projeto tec assitivas cnpq 2013 fim.pdf

8/19/2019 Projeto Tec Assitivas CNPq 2013 FIM.pdf

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CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico

CHAMADA MCTI-SECIS/CNPq Nº 84/2013 –TECNOLOGIAASSISTIVA

PROJETO :

Interface Cérebro-Máquina como tecnologia assistiva

Prof. Carlos Julio Tierra Criollo, D.Sc. (Coordenador)

Programa de Engenharia Biomédica – Instituto Luiz Alberto Coimbra (Coppe) – UFRJ

e-mail: [email protected]

Fone: (21) 2562-8601

Profa. Cláudia Domingues Vargas

Instituto de Biofisica Carlos Chagas Filho da UFRJ

Laboratório de neurociências e reabilitação do Instituto de Neurologia Deolindo Couto

da UFRJ.


Profa. Ana Paula Fontana

Serviço de Fisioterapia do Hospital Universitário Clementino Fraga Filho


Rio de Janeiro, 08 de novembro de 2013

mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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Sumário

Resumo ................................................................................................... 3

a) Qualificação do principal problema a ser elaborado ............................ 4

b) Objetivos ............................................................................................ 10

c) Metas ................................................................................................. 11

d) Metodologia ....................................................................................... 12

Aplicações: O Acidente Vascular encefálico (AVE) ............................ 14

Aplicações: Lesão de plexo braquial .................................................. 15

e) Orçamento detalhado ........................................................................ 16

f) Principais contribuições científicas, tecnológicas ou de inovação ...... 17

g) Cronograma físico-financeiro ............................................................. 18

h) Identificação de todos os núcleos de pesquisa e demais participantes

do projeto ......................................................................................................... 18

i) Indicadores de acompanhamento .................................................... 19

j) Indicação de aderência social: instituições, entidades e associações de

pessoas com deficiência ou mobilidade reduzida ............................................ 20 k) Disponibilidade efetiva de infra-estrutura e de apoio técnico para o

desenvolvimento do projeto.............................................................................. 21

l) Estimativa dos recursos financeiros de outras fontes que serão

aportados pelos eventuais agentes públicos e privados parceiros; .................. 22

m) Comprovantes de patentes, depósitos de pedido de patente e

produtos e serviços tecnológicos ..................................................................... 22

n) Referências (instituição, coordenador, contatos institucionais) ......... 23 Referencias Bibliográficas ..................................................................... 24

Anexo 1 .................................................................................................. 27

Anexo 2 .................................................................................................. 31

Anexo 3 .................................................................................................. 34


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Resumo

O projeto tem como objetivo principal formar um grupo emergente para a

pesquisa científica e desenvolvimento de tecnologias assistivas entre oPrograma de Engenharia Biomédica/Coppe/UFRJ, o Instituto de Biofísica

Carlos Chagas Filho/UFRJ, o Instituto de Neurologia Deolindo Couto – UFRJ; e

o Serviço de Fisioterapia do Hospital Universitário Clementino Fraga Filho. O

objetivo específico é proporcionar o desenvolvimento científico e tecnológico

associados à tecnologia interface cérebro maquina (ICM) de baixo custo que

possa ser replicada, com vistas a atender as necessidades, capacidades e

limitações de pacientes com avulsão de plexo braquial e com sequelas de

acidentes vascular cerebral.


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a) Qualificação do principal problema a ser elaborado

No Brasil, segundo o Censo IBGE/2010, 45 milhões de pessoas são

portadoras de algum tipo de deficiência física, mental ou sensorial. Tecnologiaassistiva, na forma como é definida pelo Comitê de Ajudas Técnicas - CAT é

“uma área do conhecimento, de característica interdisciplinar, que engloba

produtos, recursos, metodologias, estratégias, práticas e serviços que

objetivam promover a funcionalidade, relacionada à atividade e participação de

pessoas com deficiência, incapacidades ou mobilidade reduzida, visando sua

autonomia, independência, qualidade de vida e inclusão social”.

Entre as maneiras de se implementar tecnologia assistiva está a ideia de

se transformar pensamento em ação, que tem sido explorada nos últimos 40

anos. O desenvolvimento a passos agigantados da tecnologia de

semicondutores, neurotecnologia e neurociência tem impulsionado, na última

década o interesse de pesquisadores do mundo inteiro no desenvolvimento de

interfaces cérebro-máquina (ICM) ou interfaces cérebro computador (ICC).

As ICCs não requerem atividade muscular, mas sim cerebral. Os sistemas

baseados nesta técnica têm sido utilizados para auxiliar pacientes com perda

de função motora ou sensorial, causados por algum tipo de doença, como

esclerose lateral amiotrófica, esclerose múltipla, distrofia muscular, algum dano

causado na medula espinhal e no cérebro após acidente vascular encefálico.

Apesar das ICM e ICC não serem capazes de fornecer um caminho alternativo

(compensação anatômica) ou restaurar lesões ao estado normal, elas podem

ajudar no restabelecimento da perda da função. Algumas ICC’s têm sido

desenvolvidas para auxilio do movimento (ZUMSTEG, 2005; LAUER et al.,

1999; SHENOY et al., 2003; PFURTSCHELLER et al., 2003) e outras para

gerar textos a partir das ondas cerebrais (HINTERBERGER et. al., 2003, 2005;

SCHERER, 2004; BIRBAUMER ET. AL., 2000). A interface cérebro-máquina

http://portal.mj.gov.br/corde/http://portal.mj.gov.br/corde/


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(ICM) permite que uma pessoa possa controlar um dispositivo como um teclado

de um computador, uma cadeira de rodas, ou até mesmo uma prótese.

