UNIPAR UNIVERSIDADE PARANAENSE SISTEMAS DE INFORMAO

RENATO PETERMAN

UMA ABORDAGEM SOBRE INTERFACE CREBRO-COMPUTADOR E SUAS APLICAES NA COMPUTAO

PARANAVA 2010

RENATO PETERMAN

UMA ABORDAGEM SOBRE INTERFACE CREBRO-COMPUTADOR E SUAS APLICAES NA COMPUTAO

Trabalho de Concluso de Curso apresentado banca examinadora do curso de Sistemas de Informao da Universidade Paranaense UNIPAR, como exigncia parcial para obteno do grau de Bacharel em Sistemas de Informao, sob orientao do Prof. Wyllian Fressatti.

PARANAVA 2010

FOLHA DE APROVAO

RENATO PETERMAN

UMA ABORDAGEM SOBRE INTERFACE CREBRO-COMPUTADOR E SUAS APLICAES NA COMPUTAO

Trabalho de concluso aprovado como requisito parcial para a obteno do grau de Bacharel em Sistemas de Informao da Universidade Paranaense UNIPAR, pela seguinte banca examinadora:

_____________________________________ Prof. M.SC. Wyllian Fressatti Mestre em Sistemas de Computao

_____________________________________ Profa. M.SC. Claudete Werner Mestre em Cincia da Computao

_____________________________________ Prof. Jaime Wyllian Dias Especialista em Programao Orientada a Objetos

PARANAVA 2010

DEDICATRIA Aos meus familiares e amigos, que sempre estiveram ao meu lado, que me apoiaram e me deram foras nas horas que mais precisei, e que me mostraram que pra alcanar, primeiro necessrio sonhar.

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais que me apoiaram e me deram condies para que eu pudesse concluir esta etapa da minha vida. A minha namorada Mnica Zanco Garcia, pela compreenso nos momentos em que estive focado no desenvolvimento do trabalho, pelo carinho, pelo apoio e pelo imenso incentivo, no s no decorrer do trabalho mas em todos os momentos da minha vida. Ao meu orientador Wyllian Fressatti que acreditou no projeto, pelo empenho e pelo tempo investido no desenvolvimento do projeto, sempre a disposio para sanar minhas dvidas e me dar foras pra enfrentar as dificuldades encontradas no decorrer do trabalho. A todos os professores do curso, que foram mais que mestres durante estes quatro anos, foram amigos, que sempre valorizaram e deram foras mesmo diante das dificuldades encontradas e sempre se mostraram dispostos a ajudar qualquer que fosse a situao. Em especial, gostaria de agradecer a Prof. M.Sc. Claudete Werner, pelo reconhecimento e por me guiar da melhor forma possvel no decorrer do curso. A todos os meus queridos amigos, em especial, Maicou Henrique Moreira, Ricardo Theis Geraldi, Fabiano Stocco, Tiago Gomes, Ryldo Tramarin, Ricardo Ribeiro Rufino, Igor Henrique, Emerson Schulze, Diogo Nunes Paz e todos outros, que foram muito importantes durante essa trajetria, e sempre estiveram dispostos a ajudar quando eu mais precisei deles.

Simplicidade complexidade resolvida. Constantin Brancusi

RESUMO

As interfaces usurio-mquina so um mecanismo que permite ao ser humano interagir com mquinas de forma amigvel e intuitiva sem que este possua conhecimento tcnico. Os avanos, ao decorrer do tempo, trouxeram benefcios indispensveis para o cenrio atual, algo que parece simples como um mouse ou controle remoto so resultado de anos de pesquisa e ideias que desafiavam o pensamento da poca. Existem diversos tipos de interfaces que permitem a interao entre o ser humano, entre elas as Interfaces Crebro-Computador, ou apenas ICC. As Interfaces Crebro-Computador comearam a serem pesquisadas por volta dos anos 70, e tiveram uma evoluo extremamente significativa desde ento. Este trabalho apresenta uma reviso bibliogrfica detalhada das ICC, as tecnologias envolvidas e trabalhos relacionados ao assunto. Traz os conceitos bsicos do funcionamento do sistema nervoso central, como as ondas cerebrais so captadas e interpretadas utilizando EEG (Eletroencefalografia) e os conceitos bsicos de eletrnica que tornam isso possvel. Apresenta uma aplicao utilizando o headset EPOC desenvolvido pela Emotiv Systems em conjunto com a plataforma Arduino, que permite ao usurio interagir com um computador e com um hardware pr-programado a partir de uma Interface Crebro-Computador.

ABSTRACT

User-machine interfaces are a mechanism that allows humans to interact with machines so friendly and intuitive that it possesses no technical knowledge. Over the time, have benefits necessary for the current scenario, something that seems as simple as a mouse or remote control are the result of years of research and ideas that challenged the thinking of the time. There are several types of interfaces that allow interaction between human beings, including the Brain-Computer Interfaces, or just BCI. The Brain-Computer Interfaces began to search around for 70 years, and had an extremely significant development since then. This paper presents a detailed review of the BCI, the technologies involved and related to the subject. Bring the basics of the functioning of the central nervous system, such as brain waves are captured and interpreted using EEG (Electroencephalography) and the basics of electronics that make this possible. Presents an application using the headset developed by Emotiv EPOC in conjunction with the Arduino platform, which allows the user to interact with a computer and hardware with a pre-programmed using a Brain-Computer Interface.

LISTA DE ILUSTRAES

FIGURA 1 - Macaco movimentando um brao rob a partir de uma interface crebrocomputador (MIGUEL NICOLELIS et al; 2001) ................................................................. 16 FIGURA 2 - Interface utilizando um mtodo invasivo (HowStuffWorks;2007) .................... 16 FIGURA 3 - Principais componentes do sistema nervoso (GUYTON; 1993) ....................... 19 FIGURA 4 - Vista lateral esquerda do encfalo, mostrando as principais divises do encfalo e os quatro lobos principais do crebro (GUYTON; 1993) ................................................... 21 FIGURA 5 - Vista da base do encfalo (GUYTON; 1993) ................................................... 22 FIGURA 6 - As reas funcionais do crtex cerebral (SISTEMANERVOSO.COM; 2009).... 23 FIGURA 7 - Diencfalo e outros componentes..................................................................... 24 FIGURA 8 - Sistema lmbico e outros componentes enceflicos (DONNER; 1986) ............. 25 FIGURA 9 - Funcionamento de uma lmpada a partir de uma pilha ..................................... 27 FIGURA 10 - Dnamo construdo em 1871 pelo engenheiro eltrico belga Znobe Gramme (Wikipdia; 2010) ................................................................................................................ 29 FIGURA 11 - Registro de ondas cerebrais utilizando EEG (SABBATINI; 2007) ................. 30 FIGURA 12 Eletrodos de EEG sobre o couro cabeludo (SABBATINI; 1997) ................... 31 FIGURA 13 - Sistema de EEG Digital utilizando computador (SABBATINI; 1997) ............ 32 FIGURA 14 - Tipos de ondas cerebrais (TORTORA & GRABOWSKI; 1996) .................... 33 FIGURA 15 - Grfico 3D detalhado de um registro de EEG (SABBATINI; 1997) ............... 34 FIGURA 16 - Modelo tridimensional de uma cabea utilizando EEG digital (SABBATINI; 1997) ................................................................................................................................... 35 FIGURA 17 - Registro mostrando anormalidades no padro das ondas registradas utilizadas para identificar patologias (SABBATINI; 1997) .................................................................. 36 FIGURA 18 - Projeto construdo por Miguel Nicolelis e seus colegas no qual um macaco controla um brao rob utilizando os sinais neurais (MIGUEL NICOLELIS et al; 2001) ..... 39 FIGURA 19 - Imagens capturadas por Yang Dan e seus colegas usando uma ICC implantada em gatos. (STANLEY et al; 1999) ....................................................................................... 39 FIGURA 20 - NIA, ICC comercial desenvolvido pela OCZ Technology (OCZ Technology; 2010) ................................................................................................................................... 40 FIGURA 21 - Jens Naumann sendo entrevistado no programa de TV de The Early Show da emissora CBS (CBS;2002) ................................................................................................... 41

FIGURA 22 - Imagem que ilustra o funcionamento do BrainGate desenvolvido pela Cyberkinetics Neurotechnologys (WICKS; 2005) ............................................................... 42 FIGURA 23 - Usurio utilizando a interface Epoc desenvolvida pela empresa Emotiv Systems (ARSTECHNICA.COM;2009)............................................................................... 44 FIGURA 24 Pesquisadores jogando um jogo estilo pong, projeto desenvolvido utilizando a plataforma BCI2000. (BCI2000.ORG; 2008)..................................................................... 46 FIGURA 25 Dispositivo construdo utilizando o projeto OpenEEG (OpenEEG-Project; 2010) ................................................................................................................................... 47 FIGURA 26 Emotiv Epoc headset (EMOTIV.COM; 2010) ............................................ 48 FIGURA 27 NeuroSky MindSet (NEUROSKY.COM; 2010) ......................................... 49 FIGURA 28 - Servo Motores dispostos em forma de articulao. ......................................... 50 FIGURA 29 - Painel de Controle do Emotiv Epoc ............................................................ 51 FIGURA 30 - EmoComposer - Emulador do Emotiv Epoc ................................................ 52 FIGURA 31 - Arduino Duemilanove (GRAVITECH.US; 2010 ) ......................................... 53 FIGURA 32 - Servo Motor Futaba S 3003 (FUTUBA-RC.COM; 2010)............................... 53 FIGURA 33 - Exemplo de protoboard (ICEL-MANAUS.COM; 2010)................................ 54 FIGURA 34 - Ilustrao do funcionameto do sistema. .......................................................... 55 FIGURA 35 - Esquema de ligao dos servo motores com o Arduino .................................. 57 FIGURA 36 - Foto do projeto montado, servos conectados ao Arduino. ............................... 58 FIGURA 37 Tela do software ICC + Arduino Interface ..................................................... 61 FIGURA 38 - Estrutura de arquivos da aplicao ................................................................. 63

