sistema de controle de dispositivos através de eletromiografia · 2015-06-18 · significa dar...
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CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
SISTEMA DE CONTROLE DE DISPOSITIVOS ATRAVÉS DE
EMG (ELETROMIOGRAFIA)
André Luiz Gonçalves Pepino
Monografia apresentada à disciplina de Projeto Final como requisito parcial à conclusão
do Curso de Engenharia da Computação, orientada pelo Prof. José Carlos da Cunha.
UNICENP/NCET
Curitiba
2007
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TERMO DE APROVAÇÃO
André Luiz Gonçalves Pepino
SISTEMA DE CONTROLE DE DISPOSITIVOS ATRAVÉS DE EMG
(ELETROMIOGRAFIA)
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação do Centro Universitário Positivo, pela seguinte banca examinadora:
Prof. José Carlos da Cunha (Orientador)
Prof. Valfredo Pilla Jr.
Prof. Mauricio Perretto
Curitiba, 10 de Dezembro de 2007.
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Agradecimentos
A conclusão de um curso de graduação é apenas um dos passos no desenvolvimento
pessoal e profissional de uma pessoa. Aumentar a nossa capacidade de desenvolvimento
significa dar chances para novas oportunidades e caminharmos através de novos horizontes, o
que é fundamental para enfrentarmos os desafios de nosso tempo. Um tempo onde a única
constante é a mudança.
Agradeço a Deus por ter me dado a graça de viver e sempre iluminar meus caminhos em
todos os momentos da minha vida.
Agradeço aos meus pais e familiares pelo grande apoio, pelas condições proporcionadas a
minha pessoa e, acima de tudo, pela educação e valores que me foram passados.
Ao meu padrinho, amigo e exemplo de vida Josiel Gonçalves Rôlo, pela torcida e
incentivo constante nesta etapa da minha vida, sempre me acompanhando com muita alegria
cada pequena vitória alcançada.
À minha amada namorada Ivy Faigle Soares, pelo apoio, atenção, dedicação, carinho e
paciência durante todo o meu processo de formação acadêmica.
Aos professores do curso de Engenharia da Computação do UnicenP, os quais foram
responsáveis pela minha formação.
Ao meu amigo, professor e orientador José Carlos da Cunha pela sua grande dedicação e
conhecimento, não só na realização deste projeto, mas também em meus projetos pessoais e
profissionais.
Este trabalho de conclusão de curso não teria sido desenvolvido sem a participação de
muitos amigos, os quais agradeço muito por terem me ajudado a tornar o sonho de formação, em
realidade.
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Sumário
Lista de Figuras ............................................................................................................................. 10
Lista de Tabelas ............................................................................................................................ 13
Lista de Siglas ............................................................................................................................... 15
Lista de Símbolos .......................................................................................................................... 16
Resumo ......................................................................................................................................... 17
Abstract ......................................................................................................................................... 19
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 21
1.1. MOTIVAÇÃO .................................................................................................................. 22
1.2. DEFINIÇÃO DO TRABALHO ........................................................................................ 22
1.3. CONTEXTUALIZAÇÃO NOS DIAS ATUAIS .............................................................. 23
1.4. DESCRIÇÃO DAS PRINCIPAIS FUNCIONALIDADES ............................................. 24
1.5. TECNOLOGIAS UTILIZADAS NA IMPLEMENTAÇÃO ........................................... 24
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................................................ 25
2.1. TEORIA PURA E APLICADA À PRÁTICA .................................................................. 25
2.1.1. BIOPOTENCIAIS ..................................................................................................... 25
2.1.2. CÉLULAS COMO SISTEMAS ELÉTRICOS .......................................................... 26
2.1.3. COMPONENTES DOS CIRCUITOS CELULARES ............................................... 28
2.1.3.1. MEMBRANAS COMO PLACAS DE CAPACITORES ................................... 28
2.1.3.2. CANAIS DE DIFUSÃO E BOMBAS IÔNICAS .............................................. 30
2.1.4. ATIVAÇÃO DOS NERVOS MOTORES E SENSITIVOS ..................................... 31
2.1.4.1. O POTENCIAL DE AÇÃO NEURAL............................................................... 32
2.1.4.2. LIMIAR PARA A EXCITAÇÃO E POTENCIAIS LOCAIS ........................... 35
2.1.5. ELETROMIOGRAFIA (EMG) ................................................................................. 36
2.1.5.1. VOLUME CONDUTOR .................................................................................... 36
2.1.5.2. O SINAL ELETROMIOGRÁFICO ................................................................... 38
2.1.5.3. ELETRODOS PARA BIOPOTENCIAIS .......................................................... 41
2.2. TEORIA DE HARDWARE .............................................................................................. 44
2.2.1. AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAÇÃO..................................................... 45
7
2.2.2. FILTROS ATIVOS .................................................................................................... 47
2.2.3. RETIFICADORES DE PRECISÃO .......................................................................... 52
2.2.4. DETECTORES DE PICO .......................................................................................... 53
2.3. TEORIA DE SOFTWARE ............................................................................................... 55
2.3.1. PROGRAMAÇÃO ORIENTADA A OBJETOS ...................................................... 55
2.3.1.1. OBJETOS ........................................................................................................... 56
2.3.1.2. CLASSES ........................................................................................................... 56
2.3.2. PROGRAÇÃO EM CAMADAS ............................................................................... 57
2.3.3. THREAD ................................................................................................................... 59
3. ESPECIFICAÇÕES............................................................................................................... 60
3.1. ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE ............................................................................. 60
3.1.1. MÓDULO DE TRATAMENTO DO SINAL DE EMG ........................................... 60
3.1.1.1. AMPLIFICAÇÃO DO SINAL ........................................................................... 61
3.1.1.2. ELIMINAÇÃO DE RUÍDOS ............................................................................. 61
3.1.1.3. PRÉ-PROCESSAMENTO DO SINAL ANALÓGICO ..................................... 61
3.1.2. MÓDULO DE PROCESSAMENTO DIGITAL ....................................................... 62
3.2. ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE............................................................................... 63
3.2.1. FIRMWARE DO MICROCONTROLADOR ........................................................... 63
3.2.2. SOFTWARE DO COMPUTADOR .......................................................................... 64
4. ESPECIFICAÇÃO DE VALIDAÇÃO DO PROJETO ........................................................ 65
4.1. TESTES IN VITRO ........................................................................................................... 65
4.2. TESTES IN VIVO ............................................................................................................. 65
5. PROJETO DO HARDWARE ............................................................................................... 66
5.1. ALIMENTAÇÃO ............................................................................................................. 66
5.2. ELETRODOS ................................................................................................................... 67
5.3. FILTRO PASSIVO PASSA-ALTA .................................................................................. 67
5.4. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO ................................................................ 68
5.5. FILTRO PASSA BAIXAS ............................................................................................... 69
5.6. FILTRO NOTCH .............................................................................................................. 69
5.7. RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA ....................................................................... 70
8
5.8. DETECTOR DE PICO ..................................................................................................... 71
5.9. CONVERSOR A/D ........................................................................................................... 71
5.10. MICROCONTROLADOR ............................................................................................... 72
5.11. SERIALIZAÇÃO DOS DADOS ...................................................................................... 73
6. PROJETO DO SOFTWARE ................................................................................................. 74
6.1. DIAGRAMA DE CASOS DE USO ................................................................................. 74
6.2. DIAGRAMA DE CLASSES ............................................................................................ 75
7. RESULTADOS ..................................................................................................................... 76
8. CONCLUSÃO ....................................................................................................................... 79
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 80
10. ANEXOS ............................................................................................................................... 81
10.1. ANEXO 1 - CRONOGRAMA DE DESENVOLVIMENTO ........................................... 81
10.1.1. DATAS IMPORTANTES ......................................................................................... 81
10.1.2. CRONOGRAMA DO PROJETO .............................................................................. 82
10.2. ANEXO 2 - ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO-ECONOMICA ......................... 83
10.3. ANEXO 3 - ARTIGO ....................................................................................................... 85
10.4. ANEXO 4 – MANUAL .................................................................................................... 90
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Lista de Figuras
Figura 1: Estrutura celular [KITCHEN, 1998]. ............................................................................ 26
Figura 2: Estrutura da membrana celular [KITCHEN, 1998]....................................................... 29
Figura 3: Diferenças relativas nas concentrações de cátions [KITCHEN, 1998]. ........................ 30
Figura 4: Atividades dos canais em bombas iônicas [KITCHEN, 1998] ..................................... 31
Figura 5: Potencial de Ação da Membrana [Adaptado de HALL, 1997]. .................................... 32
Figura 6: Resumo dos eventos que produzem um potencial de ação [HALL, 1997]. .................. 34
Figura 7: Limiar de excitação [HALL, 1997]. .............................................................................. 35
Figura 8: Potencial extracelular detectado em um volume condutor [WEBSTER, 1995]. .......... 37
Figura 9: Sinal de EMG genérico [WEBSTER, 1995]. ................................................................ 38
Figura 10: EMG durante diferentes níveis de contração e esforço [WEBSTER, 1995]. .............. 39
Figura 11: Espectro de freqüência do sinal de EMG [WEBSTER, 1995]. ................................... 40
Figura 12: Ilustração de um eletrodo de agulha [Adaptado de WEBSTER, 1995]. ..................... 42
Figura 13: Ilustração de um eletrodo de superfície de placa metálica [WEBSTER, 1995].......... 42
Figura 14: Posicionamento do eletrodo e a qualidade do sinal de EMG ...................................... 43
Figura 15: Posicionamento dos eletrodos e a unidade motora do bíceps ..................................... 44
Figura 16: Diagrama em blocos geral do sistema. ........................................................................ 45
Figura 17:Configuração clássica de um AI [FRANCO, 1998]. .................................................... 46
Figura 18: Comparação da taxa de atenuação entre os diferentes tipos de filtros. ....................... 49
Figura 19: Comparação da mudança de fase do sinal pelos diferentes tipos de filtros. ............... 49
Figura 20: Curva de resposta de um filtro passa baixa. ................................................................ 50
Figura 21: Curva de resposta de um filtro passa alta. ................................................................... 50
Figura 22: Curva de resposta de um filtro passa faixa. ................................................................. 51
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Figura 23: Curva de resposta de um filtro rejeita faixa. ............................................................... 51
Figura 24: Circuito teórico para um retificador de onda completa [PERTENCE, 2003]. ............ 52
Figura 25: Funcionamento de um retificador de onda completa [PERTENCE, 2003]. ............... 53
Figura 26: Funcionamento ideal de um detector de pico [FRANCO, 1998]. ............................... 54
Figura 27: Circuito de um detector de pico. ................................................................................. 54
Figura 28: Modelos de 2 e 3 camadas [THOMAS, 1999]. ........................................................... 58
Figura 29: Software do Microcontrolador 8952. .......................................................................... 63
Figura 30: Software do computador. ............................................................................................ 64
Figura 31: Circuito básico de regulação de tensão. ...................................................................... 66
Figura 32: Configuração e conexões do amplificador de instrumentação. ................................... 68
Figura 33: Esquemático do Filtro Passa Baixas 150Hz. ............................................................... 69
Figura 34: Esquemático do Filtro Notch 60Hz. ............................................................................ 70
Figura 35: Esquemático do Retificador de Onda Completa. ........................................................ 70
Figura 36: Circuito do detector de pico ........................................................................................ 71
Figura 37: Módulo de processamento (Conversor A/D e Microprocessador) .............................. 72
Figura 38: Esquemático padrão de montagem do MAX232. ....................................................... 73
Figura 39: Diagrama de Casos de Uso. ......................................................................................... 74
Figura 40: Diagrama de Classes ................................................................................................... 75
Figura 41: Saída do sinal EMG antes do módulo de pré-processamento. .................................... 76
Figura 42: Saída do sinal pronta para ser convertida em digital. .................................................. 77
Figura 43: Software apresentando sinais não esperados nos canais 3 e 4. ................................... 77
Figura 44: Sistema em funcionamento. ........................................................................................ 78
Figura 45: Software exibindo sinais simulados. ........................................................................... 78
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Lista de Tabelas
TABELA 1: Estudo de viabilidade econômica..................................................................83
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Lista de Siglas
AI – Amplificador de Instrumentação BD – Banco de Dados EMG – Eletromiografia ENG – Eletroneurografia ERG – Eletroretinografia ECG – Eletrocardiografia FPA – Filtro Passa-alta FPB – Filtro Passa-baixa PC – Personal Computer SMU – Single Motor Unit UML – Unified Modeling Language
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Lista de Símbolos
Ω – Ohm µ – Micro m – Mili V – Volt Ka+ – Íon de Potássio Na+ – Íon de Sódio
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Resumo
Indivíduos portadores de deficiências físicas encontram muitas dificuldades na vida
cotidiana em decorrência de suas limitações. No entanto, hoje é possível encontrar diversos
meios para que essas pessoas sintam-se como parte atuante da sociedade novamente.