As ICMs se baseiam no monitoramento da atividade cerebral, que pode

ser efetivado por vários métodos: eletroencefalografia (EEG); eletrocorticografia

(ECoG); magnetoencefalografia (MEG); tomografia por emissão de pósitron

(PET); imagem de ressonância magnética funcional (fMRI) e imageamento

óptico. Relativamente ao EEG, os métodos de MEG, PET, fMRI e imageamento

óptico dão bons resultados e têm boa resolução espacial (Krepki 2004,

Wolpaw, Bierbaumer e Heetderks, et al. 2000). Porém, estes métodos são

muito dispendiosos, pesados (não portáteis), desconfortáveis para o usuário e

exigem técnicos especializados para a operação dos equipamentos. Alémdisso, PET, fMRI e imageamento óptico, que dependem do fluxo sanguíneo,

têm longas constantes de tempo, e por isto são inadequados a uma

comunicação rápida (Wolpaw, Bierbaumer e McFarland, et al. 2002). O método

de EEG é o mais usado em aplicações de ICM por ser o menos oneroso, exigir

uma baixa demanda técnica, é não invasivo e apresenta alta resolução

temporal, ou seja, os dados são disponibilizados rapidamente (Vialatte,

Maurice, et al. 2010). Entretanto, este método apresenta desvantagens, comobaixa relação sinal-ruído (RSR) e baixa resolução espacial.

As ICMs baseadas em EEG podem ser divididas em dois grandes

grupos: ICMs com estimulação externa e ICMs sem estimulação externa

(Dornhege 2006). As primeiras usam uma forma de estímulo externo

(estimulação sensorial) que pode eliciar o Potencial Evocado (PE) e nas

segundas o sujeito deve aprender a controlar estados mentais, por exemplo, a

imaginação de movimentos (tarefa cognitiva). A ICM com base no EEG pode utilizar vários tipos de sinais

eletrofisiológicos cerebrais como: potencial cortical lento (relacionado à

imaginação de movimentos), a sincronização e dessincronização do ritmo mu e

beta (imagética motora) e o potencial evocado visual em regime permanente

(PEVRP). ICC com o eletro-oculograma (EOG) também tem sido utilizada.

A seguir apresenta-se um resumo da tecnologia desenvolvida em ICM

por integrantes da equipe do projeto proposto.

Tese de doutorado intitulada “Magnitude Quadrática da Coerência na


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Detecção da Imaginação do Movimento para Aplicação em Interface Cérebro-

Máquina”, Sady Antonio dos Santos Filho. O trabalho visou o desenvolvimento

de algoritmos que permitam a detecção do potencial relacionado a eventos

relacionado à IM em sinais de EEG, com o menor número de trechos

(imaginações do movimento) possível, para aplicações práticas em uma ICM. A

técnica da magnitude quadrática da coerência (MSC), aplicada ao EEG da IM

do dedo indicador da mão esquerda, foi capaz de detectar respostas

principalmente nos eletrodos da região central (C3, Cz e C4), na banda delta

(0,3 a 1 Hz). Utilizando 40 trechos (M = 40), a probabilidade de detecção (PD)

foi de 58,8%, para o EEG do eletrodo Cz, com uma taxa de falsos alarmes

= 5%. A aplicação da versão da MSC que utiliza sinais de vários eletrodos

(MMSC) possibilitou a detecção do PRE com uma PD = 70%, para o mesmo

número de trechos (M=40). Com M = 10, a PD foi de aproximadamente 18%,

para ambas as técnicas. A aplicação do filtro espacial que utiliza o operador

Laplaciano bidimensional, nos eletrodos da região central (Cz, C4, C2 e C1),

proporcionou a melhora da relação sinal-ruído do EEG, resultando na detecção

do PRE da IM, pela MMSC, com uma PD de 99,8% para M = 40 e 34,83% para

M = 10. Este procedimento tornou possível a detecção do PRE, pela MSC

simples, com a execução de apenas uma IM com uma PD de 52,2%. Assim

sendo, a MSC, associada à técnica da DF, apresenta-se como uma ferramenta

promissora, para a detecção de padrões da IM, tornando viável a sua utilização

em aplicações de ICM’s, principalmente em tecnologias assistivas para

reabilitação. Deve-se indicar que está tese foi indicada como a melhor tese de

doutorado defendida em 2010 no Programa de Pós-graduação em Engenharia

Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais. Orientador: Carlos

JulioTierraCriollo; Co-orientador: Antônio Maurício Ferreira Leite Miranda deSá.

Tese de doutorado intitulada “PRÁTICA MENTAL ORIENTADA A

TAREFAS FUNCIONAIS NA RECUPERAÇÃO DE INDIVÍDUOS COM

ACIDENTE VASCULAR ENCEFÁLICO”,Clarissa Cardoso dos Santos Couto

Paz. A prática mental (PM) foi utilizada como uma estratégica cognitiva para

favorecer a aquisição de tarefas motoras e a performance funcional de

indivíduos com sequelas de Acidente Vascular Encefálico (AVE). A propostadeste estudo foi avaliar o quanto um programa individualizado de PM orientada


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a tarefas específicas funcionais, quando adicionado à fisioterapia convencional

(FTC), promoveu aprendizado motor de atividades de vida diária (AVD) em

indivíduos com sequelas crônicas de AVE (13 ± 6.5 meses de início de AVE).

Nove indivíduos com comprometimento leve a moderado participaram deste

estudo, sendo utilizado o desenho de estudo A1-B-A2. As fases A1 e A2

incluíram um mês de FT convencional e a fase B a adição de PM à FT. A motor

activity log (MAL-Brasil) foi usada para avaliar a quantidade de uso (AOU) e a

qualidade do movimento (QOM) do membro superior parético em funções

diárias; o questionário de imaginação motora versão revisada (MIQ-RS) foi

usado para avaliar as habilidades visual e cinestésica de imaginação motora, o

teste de destreza manual Minnesota para avaliar destreza manual e a

velocidade da marcha para avaliar mobilidade. Após a fase A1, não foram

observadas mudanças para nenhuma das medidas avaliadas. Entretanto, após

a fase B, aumentos significativos foram observados para os escores de ambas

as sub-escalas da MAL (p


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la a uma pessoa, e devolvê-la para a mesa. A posição da pessoa foi rastreada

e acompanhada pelo robô com a ajuda de um sensor, fornecendo controle de

malha fechada no nível da interação humano-robô. O robô provou a sua

capacidade para assistir o usuário na tarefa de servir uma bebida. Os

resultados obtidos mostraram que o desenvolvimento de ICMs e seu contínuo

aperfeiçoamento podem levar, em um futuro próximo a aplicações clínicas e

comerciais para suporte e assistência de pessoas com deficiências motoras.