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

API Application Programming Interface BCI Brain-Computer Interface CAD Computer-Aided Design DARPA Defense Advanced Research Projects Agency ECoG Eletrocorticografia EEG Eletroencefalografia IDE Integrated Development Enviroment ICC Interface Crebro-Computador SDK Software Development Kit

LISTA DE QUADROS

QUADRO 1 - Arquivo MultiServo.pde, programa responsvel pela comunicao com os servo motores utilizando o Arduino ...................................................................................... 60 QUADRO 2 - Arquivo Main.cpp, arquivo principal da aplicao. ..................................... 71

SUMRIO

RESUMO ABSTRACT LISTA DE ILUSTRAES 1 INTRODUO ................................................................................................................ 15 1.1 Contexto ........................................................................................................................ 15 1.2 Objetivo ......................................................................................................................... 17 1.3 Justificativa .................................................................................................................... 17 1.4 Enunciado do Problema e das Hipteses ......................................................................... 17 1.5 Metodologia de Desenvolvimento .................................................................................. 18 1.6 Limitaes do Projeto..................................................................................................... 18 2 SISTEMA NERVOSO ...................................................................................................... 19 2.1 O Encfalo e Seus Componentes .................................................................................... 20 2.2 O Crebro ...................................................................................................................... 20 2.2.1 Os lobos do crebro ..................................................................................................... 21 2.2.2 O Crtex Cerebral ....................................................................................................... 22 2.3 O Diencfalo .................................................................................................................. 24 2.4 O Sistema Lmbico......................................................................................................... 24 3 CONCEITOS DE ELETRONICA..................................................................................... 26 3.1 Grandezas ...................................................................................................................... 26 3.1.1 Corrente Eltrica ......................................................................................................... 26 3.1.2 Tenso Eltrica............................................................................................................ 27 3.1.3 Resistncia Eltrica ..................................................................................................... 28 3.1.4 Potncia Eltrica ......................................................................................................... 29 4 ONDAS CEREBRAIS ...................................................................................................... 30 4.1 Eletroencefalografia (EEG) ............................................................................................ 30 4.1.1 Procedimento .............................................................................................................. 31 4.1.2 Tipos de ondas cerebrais ............................................................................................. 32 4.1.3 Computadores e Ondas Cerebrais ................................................................................ 34 4.1.4 Aplicaes .................................................................................................................. 36 5 INTERFACE CREBRO-COMPUTADOR ..................................................................... 37

5.1 Viso Geral .................................................................................................................... 37 5.2 Pesquisas........................................................................................................................ 37 5.3 Mtodos Invasivos ......................................................................................................... 41 5.4 Mtodos Parcialmente Invasivos .................................................................................... 43 5.5 Mtodos No Invasivos .................................................................................................. 43 5.5 Tecnologias e Projetos Existentes ................................................................................... 45 5.5.1 BCI2000 ..................................................................................................................... 45 5.5.2 OpenEEG .................................................................................................................... 46 5.5.3 Emotiv Epoc ............................................................................................................ 47 5.5.3 NeuroSky MindSet ................................................................................................... 48 6 IMPLEMENTAO ........................................................................................................ 50 6.1 Projeto ........................................................................................................................... 50 6.2 Ferramentas Utilizadas ................................................................................................... 51 6.3 Funcionamento............................................................................................................... 54 6.4 Desenvolvimento do Projeto. ......................................................................................... 56 6.4.1 Passo 1 Esquema de ligao dos motores e Arduino ................................................. 56 6.4.2 Passo 2 Escrever, compilar e gravar o programa no Arduino .................................... 58 6.4.3 Passo 3 Desenvolver, compilar e testar a aplicao ................................................... 61 6.5 Concluses do Captulo .................................................................................................. 72 7 CONCLUSO E TRABALHOS FUTUROS .................................................................... 73 7.1 Concluso ...................................................................................................................... 73 7.2 Trabalhos Futuros .......................................................................................................... 74 REFERNCIAS .................................................................................................................. 75

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1 INTRODUO

O capitulo introdutrio que se segue, apresentar o contexto e os objetivos que envolvem este projeto, tendo como foco proporcionar ao leitor, um entendimento prvio do que ser tratado. Sero apresentados alguns dos conceitos bsicos e as tecnologias que envolvem as Interfaces Crebro-Computador, assim como as justificativas do trabalho, juntamente com os objetivos e o enunciado dos problemas e das hipteses. Ao final do capitulo, est presente uma detalhada explicao sobre a metodologia utilizado no desenvolvimento da pesquisa e as limitaes do projeto.

1.1 Contexto

As pesquisas na rea de Interface Crebro-Computador (ICC), em ingls, BrainComputer Interface da sigla BCI, tiveram inicio por volta dos anos 70, com intuito de desenvolver prteses para pessoas que perderam membros do corpo, que pudessem ser controlados pelo crebro. Com a evoluo da computao, novos recursos e tecnologias foram surgindo, e aps anos de experimentaes em animais as primeiras prteses foram testadas em humanos em meados dos anos 90. Os avanos na rea de ICC tm alcanado resultados surpreendentes nos ltimos anos. Um dos maiores pesquisadores do mundo na rea de ICC o brasileiro Miguel Nicolelis, que possui diversas publicaes e projetos na rea, como por exemplo, em meados dos anos 2000 em conjunto com outros pesquisadores, conseguiu que um macaco movimentasse um brao rob utilizando uma Interface Crebro Computador, o Figura 1 mostra o brao rob sendo controlado por um macaco.

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FIGURA 1 - Macaco movimentando um brao rob a partir de uma interface crebro-computador (MIGUEL NICOLELIS et al; 2001)

Uma Interface Crebro Computador, tambm chamada de Interface Neural Direta ou Interface Crebro-Mquina, consiste um mecanismo de comunicao direta entre o crebro e um dispositivo externo (BERGER et al; 2008). Estas interfaces podem ser invasivas, parcialmente invasivas ou no invasivas, basicamente os mtodos invasivos consistem em capturar a atividade neural inserindo um eletrodo ou dispositivo dentro do crnio, mais prximo ao encfalo, como exemplificado na Figura 2, j os mtodos no invasivos utilizam tcnicas que dispes eletrodos sobre o couro cabeludo da pessoa, o que os tornam mais seguros.

FIGURA 2 - Interface utilizando um mtodo invasivo (HowStuffWorks;2007)

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O presente projeto, visa desenvolver uma aplicao que faz uso de tcnicas no invasivas, a partir de EEG (Eletroencefalografia), e que permita ao usurio interagir com o computador de forma satisfatria e intuitiva utilizando uma Interface Crebro Computador.

1.2 Objetivo

Este trabalho tem por objetivo realizar uma reviso bibliogrfica sobre Interface Crebro Computador e suas tecnologias. Ser desenvolvida uma aplicao, utilizando mtodos no invasivos a partir de um projeto j existente, que permita ao usurio interagir com o computador por meio de uma Interface Crebro Computador que capta e interpreta os registros de EEG (Eletroencefalografia).

1.3 Justificativa

Um dos principais objetivos das ICC propor meios que facilitem a vida e a interao de forma inovadora com o computador, principalmente das pessoas que possuem limitaes. O presente trabalho consiste em apresentar as Interfaces Crebro Computador de forma a divulgar a proposta aumentando o nmero de pesquisadores e pesquisas no meio acadmico, e aumentando as formas de interao dos usurios que possuem limitaes motoras com o computador.

1.4 Enunciado do Problema e das Hipteses

Os avanos na rea de ICC vm produzindo tecnologias e mtodos cada vez mais acessveis, e vem se tornando mais popular nos ambientes acadmicos e de pesquisa, entretanto, ainda so poucas as aplicaes voltadas para o usurio final, e principalmente para aqueles que realmente necessitam. Outro fator a considerar que muitas interfaces utilizam mtodos invasivos, porm estes, alm de apresentar riscos ao usurio so muito complexos.

