros está a mudança do circuito responsável
pela modulação, buscando minimizar a interferência da parte analógica na digital e
melhorar o algoritmo de modulação dos pulsos, principalmente para a modulação da
duração e intervalo das fases.
44
Bibliografia
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eletromédico Parte 2: Prescrições particulares para a segurança de equipamento para
estimulação
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46
Apêndice A Circuito projetado
Figura 6.1: Circuito implementado para a parte analógica.
47
Apêndice B Comandos do firmware
READ_VERSION
Este comando é utilizado para se obter a versão do firmware em uso. Caso seja
chamado enquanto ocorre alguma estimulação, esta será encerrada. A Figura 6.2,
descreve como deve ser seu envio e resposta.
Comando
Resposta
Byte 0
Byte 1
0x00
Check Sum
Byte 0
Byte 1
Byte 2
Byte 3
Byte 4
0x00
Status
Versão Me.
Versão Ma.
Check Sum
Figura 6.2: Comando READ_VERSION.
START_CANAL
Comando responsável por inicializar a estimulação em todos os canais no modo
desejado. O registrador denominado “START” é responsável pela informação de
configuração.
Comando
Resposta
Byte 0
Byte 1
Byte 2
0x02
START
Check Sum
Byte 0
Byte 1
Byte 2
0x02
Status
Check Sum.
Figura 6.3: Comando START_CANAL.
O registrador “START” é composto por 8 bits, onde dividiu-se 2 bits para cada
canal que se deseja configurar. Deve ser utilizado no formato especificado pela Figura
6.4. Os pares de bits de cada canal são utilizados da mesma maneira para todos os
canais.
48
Canal 4
Bit 7
Bit 6
D1
D0
Canal 3
Bit 5
Bit 4
C1
C0
A1
0
1
1
Canal 2
Bit 3
Bit 2
B1
B0
A0
0
0
1
Canal 1
Bit 1
Bit 0
A1
A0
Modo
Não é iniciado
Perfil
Fast
Figura 6.4: Formato do registrador START.
STOP_CANAL
Este comando encerra a estimulação no canal pretendido. O formato de
utilização é dado pela Figura 6.5.
Comando
Resposta
Byte 0
Byte 1
Byte 2
0x03
STOP
Check Sum
Byte 0
Byte 1
Byte 2
0x03
Status
Check Sum.
Figura 6.5: Comando STOP_CANAL.
O registrador “STOP” deve ser preenchido conforme Figura 6.6. Onde os 4
primeiros bits são utilizados para indicar os canais que serão interrompidos. O envio do
bit “1” indica que a interrupção deve ocorrer, o envio do bit “0” fará com que nada
ocorra na configuração do respectivo canal.
Bit 7
X
Bit 6
X
Bit 5
X
Bit 4
X
A
0
1
Canal 4
Bit 3
D
Canal 3
Bit 2
C
Canal 2
Bit 1
B
Canal 1
Bit 0
A
Resultado
Nada a fazer
Interromper
Figura 6.6: Formato do registrador STOP (Os bits com “X” não atuam no comando).
49
UPDATE_FAST_MODE
Comando responsável pela configuração dos canais do estimulador no modo fast
(Figura 6.7). O formato utilizado entre os bytes 2 e 14 segue o padrão descrito pela
Tabela 4, assim como o registrador “Canal” segue a estrutura definida na Figura 6.8. O
registrador “GarantirFreq” possibilita desabilitar a modulação em frequência.
Byte 0
Byte 1
Byte 2
Byte 3
Byte 4
0x09
CANAL
Repet. MSB
Repet. LSB
Interrup.
Byte 5
Byte 6
Byte 7
Byte 8
Byte 9
PerInativo
MSB
PerInativo
LSB
DurPosMSB
DurPosLSB
DurNegMSB
Byte 10
Byte 11
Byte 12
Byte 13
Byte 14
DurNegLSB
IEF MSB
IEF LSB
Amp. Pos.
Amp. Neg.
Byte 15
Byte 16
GarantirFreq
Check Sum
Byte 0
Byte 1
Byte 2
0x09
Status
Check Sum.
Comando
Resposta
Figura 6.7: Comando UPDATE_FAST_MODE.
