DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA PORTÁTIL PARAREGISTRO DO ELETROENCEFALOGRAMA

F. Iaione, J. L. B. Marques

Grupo de Pesquisas em Engenharia Biomédica - Departamento de Engenharia Elétrica – Centro TecnológicoUniversidade Federal de Santa Catarina - Campus Universitário - Trindade - Florianópolis - Brasil - CEP 88040-900

iaione@gpeb.ufsc.br

RESUMOO objetivo desse trabalho foi desenvolver um sistemaeletrônico portátil para aquisição e armazenamento deuma derivação de eletroencefalograma (EEG). Suasfunções serão coletar sinais de EEG para verificação dealterações eletroencefalográficas, durante a noiteprincipalmente, e futuramente, sinalizar a ocorrência decertos eventos no sinal de EEG. O sistema é constituídopor um Palmtop PC e por um módulo desenvolvido parao condicionamento do sinal de EEG. O móduloconstruído possui amplificadores, filtros, conversoranalógico/digital e um microcontrolador. As amostras dosinal são transferidas através da porta serial para oPalmtop PC, que visualiza o sinal e armazena-o. Osistema possibilita registrar 20 segundos de EEG emintervalos de 5 minutos, durante aproximadamente 10horas. O sistema foi testado através da aquisição de ondassenoidais conhecidas, possibilitando a confirmação daresposta em freqüência calculada, e através da aquisiçãode sinais reais de EEG, em 5 pacientes. Os sinaisadquiridos são apresentados.

Palavras chave: instrumentação, monitoração,eletroencefalograma, palmtop.

1. INTRODUCÃOAtualmente, inúmeros trabalhos estão sendodesenvolvidos, na área de processamento de sinais, com oobjetivo de encontrar alterações no sinal de EEG quepossam alertar sobre problemas neurológicos futuros, oudetectar a ocorrência de determinadas condiçõesneurológicas de risco [3], [4], [5].No desenvolvimento desses trabalhos, geralmente depara-se com o problema da falta de sinais de EEG registradosnas condições desejadas. Além disso, muitos dessestrabalhos necessitam de sinais coletados com o pacientedesenvolvendo sua rotina diária normal [3], [4], [5].Dado o exposto, construiu-se um sistema eletrônicoportátil para aquisição de uma derivação de EEG. Osistema pode ser usado para registrar sinais que serãoutilizados no modelamento de doenças ou eventoseletroencefalográficos, ou ainda, na detecção em temporeal, através da inclusão dos modelos (processamento)resultantes dos trabalhos de pesquisa.Os aparelhos comerciais encontrados no mercado paraessa função apresentam um custo que inviabiliza autilização, até mesmo para pesquisa em alguns casos.

2. METODOLOGIA

O protótipo construído para aquisição do sinal deeletroencefalograma (EEG) possui o diagrama de blocosde Figura 1.

Fig. 1. Diagrama de blocos do circuito para aquisição do sinal de EEG.

O circuito possui três eletrodos para captação do sinal deEEG no escalpo do paciente. Dois são as entradas doamplificador de instrumentação (AI) e um é a referênciado circuito (+2V). Essa referência, conectada ao escalpo,proporciona uma tensão em modo comum nas entradas doAI de aproximadamente +2V, o que é desejável, já que oAI é alimentado com 0V e +5V. Cabe observar que oprotótipo trabalha totalmente isolado da rede elétrica esem nenhum aterramento, assim não existe diferença depotencial entre a referência de +2V e o potencial de terra(solo).O circuito de proteção é constituído por resistores ediodos e sua função é limitar a tensão entre os trêseletrodos, em 0,6V. Isso proporciona uma proteção para oaparelho e principalmente para o paciente. Em caso defalha, a corrente máxima que circularia pelo escalpo seriade aproximadamente 54µA, isso sem levar emconsideração a impedância entre os dois eletrodos, quefaria a corrente ter um valor menor ainda que o citado.O filtro PB1 é um filtro passa-baixas RC de ordem 1 eestá localizado entre as duas entradas do AI. Esse filtrotem a finalidade de eliminar os sinais de rádio-freqüênciaque atingem os cabos dos eletrodos. Sua freqüência decorte é de 710,5 Hz [2].O AI é um INA118 (Burr-Brown) e foi configurado paraum ganho fixo de 112. Esse amplificador proporcionauma primeira amplificação do sinal captado peloseletrodos.O filtro PA é um filtro passa-altas RC de ordem 1 cujafinalidade é eliminar as componentes de baixa freqüênciado sinal, como por exemplo, o potencial de meia-célulados eletrodos e tensões de desvio (offset) do AI. Afreqüência de corte desse filtro é de 0,16 Hz [1].