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1.5 Metodologia de Desenvolvimento

Ser efetuada uma anlise detalhada dos conceitos que fundamentam o conceito, assim como estudo sobre os mtodos e tcnicas j conhecidos para leitura e organizao dos sinais e interpretao dos mesmos atravs de programas computacionais, compondo uma reviso bibliogrfica completa sobre os conceitos e tecnologias disponveis sobre ICC. O trabalho ser organizado da seguinte forma: O capitulo dois aborda os conceitos bsicos sobre a fisiologia e funcionamento do sistema nervoso, assim como conceitos sobre o funcionamento e registro de ondas cerebrais utilizando EEG. O capitulo trs apresenta alguns conceitos bsicos de eletrnica, como definies e noes de eletricidade e como estes so utilizados no registro de ondas cerebrais. O capitulo quatro traz uma abordagem detalhada sobre ondas cerebrais, apresenta os conceitos e os fundamentos, assim como os tipos de ondas. Introduz o conceito e funcionamento do EEG analgico e o digital, suas diferenas, vantagens e desvantagens. No capitulo cinco realizada uma reviso bibliogrfica sobre os trabalhos e projetos relacionados na rea de ICC. So apresentados os avanos e os projetos que j existem no mercado. O captulo seis apresenta o projeto desenvolvido utilizando o Emotiv Epoc em conjunto com o Arduino para movimentar servo motores utilizando a partir de ondas cerebrais. O capitulo sete traz as concluses e as propostas de trabalhos futuros sobre a pesquisa.

1.6 Limitaes do Projeto

A aplicao desenvolvida neste trabalho estar limitada ao uso do conjunto de tecnologias utilizadas como o Emotiv Epoc e a plataforma Arduino. O capitulo a seguir apresentar os conceitos que envolvem o funcionamento do sistema nervoso central e do crebro, alm de conceitos sobre ondas cerebrais e EEG.

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2 SISTEMA NERVOSO

Segundo Guyton (1993), o sistema nervoso o sistema de nosso corpo que sente, pensa e controla. Para exerccio dessas funes ele coleta informaes de todo o corpo por meio de varias terminaes nervosas sensoriais especializadas na pele, nos tecidos profundos, nos olhos, nos ouvidos, no aparelho do equilbrio e em outros inmeros sensores e transmite essa informao, pelos nervos, para a medula espinhal e o encfalo. O sistema nervoso considerado como desempenhando trs funes principais: (1) a funo sensorial, (2) a funo integrativa, que inclui os processos de pensamento e a memoria e (3) a funo motora. A Fig. 3 apresenta os dois principais componente do sistema nervoso: (1) o sistema nervoso central, que constitudo pelo encfalo e pela medula espinhal, e (2) o sistema nervos perifrico, composto das terminaes nervosas e outros sensores.

FIGURA 3 - Principais componentes do sistema nervoso (GUYTON; 1993)

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2.1 O Encfalo e Seus Componentes

O encfalo a parte do sistema nervoso que fica contida no interior da cavidade craniana e divido em seis componentes distintos: (1) o crebro, (2) o diencfalo, (3) o mesencfalo, (4) o cerebelo, (5) a ponte, (6) a medula oblonga, tambm chamada de bulbo (GUYTON, 1993).

2.2 O Crebro

De acordo com Guyton (1993), o crebro possui duas grandes massas laterais, chamados de hemisfrios cerebrais que podem ser observados nas Figuras 4 e 5, esses dois hemisfrios so interligados por diversos feixes de fibras nervosas; os dois feixes mais importantes que ligam os hemisfrios so: (1) o corpo caloso e (2) a comissura anterior. Os pontos correspondentes de quase todas as reas dos dois hemisfrios se interconectam entre si e se comunicam nas duas direes o que permite a comunicao contnua entre eles. A superfcie do crebro apresenta a presena de dobras, chamadas de circunvolues cerebrais, e cada uma delas um giro. As depresses entre os giros so chamadas de fissuras ou sulcos, sendo as mais profundas denominadas fissuras enquanto na grande maioria delas, menos profundas de sulcos. Quatro das fissuras (ou sulcos) principais podem ser observadas nas Figuras 4 e 5, so elas: a fissura longitudinal, o sulco central, a fissura lateral e o sulco parietoccipital.

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FIGURA 4 - Vista lateral esquerda do encfalo, mostrando as principais divises do encfalo e os quatro lobos principais do crebro (GUYTON; 1993)

2.2.1 Os lobos do crebro

O Crebro divido em quatro grandes lobos e em um quinto menor. Os lobos maiores so (1) o lobo frontal, (2) o lobo parietal, (3) o lobo occipital, (4) o lobo temporal; o lobo menor chamado de (5) a nsula. O sulco central separa o lobo frontal do lobo parietal. A fissura lateral delimita o lobo frontal e a parte anterior ao lobo parietal do lobo temporal. E o sulco parietoccipital separa a parte superior do lobo parietal do lobo occipital. A rea onde se encontram os lobos parietal, temporal e occipital a principal rea cerebral para integrao da informao sensorial, com a informao sensorial oriunda do corpo chegando a essa rea por meio do lobo parietal, a informao visual, pelo lobo occipital e a informao auditiva pelo lobo temporal. Em

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contraste, o lobo frontal est envolvido principalmente no controle do movimento muscular e em alguns tipos especficos de processo de pensamento. A nsula faz parte do sistema lmbico e responsvel por coordenar algumas emoes e pelo paladar. A nsula no pode ser vista da superfcie do crebro, pois fica situada na profundidade da fissura lateral.

FIGURA 5 - Vista da base do encfalo (GUYTON; 1993)

2.2.2 O Crtex Cerebral

O crtex cerebral formado por reas de colorao cinzenta, chamada de substncia cinzenta, e por outras reas de colorao esbranquiada denominada de substncia branca.

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A substncia cinzenta formada por colees de grandes nmeros de corpos celulares neuronais responsveis por essa tonalidade acinzentada. J a substncia branca formada por feixes de fibras nervosas que saem e chegam substncia cinzenta. O seu aspecto esbranquiado se d devido ao fato das bainhas de mielina das fibras nervosas possurem a colorao branca brilhante. As reas funcionais do crtex cerebral so: (1) a rea motora, (2) a rea sensorial somestsica, (3) a rea visual, (4) a rea auditiva, (5) a rea de Wernicke, (6) a rea para a memoria de curto prazo e a rea pr-frontal. A Figura 6 apresenta uma ilustrao que mostra as reas do crtex cerebral. A rea motora responsvel por algumas das funes motoras do corpo, como por exemplo o movimento dos lbios. As sensaes somestsicas so as sensaes oriundas do corpo, tais como as de tato, presso, temperatura e dor. A rea visual responsvel pela visual e por interpretar a informao visual. A rea auditiva responsvel pela audio e interpretao, como por exemplo, das palavras e o reconhecimento de msicas. A rea para memria de curto prazo responsvel pelo armazenamento das memrias de curto prazo.

FIGURA 6 - As reas funcionais do crtex cerebral (SISTEMANERVOSO.COM; 2009)

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2.3 O Diencfalo

O diencfalo tambm chamado de crebro intermdio e responsvel por ligar o crebro ao crebro mdio. no diencfalo que esto presentes o tlamo e o hipotlamo como pode ser observado nas Figuras 7 e 8. Em essncia o tlamo a principal estao transmissora para o trfego de sinais, direcionando esses sinais para os pontos apropriados do crtex cerebral. O hipotlamo responsvel por grande parte do controle do funcionamento interno do corpo.

FIGURA 7 - Diencfalo e outros componentes

2.4 O Sistema Lmbico

A palavra lmbico significa margem ou borda, logo, o sistema lmbico corresponde s estruturas das bordas do crebro e do diencfalo que em sua maior parte cercam o hipotlamo. O sistema lmbico atua preferencialmente, no controle de nossas atividades emocionais e comportamentais e exemplificado na Figura 8.

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FIGURA 8 - Sistema lmbico e outros componentes enceflicos (DONNER; 1986)

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3 CONCEITOS DE ELETRNICA

A eletrnica pode ser definida como a rea da cincia que estuda o uso de circuitos formados por componentes eletrnicos e eltricos, com o objetivo de processar, transmitir, armazenar ou representar informaes alm do controle de processos. (BOTTI apud Wikipdia; 2009) Outra definio pode ser encontrada na enciclopdia Barsa online (BARSA; 2010) que sugere que a eletrnica uma cincia fsica que estuda o movimento dos eltrons nos crculos eltricos e as suas aplicaes. Baseado nisso, o presente captulo traz uma pequena introduo a alguns conceitos bsicos de eletrnica que esto presentes em vrios dispositivos e situaes do nosso cotidiano.

3.1 Grandezas

A eletrnica pode ser fundamentada em quatro grandezas que descendem da eltrica, sendo estas, tenso eltrica, corrente eltrica, resistncia eltrica e potncia eltrica.

3.1.1 Corrente Eltrica

Uma corrente eltrica um fluxo ordenado de partculas carregadas (partculas dotadas de carga eltrica). Em um fio de cobre, a corrente eltrica formada por minsculas partculas carregadas de carga negativa, denominadas eltrons eles so os portadores da carga eltrica. (NETTO; 2010) Se observarmos um fio de cobre, podemos afirmar que os eltrons naturalmente l existem, e vagueiam de forma desordenada, at que uma ao externa proporcione que estes passem a caminhar ordenadamente no fio formando assim a corrente eltrica. A intensidade dessa corrente depende da quantidade de eltrons que passam por segundo em uma determinada regio desse fio.

