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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA

PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA – PIBIC : CNPq, CNPq/AF, UFPA,

UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PARD, PIAD, PIBIT, PADRC E FAPESPA

RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO Período: Agosto/2014 a Julho/2015 ( ) PARCIAL (x) FINAL Número do Processo 152240/2014-4 IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO Título do Projeto de Pesquisa: Eletromiógrafo miniaturizado sem fio de baixo custo com oito

canais para auxiliar na reabilitação de pacientes acometidos por distúrbios osteomusculares.

Nome do Orientador: Manoel da Silva Filho Titulação do Orientador: Doutor Faculdade: Instituto/Núcleo: Instituto de Ciências Biológicas Laboratório: Biofísica Título do Plano de Trabalho: Programa de captura de sinais eletromiográficos Nome do Bolsista: Talles Matheus Marruás de Barros Tipo de Bolsa : (x) PIBIC/ CNPq

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INTRODUÇÃO

A eletromiografia é uma técnica eletrofisiológica com o objetivo de registrar a atividade

elétrica das fibras musculares – também conhecidas como unidades motoras –, na forma de potenciais elétricos ou potenciais de ação muscular, que, ao serem somados no tempo e no espaço, formam as ondas características do sinal eletromiográficos bruto. Os sinais surgem a partir da excitação das células musculares, realizada pelos neurônios motores, e estes, por sua

vez, formam as sinapses neuromusculares – conhecidas, também, como placa motora.

Para que o sinal eletromiografico seja registrado, faz-se necessário que a interface entre o músculo e o aparato de registro tenha algumas características especiais. Essa interface é, na verdade, um amplificador capaz de aumentar em muitas ordens de magnitude a amplitude do

sinal, proveniente dos músculos – estes giram em torno de alguns microvolts. Assim, os

amplificadores – conhecidos mais popularmente como bioamplificadores apresentam uma

altíssima impedância de entrada – em geral, mais de 1000x – garantindo que erros de carga sejam anulados pela disposição elétrica do circuito resultante, onde a impedância do eletrodo é simplesmente anulada no divisor de tensão, formado entre o amplificador e o eletrodo de

registro. Ressalta-se que os amplificadores possuem a capacidade de ampliar esses sinais – até

2x105 vezes, aproximadamente –, fenômeno conhecido por ganho, sendo este adimensional e o quociente entre o sinal de saída e o de entrada (A). Outra característica importante é a sua

capacidade de filtrar o sinal mioelétrico, em uma faixa compreendida entre 6 e 500 Hz – maior concentração de energia ou de potência do sinal.

Um sistema de aquisição de dados, atualmente, deve ser capaz de reproduzir com grande

precisão o sinal adquirido. Na verdade, trata-se de dispositivos que convertem o sinal dito

analógico em sinais digitais e por isso também são chamados de conversores analógico/digitais

(A/D). As características mais importantes deles são sua taxa de amostragem, ou seja, quantas

vezes ele é capaz de ler o sinal analógico no tempo, pelo número deles amostrados; e o número

de bits do conversor. Ressalta-se que bons conversores são capazes de amostrar sinais com

taxas de amostragem em 330 KS/s/16 Bits, e para o caso do sinal mioelétrico, um A/D com 2

KHz/12 Bits satisfaz plenamente a condição de registro.

Tudo o que foi exposto acima necessariamente também precisará de um programa de

gerenciamento dos dados adquiridos. Esses programas podem ser escritos em várias

linguagens de programação. Aqui, nesse projeto optamos por desenvolver inicialmente o

programa na linguagem LabView (National Instruments, Inc.), pois é mais facilmente

implementada. Utiliza funções previamente montadas que desempenham com grande precisão

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tarefas, como filtragem de diversos modos, armazenagem dos dados em formatos específicos,

um grande número de ferramentas para criação de interfaces humanas, funções matemáticas

complexas etc.

JUSTIFICATIVA

Sistemas para eletromiografia clínica são dispendiosos e exigem treinamento específico

para análises dos sinais eletromiográficos e por isso não são facilmente encontrados na clínica

médica ou fisioterápica. O custo deles é proporcional ao número de canais disponíveis e se

apresentam o modo de transmissão sem fio. Dessa forma, nesse projeto ambicionou-se

desenvolver um sistema que seguissem esses critérios aliado ao baixo custo de produção,

graças a enorme disponibilidade de sistemas embarcados que podem exercer essas funções

sem prejuízos para a captura dos sinais. Inicialmente empregamos como A/D uma placa

customizada (National Instruments, Inc.) para validar o sistema proposto para posteriormente

migrarmos para dispositivos de domínio público. Esperamos com isso, poder ampliar o uso

dessa poderosa ferramenta diagnóstica através de sua utilização na rede pública de saúde.