PROTEÇÃO FILTRO PB1 FILTRO PA

AMP FILTRO PB2 CONVERSOR A/D MICROCONTROLADOR

CONVERSORTTL/RS-232

BATERIA (6V)

REGULADOR +5VANALÓGICO

REGULADOR +5VDIGITAL

AI

PC

O amplificador AMP é um amplificador não inversorbaseado no operacional LMC6484. Seu ganho foiajustado em 250 e sua função é proporcionar uma segundaamplificação no sinal de EEG, totalizando junto com o AIum ganho de aproximadamente 28000.O filtro PB2 é um filtro passa-baixas Butterworth deordem 2, construído em torno de um operacionalLMC6484. A freqüência de corte (-3dB) é de 22,5 Hz esua função é limitar o sinal de EEG à faixa de freqüênciasde interesse clínico, além de servir como filtro anti-aliasing [6].O conversor analógico/digital utilizado é um MAX187(Maxim), que é de 12 bits e possui uma referência internade 4,096V. Esse conversor possui um protocolo decomunicação serial e é controlado por ummicrocontrolador AT89C2051 (Atmel), proporcionando240 amostras por segundo. As linhas RXD e TXT domicrocontrolador passam por um conversor TTL/RS-232do tipo MAX3223 (Maxim), que possibilita a conexão naporta serial de um Palmtop PC. Cabe observar que seutilizou a tensão de referência interna do conversor paragerar a tensão de referência de todo o circuito (+2V),através de um divisor de tensão e um amplificadoroperacional configurado como seguidor de tensão.O circuito é alimentado por uma bateria recarregável deNiCd de 6V (1200mAh), cuja tensão é reguladaseparadamente em 5V, para os circuitos analógicos edigitais. O consumo do protótipo é de aproximadamente20mA. Para recarga da bateria foi construído umrecarregador externo baseado no circuito integradoMAX713. O tempo máximo de recarga é de 3 horas.A placa de circuito impresso e a bateria foram alojadasem uma caixa plástica conforme pode ser visto na Figura2.

Fig. 2. Foto do protótipo (caixa aberta) construído para aquisição deuma derivação de EEG.

A Tabela 1 mostra o erro percentual de fundo de escalaque cada parâmetro gera nos diversos blocos do circuitode aquisição. Cabe observar que os erros de zero (offsets)do amplificador de instrumentação são eliminados pelofiltro passa-altas.O valor total encontrado está na faixa dos aparelhosconsiderados “de precisão”.

Tabela IErro percentual de fundo de escala para cada bloco do

circuito de aquisiçãoBloco √√( E%F.E)2

Amplif. de instrumentação 0,794

Amplificador 0,715

Filtro PB2 0,11

Conversor analógico/digital 0,538

TOTAL = √√( E%F.E)2 1,201

Para verificação prática da resposta em freqüência doprotótipo utilizou-se um esquema conforme a Figura 3.

R319,6 Ohms

R2330k

R1560 Ohms

C1100n

V1

VAMPL = 1 Vpp

Geradorde sinais

SASEEG01

Entrada (+)

Entrada (--)

Referência

Vd

Vd = 59,4 uVpp

Fig. 3. Esquema utilizado para verificação prática da resposta emfreqüência do SASEEG (Sistema de aquisição de sinais de EEG).