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A corrente eltrica, num circuito, representada pela letra I e sua intensidade poder ser expressa em ampres (smbolo A), em miliampres (smbolo mA) ou outros submltiplos tal qual o microampres (smbolo A). (NETTO; 2010) A figura 9 mostra o caminho de uma corrente eltrica atravs de uma lmpada utilizando uma pilha comum.

FIGURA 9 - Funcionamento de uma lmpada a partir de uma pilha

3.1.2 Tenso Eltrica

De acordo com Estevo (2009), a corrente eltrica consiste na diferena de potencial (d.d.p.) eltrico entre dois pontos. Um exemplo prtico a pilha. A pilha uma clula voltaica que possui dois polos, um polo negativo (carregado de eltrons) e um polo positivo, o que a pilha faz uma converso de energia, ou seja, ela converte energia qumica que esto armazenadas nas substncias qumicas dentro dela em energia eltrica. Dessa forma gera uma tenso eltrica que permite aos eltrons caminharem

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ordenadamente de um ponto ao outro formando assim uma diferena de potencial. A figura 16 mostra como uma corrente eltrica flui partindo do polo negativo at chegar ao polo positivo de uma pilha. Essa grandeza indicada pela letra U e medida na unidade volt, representado pelo smbolo V. (NETTO; 2010) Como vimos anteriormente, a tenso das ondas do EEG so medidas em microvolts (V) que um submltiplo de volt ao qual representa uma tenso eltrica.

3.1.3 Resistncia Eltrica

Por definio chama-se de resistncia eltrica de um condutor ao quociente da diferena de potencial entre seus extremos pela intensidade de corrente eltrica correspondente. (SALMERON; 2010) A lei que prope a resistncia eltrica, tambm conhecida como resistncia hmica, foi proposta em 1827 pelo fsico Ohm, e leva seu nome, intitulada lei de Ohm. A medida utilizada Ohm, representada pelo smbolo (). A lei de Ohm a lei fundamental da eletrodinmica, todas as outras leis so deduzidas a partir dela. Um exemplo utilizado por Netto (2010) citado logo abaixo:

Se interligarmos diretamente o plo positivo de uma bateria automotiva com seu plo negativo mediante um grosso fio de cobre, iremos conseguir uma corrente eltrica de enorme intensidade durante um curto intervalo de tempo. Em alguns segundos o interior da bateria comear a ferver. Em uma lanterna no acontece isso. Parte do circuito da lanterna limita o fluxo de cargas, mantendo a intensidade da corrente com valores adequados. Algumas outras partes no afetam substancialmente esse fluxo. A propriedade eltrica dessas partes, umas dificultando o fluxo de cargas e outras no, caracterizam uma grandeza denominada resistncia eltrica. (NETTO; 2010)

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3.1.4 Potncia Eltrica

Potncia eltrica pode ser entendida como sendo a relao entre tenso eltrica e a corrente eltrica, que mede a velocidade em que a energia eltrica pode ser transformada em outra forma de energia. (BOTTI apud EDUCAO.UOL; 2009) Um exemplo prtico o dnamo. Um dnamo um aparelho que converte energia mecnica em energia eltrica, utilizando o conceito de induo eletromagntica. constitudo de um im e uma bobina. A energia mecnica faz com que o eixo onde se encontra o im seja girado, dessa forma alternando os polos norte e sul na bobina gerando assim energia eltrica. Abaixo, a figura 10 mostra a foto de um dnamo construdo em 1871.

FIGURA 10 - Dnamo construdo em 1871 pelo engenheiro eltrico belga Znobe Gramme (Wikipdia; 2010)

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4 ONDAS CEREBRAIS

O crebro, quando em atividade, produz correntes eltricas que podem ser captadas na sua superfcie ou mesmo na superfcie externa da cabea. As ondulaes desses potenciais eltricos registrados so chamadas de ondas cerebrais. Estas ondas podem ser medidas e representadas graficamente utilizando mtodo de eletroencefalograma ou apenas, EEG (GUYTON; 2006).

4.1 Eletroencefalografia (EEG)

A Eletroencefalografia (EGG) o estudo do registro grfico gerado a partir das correntes eltricas desenvolvidas no encfalo decorrente da atividade cerebral. muito utilizado devido ao seu baixo custo e por utilizar tcnicas no invasivas, mas no descarta a possibilidade de, em certas situaes, haver a necessidade de se utilizar tcnicas invasivas. As primeiras imagens grficas foram obtidas pelo alemo Hans Berger em seus estudos sobre psicofsica e psicofisiologia, publicados entre 1929 e 1938. A principio no teve uma boa aceitao dos seus colegas, entretanto, no decorrer de suas pesquisas outros cientistas passaram a estudar os mtodos e fizeram novas descobertas que contriburam para o reconhecimento da tcnica e dos pesquisadores. Na dcada de 50 a EEG j estava acessvel nas clinicas mdicas. A Figura 11 exibe um exemplo de registro de EEG.

FIGURA 11 - Registro de ondas cerebrais utilizando EEG (SABBATINI; 2007)

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4.1.1 Procedimento

O registro do EEG pode ser feito atravs de eletrodos (pequenos discos metlicos) que so afixados com um gel condutor ao couro cabeludo. utilizado um amplificador eletrnico que aumenta em milhares de vezes a amplitude do sinal eltrico. Este sinal pode ser lido de forma analgica utilizando um dispositivo chamado galvanmetro, que possui uma pena inscritora presa ao seu ponteiro que escreve sobre a superfcie de uma tira de papel que se desloca a velocidade constante as ondas cerebrais. Na Figura 12 possvel observar uma pessoa utilizando uma touca para registro das ondas cerebrais, com diversos eletrodos dispostos sobre a cabea, podendo ser utilizada para EEG digital e registro multicanal.

FIGURA 12 Eletrodos de EEG sobre o couro cabeludo (SABBATINI; 1997)

Com o surgimento dos computadores e a inveno dos conversores analgicos-digitais (ou CAD), o que torna esses sinais legveis ao computador, o registro do EEG ficou muito mais rpido, eficiente e preciso. Surgiram softwares e sistemas especficos voltados para o EEG digital, que permitem a gerao de imagens grficas precisas, agilidade no processamento, registros de vrios canais em paralelo com maior flexibilidade, este conhecido por registro multicanal que tambm possvel captar utilizando o mtodo analgico, podendo

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utilizar de 8 at 40 canais em paralelo. Existem padres especficos para disposio dos eletrodos sobre o couro cabeludo, na maioria das aplicaes clinicas o utilizado o sistema 10-20. A figura 13 apresenta um sistema comum de EEG digital que utiliza multicanal. Atualmente, existem inmeros sistemas comerciais para EEG, geralmente so constitudos de um computador ou dispositivo e um software proprietrio para gerenciar esses dispositivos, no entanto, existem tambm projetos open-source tanto de hardware quanto de softwares voltados para essa rea.

FIGURA 13 - Sistema de EEG Digital utilizando computador (SABBATINI; 1997)

4.1.2 Tipos de ondas cerebrais

A intensidade das ondas cerebrais medidas a partir do couro cabeludo variam de 0 a 200 V (microvolts) e possuem uma frequncia que podem variar de uma vez a cada poucos segundos at aproximadamente 50 ou mais por segundo. Na maior parte do tempo as ondas so irregulares e nenhum padro pode ser definido, entretanto, em outros momentos especficos padres podem ser definidos, alguns destes so at mesmo caractersticos de anormalidades neurolgicas estudados na medicina.

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A partir desses padres possvel identificar diversos estmulos corporais e sensoriais como: estados de humor, movimentos faciais e corporais e outros. Em pessoas de sade normal a maioria das ondas podem ser classificadas como ondas alfa, beta, teta e delta conforme mostra a Figura 14.

FIGURA 14 - Tipos de ondas cerebrais (TORTORA & GRABOWSKI; 1996)

As ondas alfa so ondas rtmicas que ocorrem com frequncia de 8 a 13 ciclos por segundo e so encontradas em quase todos os adultos normais quando estes encontram-se acordados e em estado e calma. Elas ocorrem com mais frequncia na regio occipital, mas tambm possvel medi-las nas regies frontal e parietal do crnio. Possuem uma voltagem de 50 microvolts em media. As ondas alfa desaparecem durante o sono profundo. As ondas beta ocorrem com frequncias maiores que 14 ciclos por segundo, podendo chegar a 80 ciclos por segundo. Estas ondas so registradas mais comumente na regio frontal e parietal durante a ativao especificas dessas regies. As ondas teta possuem frequncia entre 4 e 7 ciclos e normalmente ocorrem na regio parietal e temporal em crianas, mas podem ser registradas em adultos decorrente de estresse emocional, desapontamento ou frustrao.

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As ondas delta incluem todas as ondas com frequncias menores que 3,5 ciclos por segundo e geralmente possuem voltagens de duas a quatro vezes maiores em relao aos outros tipos de ondas cerebrais.

4.1.3 Computadores e Ondas Cerebrais

Os computadores foram de extrema importncia na evoluo do registro eletroencefalogrfico, proporcionando flexibilidade e ferramentas cada vez mais completas para anlise das ondas, e uma das coisas que permitiu isso, foi a inveno do conversor analgico-digital. O uso dos computadores para processar sinais fisiolgicos cerebrais abre um nmero infinito de possibilidades para se extrair informao til, utilizando tcnicas matemticas e outros recursos computacionais para tornar a anlise e as aplicaes de EEG muito mais flexveis, a figura 15 mostra uma imagem de um registro de EEG digital que exibido na forma de um grfico tridimensional, onde so mostrados os tipos de onda, voltagem e uma linha do tempo e uma escala de cores utilizada para diferencia a amplitude.