Este projeto visa o desenvolvimento de um equipamento voltado ao controle de um
simulador de diversos dispositivos eletrônicos através de um sistema capaz de reconhecer
estímulos musculares oriundos do pescoço (músculos esternocleidomastóideo e trapézio) e
transformá-los em sinais digitais compatíveis com o objetivo proposto.
A idéia é que o usuário, com os eletrodos devidamente fixados e posicionados, faça
movimentos com seu pescoço e envie instantaneamente as informações dos estímulos elétricos –
eletromiografia (EMG) - através de cabos específicos para o hardware de tratamento de sinais
analógicos. Este, por fim, enviará os sinais tratados, já convertidos em digitais para um
computador, o qual fará a leitura e interpretação destas informações. Dessa forma, o usuário
poderá controlar qualquer dispositivo eletrônico, tal como um computador ou uma cadeira de
rodas, através de portas de comunicação serial e USB.
Palavras chave: Controle, Dispositivos Eletrônicos, Eletromiografia, EMG, Biopotenciais.
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Abstract
People who have physical disabilities face many difficulties in their daily lives in
consequence of their physical limitations. Nevertheless, nowadays it is possible to find several
ways to make them useful and active in our society again.
This project aims the development of an equipment which can control a simulator of
many electronic devices through a system capable of recognizing neck muscles excitement
(chiefly the one from sternocleidomastoid muscle), and turn theses signs into digital ones,
consistent with the suitable device compatible with the purpose presented.
The main idea is that the user, with fixed electrodes in the right position on the neck,
make some movements with his head, so that the electric impulses originate in the neck will be
sent at the same time to the hardware, by using specific cables for analogical signal treatment.
Then hardware will send these treated signs, which have already turned into digital ones, to a
computer, which will read and interpret data. Hence, it will be possible for the user to control any
device, such as a computer or a wheel chair, by USB and serial port.
Keywords: Control, Electronic Devices, Electromyography, EMG, Biopotentials.
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1. INTRODUÇÃO
A crescente dependência da população em relação à utilização de equipamentos
eletroeletrônicos fez com que uma nova maneira de gerenciar o uso destes equipamentos fosse
repensada. Porém, chegou-se a tal ponto que essa administração não supria mais as necessidades
de certas pessoas, que precisam estar controlando mais dispositivos ao mesmo tempo do que
conseguem, inclusive pessoas que não podem controlar nenhum dispositivo sequer, como alguns
tipos de portadores de deficiência física.
O número de pessoas portadoras de tetraplegia é muito maior do que a maioria das
pessoas imagina, pois esses indivíduos são freqüentemente mantidos em suas residências (em
suas camas), absolutamente isolados do mundo; e quanto mais pobre, menos acesso terá a
tecnologias assistivas, e portanto mais isolado estará o indivíduo.
Embora os dados do censo brasileiro de 2000 [IBGE, 2000] não forneçam informações
detalhadas, pode-se estimar em cerca de 200.000 pessoas portadoras de tetraplegia no Brasil. Sob
diversos aspectos, um indivíduo tetraplégico está em ampla desvantagem em relação a uma
pessoa normal. Ele está impedido de andar e, como existe a deficiência nos membros superiores,
também apresenta muita dificuldade para acionar dispositivos que exijam atuação de ordem
física (como cadeiras de rodas).
Até mesmo ficar o tempo todo na cama pode ser mortal: quase sempre ocorrerão escaras,
feridas abertas devido à circulação sangüínea interrompida pelo peso do próprio corpo, que
podem evoluir para uma infecção generalizada. A falta de movimento e controle das mãos pode
ser leve, e com a ajuda de órteses, dispositivos utilizados para auxiliar o tratamento médico com
a finalidade de melhorar a capacidade funcional do indivíduo, pode ser possível comer e
escrever. No entanto, pode ser tão severa que impeça isso completamente, sendo a pessoa
obrigada a contar com o auxílio de outras pessoas para realizar sua alimentação, higiene, acesso
a itens de cultura (em outras palavras, ler e escrever), acesso a itens de comunicação (telefone,
aparelho de televisão, computadores etc) e assim por diante.
De qualquer forma, a vida de um tetraplégico é sempre muito difícil, pois ele dependerá
da ajuda constante de outras pessoas para tais tarefas. Essa dependência acaba por trazer ao
longo do tempo o afastamento do tetraplégico do universo social, com várias conseqüências de
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ordem psicológica. Apesar dessa perspectiva tão negativa, hoje já é possível o acesso a um
imenso arsenal tecnológico, o qual tem tornado viável uma vida muita menos complicada, tanto
para a pessoa portadora de tetraplegia quanto para a sua família e a sociedade na qual ele está
inserido. Muitos destes sistemas são ativados por voz, eliminando a necessidade do uso das
mãos. Em alguns casos já estão disponíveis alternativas pouco convencionais, como o
acionamento de dispositivos com um sopro ou até pelo reconhecimento eletrônico do movimento
do olho.
1.1. MOTIVAÇÃO
Poder contribuir com pessoas que precisam controlar dispositivos eletrônicos de uma
forma alternativa é muito interessante, principalmente se tratando de pessoas portadoras de
deficiência física; isso torna o objetivo do projeto muito mais gratificante, já que qualquer
melhoria na qualidade de vida dessas pessoas é um ato de inclusão social muito importante.
Além de portadores de deficiência física, existem profissionais que utilizam as mãos e
pés para realizar suas tarefas, mas ainda sim possuem uma necessidade de controlar outros
equipamentos, sendo necessário assim o auxílio de outra pessoa ou a interrupção de uma tarefa
para a execução de outra, como por exemplo, médicos, dentistas, pilotos, montadores, entre
outros.
O presente projeto está voltado a essas necessidades, tornando-as mais acessíveis ao seu
uso de forma simples, rápida e fácil, interferindo o menos possível com o usuário.
1.2. DEFINIÇÃO DO TRABALHO
O projeto aqui proposto visa o desenvolvimento de um equipamento voltado ao controle de
um simulador de dispositivos eletrônicos através de um sistema que será capaz de reconhecer
estímulos musculares de partes do pescoço humano e transformá-los em sinais digitais
compatíveis com o dispositivo desejado para o uso.
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A idéia é que o usuário, com os eletrodos devidamente fixados e posicionados
adequadamente, faça movimentos com seu pescoço e envie instantaneamente as informações dos
estímulos elétricos (EMG) através de cabos específicos para o hardware de tratamento de sinais
analógicos. Este, por fim, enviará os sinais tratados, já convertidos em digitais para um
computador, que fará a leitura e interpretação destas informações, podendo assim controlar o
programa simulador de dispositivos.
Basicamente o sistema de aquisição e tratamento de dados conterá filtros analógicos,
amplificadores operacionais, conversor analógico-digital, um microprocessador e um
componente de serialização de dados, que será responsável pelo envio das informações vindas
dos eletrodos para o computador.
Após o recebimento dos sinais tratados, o computador executará um software,
desenvolvido especificamente para o projeto, que irá interpretar os dados recebidos. O software
terá uma interface simples e de fácil entendimento, para que valide o estudo aplicado no projeto.
1.3. CONTEXTUALIZAÇÃO NOS DIAS ATUAIS
Mesmo considerando as limitações dos portadores de deficiência físicas, hoje pode-se
encontrar diversos meios para que o indivíduo sinta-se como parte atuante da sociedade
novamente. Um exemplo é o Mouse Controlado por Sistema de Pressão [Cunico & Cunha,
2007], o qual possibilita portadores de Tetraplegia controlar um mouse, que por sua vez permite
o controle quase integral de um computador pessoal, através do ato de soprar. Existem outros
meios desenvolvidos que também são dedicados a esse tipo de acessibilidade, como o projeto
Motrix [Borges, 2006], que permite o controle do computador através de comandos de voz.
Seguindo este raciocínio, porém voltado para o cotidiano de pessoas com a integridade
física, existem diversas ferramentas que permitem o controle de telefones celulares através de
comandos de voz [Voice], programas de computadores que substituem a digitação do usuário por
apenas uma narração [IBM ViaVoice, 2005] e mouses que são controlados apenas com o
posicionamento dos olhos. Enfim, hoje está cada vez mais comum a acessibilidade alternativa de
dispositivos eletrônicos para facilitar a vida das pessoas.
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1.4. DESCRIÇÃO DAS PRINCIPAIS FUNCIONALIDADES
O usuário, com os eletrodos dispostos corretamente em seu pescoço, irá ligar o sistema
através de uma chave LIGA/DESLIGA.
A partir desta etapa o usuário poderá utilizar a contração dos músculos que estão sendo
monitorados pelo sistema para a ativação e desativação das funcionalidades programadas até que
o sistema seja desligado.
Uma vez que o sistema esteja ligado e conectado ao computador, o usuário poderá
visualizar no monitor qual parte do pescoço ele está mexendo (contraindo) e a simulação do
acionamento do dispositivo correspondente a aquela região estimulada. Por exemplo, um
tetraplégico que deseja controlar sua cadeira de rodas elétrica, primeiramente ativa o sistema e
logo após configurado a comunicação serial, ele estará controlando os movimentos de “ir em
frente” movimentando sua cabeça para frente, “virar à esquerda” movimentando sua cabeça para
sua esquerda, “virar à direita” movimentando sua cabeça para a direita, “ir para trás” movendo
sua cabeça para trás e “parado” deixando sua cabeça normalmente ereta até o sistema seja
desativado. O usuário poderá também visualizar os sinais eletromiográficos em tempo real,
acompanhando assim cada contração com sua respectiva intensidade através de quatro gráficos
dispostos na tela do sistema.
1.5. TECNOLOGIAS UTILIZADAS NA IMPLEMENTAÇÃO
A grande tecnologia implementada foi a relacionada ao uso de sinais eletromiográficos
(EMG), obtidos através dos eletrodos fixados na região do pescoço; logo em seguida são feitos o
tratamento e processamento desses sinais, os quais são de uma amplitude baixa (entre 100µV e 5
mV) e são muito suscetíveis a ruídos [WEBSTER, 1995]; por fim é feita a conversão dos sinais
analógicos em digitais, capazes de realizar o interfaceamento Homem-Máquina através do
software em execução no computador.
Outro ponto que merece destaque são os componentes utilizados no pré-processamento
do sinal, todos muito específicos e criados para esse tipo de aplicação crítica. Foram usados
amplificadores operacionais e de instrumentação de precisão de baixa potência, que possuem um
alto CMRR (por volta dos 120bB), baixíssimos valores de Offset e de Drift.
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2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. TEORIA PURA E APLICADA À PRÁTICA
2.1.1. BIOPOTENCIAIS
Na prática da clínica moderna, uma variedade de sinais bioelétricos pode ser lida
rotineiramente. Através de equipamentos de monitoração adequados, os engenheiros de hoje
podem ler muitas formas de fenômenos bioelétricos com relativa facilidade. Dentre estes
fenômenos incluem-se eletrocardiogramas (ECG), eletroretinogramas (ERG), eletroneurogramas
(ENG), eletromiogramas (EMG), entre outros biopotenciais [WEBSTER, 1995].