Foi realizado o registro de vários sinais senoidais, umpara cada freqüência desde 2 Hz até 30 Hz, em intervalosde 2 Hz. A tensão aplicada ao divisor foi mantida sempreem 1 Vpp. Os dados armazenados no Palmtop PC foramtransferidos para um PC e analisados.O programa para o microcontrolador foi desenvolvido emlinguagem C e seu fluxograma aparece na Figura 4 [7].O aplicativo para o Palmtop PC foi desenvolvidoutilizando-se o programa Visual C++ 5.0 e o WindowsCE Toolkit for Visual C++ 5.0 Beta, que foram instaladosem um PC desktop. Depois da compilação, o aplicativo étransferido para o Palmtop PC através da porta serial.Para a construção do aplicativo utilizou-se a Interfacepara Programação de Aplicativos Win 32 (Win32 API),que é largamente utilizada no desenvolvimento deaplicativos para todas as plataformas Windows de 32 bits(Windows 95/98, Windows NT e Windows CE).O Windows CE é um sistema operacional compacto ealtamente eficiente que está sendo usado em uma grandevariedade de produtos específicos, desde Palmtop PCs atécontroladores industriais especializados e dispositivoseletrônicos comuns [8], [9].A Figura 5 mostra uma foto de todo o sistema paraaquisição de sinal de EEG, composto pelo protótipodesenvolvido e pelo Palmtop PC.

Início

Inicializa uC e variáveis

Envia caracteres pela porta serial => Início da transmissão:

Entra em modo IDLE (sai quando ocorrer uma interrupção do Timer 0

Já ocorreram 15 ints. do Timer 0 (c.i. = 14) ?

Lê CAD

Envia byte mais significativo

Envia byte menos significativo

Chegou algum byte pela UART serial ? (RI

= 1 ?)

O byte recebido é 't' ?

Envia caracteres pela porta serial => *Sistema de EEG detectado, GPEB-UFSC)

tempo entre ints = 277,7...uS Freq. amos. = 240 Hz

SIM

SIM

SIM

NÃO

NÃO

NÃO

Fig. 4. Fluxograma do programa desenvolvido para o microcontrolador.

Figura 5. Sistema completo para aquisição de um canal de EEG.

O sistema foi testado na aquisição de sinais reais de EEGem 5 pacientes, utilizando-se a derivação C3-A2 e com oeletrodo de referência em A1 (Figura 6).

Fig. 6. Posicionamento dos eletrodos no escalpo.

3. RESULTADOS

A Figura 7 mostra a resposta em freqüência medida e aresposta teórica calculada.

Fig. 7. Resposta em freqüência medida e resposta em freqüência teórica.A faixa de 4 à 13Hz é usada por alguns algoritmos na detecção dehipoglicemia.

A Figura 8 mostra segmentos dos sinais adquiridos dediferentes pacientes e os espectros de potência. O espectrode potência foi obtido a partir de uma aquisição com 5120amostras. Essas amostras foram inicialmente filtradas porum filtro digital passa-faixa Butterworth de ordem 10,com freqüências de corte 0,17Hz e 45Hz. Prosseguindo, osinal foi dividido em 10 segmentos de 512 amostras ecada segmento teve seu valor médio subtraído. Ossegmentos foram multiplicados por uma janela do tipoHanning e tiveram suas transformadas de Fouriercalculadas, cujas magnitudes foram elevadas ao quadradopara obtenção do espectro de potência. Por último,realizou-se uma média dos 10 espectros de potência. Oprocessamento foi realizado com o Matlab.

4. DISCUSSÃO

Um ponto crítico na construção de sistemas de aquisiçãoalimentados com baixa tensão, 5V por exemplo, é aseleção do ganho do amplificador de instrumentação (AI).Esse ganho deve ser relativamente baixo (<150) paraevitar que o AI sature em função do nível C.C. resultanteda diferença dos potenciais de meia-célula dos eletrodos.Em um sistema com alimentação convencional, ±15V, adiferença dos potenciais de meia-célula é amplificada emesmo assim não satura a saída do AI, que pode variar de–15V à +15V. Já em um sistema com alimentaçãounipolar de 5V, a saída do AI pode variar entre 0V e 5V,o que torna o sistema mais suscetível à saturação. Cabeobservar nessa comparação que se considerouamplificadores com capacidade fonte a fonte (rail to rail).Percebe-se na Figura 7 uma pequena diferença no módulodas respostas teórica e medida. Essa diferença já eraesperada em função das tolerâncias dos componentes edos erros de medição. Cabe observar que váriosalgoritmos usados para detecção de alterações noeletroencefalograma não se baseiam em valores absolutosdos parâmetros do sinal de EEG e sim nas variaçõesdestes. Assim, espera-se que a diferença da resposta emfreqüência na faixa de interesse clínico (0,5 Hz a 30 Hz)não traga problemas significativos.