Espera-se que o desenvolvimento da tecnologia na robótica traga interações

mais profundas com o ser humano, visando soluções intuitivas, confortáveis,

seguras e funcionais. Orientador: Carlos Julio Tierra Criollo; Co-orientação:

Bruno Vilhena Adorno.

As ICMs com imaginação de movimentos (IM) em aplicação práticas

como tecnologia assistiva ainda está nos seus primórdios. Por outro lado, ICMs

baseadas em Potencial Evocado Visual em Regime Permanente (PEVRP) têm

se destacado por apresentar relativamente alta relação sinal ruído (RSR) e

atingir altas Taxas de Transferência de Informação (TTI) (Cheng, et al. 2002).

Além disso, outras características do PEVRP têm favorecido a construção de

ICMs tais como: ser observado na maioria da população, depender

minimamente da atividade cognitiva, facilidade na extração de características e

ser mais imune a ruídos (Lalor, et al. 2005).

Tese de doutorado intitulado “Estudo do potencial evocado visual em

regime permanente baseado em LED para interface cérebro máquina”, Marcos

Antonio da Silva Pinto. Neste trabalho desenvolveu-se um estimulador visual

digital, portátil, baseado em Diodo Emissor de Luz (LED), capaz de gerar

estímulos estáveis e precisos para PEVRP em aplicações de ICM. Os

parâmetros da estimulação frequência, intensidade, cor e dimensão foramavaliados. Os resultados mostraram maior relação sinal-ruído do PEVRP para

frequências de estimulação de 5 a 9 Hz e 25 a 30 Hz, intensidades em torno de

15 cd/m², cor branca e dimensão de 2,86° de ângulo visual. Quatro técnicas de

detecção objetiva do PEVRP (Teste Espectral F - SFT, Medida de Sincronismo

de Fase - PSM, Magnitude Quadrática da Coerência - MSC e Magnitude

Quadrática da Coerência Múltipla - MMSC) foram avaliadas. Os resultados

indicaram que o detector MMSC é o mais adequado para aplicações práticasdeICM por apresentar as maiores taxas (em torno de 90%) e os menores tempos


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de detecção (em torno de 2 s). Orientador: Carlos JulioTierraCriollo; Co-

orientação: Jerome Baron. Com base nestes resultados os alunos de iniciação

científica (orientador) Felipe Galinkin da Gama e Cerqueira Victor Cesar de

Carvalho Braga implementaram uma ICM wireless “Visio- joystick” em tempo

real. Depósito de Pedido de Patente (em anexo) junto ao Instituto Nacional de

Propriedade Industrial (INPI) foi realizado do estimulador visual com LEDs para

aplicações em ICMs. Os achados poderão contribuir para tornar as ICMs mais

rápidas e factíveis para uso cotidiano. Atualmente esta ICM está sendo

aplicada ao controle de uma cadeira de rodas na dissertação de mestrado do

discente Alexandre Tannusno Programa de Pós-graduação em Engenharia

Elétrica (PGEE)/UFMG junto com o Prof. Danilo Melges.

ICM com base no Eletro-oculograma (EOG) também foi desenvolvida

por integrantes do grupo. Neste tipo utiliza-se o potencial gerado pelo

movimento ocular. A vantagem é sua alta relação sinal-ruído e sua detecção

rápida (menos de 1 segundo), porém a sua desvantagem são seus poucos

graus de liberdade (dois), que permitiria ter somente 4 comandos. Assim,

nossa hipótese é que ICMs que utilizem o PEVRP e o EOG em conjunto devem

ser mais eficientes e mais rápidas para ap licações em “tempo real” de

tecnologias assistivas.

Deve-se ressaltar que todos esses trabalhos foram desenvolvidos com

equipamentos de EEG comerciais nacionais ou importados que não permitem

aplicações a grande escala seja pelo seu custo, seja pelo consumo de

potência, seja pelo seu tamanho, seja pela sua não versatilidade. Assim, será

necessário desenvolver um sistema de EEG prático, versátil, portátil, de baixo

consumo e baixo custo. Um sistema de registro de 8 canais para EEG com

estas características está sendo desenvolvido na dissertação de mestrado deRenato Zanetti do PPGEE da UFMG (da qual sou co-orientador) junto ao Prof.

Danilo Melges. Este sistema também está sendo estudado na dissertação de

Mauricio Ferrari do PPGEE-UFRJ (da qual sou orientador) para um projeto de

tecnologia assistiva financiado pela FINEP no edital CHAMADA PÚBLICA

MCT/FINEP - Ação Transversal - TECNOLOGIA ASSISTIVA –01/2010, do qual

fui coordenador até outubro de 2012 (data da minha mudança para a UFRJ) e

continuo como membro da equipe.Os resultados obtidos em nossas pesquisas até o momento mostram


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que ICMs com base no EEG são práticas para aplicações em tecnologias

assistiva nas linhas temáticas: MACRO 1- Auxílios para a vida diária e vida

prática, junto a iteração humano robô pode-se implementar ICMs para auxílio

na alimentação, em necessidades pessoais como escovar os dentes e cabelos,

abrir portas, trazer e levar objetos; MACRO 3- Recursos de acessibilidade ao

computador, ICMs com o PEVRP e EOG de baixo custo podem ser utilizados

como dispositivos de entrada ao computador para serem utilizados como

mouse ou teclados; MACRO 4 - Sistemas de controle de ambiente, ICMs com o

PEVRP e EOG de baixo custo podem ser utilizadas em domótica na gestão de

recursos habitacionais ou de escritório como ligar, desligar e ajustar aparelhos

eletro-eletrônicos como a luz, o som, televisores, ventiladores, executar a

abertura e fechamento de portas e janelas, receber e fazer chamadas

telefônicas, acionar sistemas de segurança; e MACRO 8 - Auxílios de

mobilidade, ICMs com o PEVRP e EOG junto ao conceito de veículos

autônomos podem servir para o comando de cadeiras de rodas.