Biopotenciais ou Potenciais Bioelétricos são gerados como resultado de atividades
eletroquímicas de certos tipos de células, conhecidas como células excitáveis; estas são
componentes de tecidos nervosos, musculares e até mesmo glandulares [KITCHEN, 1998].
Os tecidos biológicos parecem tão diferentes em sua natureza hidratada e salinizada em
comparação a equipamentos eletrônicos, como por exemplo, um aparelho televisor, com suas
fiações e instalações metálicas, que à primeira vista nada teriam em comum. Ainda assim,
notamos que células vivas dependem da atividade elétrica para sua própria existência e
sobrevivência e os tecidos constituídos por estas células, como osso e fáscia, exibem uma ampla
gama de propriedades elétricas. As células obedecem às mesmas leis que regem o uso de
componentes elétricos e também usam as mesmas unidades como tensão, capacitância, fluxo de
corrente e impedância [KITCHEN, 1998] [HALL, 1997].
Como será observada, a principal diferença entre a eletricidade nos tecidos biológicos e a
eletricidade nos equipamentos é que as células usam átomos eletricamente carregados, ou íons,
para o movimento das cargas, enquanto que os sistemas elétricos utilizam elétrons [KITCHEN,
1998].
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2.1.2. CÉLULAS COMO SISTEMAS ELÉTRICOS
As células vivas lançam mão de muitas das propriedades dos sistemas elétricos, por
exemplo: geram força eletromotriz (f.e.m.), mantém uma diferença de potencial necessária entre
dois pontos, possuem impedância e armazenam carga [HALL, 1997].
Na figura 1 observa-se as principais estruturas celulares, que irão variar de acordo com o
tipo de célula.
Figura 1: Estrutura celular [KITCHEN, 1998].
Observa-se que as células são circuitos úmidos, que operam em um meio salino
condutivo. Em termos elétricos, as células têm a grande vantagem de serem muito compactas,
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como vias condutoras extremamente curtas (cerca de 10-20 nanômetros); mas, por outro lado, as
células funcionam sob algumas desvantagens consideráveis quando comparadas a circuitos
eletrônicos. As células devem [ALBERTS, 1991]:
• Continuamente construir e substituir todas as suas estruturas;
• Trabalhar de forma contínua para gerar e manter regiões de propriedades elétricas
diferentes, em contraposição à contínua evasão de carga.
O trabalho incessante envolvido na obtenção e manutenção destas necessidades elétricas
essenciais consome cerca de 50-60% da atividade metabólica de uma célula [KITCHEN, 1998].
Em contraposição, os circuitos eletrônicos são circuitos secos, havendo uma nítida
distinção entre os componentes condutores e não condutores. Assim, circuitos secos possuem as
seguintes vantagens:
• Substituição ocasional de componentes;
• Os componentes podem armazenar e mobilizar a carga, sem vazamento.
Outra grande diferença situa-se no tipo de carga utilizada. Os circuitos eletrônicos usam
elétrons, que possuem uma massa desprezível, são altamente móveis e possuem um diâmetro
cerca de 100.000 (cem mil) vezes menor que um átomo [HALL, 1997]. As células, por sua vez,
usam átomos que se tornam carregados em decorrência do ganho ou da perda de elétrons na
camada de valência. Em comparação com um elétron, os átomos carregados (íons) são muito
pesados, devido às massas dos prótons e nêutrons; apesar disso, possuem a mesma carga unitária.
As massas e dimensões relativamente volumosas dos íons implicam que estas estruturas
dependem de muito mais energia para o controle de seus movimentos e que elas aceleram com
uma lentidão muito maior ao longo de um determinado gradiente de diferença de potencial em
comparação com os elétrons. Esta é uma das razões pelas quais as trocas iônicas celulares
tendem a apresentar tempos de resposta da ordem de milissegundos (10-3s), em contraste com os
tempos de resposta na faixa de nanossegundos (10-9s) e até attossegundos (10-18s) dos circuitos
eletrônicos [KITCHEN, 1998] [HALL, 1997].
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2.1.3. COMPONENTES DOS CIRCUITOS CELULARES
Os principais componentes utilizados pela célula são as membranas, bombas iônicas e
canais de difusão iônica [HALL, 1997].
As membranas são estruturas lipoprotéicas muito finas, formadas por fosfolipídios e
proteínas, que se apresentam de forma dinâmica, distribuídos conforme o modelo do mosaico
fluido, ou seja, os fosfolipídios se deslocam continuamente sem perder o contato uns com os
outros, e as moléculas de proteína "flutuam" nestes lipídeos, podendo se deslocar de um lado
para o outro.
Ela é também responsável pela seleção das substâncias que devem entrar ou sair da
célula, pois a célula viva deve trocar substâncias com o meio. Portanto, se diz que a membrana
plasmática possui uma permeabilidade seletiva.
A célula apresenta uma composição química diferente do meio externo. Esta diferença se
mantém graças a Membrana Celular, também chamada de Membrana Plasmática ou Plasmalema.
A capacidade que a célula tem de manter sua composição química diferente da
composição do meio externo, selecionando o que vai entrar e o que vai sair, é chamada de
Permeabilidade Seletiva. Permeabilidade, porque permite a passagem e Seletiva, porque escolhe
as substâncias que entrarão ou sairão.
Para que uma substância passe através de uma membrana, é necessário que exista uma
via de passagem para essa substância, seja através da bicamada lipídica, seja através de uma
proteína. Se existir essa via de passagem, a membrana é permeável àquela dada substância.
Esta troca de substancias contínua é dada pela ação das bombas iônicas, que mantêm o
potencial elétrico basal entre os lados externo e interno da célula. Tal ação só ocorre por existir
canais que permitem a seletividade da célula, chamados de canais de difusão iônica [HALL,
1997].
2.1.3.1. MEMBRANAS COMO PLACAS DE CAPACITORES
As membranas celulares têm espessuras entre 7,5 e 10 nm [HALL, 1997] [KITCHEN,
1998] [WEBSTER, 1995] e são compostas por um conjunto altamente móvel e intimamente
29
compactado de moléculas proteolipídicas, dispostas na forma de uma bicamada com suas caudas
lipídicas, conforme mostrado na figura 2.
Figura 2: Estrutura da membrana celular [KITCHEN, 1998].
A membrana celular possui uma permeabilidade seletiva aos íons de sódio (Na+),
potássio (K+) e cloro (Cl-), impossibilitando o fluxo de outros ânions ou proteínas, extra ou
intracelulares. Ou seja, no estado de repouso de uma célula, a membrana é relativamente
impermeável aos íons de Na+ e muito permeável aos íons de K+ e Cl- (a permeabilidade da
membrana ao íon de potássio – PK - é aproximadamente 50-100 vezes maior que a
permeabilidade ao íon de sódio - PNa). Isto faz com que a superfície externa tenha uma carga
positiva mais elevada que a superfície interna, o que proporciona maior número ou densidade de
Na+ e outros cátions por unidade de área na superfície externa do que o número ou densidade de
K+ na superfície interna. Esta separação de cargas resulta numa diferença de potencial média
através da membrana (também chamado de potencial de repouso) de aproximadamente 80mV
[HALL, 1997] [WEBSTER, 1995].
Na figura 3 observamos as diferenças relativas nas concentrações de cátions em cada lado
da membrana celular:
30
Figura 3: Diferenças relativas nas concentrações de cátions [KITCHEN, 1998].
2.1.3.2. CANAIS DE DIFUSÃO E BOMBAS IÔNICAS
A separação iônica através de uma membrana é controlada por bombas iônicas
direcionais, como a bomba de Na+/K+, que ejeta dois íons de Na+ para fora da célula para cada
íon de K+ que entra na célula. A separação destas cargas é mantida pela interposição da
espessura da membrana. Outra bomba iônica de importância vital é a bomba do íon de cálcio,
que mantém os íons Ca2+ fora da célula numa concentração cerca de 10.000 (dez mil) vezes
maior que no interior da célula [HALL, 1997].
Os canais iônicos de difusão passiva são controlados pela variação do diâmetro e pela
carga do revestimento do canal iônico, conforme a necessidade [HALL, 1997].
31
O equilíbrio eletroquímico total funciona como uma bateria iônica, criando um potencial
de repouso através da membrana, que internamente é negativo [KITCHEN, 1998].
A figura 4 resume a atividade destes canais e bombas iônicas, listadas pelos itens de A-K.
Figura 4: Atividades dos canais em bombas iônicas [KITCHEN, 1998]
2.1.4. ATIVAÇÃO DOS NERVOS MOTORES E SENSITIVOS
As correntes que estimulam músculos e nervos são correntes elétricas capazes de causar a
geração de potenciais de ação. Estas correntes devem ter intensidade suficiente e duração
apropriada para causar a despolarização da membrana nervosa ou muscular [KITCHEN, 1998].
32
2.1.4.1. O POTENCIAL DE AÇÃO NEURAL
A distribuição desigual dos íons através da membrana celular das células nervosas e
musculares forma a base para a geração dos potenciais de ação. As células nervosas e musculares
são excitáveis, o que significa que estas células são capazes de gerar um potencial de ação em
seguida à aplicação de um estímulo adequado [KITCHEN, 1998] [HALL, 1997].
Sinais nervosos são transmitidos por potenciais de ação, que são variações rápidas do
potencial da membrana. Cada potencial de ação começa por uma alteração abrupta do potencial
de repouso (normalmente negativo) para um potencial de membrana positivo, terminando por um
retorno igualmente rápido ao potencial negativo. Para conduzir um sinal neural, um potencial de
ação se desloca, ao longo da fibra nervosa, até atingir sua extremidade [HALL, 1997].
A figura 5 mostra as alterações que ocorrem na membrana durante o potencial de ação,
com transferência de cargas positivas para o interior da fibra em seu começo e o retorno das
cargas positivas para o exterior a seu término. O painel inferior representa graficamente as
variações sucessivas do potencial de membrana, durante alguns milésimos de segundo,
ilustrando o início explosivo do potencial de ação e a recuperação igualmente rápida [HALL,
1997].
Figura 5: Potencial de Ação da Membrana [Adaptado de HALL, 1997].
33
Os potenciais de ação podem ser descritos através de três etapas sucessivas.
• Estado de repouso: corresponde ao potencial de repouso da membrana antes que
comece o potencial de ação. Considera-se que a membrana está polarizada
durante esta etapa, devido à presença de grande potencial negativo da membrana.
• Etapa de despolarização: Neste ponto a membrana fica subitamente permeável
aos íons de sódio, permitindo o fluxo de grande quantidade destes íons com carga
positiva, para o interior do axônio. O estado polarizado normal, cerca de -90mV,
desaparece, com o potencial variando rapidamente na direção positiva, assim,
sendo chamado de despolarização. Nas fibras nervosas mais grossas, o potencial
da membrana ultrapassa (overshoot) o potencial zero, atingindo valores positivos,
mas, em algumas fibras delgadas, bem como em muitos neurônios do sistema
nervoso central, o potencial simplesmente chega próximo ao potencial zero, mas
não o ultrapassa, ou seja, não atinge potencial positivo [HALL, 1997];
• Etapa de repolarização: dentro de milissegundos, após a membrana ter ficado
muito permeável aos íons de sódio, os canais de sódio começam a se fechar,
enquanto os canais de potássio se abrem mais do que o fazem normalmente. Isso
permite a rápida difusão de íons potássio para o exterior da fibra, o que
restabelece o potencial normal negativo de repouso da membrana, sendo assim
chamado de repolarização da membrana.