Pode-se observar na Figura 8 que os sinais de EEGregistrados apresentam componentes de freqüênciamaiores na faixa de 1 à 7Hz (padrões delta e teta).Entretanto, deve-se levar em consideração a resposta emfreqüência do sistema (Figura 7), para não realizar umaavaliação errônea.

Fig. 8. Segmentos dos sinais de EEG adquiridos em 5 pacientes e osespectros de potência.

5. CONCLUSÕES

Dado o exposto, percebe-se que o protótipo apresentouum desempenho satisfatório, considerando que sejautilizado com algoritmos que detectem variações nosparâmetros do sinal de EEG, e não valores absolutos.Como por exemplo, alguns algoritmos para detecção dehipoglicemia.O sistema, em uma segunda versão, poderia utilizar umfiltro passa-baixas (PB2) de ordem e freqüência de cortemaiores, proporcionando assim uma resposta emfreqüência plana em toda faixa de interesse clínico. Alémdisso, a substituição da transmissão serial via cabo por umsistema baseado em IV (infravermelho), traria maisflexibilidade ao sistema. Através da comunicação por IVpoderia-se usar um computador desktop no lugar doPalmtop PC, e assim, registrar ou processarcontinuamente o sinal durante toda à noite, por exemplo.

REFERENCIAS[1] M. T. Campelo, “Monitor de Atividade Cerebral Baseado em

Microcontrolador”, Dissertação de Mestrado, UniversidadeFederal de Santa Catarina, 1997.

[2] Micropower, Single and Dual Supply Rail-to-RailInstrumentation Amplifier AD627. Rev. A - Analog Devices,Inc., 1999.

[3] Chalew S.A., Sakamoto R.N. McCarter R., Hanukoglu A.,Kowarski A.A.. Quantitative Monitoring of Brain Function, VitalSigns, and Hormonal Response During Acute Insulin-InducedHypoglycemia. Journal of Clinical Monitoring. Vol. 5, No. 4,October 1989.

[4] Bendston I., Gade J., Rosenfalk A. M., Thomsen C.E.,Wildsschiodtz G., Binder C.. Nocturnal electroencephalogrmregistration in Type 1 (insulin-dependent) diabetic patients withhypoglycaemia. Diabetologia. Vol. 34, 1991.

[5] Gade J., Rosenfalck ª , Bendston I.. Detection of EEG PatternsRelated to Nocturnal Hypoglycemia. Methods of Information inMedicine. Vol. 33, 1994.

[6] Garret, Patrick H. Advanced Instrumentation and Computer I/ODesign. IEEE Press, EUA, 1994.

[7] M. E. Moraes, “C-Compiler-51 - User’s guide 3.89”, KeilElektronik GmbH, 1988.

[8] “Introducing the Windows CE Embedded Toolkit for Visual C++5.0”, Microsoft Corporation, 1997.

[9] “The Win32 Programming: A Primer for Embedded SoftwareDevelopers”, Microsoft Corporation, 1997.

DEVELOPMENT OF A PORTABLE SYSTEM FORRECORDING THE ELECTROENCEPHALOGRAM

ABSTRACT

The objective of this work is to develop a portable electronic system for aquisition and record of oneelectroencephalographic (EEG) derivation. The system collects the EEG signals for electroencephalographicchanges evaluation, specially at night, and detects events occuring in the EEG signal. The device is constituted ofa Palmtop PC and a module for EEG signal conditioning. The module contains amplifiers, filters, analog/digitalconverter and a microcontroler. The signal samples are transfered to the Palmtop PC through the serial port, wherethe signals are shown and recorded. The system allows 20 seconds EEG recording every 5 minutes, during 10hours approximately. The system was tested using known sinusoidal waves, that allows the theoretical frequencyresponse confirmation. The aquisition of EEG signals from 5 pacients was also carried out. These signals areshowed and analyzed.

Key-words: instrumentation, monitoring, electroencephalogram, palmtop.