Este projeto tem como objetivo desenvolver tecnologia assistiva com

base em ICMs para pacientes vítimas de traumas lesões centrais e periféricas

do sistema nervoso. Esperamos que o desenvolvimento dessas novas

metodologias tragam benefícios diretos à sociedade, auxiliando na execução

de atividades da vida diária e no tratamento desses pacientes, possibilitando a

implementação de estratégias de reabilitação mais eficientes no tratamento de

padrões comportamentais anormais induzidos por estas lesões.

As instituições, que trabalham para pessoas com deficiência ou com

mobilidade reduzida, participantes do projeto são (a) o Instituto de Neurologia

Deolindo Couto da UFRJ, onde as ICMs serão desenvolvidas para o auxilio e

reabilitação de pacientes com limitações de movimento devido a lesões doplexo braquial (LPB); e (b) o Serviço de Fisioterapia do Hospital Universitário

Clementino Fraga Filho da UFRJ, onde as ICMs serão desenvolvidas para o

auxilio de pacientes após Acidente Vascular Encefálico (AVE).

b) Objetivos

1) Proporcionar o desenvolvimento científico e tecnolgico associados

tecnologia interface cerebro maquina (ICM) de baixo custo que possaser replicada, com vistas a atender as necessidades, capacidades e


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limitações de pacientes com avulsão de plexo braquial e com sequelas

de acidentes vascular cerebral.

2) Avaliar e qualificar científica e tecnologicamente produtos, serviços e

metodologias de ICM existentes a fim de garantir a sua segurança,

confiabilidade e efetividade, de acordo com as necessidades,

capacidades e limitações dos pacientes.

3) Formar uma massa crítica de jovens cientistas dedicados ao

desenvolvimento de ICM em projetos científicos focados em reabilitação.

4) Otimizar a utilização de recursos tecnológicos e de recursos humanos

especializados na aquisição e análise de sinais biológicos e de técnicas

modernas de ICM.

5) Formar um grupo emergente para a pesquisa científica e

desenvolvimento de tecnologias assistivas entre o PEB/Coppe/UFRJ; o

Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho/UFRJ, o Instituto de

Neurologia Deolindo Couto – UFRJ; e o Serviço de Fisioterapia do

Hospital Universitário Clementino Fraga Filho.

c) Metas

Meta 1 – Construção de um Sistema de aquisição de sinais de EEG e EOG

embarcado versátil e de baixo custo para aplicações em interface cérebro

máquina (ICM).

Meta 2 – Construção do estimulador visual com base em LEDs de baixo custo.

Meta 3 – Implementação dos algoritmos de processamento de sinais para o

reconhecimento de padrões no EEG relacionados a eventos, cognitivos ou

sensoriais em LabView.

Meta 4 – Interface gráfica amigável para fácil iteração humano-computador.

Meta 5 – Integração do manipulador robótico com a ICM.

Meta 6 – Aplicação do robô em pacientes com lesão do plexo braquial (LPB)

Meta 7 - Aplicação do robô em pacientes após acidente vascular encefálico

(AVE).


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Meta 8 – Construção de um exoesqueleto para movimento do cotovelo para

LPB

Meta 9 – Construção de um exoesqueleto para abertura da mão em AVE

Meta 10 – Integração da ICM com os exoesqueletos.

Meta 11 – Uso das tecnologias em pacientes LPB

Meta 12 - Uso das tecnologias em pacientes AVE

Meta 13 - Solicitação de patentes, publicações em eventos e periódicos

científicos.

Em anexo segue tabela com os cronogramas físico e financeiros

d) Metodologia

As metodologias utilizadas para o desenvolvimento de ICMs com base

no EEG ou EOG podem ser diferentes, mas o objetivo sempre é conseguir

identificar padrões em sinais de eletroencefalograma (EEG) e utilizá-los para o

acionamento de dispositivos externos por meio de atuadores. A ICM a ser

implementada terá a concepção modular para versatilidade em várias

aplicações e será dividida em quatro módulos: (i) o módulo de amplificação e

registro digital de biopotencial cerebral; (ii) o módulo de estimulação visual por

LEDs; (iii) o módulo de processamento de sinais; e (iV) o módulo

correspondente ao atuador da ICM.

O módulo de amplificação e aquisição do EEG e EOG responderá pelo

condicionamento do sinal EEG e pelo pré-processamento em tempo real de

modo sincronizado com o módulo de estimulação visual quando necessário.

Este módulo terá como base o ADS1299 que é um circuito integrado de

bioamplificadores microeletrônicos de ponta. Como características relevantes o

ADS1299 tem baixo consumo (menor que 100 mW), baixo ruído (menor que

2 uV), alta impedância de entrada (maior que 100 Mohms), alta rejeição de

modo comum (maior que 100 dB), multicanal com aquisição simultânea de 8

canais (sem multiplexação), ganho configurável, banda de frequência

configurável, além de ter incorporado um conversor análogo-digital (A/D) de 24

bits e frequência de amostragem configurável, com comunicação serial SPI.

Deverá contar ainda com sistema de sincronização (trigger) para acoplamento

com o estimulador visual. O sistema obedecerá às normas de segurançaelétrica da série ABNT NBR IEC 60601. Deve-se ressaltar que já temos um


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protótipo deste módulo em teste para aplicações no potencial evocado visual e

auditivo. Uma interface gráfica computador-usuário será implementada no

ambiente LabView. A interface gráfica deverá ser amigável com sistema de

janelas para visualização dos sinais adquiridos, proporcionar a impedância

entre eletrodos e o couro cabeludo, escolha das técnicas de processamento de

sinais, protocolo da ICM assim como a visualização das respostas aos

atuadores da ICM.

O módulo de estimulação visual a ser utilizado é o sistema de 12 canais

desenvolvido por integrantes do grupo, do qual foi solicitado a patente (em

anexo), com base em LEDs brancos com controle de luminância, frequência de

estimulação para cada LED. O estimulador deverá ser construído conforme as

normas de Prescrições particulares para Segurança de eletromiógrafos e

equipamentos de potencial evocado ABNT NBR IEC 60601-2-40.

O módulo de processamento de sinais implementará técnicas de

extração de características e classificadores/detectores para identificar

diferentes padrões no EEG (e o EOG) relacionados a uma tarefa cognitiva ou

sensorial, os quais serão utilizados como comandos aos atuadores da ICM.

Este mdulo será implementado no LabView para aplicações em “tempo real”.