A condução dos potenciais de ação ao longo das membranas de nervos e músculos ocorre
por haver uma diferença de potencial entre os líquidos extracelular e intracelular. O potencial de
repouso é da ordem de -90mV para músculos esqueléticos e -70mV para os motoneurônios
inferiores. Esta diferença de potencial pode ser alterada pela passagem dos íons [HALL, 1997].
Através da figura 6, observamos de forma sintetizada a seqüência de eventos que ocorrem
durante e imediatamente após um potencial de ação. A linha pontilhada, localizada na parte
superior da figura representa o próprio potencial de ação [HALL, 1997].
34
Na parte inferior da figura, são mostradas as variações da condutância da membrana para
os íons de sódio e potássio. Durante o estado de repouso, antes do começo do potencial de ação,
notamos que a condutância para os íons de potássio é 50 a 100 vezes maior que para os íons de
sódio. Isto é conseqüência do vazamento muito maior de íons potássio que íons sódio pelos
canais de vazamento. Porém, ao início do potencial de ação, os canais de sódio são intensamente
ativados, possibilitando o aumento de até 5000 vezes da condutância ao sódio. Em seguida, o
processo de inativação fecha os canais de sódio em fração de milissegundos. Já para os canais de
potássio o início do potencial de ação provoca uma abertura mais lenta, alguns milissegundos
após a abertura dos canais de sódio. Ao término do potencial de ação, o retorno do potencial de
membrana a seu estado negativo faz com que os canais de potássio voltem a se fechar,
retornando ao seu estado de repouso [HALL, 1997].
Figura 6: Resumo dos eventos que produzem um potencial de ação [HALL, 1997].
35
No centro da figura, é mostrada a proporção entra as condutâncias para o sódio e para o
potássio em cada instante durante o potencial de ação. Percebemos que a proporção entre as
condutâncias para o sódio e para o potássio pode aumentar mais de mil vezes, no início do
potencial de ação [HALL, 1997].
2.1.4.2. LIMIAR PARA A EXCITAÇÃO E POTENCIAIS LOCAIS
Não ocorrerá um potencial de ação até que a variação do potencial de membrana seja
suficientemente grande para produzir o ciclo vicioso descrito no item anterior. Uma variação
súbita do potencial de membrana da ordem de 15 a 30mV é, em geral, necessária. Por exemplo,
uma variação abrupta do potencial de membrana de uma fibra nervosa calibrosa, de -90mV para
de -65mV produz, em geral, o desenvolvimento explosivo de um potencial de ação; sendo assim,
o valor de -65mV é considerado um Limiar para a estimulação [HALL, 1997] [WEBSTER,
1995].
Um estímulo elétrico fraco pode não ser capaz de excitar uma fibra. Entretanto, quando a
tensão do estímulo é aumentada, haverá um ponto no qual ocorre a excitação. A figura 7 mostra
o efeito do aumento progressivo da intensidade de estímulos sucessivos [HALL, 1997].
Figura 7: Limiar de excitação [HALL, 1997].
36
Os estímulos nos pontos A e B são muito fracos e fazem com que o potencial de
membrana varie pouco (de -90 a -85mV no ponto A e de -90 a -65mV no ponto B). Essas
variações locais de potencial são chamadas de potenciais locais agudos e, quando falham em
produzir um potencial de ação, são chamadas de potenciais subliminares agudos [WEBSTER,
1995].
No ponto C o estímulo é mais intenso e suficiente para atingir o valor limiar, todavia a
geração do potencial de ação só ocorre após breve “período latente”. Já no ponto D, o estímulo é
ainda mais intenso e o potencial de ação aparece após retardo menor que o período latente
[HALL, 1997] [WEBSTER, 1995].
Nota-se que até mesmo um estímulo fraco produz alteração local do potencial de
membrana, mas que a intensidade do estímulo deve aumentar até atingir o valor limiar antes que
sejam deflagrados os potencias de ação.
2.1.5. ELETROMIOGRAFIA (EMG)
Os sub-tópicos a seguir tratarão da propagação do sinal de EMG e suas características
técnicas como amplitude e espectro de freqüência, além dos tipos e posicionamento correto dos
eletrodos para uma detecção mais eficiente do sinal.
2.1.5.1. VOLUME CONDUTOR
Um problema fundamental na eletrofisiologia é o fato de uma simples célula excitável
estar imersa em um volume condutor (solução salina simulando a composição dos fluidos do
corpo). Um estudo deste problema fornece informações consideráveis para outros problemas
mais complexos de volume condutor, como ENG, EMG, ECG e outros [HALL, 1997]
[WEBSTER, 1995].
Este problema consiste em duas partes:
• Fonte bioelétrica;
• Carga elétrica;
37
A fonte bioelétrica é uma célula excitável que se comporta aproximadamente como uma
fonte constante de corrente, disponibilizando corrente para o meio aquoso sob uma ampla gama
de condições de carga. O fluxo de corrente acaba gerando campos elétricos que emanam para o
meio aquoso extracelular.
O volume condutor é considerado, teoricamente, infinito em extensão (ou seja, grande em
relação ao comprimento do campo elétrico ao redor da fibra nervosa) [WEBSTER, 1995].
Potenciais no meio extracelular de uma simples fibra nervosa são atenuados em
amplitude, exponencialmente, com o aumento radial da distância a partir da fibra. A amplitude
pico-a-pico dos potenciais, que depende da área superficial ativa da fibra, geralmente atinge a
ordem das dezenas de microvolts (µV).
A figura 8 mostra um potencial extracelular, detectado a partir da superfície do nervo
ciático ativo de um sapo, em um extenso volume condutor [WEBSTER, 1995].
Figura 8: Potencial extracelular detectado em um volume condutor [WEBSTER, 1995].
38
2.1.5.2. O SINAL ELETROMIOGRÁFICO
Como discutido anteriormente, o músculo esquelético é organizado funcionalmente com
base na unidade motora. Esta é a menor unidade que pode ser ativada por um esforço voluntário
e, neste caso, todas as fibras musculares que estão conectadas à unidade motora são ativadas ou
contraídas de forma sincronizada. As fibras musculares que compõe a unidade motora se
estendem por todo o músculo em feixes livres. Entretanto, nas seções de cruzamento, temos
fibras musculares de uma unidade motora transpassadas por fibras de outra unidade motora
[WEBSTER, 1995] [HALL, 1997].
Dessa forma, as fibras musculares que compõe uma única unidade motora (single motor
unit – SMU) constituem uma unidade distribuída de fontes bioelétricas, localizadas em um
volume condutor formado por todas as outras fibras musculares, sendo elas ativas ou inativas
[WEBSTER, 1995].
O potencial extracelular evocado das fibras musculares de uma SMU possui uma forma
trifásica com uma breve duração (aproximadamente de 3 a 15 ms) e uma amplitude de 20µV a
2000µV, dependendo do tamanho da unidade motora. A freqüência de descarga geralmente varia
de 6 a 30 vezes por segundo. A figura 9 mostra, de uma forma genérica, o exemplo de um sinal
eletromiográfico [WEBSTER, 1995].
Figura 9: Sinal de EMG genérico [WEBSTER, 1995].
A figura 10 mostra a detecção de alguns potenciais da unidade motora do músculo
interósseo dorsal (parte posterior da mão), durante diferentes níveis de contração e esforço
[WEBSTER, 1995].
Interpretando a figura 10, pode-se observar que durante o aumento da contração
voluntária de um músculo, as unidades motoras ativas aumentam sua taxa de disparo e também
39
mais unidades motoras, que previamente estavam inativas, são recrutadas ou ativadas
[WEBSTER, 1995].
Figura 10: EMG durante diferentes níveis de contração e esforço [WEBSTER, 1995].
40
Em níveis altos de esforço muitas unidades motoras superpõem suas respostas, gerando
um sinal complexo (padrão de interferência), onde a distinção de unidades motoras individuais
já não pode mais ser efetuada [WEBSTER, 1995].
A amplitude do sinal de EMG é arbitrária, aleatória por natureza e que pode ser
razoavelmente representada por uma função de distribuição Gaussiana. A amplitude do sinal
pode atingir de 0-10mV (pico-a-pico) ou de 0-1,5mV (RMS). Em termos de freqüência, o sinal
pode atingir uma faixa de 0-10KHz, com predominância de energia e conseqüentemente de
informações, localizada até a faixa de 150 Hz. Na figura 11 temos o exemplo do espectro de
freqüência de um sinal de EMG, detectado a partir do músculo tibial anterior.
Figura 11: Espectro de freqüência do sinal de EMG [WEBSTER, 1995].
41
2.1.5.3. ELETRODOS PARA BIOPOTENCIAIS
Para medir e detectar biopotenciais e também correntes pelo corpo, é necessário fornecer
alguma interface entre o corpo e o sistema eletrônico de medida.
Os eletrodos formam o aspecto mais crítico para os aparelhos de detecção, visto que a
fidelidade do sinal de EMG, detectada pelo eletrodo, influencia todo o tratamento subseqüente
do sinal [WEBSTER, 1995].
Para detectar e armazenar sinais eletromiográficos, devem ser considerados dois
principais problemas que influenciam a fidelidade do sinal:
1) A taxa de ruído do sinal, ou seja, a relação entre a quantidade de energia do sinal de
EMG e a quantidade de energia dos ruídos. Em geral, os ruídos são definidos como
sinais elétricos que não fazem parte do sinal de interesse, que no caso seria o sinal de
EMG;
2) A distorção do sinal, significando que a relativa contribuição de qualquer componente
em freqüência para a formação do sinal de EMG não deve ser alterada, evitando
assim deformações do sinal no momento da detecção.
A classificação dos eletrodos pode ser feita quanto ao método de aquisição, sendo
invasivo ou não-invasivo:
• Eletrodos invasivos: são utilizados internamente ao corpo para a detecção de
biopotenciais. Eles podem ser colocados de forma subcutânea (imediatamente abaixo da
pele), ou podem até mesmo ser implantados no corpo como, por exemplo, um circuito de
radiotelemetria. Para a eletromiografia, a utilização de eletrodos de agulha propicia
detectar o sinal gerado diretamente na unidade motora. Com isso, a amplitude do sinal
pode atingir de 0 a 5mV. De acordo com Webster [WEBSTER, 1995], na figura 12
observamos a ilustração de um eletrodo de agulha.
42
Figura 12: Ilustração de um eletrodo de agulha [Adaptado de WEBSTER, 1995].
• Eletrodos não-invasivos: estes tipos de eletrodos têm como objetivo não causar danos
físicos durante a detecção dos biopotenciais (como cirurgias para implantes ou
perfurações causadas por agulhas), ou seja, são projetados para detectar vários tipos de
biopotenciais a partir da superfície do corpo. Para a eletromiografia, eletrodos de
superfície são amplamente utilizados em aplicações que envolvem, por exemplo, a
fisioterapia. Através dos eletrodos de superfície, devido à impedância da pele e outros
tecidos, a amplitude do sinal pode atingir apenas a faixa de 0 a 100µV. Na figura 13
observamos a ilustração de um eletrodo de superfície de placa metálica [WEBSTER,
1995].
Figura 13: Ilustração de um eletrodo de superfície de placa metálica [WEBSTER, 1995].
43
Os eletrodos também podem ser utilizados através do tipo de inserção: monopolar,
bipolar e multipolar, que são comumente utilizados em eletromiografias.
• Monopolar: além do eletrodo de referência, utiliza-se apenas mais um eletrodo para a
detecção do biopotencial;
• Bipolar: nesta inserção, além do eletrodo de referência, utiliza-se dois eletrodos para a
captação do biopotencial, fazendo-se assim, uma aquisição diferencial.
• Multipolar: utilização de vários eletrodos para a captação do biopotencial;
Um outro aspecto importante na detecção do sinal de EMG envolve o posicionamento
do eletrodo. De acordo com a figura 14, observamos a amplitude e o espectro de freqüência do
sinal de EMG influenciado pelo posicionamento do eletrodo. Nota-se que o eletrodo localizado
na parte central do músculo consegue detectar o sinal de EMG com maior amplitude.