OBJETIVOS

- Desenvolver um programa de aquisição que seja capaz de condicionar o sinal

mioelétrico bruto em um sinal mioelétrico manipulável;

- Analisar e mostrar o sinal mioelétrico na forma de gráficos.

MATERIAIS E MÉTODOS

No início do projeto, diferentes versões do circuito eletrônico que seria responsável pela

captura dos sinais musculares foram feitas. Além disso, cogitou-se trabalhar com o software

MATLAB (MATrix LABoratory, desenvolvido pela Mathworks), voltado para cálculos numéricos,

de alta performance. Dada a dinâmica do projeto, decidiu-se utilizar um software mais

específico, o Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench versão 2013 (LabVIEW,

National Instruments, Inc.).

O LabVIEW, é uma linguagem de programação gráfica multiplataforma e suas principais

aplicações são voltadas para medições e automação. Basicamente, sua programação é feita

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através dos chamados Instrumentos Virtuais, ou IVs, que são blocos programáveis. Isso torna

seu uso mais didático. É composto de um painel frontal, onde cria-se a interface do programa e

um diagrama de blocos, onde é feita a programação. Para trabalhar com sinais

eletromiográficos, está sendo utilizado um kit de ferramentas chamado Biomedical Toolkit, que

contém IVs voltados diretamente para aplicações biomédicas. Para a aquisição do sinal

eletromiográfico, o primeiro protótipo utilizava, como base, o circuito eletrônico mostrado na

Figura 1, cuja característica principal é o amplificador de intrumentação INA333 (Texas

Instruments, Inc.), que fornece um ganho total de saída de 1000x, necessário para captar os

potenciais mioelétricos, que normalmente encontram-se na faixa de milivolts (mV).

Figura 1. Desenho esquemático do primeiro bioamplificador usado para o registro eletromiográficos e seu

componente principal o INA333 juntamente a vista de sua arquitetura interna.

Porém, devido a complicações de hardware na aquisição do sinal mioelétrico com o circuito da

Figura 1, houve uma alteração no projeto, decidindo-se então, a usar um circuito que tivesse o

mesmo ganho total na saída, porém com estágios de amplificação, retificação e suavização já

implementados via hardware. Os principais componentes do novo circuito são o amplificador

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diferencial INA106 (Texas Instruments, Inc.) e três amplificadores operacionais TL072 (Texas

Instruments), como mostrados na Figura 2.

Figura 2. Desenho esquemático do bioamplificador usado para o registro eletromiográfico e seu componente

principal o INA106 juntamente a vista de sua arquitetura interna e ao TL072.

Em paralelo, optou-se por trabalhar, também, com outro hardware, o Arduino (modelo

MEGA) – plataforma eletrônica de código aberto. O uso do Arduino simplifica o envio de dados

ao computador, permitindo leitura da porta serial através da programação feita no software da

plataforma.

Figura 3. Plataforma de aquisição

e conversão A/D do sinal: MyDAQ.

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São utilizados três eletrodos de superfície, em disco de ouro, vistos na Figura 2, sendo um

de referência (aterrado), colocado em uma parte óssea do corpo e os outros dois - separados

por uma distância mínima de 20 mm - para a aquisição de sinal, colocados diretamente no

grupo muscular a ser analisado.

Figura 4. Eletrodos e seu posicionamento no músculo, no caso o músculo bíceps braquial.

Como o sinal adquirido é no formato analógico, a conversão analógico/digital se faz

através de uma placa de aquisição de dados com taxa de amostragem de 200 KS/s/16 Bits (NI

myDAQ, National Instruments) ou através do próprio Arduino, utilizando linhas de código para

programação.

Figura 5. Plataforma de aquisição e conversão A/D do sinal: MyDAQ.

O novo bioamplificador, com os principais componentes mostrados na Figura 2 resultou

numa placa de circuito impresso de aproximadamente 80mm x 62mm (Figura 6), equivalente à

um canal eletromiográfico, capaz de registrar potenciais elétricos de um grupo de músculos. Há

conectores referentes à alimentação e aos eletrodos.