Dentre os métodos a serem implementados estão: análise de componentes

independentes (ICA, Independent Component Analysis), análise de

componentes principais (PCA, Principal Component Analysis), filtros espaciais

como a derivação da fonte, potencial relacionado a evento, análise de

discriminante linear (LDA, Linear Discriminant Analysis), sincronização

(incremento de energia) e dessincronização (decremento de energia) de ritmos

cerebrais, técnicas de detecção objetiva de resposta cerebral como a

magnitude quadrática de coerência multivariada (MSC, Mean SquaredCoher ence) e outros métodos que permitem extrair informação em “tempo real”

das intenções de uma pessoa ou a resposta cerebral a estimulação visual em

regime permanente. Outros métodos que levam em consideração as não

linearidades e não estacionariedade do sinal de EEG, como a decomposição

de modo empírica de fase (Empirical Mode Decomposition Phase) ou métodos

Bayesianos também podem ser investigados e implementados. Integrantes do

grupo têm estudado por vários anos técnicas de processamento de sinaisaplicados ao EEG, EOG e interface cérebro-máquina.


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O módulo de atuador será inicialmente desenvolvido e aplicado para

interação humano-robô em (1) pacientes com avulsão do plexo braquial (APB)

e (2) após episódio de acidente vascular encefálico (AVE). Está etapa será

necessária para investigar os padrões cerebrais no EEG dos pacientes durante

tarefa cognitiva (como imaginação de movimento motor) ou a identificação do

potencial evocado visual em regime permanente durante estimulação visual.

Estes padrões servirão para comandar movimentos de flexão e extensão (para

APB) e preensão palmar (para AVE) a serem executados pelo robô. Os

resultados desta etapa servirão para o controle de exoesqueletos a serem

desenvolvidos para estas aplicações. Para isso é necessário um robô que

apresente segurança para iteração com humanos.

Apl icações: O Acid ent e Vasc ul ar encefálic o (AVE)

O Acidente vascular encefálico é a principal causa de incapacidade no

mundo, além de ser a quarta de maior mortalidade. Em sua grande maioria os

indivíduos que sofrem com episodio desta patologia ficam com sequelas para o

resto de suas vidas, principalmente no membro superior, em torno de 55% dos

casos, sendo a mão afetada em cerca de 60% destes casos. O membro

superior é um grande meio de interação entre os humanos e o mundo, sendo

considerada uma unidade de alcance e manipulação de objetos, assim a perda

de controle sobre esta unidade, qualquer que seja o segmento traz grande

déficit para o indivíduo no seu dia a dia. O índice de recuperação funcional

(geralmente parcial) é baixo (30%) e em sua grande maioria a avaliação da

recuperação é feita apenas por parâmetros de arco de movimento (ADM) e o

grau de força, sendo que nem sempre refletem o nível de destreza funcional da

mão. O robô permitirá uma avaliação continua das componentes cinemáticas

do movimento e da força exercida pela mão que poderão ser comparados com

a escala de Fugl-Meyer (Meneghetti, 2008 (de Cacho EWA, 2004 e Senkilo CH,

2005)). Torna-se de grande valia o desenvolvimento de técnicas assistivas que

visem minimizar as sequelas deixadas pelo AVE, seja para auxílio ou

reabilitação de movimentos da mão. Assim, neste projeto será desenvolvido um

exoesqueleto que servirá de auxilio de abertura da mão (sequela comum

devido ao aumento do tônus muscular da região flexora da mão) para facilitaros movimentos de preensão palmar. O exoesqueleto poderá ser utilizado em


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terapia e nas atividades diárias das pessoas após AVE. Os pacientes serão do

Serviço de Fisioterapia do Hospital Universitário Clementino Fraga Filho da

UFRJ. O exoesqueleto para mão será uma estrutura que atuará em paralelo

com os músculos extensores da mão. Este consistirá de uma estrutura externa

simulando a anatomia da mão (as articulações do sistema mecânico serão

posicionadas na mesma direção que as articulações anatômicas) o

acoplamento do motor elétrico (gerador de força) com a estrutura que irá

transferir a força gerada por ele, será feita através de músculos artificiais que

irão simular os tendões do sistema músculo esqueléticos da mão. Como

interface entre o exoesqueleto e a mão serão utilizados anéis ou um sistema de

velcro.

Apl icações: Lesão de pl exo braqu ial

As lesões mais comumente observadas em acidentes de trânsito são as

lesões ortopédicas, medulares cerebrais e neurológicas, sendo a mais comum

dentre as lesões neurologias (quase em sua totalidade) a de plexo braquial. As

principais consequências deste tipo de lesão são paralisia total ou parcial do

braço, ombro, mão cotovelo e antebraço, além de transtorno de sensibilidade e

dor. Sendo o braço um segmento de grande importância para a realização de

atividades da vida diária é necessário desenvolver tecnologia assistiva que

auxilia na realização destas atividades e na reabilitação para minimizar as

sequelas oriundas da lesão. Assim o desenvolvimento de um exoesqueleto

para movimentos de cotovelo (extensão e flexão) poderá evitar a atrofia

muscular, consequência da imobilidade do segmento, e trazer maior grau de

autonomia ao indivíduo. Assim, será construído um exoesqueleto robótico para

membro superior com base de atuadores denominados de “Músculos

Artificiais”: PAM’s (músculo pneumático artificial) ou SMA’s (Shape Memory

Alloys) controlados por ar comprimido e tensão elétrica, respectivamente. A

utilização destes atuadores justifica-se pela possibilidade de movimentos

semelhantes aos músculos humanos, ou seja, trata-se de atuadores lineares.

Os pacientes serão do Instituto de Neurologia Deolindo Couto da UFRJ. Como

forma de avaliar a eficiência dos sistemas desenvolvidos, serão feitos testes

clínicos por intermédio de medidas cinemáticas do movimento dos pacientescom avulsão de plexo braquial. Os movimentos serão gravados com um


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sistema de câmeras. Marcadores passivos reflexivos colocados em referências

anatômicas para detecção de distâncias e orientação em relação a fontes

externas. Serão calculadas as seguintes variáveis cinemáticas, em cada plano:

velocidade média, aceleração média, velocidade máxima, aceleração máxima e

amplitude de movimento máxima.