De acordo com a configuração do registrador “CANAL” é possível aplicar os
parâmetros na configuração a mais de um canal. Este pode ser configurado conforme
Figura 6.8.
Bit 7
X
Bit 6
X
Bit 5
X
Bit 4
X
A
0
1
Canal 4
Bit 3
D
Canal 3
Bit 2
C
Canal 2
Bit 1
B
Canal 1
Bit 0
A
Resultado
Nada a fazer
Configurar
Figura 6.8: Estrutura de configuração do registrador “Canal” (Os bits com “X” não
atuam no comando).
A utilização deste comando pode ser realizada por 2 maneiras distintas:
50

Atualização dinâmica, neste o software poderá atualizar os parâmetros da
estimulação
continuamente,
dispensando
o
envio
do
comando
“STOP_CANAL”. Para esta aplicação o registrador “GarantirFreq” deve
ser preenchido com um valor diferente de zero.

Disparo de pulsos, neste caso o software se tornará o responsável pela
modulação em frequência, enviando o comando nos instantes em que a
fase positiva e negativa do pulso deve ser gerada. Para utilizar desta
maneira o dispositivo, é necessário programar o número de repetições
para 1 e “garantirFreq” com 0.
UPDATE_ALL_FAST_MODE
Possibilita a configuração de mais de um canal com parâmetros de estimulação
diferenciados, com o envio de um único comando. Segue o padrão semelhante ao
descrito para o comando UPDATE_FAST_MODE, porém com a extensão dos
comandos para os quatro canais.
51
Comando
Resposta
Byte 0
Byte 1
Byte 2
Byte 3
Byte 4
0x0D
CANAL
1 Repet. LSB
1 Interrup.
Byte 5
1 PerInativo
MSB
Byte 6
1 PerInativo
LSB
Byte 7
Byte 8
Byte 9
1 DurPosMSB
1 DurPosLSB
1 DurNegMSB
Byte 10
Byte 11
Byte 12
Byte 13
Byte 14
1 DurNegLSB
1 IEF MSB
1 IEF LSB
1 Amp. Pos.
1 Amp. Neg.
Byte 15
Byte 16
Byte 17
Byte 18
1 Garantir Freq
2 Repet. MSB
2 Repet. LSB
2 Interrup.
Byte 19
2 PerInativo
MSB
Byte 20
2 PerInativo
LSB
Byte 21
Byte 22
Byte 23
Byte 24
2 DurPosMSB
2 DurPosLSB
2 DurNegMSB
2 DurNegLSB
Byte 25
Byte 26
Byte 27
Byte 28
Byte 29
2 IEF MSB
2 IEF LSB
2 Amp. Pos.
2 Amp. Neg.
2 Garantir Freq
Byte 30
Byte 31
Byte 32
3 Repet. MSB
3 Repet. LSB
3 Interrup.
Byte 33
3 PerInativo
MSB
Byte 34
3 PerInativo
LSB
Byte 35
Byte 36
Byte 37
Byte 38
Byte 39
3 DurPosMSB
3 DurPosLSB
3 DurNegMSB
3 DurNegLSB
3 IEF MSB
Byte 40
Byte 41
Byte 42
Byte 43
Byte 44
3 IEF LSB
3 Amp. Pos.
3 Amp. Neg.
3 Garantir Freq
Byte 45
Byte 46
4 Repet. LSB
4 Interrup.
Byte 47
4 PerInativo
MSB
Byte 48
4 PerInativo
LSB
Byte 50
Byte 51
Byte 52
Byte 53
Byte 54
4 DurPosLSB
4 DurNegMSB
4 DurNegLSB
4 IEF MSB
4 IEF LSB
Byte 55
Byte 56
Byte 57
Byte 58
4 Amp. Pos.
4 Amp. Neg.
4 Garantir Freq
Check Sum
1 Repet. MSB
Byte 0
Byte 1
Byte 2
0x0D
Status
Check Sum.
Figura 6.9: Comando UPDATE_ALL_FAST_MODE.
52
4 Repet. MSB
Byte 49
4 DurPosMSB
GET_PERFIL_FROM_PIC
Utilizado para obter os parâmetros do estimulo configurado na fila do modo
perfil (Figura 6.10). O comando inclui registradores que indicam a posição da fila que
se deseja obter, “Posição MSB” e “Posição LSB”, estes formam um registrador 16 bits.