Ainda na figura 14 observa-se o tipo de inserção bipolar, através de dois eletrodos que, consistem nas duas barras metálicas dispostas paralelamente dentro do encapsulamento (retângulo escuro).
Figura 14: Posicionamento do eletrodo e a qualidade do sinal de EMG
44
O eletrodo deve ser colocado entre a zona de inervação e a zona de inserção do tendão, de
acordo com a figura 15. No caso de eletrodos de barra, a superfície de detecção deve ser alinhada
perpendicularmente às fibras musculares.
Figura 15: Posicionamento dos eletrodos e a unidade motora do bíceps
[Adaptado de WEBSTER, 1995].
Desta forma, de acordo com a descrição dos itens anteriores e com a figura 15, o eletrodo
deve ser colocado o mais próximo possível das unidades motoras.
2.2. TEORIA DE HARDWARE
O projeto contém um hardware constituído por 4 canais independentes de aquisição e tratamento
de sinal EMG, devido à necessidade de controle de pelo menos quatro comandos através do movimento
do pescoço com os eletrodos devidamente fixados e posicionados.
Nesta etapa cada um destes módulos está constituído por um amplificador de instrumentação,
uma série de filtros ativos (Filtro Passa Baixa, Filtro Passa Alta e Filtro Notch), um retificador de precisão
de onda completa e um detector de pico.
Após esta etapa, os sinais dos 4 módulos são enviados por um único conversor analógico/digital
que fará a conversão do sinal analógico proveniente do EMG do usuário em sinal digital de 8 bits, para
que possa ser interpretado e controlado por um computador conectado ao sistema. O responsável pela
transmissão desse sinal digital para a porta Serial do computador é um microcontrolador em conjunto com
um driver de serialização de dados, conforme pode ser visto na figura 16.
45
Figura 16: Diagrama em blocos geral do sistema.
2.2.1. AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAÇÃO
Amplificadores de instrumentação (AI) são amplificadores diferenciais acoplados
diretamente; estes devem seguir as seguintes especificações [FRANCO, 1998]:
- Impedância de entrada de modo-comum e de modo-diferencial extremamente alta
(idealmente infinita);
- Impedância de saída muito baixa (idealmente zero);
- Ganho estável e exato, normalmente na faixa de 1V/V até 103 V/V;
- Taxa de rejeição de modo-comum (CMRR) extremamente alta, maior que 100dB.
46
A figura 17 mostra a configuração clássica de um AI:
Figura 17:Configuração clássica de um AI [FRANCO, 1998].
Os Amplificadores Operacionais (A1 e A2) que formam o estágio de entrada ou primeiro
estágio, estão configurados como amplificadores não inversores. O circuito elimina a
desvantagem da baixa impedância de entrada do amplificador operacional diferencial, o que
reduz o carregamento na fonte (de sinal), visto se tratarem de buffers.
Como os buffers possuem ganho unitário, o amplificador (A3) do estágio de saída ou
simplesmente, segundo estágio, terá uma alta taxa de rejeição de modo comum (CMRR).
Normalmente as CMRRs podem atingir de 100 a 120 dB de atenuação [FRANCO, 1998].
O cálculo de ganho para os Amplificadores de Instrumentação é dado por
47
onde a é o Resistor de Ganho, R1 na figura 17, E1 é o Primeiro Estágio e E2 é o Segundo
Estágio.
Os Amplificadores de Instrumentação são usados para amplificar precisamente sinais de
baixa amplitude com a presença de uma grande componente de ruído em modo-comum, como
por exemplo, a saída de transdutores em processos de controle e na área de instrumentação
biomédica. Por isto, Amplificadores de Instrumentação possuem aplicações muito difundidas nas
áreas de instrumentação de testes e medidas [FRANCO, 1998].
2.2.2. FILTROS ATIVOS
Filtros são circuitos que processam sinais em uma base dependente da freqüência. A
maneira com que o circuito se comporta em relação à variação de freqüência, é chamada de
resposta em freqüência, a qual pode ser expressada em termos da função de transferência H(jw),
onde w = 2πf é a freqüência angular em radianos por segundo (rad/s) e j é um número
complexo [WEBSTER, 1995].
Pode-se, formalmente, definir um filtro como sendo um quadripolo capaz de atenuar
determinadas freqüências do espectro do sinal de entrada e permitir a passagem das demais.
[FRANCO, 1998].
Um filtro pode ser construído utilizando-se componentes passivos, como resistores,
capacitores e indutores. Já para a implementação de um filtro ativo, além dos componentes
citados, inclui-se um amplificador operacional que será responsável por produzir uma
amplificação de sinal, desacoplamento dos sistemas e isolamento do sinal.
Os filtros ativos possuem uma série de vantagens e desvantagens em relação aos filtros
passivos [PERTENCE, 1998].
• Vantagens:
- Eliminação dos indutores que, em baixas freqüências são volumosos, pesados e caros;
-Grande flexibilidade e facilidade de projetos, principalmente envolvendo filtros
complexos;
48
• Desvantagens:
- Exigem fonte de alimentação;
- A resposta em freqüência está limitada à capacidade de resposta dos amplificadores
operacionais utilizados;
- Não podem ser utilizados em sistemas de média e alta potência;
Em relação à função de resposta, a classificação dos filtros difere apenas nas equações
matemáticas utilizadas para aproximação, obtendo assim curvas de resposta específicas para os
tipos de filtros. Os tipos mais comuns de aproximação são os seguintes [PERTENCE, 1998]:
• Butterworth: a resposta Butterworth é também denominada de resposta plana. Isto deve-
se ao fato de que a curva obtida, da atenuação em função da freqüência, possui uma
variação monotônica [PERTENCE, 1998] decrescente, ou seja, não possui ondulações, é
uma curva mais suave e estável.
• Chebyshev: nas freqüências próximas a freqüência de corte, a resposta Butterworth não é
muito boa para filtros de baixa ordem, ao contrário dos filtros de resposta Chebyshev, os
quais possuem um comportamento melhor em termos de freqüência de corte, ou seja, a
transição próxima à freqüência de corte será muito mais aguda do que a obtida para o
filtro Butterworth. Entretanto, os filtros Chebyshev apresentam certa instabilidade,
através de ondulações ou ripples na faixa de passagem (freqüência de corte) que
aumentam em amplitude e em número de oscilações conforme a ordem do filtro também
aumenta [PERTENCE, 1998].
• Bessel: a aproximação de Bessel “alisa” ou suaviza a banda passante e a banda de corte,
como o Butterworth. Para a mesma ordem do filtro, a atenuação da banda de corte pela
aproximação de Bessel é muito menor que a aproximação de Butterworth. Uma das
maiores características dos filtros Bessel é a visualização de um atraso constante ou plano
na banda passante, ou seja, a função resposta deste filtro procura manter um atraso de
fase constante, independente do valor das componentes de freqüência.
49
A figura 18 traça um gráfico comparativo da taxa de atenuação em função da freqüência,
para cada tipo de função de resposta.
Figura 18: Comparação da taxa de atenuação entre os diferentes tipos de filtros [FRANCO, 1998].
A mudança ou atraso da fase do sinal em função de sua freqüência, proporcionado por
cada tipo de filtro, pode ser analisado através da figura 19.
Figura 19: Comparação da mudança de fase do sinal pelos diferentes tipos de filtros [FRANCO, 1998].
50
Tomando como base de resposta, a amplitude, os filtros podem ser classificados como
passa-baixa (FPB), passa-alta (FPA), passa-faixa (FPF) e o rejeita-faixa (FRF), também
denominado de filtro notch. Uma última categoria pode ser chamada de “filtros passa tudo”,
onde é processada apenas a fase do sinal, deixando a amplitude constante [FRANCO, 1998].
As curvas de resposta dadas nas figuras 20, 21, 22 e 23 [PERTENCE, 2003] ilustram o
ganho do filtro em função da freqüência do sinal aplicado. As linhas contínuas, que delimitam as
áreas hachurradas, são curvas ideais, sendo praticamente impossível obtê-las, já as linhas
tracejadas indicam as respostas reais dos filtros, a amplitude K indica o ganho máximo e, a
amplitude em K 2 indica o ponto calculado para a freqüência de corte, onde o sinal de entrada
deverá ter sofrido uma atenuação de –3dB [PERTENCE, 2003].
• Filtro passa baixa (FPB):
Figura 20: Curva de resposta de um filtro passa baixa [PERTENCE, 2003].
• Filtro passa alta (FPA):
Figura 21: Curva de resposta de um filtro passa alta [PERTENCE, 2003].
51
• Filtro passa faixa (FPF):
Figura 22: Curva de resposta de um filtro passa faixa [PERTENCE, 2003].
• Filtro rejeita faixa (Notch):
Figura 23: Curva de resposta de um filtro rejeita faixa [PERTENCE, 2003].
52
2.2.3. RETIFICADORES DE PRECISÃO
Retificadores simples, formados apenas por diodos e resistores, não são muito úteis para
tensões abaixo de 0,7V, pois a tensão, nestes casos, não é suficiente para sobrepor a barreira de
potencial do diodo. Entretanto, algumas vezes torna-se necessário a retificação de sinais com
amplitude abaixo da barreira de potencial do diodo, como por exemplo, sinais detectados através
de sensores ou transdutores utilizados em instrumentação industrial ou bioeletrônica
[PERTENCE, 2003] [FRANCO, 1998].
Este problema pode ser resolvido com a utilização de retificadores de precisão, ou seja,
pode-se colocar um diodo na rede de realimentação de um amplificador operacional, assim,
reduzindo o limite de tensão por um fator igual ao ganho do amplificador [FRANCO, 1998].
A figura 24 ilustra o circuito padrão de um retificador de onda completa. Interpretando o
circuito, notamos que quando a tensão de entrada (Vi) é positiva, o ganho do Amplificador
Operacional 1 (configuração inversora) é infinito, ou seja, o circuito apresentará no ponto A o
mesmo sinal de entrada (idealmente) [PERTENCE, 2003].
Figura 24: Circuito teórico para um retificador de onda completa [PERTENCE, 2003].
Quando Vi for negativo os diodos funcionarão como circuito aberto, e no ponto A
teremos um sinal de saída de 0V, de acordo com a onda ilustrada na região central da figura 25.
O amplificador operacional 2 funciona como um somador (configuração inversora), adicionando
o sinal do ponto A com a parte negativa de Vi [PERTENCE, 2003].
53
Figura 25: Funcionamento de um retificador de onda completa [PERTENCE, 2003].
2.2.4. DETECTORES DE PICO
A função de um detector de pico é capturar o valor da tensão de pico do sinal de entrada
(Vi) e mantê-lo no sinal de saída, ou seja, Vo = Vip . Para atingir esta meta, o circuito segue a
tensão do sinal de entrada até que a tensão de pico seja alcançada [FRANCO, 1998].
54
Este valor é mantido indefinidamente (idealmente) até que um novo pico, cujo valor seja
maior que o anterior, apareça; neste caso, o valor de saída é atualizado de acordo com a nova Vip
[FRANCO, 1998].
Figura 26: Funcionamento ideal de um detector de pico [FRANCO, 1998].
Analisando as características do funcionamento de um detector de pico, descritas acima,
podemos identificar alguns itens que deverão estar presentes no circuito:
- Uma memória analógica para manter o valor da tensão de pico mais recente. Esta, de
acordo com a figura 25, está representada pelo capacitor (C1) que, devido à habilidade de
armazenamento de cargas, atua também como uma memória de tensão, visto que V = Q / C.
- Uma chave unidirecional para carregar rapidamente o capacitor, quando surge um novo
valor tensão de pico. Este, de acordo com a figura 25, é representado pelo diodo (D1).
- Um dispositivo para forçar que a carga capacitiva siga a tensão de entrada quando uma
nova tensão de pico surge. Este é um seguidor de tensão (A1), representado na figura 25.
Uma chave para periodicamente reinicializar Vo em zero. Esta, de acordo com a figura 25,
é representada por S.