Visando a suavizar os movimentos nos exoesqueletos para mimetizar os

executados pelo corpo humano será aplicada a Lógica Fuzzy, a qual é baseada

na imprecisão de informações, levando em consideração graus de verdades

em sua lógica.

Dentro do desenvolvimento dos exoesqueletos existirá um foco em

tecnologia de baixo custo, fácil operação e fácil transporte, com o intuito de que

o paciente possa leva-lo para seu domicilio e fazer uso continuo do mesmo.

Os procedimentos a serem realizados nos pacientes serão submetidos à

aprovação do Comitê de Ética e os termos de consentimento deverão ser

assinados.

e) Orçamento detalhado

Bolsas

1 DTI B por 24 meses: 24xR$3000,00 = R$72.000,00

1 EXP A por 24 meses: 24xR$4000,00 = R$96.000,00

Total de bolsas = R$168.000,00

Equipamento importado

Sistema robótico que permita interação humano-robô: US$ 30.000

(dólares americanos)

*Total equipamento = R$ 72.000,00

Material consumo importado

Servos mecanismos, componentes eletrônicos, kits de desenvolvimento,

etc: US$5.000,00

*Total material consumo importado = R$12.000,00

Considerando a cotação de Um dólar por 2,4 reais + 18% de taxas de

importação.

Material consumo nacional

Fontes, baterias, componentes eletrônicos, eletrodos, pasta eletrolítica,capacetes, músculos artificiais, etc


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Total Material consumo nacional = R$9.500,00

Total material consumo = R$21.500,00

Total Despesas acessóriais (18% de taxa de importação) = R$15.120,00

Serviços de terceiros

Projeto e construção de placas de circuitos impressos; serviços de

pessoas para auxilio ao desenvolvimento do projeto.

Total Serviços terceiros = R$17.000,00

Diárias

10 diárias (R$320,00) no pais para participação em eventos científicos

nacionais, visitas científicas e técnicas de membros da equipe.

Total de diárias = R$3.200,00

Passagens

Passagens para participação de eventos científicos e reuniões técnicas

de membros da equipe

Total passagens = R$3.000,00

Total solicitado no projeto = R$299.820,00

Em anexo 1 os planos de trabalho dos bolsistas.

f) Principais contribuições científicas, tecnológicas ou de

inovação

A principal contribuição deste projeto será fundar um grupo

multidisciplinar emergente especializado em tecnologia assistiva com base em

interfaces cérebro-máquina na UFRJ de modo a multiplicar o seu uso para a

melhora da qualidade de vida das pessoas. O desenvolvimento dessas novas

metodologias assistivas envolve profissionais de diversas áreas, tais como:

biólogos, físicos, médicos, psicólogos, engenheiros, fisioterapeutas,

educadores físicos, engenheiros biomédicos, cientistas da computação.

Esperamos que este Centro fomente o surgimento de novas metodologias para

avanço na área de interface cérebro-maquina, assim como tecnologia assistiva

avançada no domínio da neurociência da reabilitação. Formaremos, nos

próximos dois anos, pelo menos 5 mestres e 5 doutores altamente qualificados

nesse domínio de conhecimentos. Consolidaremos um grupo interdisciplinar


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em pesquisa básico-clinica em reabilitação neurológica e tecnologia assistiva.

Os resultado destes trabalhos resultarão na publicação de patentes e artigos

em revistas de escopo internacional.

Procuraremos associar as experiências distintas da equipe proponente

aqui listada de modo a resolver, de maneira integrada, problemas técnicos e

conceituais no contexto de projetos científicos que envolvam o estudo de

tecnologia assistiva em reabilitação motora. Esperamos que, se demonstradas

eficientes na promoção de reabilitação, estas abordagens possam vir a ser

utilizadas de modo sistemático em protocolos do serviço Clínico dos serviços

de fisioterapia no INDC e no setor de fisioterapia. Em longo prazo, estes

protocolos poderão vir a ser incorporados as praticas terapêuticas de outros

serviços clínicos ao nível nacional e internacional.

g) Cronograma físico-financeiro

No primeiro semestre (janeiro a julho de 2014), faremos a aquisição dos

equipamentos para montagem dos sistemas de interface cérebro-maquina. No

Anexo 3 existe uma tabela detalhada com os cronogramas Físico e Financeiro.

h) Identificação de todos os núcleos de pesquisa e

demais participantes do projeto

PROGRAMA DE ENGENHARIA BIOMÉDICA (PEB) – Instituto Alberto

Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa em Engenharia (Coppe) – UFRJ –

Conceito 7 da CAPES

Carlos Julio Tierra Criollo (coordenador do projeto – CNPq2), Antonio

Fernando Catelli Infantosi (CNPq1A), Antônio Maurício Ferreira Leite Miranda

de Sá (CNPq1D), Mauricio Cagy (CNPq1D), Luciano Menegaldo (CNPq2),

Alexsandro de Souza Teixeira da Silva (mestrando), Helton Nazareno

Castanheira Sousa (IME - possível bolsista), Aluízio Netto (doutorando).

INSTITUTO DE NEUROLOGIA DEOLINDO COUTO - UFRJ

Jose Fernando Guedes Correa, Paulo Tavares, Jose Luiz Cavalcanti,

Jose Vicente Martins , Cristina Wiggs


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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS BIOLÓGICAS

(FISIOLOGIA) - UFRJ

Claudia Domingues Vargas (CNPq 2), Fatima Cristina Erthal Smith.

Colaboradores: Ghislain Saunier (UFPA), Thiago Lemos (UNISUAM) Anaelli

Nogueira (UFJF). Doutorandos: Maite Mello Russo, Eduardo Martins, Maria

Luiza Rangel. Mestrandos: Lidiane Souza, Bia Ramalho.

Apoio técnico: Jose Magalhães, Luiz Bernardino.