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Figura 6. Canal eletromiográfico miniaturizadoRESULTADOS

Baseado nos resultados obtidos até o momento o sistema proposto está correspondendo às

expectativas. Alguns problemas como o ruído incorporado ao registro foi reduzido

consideravelmente, tanto pelo posicionamento adequado dos eletrodos quanto pela nova

configuração do circuito inicialmente proposto, pois a energia utilizável de um sinal

eletromiográfico está dentro de uma faixa ainda mais estreita de 50 a 150 Hz. Para a filtragem

do sinal, optou-se por construir um filtro analógico diretamente no hardware de registro,

utilizando amplificadores operacionais (TL072) para obter uma resposta em frequência mais

plana quanto possível da banda passante e frequência de corte de 10 a 400 Hz. Com essas

informações, foi possível construir um programa inicial com as características desejadas.

O LabVIEW permitiu amostrar apenas o uso de toolkits (ferramentas). Portanto, os

componentes principais do programa são o instrumento virtual que faz a comunicação entre a

myDAQ ou Arduino e o computador e os gráficos que mostram o sinal bruto e o sinal filtrado.

Outros gráficos foram o valor da RMS, o envoltório linear, transformada rápida de Fourier (FFT),

a mediana da frequência e a média da frequência que podem determinar a força e a fadiga

muscular, como pode ser visto na Figura 7.

Figura 7. Vista do painel gerado pelo LabView com os registro eletromiográficos.

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CONCLUSÃO

A eletromiografia de superfície tem sido utilizada tanto em aplicações clínicas quanto em

pesquisas, pois promove avalições neuromusculares não invasivas para diferentes áreas, como

esporte, reabilitação, neurofisiologia e descoberta de distúrbios musculares. Apesar da

eletromiografia invasiva ser mais eficaz, pois registra os sinais mioelétricos diretamente do

músculo, ela é desconfortante para o paciente, o que torna a técnica de análise superficial mais

atraente. Ainda assim, as sessões de análise podem se tornar cansativas. Miniaturizar um

eletromiógrafo - capaz de exercer as funções básicas de um convencional e permitir análise de

possíveis miopatias – é um passo pra tornar esses processos mais dinâmicos e acessíveis,

tanto para o paciente quanto para o profissional da área.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS GUERREIRO, José. A Biosignal Embedded System for Physiological Computing. Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2013.

BONNEAU, Patrick J., FORTUNATO, Anthony, KING, Jesse. Data Display, Acquisition and Feedback System for Biomedical Experiments. Worcester Polytechnic Institute, 2006.

LASCU, Mihaela, LASCU, Dan. Graphical Programming based Biomedical Signal Acquisition and Processing. INTERNATIONAL JOURNAL OF CIRCUITS, SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING, Issue 4, Volume 1, 2007.

INSTRUMENTS, National. LabVIEW Data Acquisition Basics Manual. Austin, Texas, 2000.

THOUGHT, Technology. Basics of Surface Electromyography Applied to Physical Rehabilitation and Biomechanics. Montreal, Canada, February 2009 & March 2010.

PARECER DO ORIENTADOR: O estudante apresentou boa independência e executou as tarefas que lhes foram atribuídas com resultados satisfatórios.

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FICHA DE AVALIAÇÃO DE RELATÓRIO DE BOLSA DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA

O AVALIADOR DEVE COMENTAR, DE FORMA RESUMIDA, OS SEGUINTES ASPECTOS DO RELATÓRIO :

1. O projeto vem se desenvolvendo segundo a proposta aprovada? Se ocorreram mudanças

significativas, elas foram justificadas? 2. A metodologia está de acordo com o Plano de Trabalho ? 3. Os resultados obtidos até o presente são relevantes e estão de acordo com os objetivos

propostos? 4. O plano de atividades originou publicações com a participação do bolsista? Comentar sobre

a qualidade e a quantidade da publicação. Caso não tenha sido gerada nenhuma, os resultados obtidos são recomendados para publicação? Em que tipo de veículo?

5. Comente outros aspectos que considera relevantes no relatório 6. Parecer Final: Aprovado ( )

Aprovado com restrições ( ) (especificar se são mandatórias ou recomendações) Reprovado ( )

ASSINATURA DO ALUNO ____________________________________________

ASSINATURA DO ORIENTADOR _________________________________________

2015 de fevereiro de 11DATA :

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7. Qualidade do relatório apresentado: (nota 0 a 5) _____________ Atribuir conceito ao relatório do bolsista considerando a proposta de plano, o desenvolvimento das atividades, os resultados obtidos e a apresentação do relatório.

Data : _____/____/_____.

________________________________________________ Assinatura do(a) Avaliador(a)