Além disto, deve ser informado o canal ao qual se deseja obter informações, este segue
o formato apresentado pela Figura 6.8, porém serão retornadas as informações de
somente um canal, com ordem de prioridade maior para o canal 1 e reduzindo em
direção ao canal 4 (menor prioridade).
A resposta do dispositivo contêm o comando enviado, o Byte com o estado do
código (“Status”), o canal ao qual os dados pertencem (“Canal”), a posição na fila
(“Posição MSB” e “Posição LSB”) e os parâmetros do pulso. Caso o último parâmetro
da estimulação seja o requisitado, os registradores referentes a posição serão
preenchidos com 0.
Comando
Resposta
Byte 0
Byte 1
Byte 2
Byte 3
Byte 4
0x06
Canal
Posição
MSB
Posição LSB
Check Sum
Byte 0
Byte 1
Byte 2
Byte 3
Byte 4
0x06
Status
Canal
Posição
MSB
Posição LSB
Byte 5
Byte 6
Byte 7
Byte 8
Byte 9
Repet. MSB
Repet. LSB
Interrup.
PerInativo
MSB
PerInativo
LSB
Byte 10
Byte 11
Byte 12
Byte 13
Byte 14
DurPosMSB
DurPosLSB
DurNegMSB
DurNegLSB
IEF MSB
Byte 15
Byte 16
Byte 17
Byte 18
IEF LSB
Amp. Pos.
Amp. Neg.
Check Sum
Figura 6.10: Comando GET_PERFIL_FROM_PIC.
53
SEND_ONE_PERFIL_TO_PIC
Adiciona um parâmetro de estimulação ao fim da fila do modo perfil. Sua
utilização é semelhante ao comando UPDATE_CANAL, com a mudança no Byte 0
responsável pelo código do comando (Figura 6.11).
Comando
Byte 0
Byte 1
Byte 2
Byte 3
Byte 4
0x07
Canal
Repet. MSB
Repet. LSB
Interrup.
Byte 5
Byte 6
Byte 7
Byte 8
Byte 9
PerInativo
MSB
PerInativo
LSB
DurPosMSB
DurPosLSB
DurNegMSB
Byte 10
Byte 11
Byte 12
Byte 13
Byte 14
DurNegLSB
IEF MSB
IEF LSB
Amp. Pos.
Amp. Neg.
Byte 0
Byte 1
Byte 2
0x07
Status
Check Sum.
Byte 15
Check Sum
Resposta
Figura 6.11: Comando SEND_ONE_PERFIL_TO_PIC.
CLEAR_PERFIL
Utilizado para limpar a fila de estimulações presente no modo perfil, o canal que
se deseje limpar é informado através do registrador “Canal”, este segue a estrutura
representada pela Figura 6.4.
Comando
Resposta
Byte 0
Byte 1
Byte 2
0x08
Canal
Check Sum.
Byte 0
Byte 1
Status
Byte 2
0x08
Figura 6.12: Comando CLEAR_PERFIL.
54
Check Sum.
GET_CANAL_STATUS
Este comando retorna os parâmetros atribuídos ao canal desejado (Figura 6.13).
Pode ser utilizado em qualquer modo. O registrador “Canal”, segue o modelo
representado pela Figura 6.4.
Comando
Resposta
Byte 0
Byte 1
Byte 2
0x0A
Canal
Check Sum.
Byte 0
Byte 1
Byte 2
Byte 3
Byte 4
0x0A
Status
Canal
Repet. MSB
Repet. LSB
Byte 5
Byte 6
Byte 7
Byte 8
Byte 9
Interrup.
PerInativo
MSB
PerInativo
LSB
DurPosMSB
DurPosLSB
Byte 10
Byte 11
Byte 12
Byte 13
Byte 14
DurNegMSB
DurNegLSB
IEF MSB
IEF LSB
Amp. Pos.
Byte 15
Byte 16
Byte 17
Amp. Neg.
Garantir Freq
Check Sum
Figura 6.13: Comando GET_CANAL_STATUS.
RESET
Utilizado para reiniciar o dispositivo, a conexão USB também será reiniciada
(Figura 6.14).
Byte 0
Comando
0xFF
Figura 6.14: Comando RESET.
55