Figura 27: Circuito de um detector de pico.
55
No circuito, com a chegada de um novo pico, a saída do amplificador operacional (A1) é
positiva, “cortando” D2 e fazendo com que D1 conduza. Neste caso, o amplificador A1 terá uma
malha de realimentação que seguirá o caminho D1 – A2 – R3; com o objetivo que V0 siga o
valor de tensão da saída do A1. Durante este modo, A1 fornece corrente para carregar o capacitor
(C1) através de D1; com isso temos: VA1 = V0 + VD2 (on).
Depois do pico, VA1 começa a decair; conseqüentemente, D1 é “cortado” e D2 começa a
conduzir, provendo uma malha de realimentação alternativa para A1.
Durante este modo, a tensão no capacitor permanece constante [FRANCO, 1998].
2.3. TEORIA DE SOFTWARE
O software do projeto é responsável por receber os sinais de EMG digitalizados
provenientes da parte de hardware do projeto, analisando-os em tempo real através de uma
Thread e tomando decisões de controle de um simulador de acionamento de dispositivos
eletrônicos, tal que posteriormente possam-se conectar dispositivos reais ao computador e o
software deverá ser capaz de controlá-los.
O programa foi desenvolvido em linguagem C#.NET, seguindo toda especificação da
programação orientada a objetos, trazendo diversos benefícios ao desempenho do sistema como
um todo.
Outra técnica implementada foi a de programação em camadas, que trará ao software
mais confiabilidade, segurança e compatibilidade. Além disso, trará uma otimização na
arquitetura do programa, facilitando a manutenção de código e a possível necessidade de futuras
alterações.
2.3.1. PROGRAMAÇÃO ORIENTADA A OBJETOS
Quando surgiram os primeiros computadores, a preocupação dos programadores era em
busca da maior eficiência com o pouco uso de memória devido às limitações do hardware da
época. Os programas consistiam em um único bloco, pois a divisão em vários blocos consumia
56
mais recursos. Com a evolução do hardware a preocupação é na eficiência do desenvolvimento,
isto é o tempo de trabalho dos programadores. Para otimizar o tempo de desenvolvimento foram elaboradas técnicas e metodologias,
onde em geral é muito usado a estratégia de "dividir para conquistar", ou seja, implica em
resolver um grande problema dividindo-o em vários problemas menores. Esse método aumenta a
pontecialidade do reuso de código e para tal existem os objetos [PRESSMAN, 1995].
2.3.1.1. OBJETOS
Um objeto é a representação de algo que existe. Você deve abstrair um "objeto" real para
representá-lo computacionalmente, como, por exemplo, construir o objeto carro. Os objetos são incrivelmente úteis, pois transformam a engenharia de software em algo
semelhante a blocos de concretos para construção. Assim quem utiliza não precisa entender
como o bloco foi construído e isso se chama encapsulamento.
Na engenharia de software os objetos funcionam basicamente da mesma maneira que
qualquer outro objeto na vida real. Uma vez que tenha um objeto, você pode usar, pedir que ele
faça coisas sem ter que entender como seus detalhes internos estão implementados
[PRESSMAN, 1995].
Em geral os objetos possuem as seguintes características:
• Identidade • Estado • Comportamento
2.3.1.2. CLASSES
Na construção de software é usado o termo CLASSE, o que na verdade seria o objeto
abstrato construído computacionalmente. Quando o aplicativo é executado você vai utilizar essa
classe dando assim "vida" ao objeto. Você constrói a classe onde fica seu código e vai fazer uso
dessa classe declarando uma variável dessa classe que quando executado o programa a variável
será uma instancia dessa classe onde chamamos de objeto.
Em geral "criamos classes" e "instanciamos objetos". A criação de uma classe é feita em
tempo de projeto, quando você esta codificando o seu software, o que envolve a escrita do
57
código fonte. O objeto é criado em tempo de execução, quando é feita uma instancia da classe é
criado um objeto.
A classe é como se fosse um molde, você constrói o molde e depois utiliza para fazer
diversos objetos [PRESSMAN, 1995].
2.3.2. PROGRAÇÃO EM CAMADAS
A idéia de programar em camadas é fundamentalmente uma idéia de separação:
diferentes serviços disponibilizados pelo programa, classificados por sua função, são
desenvolvidos separadamente. Integrados que estão no mesmo corpo, e organicamente dispostos,
nivelados pela distância a que se encontram dos dois extremos – o usuário de um programa de
computador e as informações que este último pretende acessar – tais serviços recebem o nome de
camadas [THOMAS, 1999].
A idéia de programar em camadas consiste em utilizar um método de desenvolvimento
para os sistemas que permite aos desenvolvedores separá-los em camadas distintas [ESPINOSA,
2002].
Na arquitetura three-tier (três camadas) as camadas recomendadas são:
• Interface com o usuário;
• Regras de Negócio;
• Base de dados.
Nesta arquitetura tem-se a camada de apresentação (interface gráfica), a camada de
aplicação (business logic) e a camada de dados. Este autor ainda sustenta que os problemas de
manutenção foram reduzidos, pois mudanças nas camadas de aplicação e de dados não
necessitam de novas instalações no desktop. Ele ainda deixa bem claro que as camadas são
lógicas, portanto, fisicamente, várias camadas podem executar na mesma máquina e
normalmente há separação física das máquinas. Um exemplo bastante elucidativo, por não
mergulhar profundamente no cerne da teoria de programação, e de aplicação comum em nossos
dias, são as chamadas lojas virtuais, sites onde se pode escolher e comprar produtos [SAUVÉ,
2000].
58
Trata-se de um tipo de programa que pode ser dividido nas seguintes partes (camadas): as
páginas em que há interação com o usuário (interface); os algoritmos de cálculo e procedimentos
de programação (regras do negócio) e o armazenamento das informações (banco de dados).
A Figura 28, ao mesmo tempo em que ilustra o conceito de programação em camadas,
permite-nos um cotejo com outro que durante muito tempo foi o grande paradigma entre os
principais desenvolvedores de programas de computador: a famosa arquitetura cliente/servidor
(Client-Server), onde apenas os dados eram concentrados num servidor, permanecendo
instaladas nas estações de trabalho (clientes) as regras de negócio e a interface com o usuário
que, neste modelo, são uma só coisa [THOMAS, 1999].
Figura 28: Modelos de 2 e 3 camadas [THOMAS, 1999].
A técnica da programação em camadas aumenta a produtividade da programação, mas os
seus benefícios vão muito além disto, pois a programação em camadas aumenta o nível de
qualidade do software, já que causa um grande impacto na manutenção e na segurança dos
sistemas.
59
2.3.3. THREAD
O Thread é um fluxo de controle seqüencial isolado dentro de um programa. Como um
programa seqüencial qualquer, um thread tem um começo, um fim, e uma seqüência de
comandos. Entretanto, um thread não é um programa, não roda sozinho, roda dentro de um
programa.
Threads permitem que um programa simples possa executar várias tarefas diferentes ao
mesmo tempo, independentemente umas das outras, como por exemplo receber informações de
várias portas do computador ao mesmo tempo, ou então evocar algum método enquanto recebe
dados de outro programa.
Existem com cada vez mais freqüência o uso de Thread, por isso houve uma necessidade
de se gerar múltiplas threads em um mesmo programa, chamados de programas multithreaded.
60
3. ESPECIFICAÇÕES
3.1. ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE
O hardware do projeto é composto por quatro canais de aquisição de EMG, que trataram
dos sinais vindos de diferentes partes do pescoço da mesma forma, fazendo com que o
computador analise-os e tome sua decisão dentro do simulador de controle de dispositivos
eletrônicos.
Cada canal está dividido em dois módulos: um responsável pela aquisição, amplificação e
tratamento dos sinais provenientes dos estímulos musculares capturados pelos eletrodos e o outro
pela digitalização e envio de dados seriais para o computador.
No primeiro estágio o sinal de EMG passa por um amplificador de instrumentação da
família INA, o qual garante um alto CMRR, amplificando o sinal no valor absoluto necessário.
Logo após isso, o sinal entra em um Filtro Notch, que elimina o ruído da rede elétrica.
Em seguida o sinal segue por um Filtro Passa-Baixa, que limita a freqüência do sinal em
até 150Hz, e depois por um Filtro Passa-Alta para eliminar ruídos de corrente contínua ou vindos
do balanço dos cabos conectados aos eletrodos.
O próximo estágio é um Retificador de Precisão de Onda Completa, para tornar o sinal
EMG, o qual possui amplitude negativa, em sinal completamente positivo e propício para a
conversão analógica/digital. Antes passando por um Detector de Pico responsável por envelopar
o sinal, com um tempo de holding extremamente baixo, dando tempo necessário apenas para a
conversão do A/D.
Seguindo para o próximo estágio, o sinal analógico é convertido em digital com 8 bits de
resolução e então é encaminhado para o microcontrolador da família 8051, responsável por
serializar os dados e mandar através do driver MAX232 para a porta serial do computador.
3.1.1. MÓDULO DE TRATAMENTO DO SINAL DE EMG
Este é o primeiro módulo do sistema, e com certeza o mais importante, pelo fato de ser
ele o grande responsável pelo tratamento do sinal proveniente dos eletrodos, antes deste ser
digitalizado e processado pelo computador. Se ele não funcionar adequadamente, as informações
61
resultantes estarão incorretas e implicarão em um mau funcionamento do sistema todo. O
módulo de tratamento foi sub-dividido em três partes:
3.1.1.1. AMPLIFICAÇÃO DO SINAL
Esta amplificação é responsável pelo aumento da amplitude do sinal vindo dos
biopotenciais dos músculos, pois a amplitude do sinal original é muito baixa. Foi utilizado um
amplificador de instrumentação INA128 com um ganho aproximado de 1000 vezes e CMRR
maior que 120dB.
As características do INA128 contribuem muito com o projeto, pois tem uma tensão de
offset baixa, um baixo drift, alto CMRR, além de possuir uma grande proteção de tensão na sua
entrada.
3.1.1.2. ELIMINAÇÃO DE RUÍDOS
Depois de amplificado, o sinal passa por um conjunto de filtros para minimizar os sinais
indesejados que vem junto com o EMG, estes que surgem de interferências eletromagnéticas, dos
próprios cabos conectados aos eletrodos e até mesmo do próprio volume condutor. Para isso é
usado um Filtro Notch, responsável pela eliminação do ruído da rede elétrica de 60Hz, e um
Filtro Passa-Faixa, configurado com um Filtro Passa-Alta em série com um Filtro Passa-Baixa,
permitindo a passagem de sinais entre as freqüências de 20Hz e 150Hz, onde se localizam as
informações mais importantes dos sinais EMG como indica estudos anteriores.
Todos os filtros utilizam o OP07 como amplificador operacional, que assim como o
INA128, apresenta características desejadas para o projeto.
3.1.1.3. PRÉ-PROCESSAMENTO DO SINAL ANALÓGICO
Uma vez o sinal amplificado e filtrado, o mesmo segue para um nível conhecido como
envelopamento do sinal, que não mais é do que passar por um Retificador de Onda de Precisão
Completa e posteriormente por um Detector de Picos.
62
O Retificador de Precisão de Onda Completa é responsável por tornar o sinal EMG
analógico suscetível à conversão digital e posteriormente ao processamento no computador. O
Detector de Picos faz o envelopamento do sinal, isto é, guarda a informação da amplitude do
sinal por um curto espaço de tempo necessário para poder existir a conversão digital.
Foram utilizados amplificadores operacionais OP07 e capacitores com margem de erro
menores que 5%, garantindo assim que o sinal seja convertido corretamente. Logo após isso o
sinal estará pronto para ser digitalizado e enviado ao computador.