FIGURA 15 - Grfico 3D detalhado de um registro de EEG (SABBATINI; 1997)

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Basicamente um conversor analgico-digital um dispositivo eletrnico que pega uma onda continuamente varivel e a transforma em uma lista de nmeros (cada nmero sendo a medida de amplitude da onda, tomado a intervalos regulares de tempo). Essas medidas so chamadas de amostras, portanto o processo todo chamado de amostragem. A amostragem realizada em alta velocidade (tipicamente entre 100 e 200 amostras por segundo), e os nmeros resultantes so armazenados na memria do computador. Cada canal de EEG tem o seu prprio processo de converso analgico-digital, ou digitalizao, realizado em paralelo com os outros canais; e tudo isso acontece em tempo real, ou seja. acompanhando a velocidade das ondas cerebrais. (SABBATINI; 1997) Com a utilizao de softwares especficos possvel formar imagens tridimensionais da cabea e do crebro, onde os parmetros da atividade eltrica so mostrados em mapas coloridos em 3D, como pode ser observado na figura 16, permitindo tambm, a construo de animaes dinmicas em vdeo, grficos coloridos detalhados e diversas outros recursos uteis.

FIGURA 16 - Modelo tridimensional de uma cabea utilizando EEG digital (SABBATINI; 1997)

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4.1.4 Aplicaes

A topografia cerebral de EEG possui diversas aplicaes, e extensamente utilizada na medicina de diversas formas. Entretanto, com o avano da tecnologia, tem sido utilizado no desenvolvimento de interfaces crebro-computador. O registro da atividade cerebral utilizando a eletroencefalografia amplamente aplicado na neurologia e psiquiatria. muito utilizado no estudo do sono e tambm possibilita a determinar a presena e a localizao de tumores e doenas focais no crebro, como por exemplo a epilepsia. Tambm apropriada quando determinados distrbios da conscincia e vigilncia esto presentes, tais como narcolepsia (o aparecimento abrupto de sono), coma, etc. Em psiquiatria, a topografia cerebral do EEG tem sido de utilidade para o diagnstico diferencial de diversas enfermidades, tais como esquizofrenia, demncias, hiperatividade, depresso, atrofia cerebral e distrbios da ateno em crianas. As ondas marcadas em vermelho da figura 17 mostra como podem ser identificadas anormalidades no padro das ondas, permitindo assim identificar em que parte do crebro a anormalidade est localizada.

FIGURA 17 - Registro mostrando anormalidades no padro das ondas registradas utilizadas para identificar patologias (SABBATINI; 1997)

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5 INTERFACE CREBRO-COMPUTADOR

As Interfaces Crebro-Computador, tm evoludo de forma satisfatria ao longo dos ltimos anos, principalmente aps os anos 70, quando universidades em conjunto com rgos militares passaram a investir em pesquisas direcionadas a esta rea. O captulo que se segue, visa mostrar o que so as ICC, como so usadas, quais suas aplicaes, apresentar alguns trabalhos e pesquisas relacionadas ao assunto, inclusive alguns projetos e dispositivos j disponveis no momento. No ser mencionado o desenvolvimento de ICC em animais, apenas em seres humano, que o foco da pesquisa.

5.1 Viso Geral

BERGER, et al (2008) define uma Interface Crebro-Computador como um mecanismo de comunicao direta entre o crebro e um dispositivo externo, tambm conhecida como Interface Neural Direta ou Interface Crebro-Mquina. Estas interfaces podem ser dividas em invasivas, parcialmente invasivas ou no invasivas. Basicamente os mtodos invasivos, ou seja, aqueles que invadem o crnio, utilizam algum dispositivo que inserido dentro da caixa craniana para captar a atividade neural. J os mtodos no invasivos utilizam tcnicas que dispes eletrodos sobre o couro cabeludo da pessoa, o que os tornam mais seguros porm implica em limitaes quanto a preciso e qualidade dos registros, os mtodos no invasivos, na sua maioria, utilizam EEG como ser visto posteriormente.

5.2 Pesquisas

Os estudos na rea de Interface Crebro-Computador tiveram incio por volta dos anos 1970 na Universidade da Califrnia de Los Angeles (University of California Los Angeles) em parceria Fundao Nacional de Cincia dos Estados Unidos (National Science

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Foundation) seguido de um contrato com a DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, em portugus, Agncia de Pesquisa em Projetos Avanados). A principio as pesquisas eram feitas em animais, como por exemplo, em 1969 pesquisadores demonstraram que podiam a partir da atividade neural identificar movimentos dos braos e estabeleceram que os macacos pudessem aprender a controlar a interao dos neurnios no crtex primrio se fossem recompensados, e dessa forma formavam padres nos sinais neurais. Em 1980, Apostolos Georgopoulos, um cientista da Universidade Johns Hopkins, descobriu uma relao matemtica entra as respostas eltricas geradas no crtex-motor de macacos quando estes moviam seus braos em determinadas direes. Porm ele s conseguia captar sinais neurais em uma rea de cada vez devido a limitaes impostas por seu equipamento. Tambm nos anos 80. Lawrence Farwell e Emanuel Donchin desenvolveram o primeiro sistema de ICC baseado em EEG, permitindo que pessoas com paralisia pudessem enviar comandos a um computador. A partir dos anos 1990, o desenvolvimento na rea de ICC teve um avano extremamente rpido, com a evoluo dos computadores e o desenvolvimento de outras tecnologias, possibilitou que muitos cientistas tivessem avanos significativos na rea de ICC. Destacam-se entre esses, grupos de pesquisas liderados por Richard Andersen, John Donoughue, Miguel Nicolelis, Philip Kennedy e Andrew Schwartz. Philip Kennedy e seus colegas construram a primeira Interface Crebro-Computador invasiva implantada em um macaco utilizando eletrodos. Em meados dos anos 1990, Miguel Nicolelis em conjunto com outros pesquisadores, iniciaram os estudos de interfaces crebro-computador em macacos, e por volta dos anos 2000 conseguiu que macacos controlassem um brao rob a partir de sinais neurais. A figura 18 demonstra o experimento de Nicolelis.

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FIGURA 18 - Projeto construdo por Miguel Nicolelis e seus colegas no qual um macaco controla um brao rob utilizando os sinais neurais (MIGUEL NICOLELIS et al; 2001)

Em 1999, um grupo de pesquisa liderado por Yang Dan da Universidade da Califrnia conseguiram reproduzir imagens em um computador utilizando uma ICC a partir da viso de gatos a partir de eletrodos conectados ao tlamo dos animais, a figura 19 mostra as imagens capturadas.

FIGURA 19 - Imagens capturadas por Yang Dan e seus colegas usando uma ICC implantada em gatos. (STANLEY et al; 1999)

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Uma das limitaes encontradas no desenvolvimento de ICC uma forma de garantir segurana e preciso aliada a um robusto acesso aos sinais neurais. O desenvolvimento de uma interface-crebro computador complexo e consome uma quantidade significativa de tempo, pensando nisso o Dr. Gerwin Schalk e outros pesquisadores, desenvolveram um sistema livre de ICC chamado BCI2000, que pode ser usado para fins educacionais e de pesquisas. Este vem sendo desenvolvido desde o ano 2000 e j utilizado em mais de 500 laboratrios ao redor do globo. Mais informaes em http://www.bci2000.org. Algumas companhias e projetos comearam a surgir nos ltimos anos a partir do progresso dessas tecnologias, desenvolvendo prteses para pessoas com limitaes e interfaces voltadas para o usurio final. A primeira ICC comercial voltada para o usurio final foi lanada em Abril de 2008 e recebeu o nome de NIA (Neural Impulse Actuator, ou, Atuador de Impulsos Neurais), e foi desenvolvido pela OCZ Technology e tem a proposta de fornecer uma nova experincia em games para os usurios. A figura 20 mostra do dispositivo produzido pela OCZ. Alm desta existem outras que falaremos mais adiante.

FIGURA 20 - NIA, ICC comercial desenvolvido pela OCZ Technology (OCZ Technology; 2010)

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5.3 Mtodos Invasivos

Os mtodos invasivos possuem uma preciso e resoluo de sinais neurais maior em relao aos outros mtodos. No entanto, oferecem um risco expressivo pelo fato dos dispositivos responsveis por captar os sinais serem inseridos dentro do crnio e conectados diretamente ao crtex cerebral, principalmente a substncia cinzenta do crebro. Podem ser implantados na forma de chips, eletrodos e outras formas de dispositivos, na substncia cinzenta. So frequentemente utilizados no desenvolvimento de controles para prteses direcionadas para pessoas que perderam membros. Os mtodos invasivos tm sido utilizados no desenvolvimento de ICC que permitem que pessoas que adquiriram cegueira possam enxergar novamente. O primeiro pesquisador a desenvolver uma ICC que permitisse isso foi o Willian Dobelle. Dobelle desenvolveu seu primeiro prottipo em 1978, que era composto de 68(sessenta e oito) eletrodos conectados ao cortex visual e cmeras montadas em um culos que envia os sinais ao implante. O dispositivo foi implantando em um homem que ficou cego depois de adulto. Em 2002, Jens Naumann foi o primeiro dos dezesseis pacientes que receberam o implante de segunda gerao de Dobelle, uma verso mais sofisticada do dispositivo ao qual permite uma maior sensao de viso. A figura 21 mostra Jens Naumann utilizando o implante de Dobelle, sendo entrevistado no programa The Early Show do canal americano de TV CBS.