SERVIÇO DE FISIOTERAPIA DO HOSPITAL UNIVERSITÁRIO

CLEMENTINO FRAGA FILHO - UFRJ

Ana Paula Fontana

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA –

UFMG – Conceito 6 da CAPES

Danilo Melges, Fabricio Erazo (doutorando)

i) Indicadores de acompanhamento

O desenvolvimento do projeto da tecnologia assistiva com base em ICM

e exoesqueletos será acompanhado por meio dos seguintes indicadores

físicos:

1º - Construção do sistema de registro de EEG;

2º - Construção do estimulador visual com LED’s;

3º - Construção da ICM;

4º - Construção do Exoesqueleto para LPB;5º - Construção do Exoesqueleto para AVE;

6º - Integração ICM Robô;

7º - Integração com Exoesqueletos;

O impacto da tecnologia assistiva em pacientes será acompanhado

pelos seguintes indicadores:

1º - Ganho funcional: Avaliaçoes regulares serão realizadas visando

estabelecer indicadores de como a tecnologia assistiva auxiliou os pacientes

nas suas atividades de vida diária. Esses indicadores incluirão protocolos de


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avaliação longitudinal da sensibilidade, através dos Monofilamentos de

Simmes-Weinstein (estesiômetro), da propriocepção e da habilidade para

movimentar o membro em tarefas uniarticulares e multiarticulares, além de

tarefas funcionais utilizando os testes de Wolf, *Complete Minnesota Manual

Dexterity Test*e *Box and Block Test.*

2º- Qualidade de vida: Serão aplicados questionários validados

internacionalmente visando avaliar dor, ansiedade/depressão e qualidade de

vida dos pacientes antes do uso e com o uso de tecnologia assistiva. Estes

instrumentos serão lidos para os pacientes e preenchidos pelos pesquisadores,

no sentido de minimizar o impacto de possíveis dificuldades na compreensão

das questões e finalização da avaliação.

Após pesquisa no INPI não foram encontradas patentes com tecnologias

relacionadas a tecnologias assistivas com ICM e exoesqueletos, assim poder-

se-á solicitar patente. Outros indicadores serão as publicações e a formação de

mestres e doutores.

j) Indicação de aderência social: instituições, entidades e

associações de pessoas com deficiência ou mobilidadereduzida

O INDC é um órgão suplementar do Centro de Ciências da Saúde da

UFRJ, fundado em 1946 como local de desenvolvimento da neurociência da

UFRJ. Durante muitos anos foi um grande centro de pesquisa em Neurologia,

pioneiro em Neurocirurgia e em programas de Pós graduação, como uma das

primeiras Residências Médicas especializadas do país e de curso de formação

de Mestrado e de Doutorado aprovados pelo MEC. Faz parte atualmente do

Complexo Hospitalar da UFRJ, recém aprovado pelo Conselho Universitário.

Mantém programas de integração pesquisa-assistência em doenças crônicas

degenerativas do sistema nervoso, como miopatias, neurologia cognitiva e do

comportamento, epilepsias e doença do neurônio motor. É campo de atuação

de alunos de psicologia, fisioterapia e fonoaudiologia, com projetos de pesquisa

também associados ao Instituto de Psiquiatria da UFRJ (IPUB). Mantém uma

revista regular trimestral (Revista Brasileira de Neurologia), indexada ao Lilacs,


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distribuída gratuitamente como educação continuada para mais de 1200

neurologistas e bibliotecas de todo o país. Entre os seus objetivos institucionais

atuais, destaca-se o de aproveitar sua estrutura física para o desenvolvimento

de projetos multidisciplinares e multiprofissionais relacionados à neurociência

da reabilitação. O INDC é um dos únicos hospitais públicos no Rio de Janeiro

que realiza cirurgias de nervos periféricos e de plexos nervosos. Os pacientes

acometidos destas doenças serão os maiores beneficiados com o

desenvolvimento do Núcleo de tecnologia assistiva em Reabilitação.

O serviço de fisioterapia do HUCFF foi criado e regulamentado pela

Portaria nº 175, em 10 de outubro de 2000, com o intuito de prestar

atendimento fisioterapêutico especializado aos pacientes do HospitalUniversitário Clementino Fraga Filho em diversas áreas, tais como: fisioterapia

traumato-ortopédica funcional, pneumo-funcional, neuro-funcional,

reumatologia, entre outras. Além disso, no serviço os alunos de último ano de

fisioterapia têm a oportunidade de realizar estágios necessários a sua

formação acadêmica. O Serviço é hoje referencia em atendimento de pacientes

pós AVC.

k) Disponibilidade efetiva de infra-estrutura e de apoio

técnico para o desenvolvimento do projeto

Temos hoje, distribuída entre os integrantes da rede que constitui o

núcleo de pesquisa em neurociências da reabilitação, uma estrutura que inclui

salas de experiência para registros eletro-encefalográficos, fisiológicos e

comportamentais em humanos. Há montagens para registro do tempo de

reação, sistemas de registro de sinais biológicos tais como eletro-encefalografia, eletro-oculografia, eletromiografia, eletrocardiografia,

pletismografia e condutância da pele. Há também montagem para aquisição de

sinal posturografico através de plataformas de força. Dispõe-se ainda de

eletroencefalógrafos de 32 canais. Além disto, adquirimos recentemente um

sistema de estimulação magnética transcraniana (EMT) Magpro, e um sistema

de EEG alta densidade (128 canais, GEODESIC), para a realização dos

estudos psicofísicos e neurofisiológicos. Temos parceria com o CentroUniversitário Augusto Motta (UNISUAM), com o único Mestrado Acadêmico


22/35

em Ciências da Reabilitação no estado do Rio de Janeiro, dispõe de

equipamentos para cinematografia, a análise dinâmica com acelerômetros,

células de carga e EMG. Temos hoje no laboratório um engenheiro eletrônico

contratado pela UFRJ responsável pela programação dos experimentos e um

técnico de nível superior em informática com bolsa de apoio técnico FAPERJ

que auxilia na montagem dos set ups experimentais e analise dos dados.

Contamos ainda com o apoio de um técnico de laboratório de nível médio. O

PEB/Coppe-UFRJ dispõe diferentes laboratórios com a estrutura física,

equipamentos e softwares para o desenvolvimento do projeto, como o

Laboratório de Processamento de Imagens e Sinais (LAPIS), coordenado pelo

Prof. Carlos Julio Tierra Criollo, e o Laboratório de Instrumentação Biomédica

(LIB).

l) Estimativa dos recursos financeiros de outras fontes

que serão aportados pelos eventuais agentes públicos e

privados parceiros;

Sob a coordenação de Claudia Vargas

FAPERJ Apoio a Hospitais Universitários E-26/110.526/2012- R$200.000,00

FAPERJ Bolsa de apoio técnico E 26/102.139/2011.