3.1.2. MÓDULO DE PROCESSAMENTO DIGITAL
Após o tratamento do sinal Analógico, este deve ser transformado em uma informação
que possa ser compreendida pelo computador. O sinal vindo do Módulo de Tratamento do Sinal
de EMG passa por um conversor ADC0804 de 8 bits que o envia digitalizado para o
microcontrolador 8952, responsável pelo tratamento do sinal digital para que ele seja serializado,
estando pronto para o envio dos dados para o computador.
A freqüência de conversão do ADC0804 é controlada pelo microcontrolador, para
garantir que um determinado canal seja realmente o desejado para a leitura do software em
determinado momento.
A comunicação do computador com o hardware é feita pelo MAX232, que é um
componente que padroniza os dados serializados pelo Microcontrolador, de forma que possa ser
lido e unido novamente pelo protocolo da Porta Serial do computador. Tal transmissão é
realizada a uma velocidade de 19200 bits por segundo, garantindo o tempo mínimo para a
varredura dos quatro canais em cerca de 0.25 segundos.
63
3.2. ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE
O projeto contém dois softwares, um firmware no microcontrolador e um software no
computador que estará recebendo os dados do Hardware.
3.2.1. FIRMWARE DO MICROCONTROLADOR
O objetivo deste firmware é a serialização dos dados vindos do conversor ADC0804;
assim sua lógica é simples, uma vez que só é preciso esperar por uma interrupção gerada pelo
pulso de EOC (End Of Convertion), informando sobre dados novos disponíveis para a
serialização, ler a sua porta que contém os dados, serializá-los e enviar para sua porta TXD, que
será colocada em um padrão de leitura pelo MAX232.
Por ser um processador, o código utilizado é de baixo nível, em linguagem Assembly,
compilado a partir de um código de linguagem C. A figura 29 ilustra o fluxograma básico deste
firmware.
Figura 29: Software do Microcontrolador 8952.
64
3.2.2. SOFTWARE DO COMPUTADOR
Esse software é o grande responsável pela interface Homem-Máquina, pois nele existe
toda a parte de controle de um simulador de dispositivos eletroeletrônicos futuramente
conectados ao computador. Basicamente seu funcionamento consiste em uma Thread que coleta
as informações da Porta Serial e mostra na tela qual dos eletrodos estará recebendo o sinal de
maior amplitude, pois espera-se que todos os 4 canais enviem o sinal ao mesmo tempo, mesmo
não sendo estimulado o músculo dos demais canais. Ou seja, o usuário mesmo em repouso estará
enviando sinal e caberá ao software reconhecer e escolher o canal estimulado, que será feito pela
comparação de amplitudes, porque quando estimulado a amplitude do sinal correspondente é
maior do que se tivesse em repouso. A partir daí, o software aciona o dispositivo correspondente
ao canal configurado para determinado canal.
O desenvolvimento deste software foi feito sobre a linguagem C#.NET, visando um
melhor aproveitamento de componentes para a interface. As camadas usadas no software são
distribuídas conforme a figura 30.
Figura 30: Software do computador.
65
4. ESPECIFICAÇÃO DE VALIDAÇÃO DO PROJETO
Foram realizados dois testes para a validação parcial e integral do projeto, os testes In
Vitro e In Vivo com a intenção de justificar de forma coerente a utilização dos componentes e
técnicas implementadas durante o desenvolvimento do projeto.
4.1. TESTES IN VITRO
Para a realização dos testes de funcionamento do sistema em si, foi utilizado um conjunto
de geradores de função ligados cada um a uma ponte de Wheatstone. Com isto, é possível gerar
sinais com freqüência e amplitude semelhantes a do EMG.
O objetivo deste teste foi o de verificar a resposta do sistema como um todo para a
validação do funcionamento dos módulos de amplificação e filtragem. A tensão do sinal
proveniente dos geradores de funções foi inicialmente atenuada de forma a ficar o mais perto
possível das tensões obtidas dos biopotenciais. Com isto, além da possibilidade de se verificar o
funcionamento do sistema de processamento, foi possível também a verificação dos módulos de
tratamento analógico do sinal e digitalização dos dados para o envio para o programa no
computador.
4.2. TESTES IN VIVO
O teste In Vivo consiste na fixação de eletrodos no pescoço do usuário de forma correta,
isto é, distribuídos em pares sobre a extensão dos músculos esternocleidomastóideo e trapézio
para que se possa receber o sinal EMG. Assim, foram conectados os cabos aos eletrodos e ao
sistema, testando o desempenho e a necessidade ou não da utilização de cabos blindados.
Através deste teste foi possível também a análise do funcionamento do hardware e sua
integração completa com o software sobre o ponto de vista comercial. Além disso, pôde ser
efetuada uma busca de alternativas para melhorar o sinal e deixar o sistema mais estável.
66
5. PROJETO DO HARDWARE
5.1. ALIMENTAÇÃO
O circuito desenvolvido utiliza três tensões diferentes:
• 6V: Tensão para alimentação positiva para os filtros e amplificadores;
• -6V: Tensão para alimentação negativa para os filtros e amplificadores;
• 5V: Tensão para a alimentação para o módulo de processamento digital.
Para que tais tensões possam ser obtidas, fez-se necessária a utilização de duas baterias
em série da marca UNIPOWER 6V/4,3Ah, conseguindo-se assim uma fonte simétrica de tensão
positiva e negativa juntamente com o GND.
Junto com as baterias, foi utilizado um regulador de tensão LM7805, conforme a figura
31. O regulador de tensão LM7805 converte uma tensão de entrada especificada entre 6V e 14 V
para 5V e é capaz de suprir uma demanda de corrente de até 1A.
Figura 31: Circuito básico de regulação de tensão.
67
5.2. ELETRODOS
Durante o desenvolvimento do projeto, foram utilizados três modelos de eletrodos para a
aquisição dos sinais eletromiográficos:
• Eletrodos descartáveis CardiTech de Ag/AgCl;
• Eletrodos descartáveis 3M de Ag/AgCl;
• Eletrodos Metálicos.
Inicialmente foram usados os eletrodos metálicos para os primeiros testes de aquisição de
dados, porém como estes eletrodos não possuíam adesivo para fixação, logo foram substituídos
pelos eletrodos da CardiTech.
Ao longo do uso destes, os mesmos mostraram-se ineficientes na aquisição de sinais com
a amplitude eletromiográfica, assim foram substituídos pelos da marca 3M.
5.3. FILTRO PASSIVO PASSA-ALTA
Este filtro foi projetado com o intuito de eliminar tensões contínuas provenientes dos
eletrodos. Esta tensão é denominada potencial de meia célula, e deve ser removida evitando
assim a saturação do sinal na saída dos amplificadores.
Neste caso foi utilizado um filtro passivo devido a sua boa resposta na faixa de freqüências utilizada (0Hz à 1Hz) e por sua facilidade de implementação. O seu cálculo foi baseado na seguinte equação:
Considerando uma freqüência de corte igual à 0,3 Hz e um capacitor de 470nF, obtemos
o valor do resistor igual à 1,128 MΩ. Considerando um valor comercial, o resistor a ser utilizado
é de 1MΩ.
68
5.4. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO
Para a amplificação dos biopotenciais, fez-se necessária a utilização de um amplificador
de sinais diferenciais. Este tipo de amplificador, conhecido como amplificador de
instrumentação, é capaz de amplificar uma diferença de potencial entre dois pontos tendo um
terceiro valor como referência.
O amplificador de instrumentação utilizado é o INA128 da Texas Instruments. Este
dispositivo foi escolhido pelos seguintes motivos:
• Entrada bipolar;
• Ganho variável de 1 até 10000;
• Off-set de entrada máximo de 50uV;
• Proteção de sobre-tensão de ± 40V;
• Alto CMRR (Comum Mode Rejection Rate) de 120dB.
Para o cálculo de implementação do ganho do amplificador, foi utilizada a seguinte
equação encontrada no próprio datasheet do componente:
Conforme a figura 32, seu ganho, representado por RG, foi ajustado para 1000X com a
utilização de um resistor de 50Ω, aproximadamente.
Figura 32: Configuração e conexões do amplificador de instrumentação.
69
5.5. FILTRO PASSA BAIXAS
Após o processo de amplificação inicial do sinal obtido, é necessária a remoção dos
sinais de freqüência superiores às desejadas para os cálculos anteriores. A faixa de interesse varia
de 0,3Hz até 150Hz, onde contém a maior parte da informação do sinal eletromiográfico.
Foi projetado então um Filtro Passa Baixas de 4º ordem, com uma taxa de atenuação de
aproximadamente -9dB, atendendo às necessidades do projeto. A figura 33 exibe o esquemático
projetado.
Figura 33: Esquemático do Filtro Passa Baixas 150Hz.
5.6. FILTRO NOTCH
Em seqüência aos filtros Passa Alta e Passa Baixa, o sinal segue para o último estágio de
seu tratamento, o Filtro Notch. Sua função é eliminar os ruídos de 60Hz. Sua implementação foi
muito bem calculada e obteve-se um filtro com uma banda rejeitada entre 59Hz e 61Hz. A figura
34 mostra seu esquemático junto com seus respectivos valores.
70
Figura 34: Esquemático do Filtro Notch 60Hz.
5.7. RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA
O retificador de onda completa foi projetado para que a parte negativa do sinal tratado
pudesse ser digitalizado e posteriormente interpretado. Usou-se então a configuração de um
retificador de precisão de onda completa composto por amplificadores operacionais OP07. A
figura 35 exibe suas conexões e valores.
Figura 35: Esquemático do Retificador de Onda Completa.
71
5.8. DETECTOR DE PICO
O estágio seguinte do módulo de pré-processamento é o detector de pico, que é
necessário para que seja armazenada por um curto espaço de tempo a informação que será
passada para o módulo de processamento.
A configuração do detector de pico, conforme a figura 36 exibe, consiste basicamente em
um capacitor, que de acordo com o seu valor armazena o valor do pico do sinal por mais ou
menos tempo. No caso do projeto, foi escolhido um capacitor no valor de 48nF, mantendo o
valor por tempo suficiente para o microprocessador digitalizar a informação e enviar ao
computador.
Figura 36: Circuito do detector de pico
5.9. CONVERSOR A/D
O conversor ADC0804 converte um sinal analógico em um correspondente dado digital
de 8 bits (D0 a D8), que pode ser interpretado e processado pelo microcontrolador, com
resolução de 0,019 V. O nível de tensão da entrada analógica pode variar de 0 a 5 V, exatamente
como o módulo de pré-processamento enviou.
O tempo de conversão é de 100 µs, assim o controle do conversor A/D é dado pelo
microcontrolador, que habilita a conversão através do pino de controle e recebe uma interrupção
de End Of Convertion assim que a conversão foi realizada.
72
5.10. MICROCONTROLADOR
O microprocessador usado foi o ATMEL 89C52, da família 8051 com 8Kbytes de
memória Flash, canal serial Full Duplex e 8 portas I/O.
Seu uso no projeto deve-se ao controle da chave multiplexadora analógica, que seleciona
qual canal de aquisição será processado, junto com o controle do conversor A/D do sinal
eletromiográfico. Além disso, é o microcontrolador que é responsável pelo envio dos dados
digitais para o computador através da porta serial ou USB.
Sua conectividade foi dada da seguinte forma:
• P0.0 : Habilita/Desabilita o ADC0804 para a conversão; • P1.[0..7] : Recebe os dados convertidos do ADC0804; • P2.[0..2] : Controla a chave analógica; • P3.1 : Envio dos dados serializados; • P3.2 : Gera a interrupção INT0, indicando o EOC do ADC0804.
Assim o microcontrolador supriu às necessidades do projeto tanto na parte de controle
quanto na parte de processamento e envio de dados digitais para o computador. Abaixo, na figura
37 podemos ver o esquemático do microprocessador junto com o ADC0804.
Figura 37: Módulo de processamento (Conversor A/D e Microprocessador)
73
5.11. SERIALIZAÇÃO DOS DADOS
O responsável pelo envio efetivo dos dados tratados e prontos para serem interpretados é
o componente MAX232 da Texas Instruments, que recebe os dados serializados do
microcontrolador e padroniza-os para o envio através do cabo serial para a porta de comunicação
do computador. Sua configuração padrão pode ser vista na figura 38.