FIGURA 21 - Jens Naumann sendo entrevistado no programa de TV de The Early Show da emissora CBS (CBS;2002)

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Em

2005,

a

empresa

Ciberkinetics

Neurotecnologia

(Cyberkinetics

Neurotechnologys) desenvolveu a primeira ICC que possibilitou que um homem tetraplgico controlasse um brao artificial. Matt Nagle foi o primeiro homem a controlar um brao robo utilizando uma ICC, o chip-implante, chamado BrainGate era composto por 96 eletrodos conectados ao crtex motor do paciente. A figura 22 ilustra a interface BrainGate.

FIGURA 22 - Imagem que ilustra o funcionamento do BrainGate desenvolvido pela Cyberkinetics Neurotechnologys (WICKS; 2005)

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5.4 Mtodos Parcialmente Invasivos

O mtodo parcialmente-invasivo consiste na implantao de dispositivos dentro do crnio, entretanto, estes dispositivos no chegar a entrar em contato com o crebro, mais especificamente com o crtex (substncia cinzenta). Este mtodo produz uma resoluo de sinais superior aos mtodos no invasivos, porm, da mesma forma que os mtodos invasivos, pe em risco a segurana do usurio, no entanto, de forma inferior que os mtodos totalmente invasivos. A Eletrocorticografia (ECoG) comumente usada em dispositivos parcialmente invasivos, e consiste em uma promissora tecnologia intermediria entre os dispositivos que utilizam tcnicas totalmente invasivas e as que utilizam tcnicas no invasivas. A ECoG mede a atividade neural de uma forma parecida com a EEG, porm os eletrodos no inseridos dentro do crnio mas no entram em contato com o crtex. Em 2004, pesquisadores da Universidade de Washington em St. Louis, construram um dispositivo que permitiu que um garoto jogasse o jogo Space Invaders (jogo clssico de videogame desenvolvido em 1978) utilizando a tecnologia de ECoG. Os resultados da pesquisa mostraram que em comparao a mtodos no invasivos, as respostas so mais rpidas e no requer muito treinamento.

5.5 Mtodos No Invasivos

Os mtodos no invasivos consistem basicamente em capturar a atividade neural a partir de eletrodos (ou qualquer outro dispositivo capaz de capturar o sinal eltrico neural) conectados ao couro cabeludo, diferente dos mtodos invasivos, no necessita que dispositivos sejam inseridos dentro do crnio da pessoa, dessa forma, reduz os riscos encontrados nas outras tcnicas e garante maior segurana ao usurio. A Eletroencefalografia (Cap. 4) responsvel por tornar possvel essa tcnica, permitindo capturar os sinais neuronais a partir do couro cabeludo. A qualidade e a preciso dos sinais capturados a partir de EEG so inferior aos mtodos invasivos. A caixa craniana bloqueia grande parte do sinal, fazendo com que as ondas cheguem com uma intensidade muito baixa at os eletrodos conectados a superfcie da

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cabea, entre outros motivos, as interferncias externas tambm so um fator a considerar, tendo em vista que estas interferncias causam distores no registro de EEG. Em contrapartida, o avano das tecnologias de EEG vem proporcionando maior qualidade e preciso no emprego de tcnicas no invasivas permitindo que interfaces mais precisas fossem construdas ao decorrer do tempo, de forma segura e confivel. Em 1999, um grupo de pesquisa da Case Western Reserve University, liderados por Hunter Peckham, desenvolveram uma interface utilizando EEG que consistia em 64 eletrodos conectados ao escalpo de um homem quadriplgico permitindo que este realizasse movimentos limitados com sua mo, atravs de sinais enviados a controladores implantados nos nervos de sua mo. Nos ltimos anos surgiram inmeros projetos de ICC, principalmente no invasivos a partir de EEG, podemos usar como exemplo a interface NIA (mostrado anteriormente na figura 20), que faz uso da tecnologia de eletroencefalografia para registro dos sinais em conjunto com mtodos no invasivos. Presentemente, existem outros dispositivos parecidos com o NIA que veremos posteriormente, alguns destes comerciais, contudo, existem projetos open source de interfaces no invasivas baseadas em eletroencefalografia. Abaixo, na figura 23, podemos observar um usurio utilizando a interface Epoc desenvolvida pela empresa australiana Emotiv Systems.

FIGURA 23 - Usurio utilizando a interface Epoc desenvolvida pela empresa Emotiv Systems (ARSTECHNICA.COM;2009)

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5.5 Tecnologias e Projetos Existentes

Neste subcaptulo ser apresentada uma breve explicao sobre algumas tecnologias e projetos de Interface Crebro-Computador que esto sendo desenvolvidas e pesquisadas, ou que j esto disponveis para uso. Foram selecionadas algumas tecnologias e dispositivos disponveis, listados abaixo:

BCI 2000 OpenEEG Emotiv Epoc Headset NeuroSky MindSet

5.5.1 BCI2000

O projeto BCI2000 uma plataforma que vem sendo desenvolvido desde 2000 pelo pesquisador Dr. Gerwin Schalk, que tem por objetivo auxiliar na pesquisa na rea de ICC. A construo de um dispositivo de ICC demorado, caro e complexo, logo, surgiu a necessidade de implementar um sistema genrico que proporcionasse ferramentas com um propsito generalizado que pudesse atender a todos os pesquisados. Consiste em um sistema desenvolvido em C/C++ que suporte a grande maioria de dispositivos para aquisio de dados, e fornece uma grande quantidade de funes para manipulao e gerenciamento dos dados adquiridos, alm de oferecer integrao com outros softwares e suporte a comunicao via rede. O BCI2000 est disponvel apenas para instituies e pesquisadores sem fins lucrativos, e j utilizado por mais de quinhentos laboratrios de pesquisa por todo o mundo. A figura 24 mostra um exemplo de aplicao utilizando o projeto BCI2000.

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FIGURA 24 Pesquisadores jogando um jogo estilo pong, projeto desenvolvido utilizando a plataforma BCI2000. (BCI2000.ORG; 2008)

5.5.2 OpenEEG

O OpenEEG consiste em um projeto uma open-source distribudo sob a licena GNU/GPL que fornece todas as especificaes necessrias para a construo de um sistema de EEG de baixo custo. No site do projeto est toda a documentao necessrio para a implementao do projeto, como, projeto da placa de circuitos, lista de componentes eletrnicos necessrios, firmware para o dispositivo e projeto dos eletrodos utilizados. Fornece tambm vrios softwares que podem ser utilizados com o dispositivo para leitura e manipulao dos dados. necessrio conhecimento em eletrnica para que se possa desenvolver o projeto de forma satisfatria. O projeto mantido por uma comunidade de desenvolvedores que conta com a colaborao de vrios profissionais. A figura 25 mostra um exemplo construdo utilizando as especificaes fornecidas pelo projeto.

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FIGURA 25 Dispositivo construdo utilizando o projeto OpenEEG (OpenEEG-Project; 2010)

5.5.3 Emotiv Epoc

O Epoc (figura 26) consiste em uma Interface Crebro-Computador produzido pela empresa australiana Emotiv Systems. O headset possui 16 sensores de EEG que captam as ondas cerebrais e as interpretam possibilitando identificar alguns padres e dessa forma permitir ao usurio executar aes. Possui trs modos de identificao: Expressiv (Identifica as expresses faciais), Affective (Identifica os sentimento) e Cognitiv (Permite interagir utilizando as funes cognitivas, ou seja, apenas o pensamento). A comunicao com o computador feita de forma sem fio utilizando um dispositivo conectado a porta usb. O dispositivo acompanha um completo kit de desenvolvimento para os desenvolvedores que desejam criar aplicaes para o mesmo, o que contribui muito para o desenvolvimento do projeto. Este dispositivo ser utilizado na implementao (captulo 6) presente neste projeto.

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FIGURA 26 Emotiv Epoc headset (EMOTIV.COM; 2010)

5.5.3 NeuroSky MindSet

O NeuroSky MindSet uma ICC desenvolvido pela empresa americana NeuroSky. O dispositivo possui apenas um sensor e utiliza EEG para captar os sinais cerebrais, voltado mais para o mercado de games, e utilizado tambm em conjunto com alguns brinquedos infantis. O dispositivo disponibiliza uma sute de desenvolvimento e varias ferramentas para auxiliar os desenvolvedores na criao de aplicaes e jogos utilizando o MindSet. A figura 27 mostra uma imagem do dispositivo.