CNPq - 478537/2012-3 - Chamada Pública MCT/CNPq - N º 14/2012 -Universal 21.000,00

Com a participação de Claudia Vargas

CNPq (2012-2014), INTERAÇÃO ENTRE EMOÇÃO, ATENÇÃO E

AÇÃO, Coordenado pelo Prof. Ricardo Gattass.

MaClinC, coordenado pelo Prof. Jefferson Antonio Galves, IME/USP(2011-2013).

NeuroMat coordenado pelo Prof. Jefferson Antonio Galves, FAPESP

m) Comprovantes de patentes, depósitos de pedido de

patente e produtos e serviços tecnológicos

No anexo 2 está o documento de solicitação de patente do estimulador

visual


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n) Referências (instituição, coordenador, contatos

institucionais)

Carlos Julio Tierra Criollo

Professor Adjunto IV no Programa de Engenharia Biomédica/Coppe-

UFRJ, Chefe do Laboratório de Processamento de Imagens e Sinais (LAPIS).


Telefone: (21) 2562-8601

Claudia D. Vargas

Professor Associado II no Instituto de Biofisica Carlos Chagas Filho da

UFRJ e chefe do laboratório de neurociências e reabilitação do Instituto de

Neurologia Deolindo Couto da UFRJ.


Serviço de Fisioterapia do Hospital Universitário Clementino Fraga Filho

Profa. Ana Paula Fontana


mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


24/35

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Controle de músculo pneumático. Dissertação de Mestrado apresentada

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Anexo 1

PLANO DE TRABALHO do bolsista BTI -B - Desenvolvimento de

Exoesqueleto Robótico

OBJETIVO

Construir um exoesqueleto robótico mecânico microeletrônico

embarcado para utilização médica no tratamento de lesões do plexo braquial.

O Exoesqueleto Robótico será para membro superior considerando três

segmentos: Braço, antebraço e punho, acionado por comandos da atividade

elétrica cerebral (eletroencefalografia-EEG).

FERRAMENTAS

Manipuladores Robóticos para implementação de ICM (Interface cérebro

– máquina), microcontroladores para tecnologia embarcada no controle do

braço exoesqueleto robótico, com a utilização de músculos artificiais dos tipos

PMA’s (Músculos artificial pneumático) ou SMA’s (Shape Memory Alloy – Liga

de memória de forma) acionados por comandos extraídos do EEG.

ETAPAS DE EXECUÇÃO DO PROJETO

O desenvolvimento da pesquisa de implementação, terá a duração de 24

meses baseado nas seguintes etapas:Revisão de manipuladores robóticos – estudo da iteração humano-

robô, selecionar a tecnologia de robô mais adequada para aplicações com a

Interface Cérebro-Máquina. Familiarização e aprendizado da operação e

programação do robô a ser adquirido no projeto.

Desenvolvimento Teórico do Exoesqueleto - Pesquisa acadêmica

direcionada para o desenho da parte mecânica e eletrônica do Exoesqueleto

Robótico da ICM (interface cérebro-máquina).Seleção e compra de materiais - Busca e aquisição de materias que

posssibilitem implementações dos músculos artificiais e sistemas embarcados

para o controle do Exoesqueleto.

Montagem da estrutura mecânica do Exoesqueleto - Usinagem de

materias do Exoesqueleto para a estrutura mecânica.

Implementação do sistema embarcado de controle do Exoesqueleto

– Instalação eletrônica no Exoesqueleto e desenvolvimento de algorítimos decontrole

http://en.wikipedia.org/wiki/Shape_memory_alloyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Shape_memory_alloyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Shape_memory_alloyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Shape_memory_alloy


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Aquisição de sinais de sensores inerciais – Comparação da

cinemática do Exoesqueleto Robótico com dados da literatura, para avaliação

de desempenho.

Comissionamento do sistema - Trata-se da determinação das rotinas

para o funcionamento do sistema ICM com o Exoesqueleto.

Testes finais – Validação do produto final para utilização dos

equipamentos, tal como: criação de plano de manuteção, capacitação dos

operadores e previsão de atualização do sistema como um todo.

Publicações em congressos e periódicos

Criação de Patente


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PLANO DE TRABALHO Bolsista EXP A - Implementação da

Interface Cérebro-Máquina

OBJETIVO

Construir uma interface cérebro-máquina (ICM) com base na atividade

elétrica-cerebral (eletroencefalograma) para o controle de um robô para

iteração com humanos e exoesqueletos robóticos para utilização no tratamento

de lesões do plexo braquial e pacientes após episódio de AVE..

ETAPAS DE EXECUÇÃO DO PROJETO

Implementação do sistema de registro de EEG e EOG de 8 canais –

estudo do sistema de aquisição de EEG com base no ADS1299 em

desenvolvimento pelo nosso grupo. Construção do sistema de EEG para a

ICM.

Implementação do firmware do sistema de EEG - - estudo e

implementação do firmware para a aquisição dos sinais de EEG, pré-

processamento do EEG (filtragem, rejeição de artefatos) e comunicação com o

LabView.

Implementação do software para o processamento de sinais -

estudo e implementação em LabView das técnicas de extração de

características e classificação para o reconhecimento de padrões no EEG

relacionados a eventos cognitivos ou sensórias, os quais servirão de comando

para os atuadores.

Integração com o estimulador visual e atuadores – implementação

do firmware e software para integração com o robô e os exoesqueletos da ICM.

Teste da ICM – serão realizados testes do funcionamento da ICM com orobô.

Aplicações da ICM – a ICM será aplicada em pacientes com lesão do

plexo braquial e pacientes após acidente vascular encefálico.

Pedido de patente, publicações de artigos em eventos e periódicos

científicos.


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Anexo 2


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Anexo 3


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projeto tec assitivas cnpq 2013 fim.pdf

Documents