Figura 38: Esquemático padrão de montagem do MAX232.
74
6. PROJETO DO SOFTWARE
6.1. DIAGRAMA DE CASOS DE USO
Os principais casos de uso do software para o computador são:
Configurar Serial: configura a porta que será utilizada e a velocidade de
comunicação;
Iniciar Aquisição: habilita o recebimento de dados através da porta configurada;
Controlar Ganho: controla o ganho que multiplica do sinal recebido para
melhorar a visualização;
Fechar: encerra todos os processos e fecha o programa.
Figura 39: Diagrama de Casos de Uso.
75
6.2. DIAGRAMA DE CLASSES
As principais classes utilizadas no software do computador são:
frmInterface: responsável pela exibição gráfica do software;
ctrEMG: controlador do programa, que manipula as Threads e comunicação serial;
cThread: classe Thread do programa, responsável por receber a informação do buffer da serial;
cSerial: responsável pela comunicação com a porta serial.
Figura 40: Diagrama de Classes
76
7. RESULTADOS
A comprovação de funcionamento do sistema foi realizada basicamente através de testes
In Vitro. Os testes In Vivo aqui descritos sofreram alterações devido ao sinal DC originado do
potencial de meia-célula.
Foram realizados diversos testes para a validação do projeto, sendo que na maioria das
vezes um sinal contínuo, proveniente do potencial de meia-célula, interferiu significativamente
na qualidade da aquisição dos dados.
Mesmo assim, pode-se notar o funcionamento In Vivo em determinados momentos dos
testes, como é mostrado na figura 41:
Figura 41: Saída do sinal de EMG antes do módulo de pré-processamento.
Algumas técnicas e alternativas foram aplicadas ao projeto, visando retirar esta
interferência, como capacitores entre as entradas diferenciais do sinal para equilibrar as
capacitâncias, filtros passivos Passa-Alta de 1.8Hz, mudança de cabos blindados, troca de
eletrodos e a substituição da fonte de alimentação da rede elétrica por baterias de 6.3V. Todas
sempre deixando o sinal muito próximo ao desejado, conforme figura 42, mas nunca de forma
totalmente eficaz, o que ocasionava o acionamento involuntário de algum canal.
77
Figura 42: Saída do sinal pronta para ser convertida em digital.
Outra alternativa foi a mudança do posicionamento dos eletrodos, do pescoço para os
bíceps. O teste realizado com sete pessoas, o sinal exibiu uma melhoria em relação à aquisição
feita na região do pescoço, mas ainda assim podia-se constatar um ruído que interferia no
funcionamento adequado do sistema, ilustrado através da figura 43.
Figura 43: Software apresentando sinais não esperados nos canais 3 e 4.
78
Em contrapartida, o projeto mostrou-se eficiente com sinais simulados de eletromiografia nos testes In Vitro, obedecendo as freqüências de 2Hz até 250Hz com a amplitude variando de 100µV até 5mV, podendo então controlar o software de maneira correta, como mostram as figuras 44 e 45.
Figura 44: Sistema em funcionamento.
Figura 45: Software exibindo sinais simulados.
79
8. CONCLUSÃO
O desenvolvimento deste projeto permitiu demonstrar as dificuldades de se trabalhar com
biopotenciais e sempre buscar alternativas para superar as adversidades.
Os eletrodos utilizados não foram os próprios para o trabalho com eletromiografia, pois
não foram encontrados no mercado. Sendo assim, um ponto significativo na melhoria do sinal
adquirido seriam eletrodos especiais para EMG junto com cabos revestidos de malha de aço,
blindando toda a parte de aquisição.
Mesmo com alguns problemas de interferência no sinal, principalmente o potencial de
meia-célula, o protótipo mostrou-se capaz de trabalhar com sinais eletromiográficos e se
comunicar com o software, conseguindo controlar o simulador perfeitamente.
Uma das mudanças que influenciou positivamente o desenvolvimento foi a substituição
da fonte chaveada por baterias capazes de fornecer as tensões necessárias para o sistema.
O software mostrou alguma dificuldade para trabalhar com cinco Threads simultâneas,
porém o problema foi solucionado retirando alguns componentes gráficos da interface do
programa, sendo estes não comprometedores ao objetivo do projeto. Outra alternativa seria
disponibilizar mais memória RAM junto com um processador mais rápido para manter o
software com suas opções visuais ativadas.
Um dos aperfeiçoamentos de hardware seria a implementação de filtros digitais através
de um DSP (Digital Signal Processing) ou filtros já disponíveis em circuitos integrados, usados
em outros projetos desta área, minimizando espaço e tempo de implementação. Outro ponto que
daria uma melhor performance e minimizaria seu tamanho, seria a montagem do sistema
utilizando componentes SMD.
80
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALBERTS, Bray. Molecular Biology of the Cell. New York: Galtand Publishing Inc, 1989, 2a Edição. BORGES, José Antônio. Projeto Motrix. Rio de Janeiro: Universidade Federal do Rio de Janeiro. CUNICO, M. & CUNHA, J. C. Mouse Controlado por Sistema de Pressão (Sopro)
para Indivíduos Portadores de Tetraplegia. Curitiba: Centro Universitário Curitiba – 2006. Disponível em HTTP://engcomp.unicenp.edu.br ESPINOSA J. A., Desenvolvimento de Aplicações Multi-camadas com VFP e VB. Rio de Janeiro: Editora Guanabara, 2000. FRANCO, Sérgio. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits.
Nova York: McGraw-Hill, 1998, 2ª Edição. HALL, Guyton. Tratado de Fisiologia Médica. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan, 1997, 9ª Edição.
IBGE, Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística , Censo ano de 2000. Disponível em http://www1.ibge.gov.br/censo/default.php KITCHEN, Sheila. Eletroterapia de Clayton. São Paulo: Editora Manole Ltda, 1998, 10ª Edição.
PERTENCE, Antonio. Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos. Porto Alegre: Bookman, 2003, 6ª Edição. PRESSMAN, R. S. Engenharia de Software. São Paulo: McGraw-Hill, 1995. SAUVÉ, J. P. Introdução e Motivação: Arquiteturas em n camadas, 2000. THOMAS, M.L. & FOX, D. Visual Basic 6 Distributed. Coriolis, 1999. WEBSTER, John G., et al. Medical Instrumentation – Application and Design.
Toronto: John Wiley & Sons Inc, 1995, 3ª Edição.
81
10. ANEXOS
10.1. ANEXO 1 - CRONOGRAMA DE DESENVOLVIMENTO
O cronograma do projeto foi elaborado com o auxilio do programa Microsoft Project
2003.
10.1.1. DATAS IMPORTANTES
Data Atividade a ser apresentada
05/03/07 Entrega das propostas de projeto para avaliação do colegiado
02/04/07 Entrega das especificações técnicas do projeto aprovado
11/06/07 Entrega do projeto (monografia) e dos testes preliminares do mesmo.
06/08/07 Apresentação prévia da implementação do projeto especificado.
01/10/07 Apresentação do projeto implementado;
Qualificação para a fase final
29/10/07 Segunda apresentação do projeto implementado, para os que não o fizeram no dia
01/10/06, com decréscimo da nota;
Qualificação para a fase final.
05/11/07
Entrega da documentação completa em espiral para a banca examinadora, em 3 vias,
contendo a monografia, manual técnico, manual do usuário e artigo científico.
Semana de
26/11/07
Defesa formal dos projetos, com apresentação oral para a banca examinadora.
10/12/07 Entrega da documentação completa, revisada e corrigida, encadernada no padrão da
biblioteca (capa dura) em duas vias, contendo a monografia, manual técnico, manual
do usuário e artigo científico;
Entrega do CD contendo, no formato WEB, todo o conteúdo dos manuais.
82
10.1.2. CRONOGRAMA DO PROJETO
83
10.2. ANEXO 2 - ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO-ECONOMICA
Tabela 1: Estudo de viabilidade econômica
Mão de obra Direta Horas Trabalhadas Valor Encargos Sociais Total
450 R$ 16,00 90,00% R$ 13.680,00 Orientador Horas Trabalhadas Valor Encargos Sociais Total
64 R$ 5,90 90,00% R$ 717,44 Coodenador Horas Trabalhadas Valor Encargos Sociais Total
64 R$ 0,95 90,00% R$ 115,52 Total R$ 14.512,96
Insumos Gerais Instalações Área (m2) Valor por Hora Total Laboratório 9 R$ 0,33 R$ 147,27
Pesquisa Custo por Mês Total Impressão/Xerox/Encadernação R$ 50,00 R$ 400,00 Biblioteca R$ 36,00 R$ 288,00 Total R$ 688,00
Equipamentos Valor Custo por Hora Total Osciloscópio - Tektronix - TDS-210 R$ 5.000,00 R$ 0,95 R$ 426,14 Gerador de Funções - Minipa - MFC-4200 R$ 1.500,00 R$ 0,28 R$ 127,84 Fonte Simples - Minipa - MPS-3003 R$ 500,00 R$ 0,09 R$ 42,61 Multímetro - Minipa - ET-2042 R$ 150,00 R$ 0,03 R$ 12,78 Fonte Simétrica - Minipa - MPMS-2521 R$ 780,00 R$ 0,15 R$ 66,48 Protoboard - Toyo R$ 120,00 R$ 0,02 R$ 10,23 Ferramentas R$ 100,00 R$ 0,02 R$ 8,52 Notebook - HP DV8000 R$ 3.500,00 R$ 0,66 R$ 298,30 Total R$ 992,90 Softwares Valor Custo por Hora Total Microsoft Windows XP Professional R$ 800,00 R$ 0,15 R$ 68,18 Microsoft Office 2007 R$ 399,00 R$ 0,08 R$ 34,01 Keil V3.0 R$ 250,00 R$ 0,05 R$ 21,31 Orcad 10.5 (Capture) R$ 8.570,17 R$ 1,62 R$ 730,41 Orcad 10.5 (Layout) R$ 4.536,25 R$ 0,86 R$ 386,61 Total R$ 1.274,61
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Insumos Componentes Componentes Valor Quantidade Total Microcontrolador 89c52 R$ 15,00 2 R$ 30,00 Amplificadores Operacionais OP07 R$ 2,00 10 R$ 20,00 Amplificadores de Instrumentação INA 128 R$ 20,00 5 R$ 100,00 Cabos Blindados com 4 conectores R$ 10,00 2 R$ 20,00 Eletrodos 3M (pacote com 30) R$ 27,00 2 R$ 54,00 Trimpots Diversos R$ 1,50 60 R$ 90,00 Capacitores Cerâmicos Diversos (Conjunto de 10) R$ 5,00 10 R$ 50,00 Cabo de Rede (1m) R$ 2,00 5 R$ 10,00 MAX 232 R$ 4,00 4 R$ 16,00 Conversor ADC0804 R$ 15,00 4 R$ 60,00 Capacitores Eletrolíticos Diversos R$ 10,00 4 R$ 40,00 Resistores Diversos R$ 0,10 100 R$ 10,00 Placa de Cobre - Face Dupla R$ 9,20 2 R$ 18,40 Papel Transfer R$ 3,00 5 R$ 15,00 Fretes Diversos R$ 80,00 Total R$ 632,80
Impostos Sub-total Valor Total PIS / COFINS R$ 18.248,54 3,65% R$ 18.914,61 IPI R$ 18.914,61 12,00% R$ 21.184,37 ISS R$ 21.184,37 5,00% R$ 22.243,58 IR R$ 22.243,58 1,70% R$ 22.621,72 CPMF R$ 22.621,72 0,38% R$ 22.707,69
Total R$ 22.707,69
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10.3. ANEXO 3 - ARTIGO
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90
10.4. ANEXO 4 – MANUAL