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FIGURA 27 NeuroSky MindSet (NEUROSKY.COM; 2010)

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6 IMPLEMENTAO

O presente projeto exemplifica de forma clara e didtica o funcionamento de uma interface crebro-computador e a interao do usurio utilizando a interface. Neste captulo sero apresentadas as tecnologias e ferramentas utilizadas no projeto, seu funcionamento, e todo o cdigo utilizado assim como o processo de desenvolvimento do mesmo.

6.1 Projeto

O projeto consiste em um aplicativo desenvolvido em C/C++ que permite controlar dois servo motores utilizando o headset Epoc. Como pode ser observado na figura 28, os motores foram dispostos de forma a representar uma articulao, o primeiro motor a base e est posicionado de forma vertical enquanto o segundo motor est posicionado na horizontal sobre o primeiro motor. A interao com os motores feita atravs de expresses faciais da seguinte forma: quando o usurio olha para o lado direito, por exemplo, o motor 1, move-se para o lado direito, logo, se ele olha para o lado esquerdo o mesmo motor move-se para o lado esquerdo, caso ele olhe para cima o motor 2 move-se para cima.

FIGURA 28 - Servo Motores dispostos em forma de articulao.

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6.2 Ferramentas Utilizadas

No desenvolvimento do projeto foram utilizadas varias ferramentas e tecnologias que se inter-relacionam para obter o resultado final. Abaixo so listadas as ferramentas e os softwares utilizados.

Emotiv Epoc: Apresentado anteriormente no capitulo 5, uma explicao detalhada pode ser encontrada no subcapitulo 5.5.3.

Emotiv SDK 1.0.0.3: Kit de desenvolvimento do Epoc, contm as bibliotecas (APIs) necessrias para comunicao e configurao do headset. O SDK traz algumas ferramentas essenciais como o Painel de Controle (Control Panel Figura 29) onde possvel criar perfis especficos para cada usurio, e o EmoComposer (Figura 30), um emulador que simula as funes do Epoc, muito til para testes no desenvolvimento.

FIGURA 29 - Painel de Controle do Emotiv Epoc

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FIGURA 30 - EmoComposer - Emulador do Emotiv Epoc

Arduino Duemilanove: Com pode ser observado na figura 31, o Arduino consiste em uma plataforma open-source de desenvolvimento que permite desenvolver aplicaes utilizando um micro-controlador (ATMEGA 328 desenvolvido pela Atmel Products), disponibiliza um IDE de desenvolvimento tambm open-source que permite desenvolver, compilar e gravar os programas no micro-controlador, a verso da IDE utilizada neste projeto foi a 0018.

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FIGURA 31 - Arduino Duemilanove (GRAVITECH.US; 2010 )

Servo Motor Futaba S3003: Modelo do servo motor utilizado na construo do projeto. A figura 32 mostra o servo motor.

FIGURA 32 - Servo Motor Futaba S 3003 (FUTUBA-RC.COM; 2010)

Microsoft Visual C++ Express: IDE de desenvolvimento gratuita desenvolvida pela Microsoft que foi utilizada no desenvolvimento da aplicao.

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Protoboard: Placa para prototipao de projetos de eletrnica. A figura 33 mostra um exemplo de protoboard (matriz de contatoas).

FIGURA 33 - Exemplo de protoboard (ICEL-MANAUS.COM; 2010)

6.3 Funcionamento

O projeto utiliza um conjunto de tecnologias e ferramentas, que foram apresentadas no capitulo anterior, que so fundamentais para o funcionamento da aplicao. Basicamente o funcionamento se d por meio da comunicao que h entre esses dispositivos e softwares. A figura 34 mostra uma ilustrao do funcionamento do sistema. A ICC (Epoc) l as ondas cerebrais utilizando EEG e sua e o software interpreta essas ondas identificando padres que permitem identificar cada uma das aes executadas por cada sute do headset. Em seguida essas informaes so monitoradas por um software que quando identifica uma determinada ao envia um comando via comunicao serial para o Arduino que se comunica com os servo motores. Para que o Arduino possa interpretar esses comandos necessrio a criao de um programa e a gravao do mesmo no microcontrolador (ATMEGA 328), garantindo assim o perfeito funcionamento do sistema. Todo esse processo ser explicado mais detalhadamente no subcapitulo posterior, onde ser apresentado um roteiro do desenvolvimento do sistema.

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FIGURA 34 - Ilustrao do funcionameto do sistema.

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6.4 Desenvolvimento do Projeto.

O presente subcapitulo apresentar um roteiro detalhado da criao e desenvolvimento do projeto, mostrando todos os passos necessrios para a realizao completa do projeto.

6.4.1 Passo 1 Esquema de ligao dos motores e Arduino

O Arduino disponibiliza 14 portas de sada e 6 portas de entrada de dados prdefinidas. Os servos motores possuem trs fios de ligao ao qual, o vermelho representa a alimentao 5 volts, o preto representa o terra e o branco permite a comunicao com o motor. Foi utilizado uma protoboard para fornecer corrente 5 volts e terra para os dois motores. A figura 35 traz uma ilustrao com o esquema de ligao, e a figura 36 mostra uma foto real do projeto pronto.

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FIGURA 35 - Esquema de ligao dos servo motores com o Arduino

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FIGURA 36 - Foto do projeto montado, servos conectados ao Arduino.

6.4.2 Passo 2 Escrever, compilar e gravar o programa no Arduino

Como j foi dito, o Arduino disponibiliza uma IDE desenvolvimento especifica que dispe de varias funes para agilizar o processo de desenvolvimento, possvel escrever, testar e compilar o cdigo nessa IDE, e tambm utiliza-la para gravar o cdigo diretamente no microcontrolador ATMEGA328. O programa foi desenvolvido utilizando a IDE Arduino verso 0018, utilizando uma biblioteca para comunicao com servo motores que acompanha IDE, o Quadro 1 mostra o arquivo MultiServo.pde que responsvel pela comunicao com os servo motores

utilizando o Arduino.

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// Header para comunicao com servo motores. #include // Cria dois objetos do tipo Servo Servo servo1; Servo servo2; //Buffer que receber a string do comando. char buffer[4]; //Variaveis auxiliar int received; //Funo que executada ao iniciar o programa void setup(){ //Abre a comunicao com a porta serial Serial.begin(9600); //Atribui a porta 8 para o Servo 1 //e a porta 9 para o segundo Servo servo1.attach(8); servo2.attach(9); //Envia um comando que posiciona os motores em 90 graus servo1.write(90); servo2.write(90); received = 0; } //Loop principal void loop(){ //Verifica se tem algo disponvel na porta serial if(Serial.available()){ //L o comando enviado a porta serial char c = Serial.read(); //Verifica se o caractere equivalente a a //(Caractere 97 da tabela ASCII) if(c == 97){ //Imprimi o valor na sada serial Serial.println(buffer); //Converte de char para int int numero = atoi(buffer);

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//Envia o comando para o servo motor. servo1.write(numero); received = 0; } //Verifica se o caractere equivalente a b //(Caractere 98 da tabela ASCII) e executa o mesmo //procedimento if(c == 98){ Serial.println(buffer); int numero = atoi(buffer); if(numero >= 60){ servo2.write(numero); received = 0; } received = 0; } if(c != 97 && c != 98){ buffer[received++] = c; } Serial.flush(); }QUADRO 1 - Arquivo MultiServo.pde, programa responsvel pela comunicao com os servo motores utilizando o Arduino

O programa consiste em identificar a string enviada via serial e enviar o comando para os servo motores, basicamente funciona da seguinte forma: a string enviada equivale ao grau de rotao do motor, essa string composta por um numero de trs casas decimais e de um caractere no final, neste caso a para o primeiro servo ou b para o segundo servo, utilizados para identificar para qual servo ser enviado o comando, um exemplo de string seria 180a, quer dizer que o servo 1 deve rotacionar 180 graus, outro exemplo, 080b significa que o motor 2 deve rotacionar 90 graus, e assim por diante. Aps testado o programa, s fazer o upload do mesmo para o microcontrolador. possvel testa-lo atravs do Serial Monitor, um monitor serial que permite a comunicao serial com a plataforma, disponvel na prpria IDE Arduino.

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6.4.3 Passo 3 Desenvolver, compilar e testar a aplicao

O software desenvolvido funciona como um middleware, responsvel por receber e identificar os comandos captados pelo Epoc e a partir disso enviar o comando especifico para o Arduino atravs de comunicao serial, ou seja, integrar os dois dispositivos. A aplicao permite que o usurio se conecte ao emulador EmoComposer, ao Painel de Controle, ao qual podem ser utilizadas as informaes armazenadas no perfil do usurio, ou conectar diretamente ao headset e utilizar as definies universais para identificao dos estados do usurio. O software tambm exibe algumas informaes sobre o headset, como sinal wireless, nvel de bateria, tempo de conexo e qual headset/usurio est sendo utilizado, e identifica tambm algumas aes executadas pelo usurio como: piscar/fechar os olhos, piscar o olho direito ou o esquerdo, sorrir, olhar para cima, para baixo, ou para os lados. Todas estas informaes so mostradas na janela da aplicao. A figura 37 apresenta o software pronto.

FIGURA 37 Tela do software ICC + Arduino Interface

No sero explicados detalhadamente os conceitos e o funcionamento de alguns componentes envolvidos no projeto, como o funcionamento da plataforma Arduino e a Win32 Api. Pare o perfeito entendimento faz-se necessrio que o desenvolvedor tenha conhecimentos na linguagem C e C++.

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Para efetuar a comunicao serial foi utilizada uma classe composta pelos arquivos SerialClass.h e Serial.cpp, disponvel no site do projeto Arduino no seguinte endereo: http://www.arduino.cc/playground/Interfacing/CPPWindows (acesso em 24/10/2010 s 14:21hs). A interface do programa foi desenvolvida utilizando a prpria Api do Windows (Win 32 Api), com o auxilio da IDE na construo da janela. A api para comunicao com o Emotiv Epoc composta de alguns arquivos, entre eles headers (.h) e arquivos .dll, so eles:

edk.h: fornece o escopo das funes contidas na api. edkErrorCode: fornece as constantes que podem ser utilizadas na identificao de possveis erros gerados pelo headset. EmoStateDLL: fornece o escopo das funes e constantes necessrios para identificar os estados captados pelo Emotiv Epoc. edk.dll, edk_utils.dll e edk.lib: contm as implementaes necessrias para a comunicao com o dispositivo.

Os arquivos de bibliotecas utilizados no projeto no sero listados neste volume, por no ser pertinente ao objetivo do projeto e da implementao, ser apresentado o arquivo principal que tem por objetivo a interao com os outros componentes do projeto. A estrutura de arquivos do projeto est organizada da seguinte forma, arquivos de cabealho (Header Files), arquivos de recursos (Resource Files) e arquivos de cdigo fonte (Source Files), a estrutura e os arquivos presentes no projeto so explanados abaixo.

Headers Files o edk.h: explicado anteriormente, pertence ao SDK do Emotiv Epoc. o edkErrorCode.h: explicado anteriormente, pertence ao SDK do Emotiv Epoc. o EmoStateDLL.h: explicado anteriormente, pertence ao SDK do Emotiv Epoc. o resource.h: possui os cdigos referentes aos componentes presentes no arquivo de recursos EmotivApp.rc. o SerialClass.h: arquivo de definio de classe Serial.

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Resource Files o EmotivApp.rc: arquivo de recursos que possui as informaes necessrias para a criao da janela da aplicao.

Source Code o Main.cpp: arquivo principal da aplicao que ser mostrado mais abaixo, contm o cdigo funcional do projeto. o Serial.cpp: arquivo de implementao da classe Serial.

Abaixo, a figura 38 ilustra a estrutura de arquivos do projeto.

FIGURA 38 - Estrutura de arquivos da aplicao

Como foi citado anteriormente, o arquivo Main.cpp o arquivo principal da implementao que contm o cdigo funcional do projeto, onde so utilizadas as funes fornecidas pelo SDK do Emotiv Epoc para identificar as aes captadas pelo headset e a partir destas aes enviar o comando para o Arduino. Abaixo, o quadro 2 mostra a o cdigo fonte presente no arquivo Main.cpp.

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//Bibliotecas C e Windows #include #include #include #include //Bibliotecas STL (C++) #include #include #include #include //Bibliotecas Emotiv #include "EmoStateDLL.h" #include "edk.h" #include "edkErrorCode.h" //Recursos #include "resource.h" //Classe para comunicao serial. #include "SerialClass.h" //Constantes (Portas das aplicaes) const unsigned int CONTROL_PANEL_PORT const unsigned int EMO_COMPOSER_PORT //Carrega a biblioteca edk.lib #pragma comment(lib, "../lib/edk.lib") //Namespace STL (C++) using namespace std; //Declaracao das funcoes criadas void ConectaEmoEngine(HWND hwnd); void ConectaEmoComposer(HWND hwnd); void ConectaControlPanel(HWND hwnd); void DesconectaEmotiv(HWND hwnd); //Cria um objeto do tipo "Serial", //Inicializando a comunicao com a porta "COM3" Serial serial ("COM3"); EmoEngineEventHandle eEvent = EE_EmoEngineEventCreate(); EmoStateHandle eState = EE_EmoStateCreate(); int state = 0; unsigned int userID = 0; int pos1; int pos2; BOOL CALLBACK DlgProc (HWND hwnd, UINT msg, WPARAM wParam, = 3008; = 1726;

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LPARAM lParam) { switch(msg) { case WM_INITDIALOG: //Timer: necessrio para criar um loop constante de atualizao. UINT ret; ret = SetTimer(hwnd, 1, 50, NULL); if(ret == 0) MessageBox(hwnd, "Erro ao criar o timer!", "Erro", MB_OK | MB_ICONEXCLAMATION); //Envia a string "127.0.0.1" para o campo de texto na janela. SetDlgItemText(hwnd, IDC_EDIT1, "127.0.0.1"); break; case WM_COMMAND: switch(LOWORD(wParam)) { case IDC_BT1: ConectaEmoComposer(hwnd); break; case IDC_BT2: ConectaControlPanel(hwnd); break; case IDC_BT3: ConectaEmoEngine(hwnd); break; case IDC_BTDESCONECTA: DesconectaEmotiv(hwnd); break; } break; case WM_CLOSE: EE_EngineDisconnect(); EndDialog(hwnd,0); break; case WM_DESTROY: KillTimer(hwnd, 1); EE_EmoStateFree(eState); EE_EmoEngineEventFree(eEvent);

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PostQuitMessage(0); break; default: state = EE_EngineGetNextEvent(eEvent); if(state == EDK_OK) { EE_Event_t eventType = EE_EmoEngineEventGetType(eEvent); EE_EmoEngineEventGetUserId(eEvent,&userID); if(eventType == EE_EmoStateUpdated) { EE_EmoEngineEventGetEmoState(eEvent, eState); const float timestamp = ES_GetTimeFromStart(eState); //Convertendo de const float para char ostringstream os; os Acesso em 11 mar 2010.

WICKS, Paul. Photo a Dummy BrainGate Interface at the Boston Science Museum. 2006. color. 1728 pixels x 2592 pixels.

UNIVERSIDADEP PARANAENSE UNIP ARANAENSEAR UNIVERSIDADERECONHECIDA PEL PORT A ARIA - MEC N. 1580, DE09/ 11/ 93 - D.O.U. 10/ 11/ 93 MANT ENEDORA: ASSOCIAO P ARANAENSE DEENSINO ECUL URA - APEC T

CAMPUS PARANAVA CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAO

UNIP ARUNIVE SIDADEP ANAE R AR NSE

Estgio Supervisionado em Sistemas de Informao II

ESTGIO SUPERVISIONADO EM SISTEMAS DE INFORMAO IIAluno: RENATO PETERMAN RA: 7565

I TERMO DE LIBERAAO PARA APRESENTAO E DEFESA DO ESTGIO SUPERVISIONADO EM SISTEMAS DE INFORMAO II

DECLARO, para os fins de concluso do Estgio Supervisionado em Sistemas de Informao II, que o(a) aluno(a) acima identificado(a), da 4 a. srie do Sistemas de Informao da Unipar Campus Paranava, desenvolveu e CONCLUIU suas atividades de estgio supervisionado neste ano letivo sob minha orientao e que o mesmo atende s normas do Curso e encontra-se por mim LIBERADO para apresentao e defesa perante banca examinadora, conforme o disposto no Regulamento.

Paranava, 16 de Novembro de 2010.

_____________________________ Professor orientador

II ATO DE SUBMISSAO BANCA EXAMINADORA

SUBMETO, por este ato, o presente Estgio Supervisionado em Sistemas de Informao II, realizado no ano letivo de 2010, avaliao da Banca Examinadora que me for estabelecida, conforme o disposto no Regulamento.

Paranava, 16 de Novembro de 2010. _____________________________ Aluno estagirio

UNIVERSIDADE PARANAENSE UNIVERSIDADE P ARANAENSE - UNIP ARRECONHECIDA PEL PORT A ARIA - MEC N. 1580, DE09/ 11/ 93 - D.O.U. 10/ 11/ 93 MANT ENEDORA: ASSOCIAO P ARANAENSE DEENSINO ECUL URA - APEC T

UNIPAR, CAMPUS PARANAVA

UNIP ARUNIVER SIDADEP ANAENSE AR

CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAO Estgio Supervisionado em Sistemas de Informao II

DECLARAO DE AUTORIA

Eu, RENATO PETERMAN, RA 7565, acadmico do 4 ano do curso de Sistemas de Informao da Unipar, Campus Paranava, declaro para os devidos fins que desenvolvi o trabalho de concluso de curso, sob ttulo UMA ABORDAGEM SOBRE INTERFACE CREBRO-COMPUTADOR E SUAS APLICAES NA COMPUTAO orientado pelo professor PROF. M.SC. WYLLIAN FRESSATTI, sem fazer uso de nenhum meio fraudulento, principalmente cpia de outros materiais, reforando que a autoria do mesmo absolutamente minha. EXIMO a Universidade Paranaense, direo, coordenao do referido do curso, coordenao de estgio e professor orientador de qualquer responsabilidade sobre os meus atos no desenvolvimento do trabalho, exceto os previstos nos regulamentos de Estgio Supervisionado em Sistemas de Informao II.

Paranava, 16 de NOVEMBRO de 2010.

___________________________________________________________ RENATO PETERMAN