Embed Size (px)
Citation preview
Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação Fernando M. Alcantara
Monitoramento de EEG
Curitiba 2006
2
Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação Fernando M. Alcantara
Monitor de EEG
Especificação apresentada à disciplina de Projeto Final, como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação. Orientador: Prof. Marcelo Michoz.
Curitiba 2006
3
TERMO DE APROVAÇÃO
Fernando M. Alcantara
Monitoramento de EEG
Especificação apresentada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação do Centro Universitário Positivo.
Prof. Marcelo Mikosz Gonçalves (Orientador)
Curitiba, 06 de Novembro de 2006.
4
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer a todos os que me apoiaram na realização deste projeto,
assim como neste período de academia. Em especial aos meus pais pela paciência,
dedicação e pelo apoio incondicional nestes anos de faculdade. À minha noiva, pela
ajuda emocional, companheirismo e carinho.
Agradeço aos meus amigos de faculdade pela cumplicidade de horas de estudo
e compartilhamento de informação ao longo desses anos.
A todos os professores do curso que dedicam e compartilham tempo e
conhecimento, ajudando na formação profissional de cada aluno.
5
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS........................................................................................7
LISTA DE TABELAS........................................................................................8
LISTA DE SIGLAS...........................................................................................9
RESUMO .......................................................................................................10
ABSTRACT....................................................................................................11
1. INTRODUÇÃO...........................................................................................12 1.1. HISTÓRICO...................................................................................................................... 12 1.2. OBJETIVO........................................................................................................................ 13
2. ESTUDO TEÓRICO...................................................................................15 2.1 CÉREBRO......................................................................................................................... 15 2.1.1. DEFINIÇÃO SOBRE O CÉREBRO ...................................................................................... 15 2.1.2. HEMISFÉRIOS CEREBRAIS............................................................................................. 16 2.1.3. ESTUDO CIENTÍFICO DO CÉREBRO ................................................................................ 16 2.2. BIOPOTENCIAIS ............................................................................................................... 17 2.3. EEG............................................................................................................................... 19 2.3.1. AMPLITUDE DE ONDAS .................................................................................................. 21 2.3.2. RITMO ALPHA............................................................................................................... 21 2.3.3. RITMO BETA................................................................................................................. 22 2.3.4. RITMO TETA................................................................................................................. 22 2.3.5. RITMO DELTA............................................................................................................... 22 2.4. ELETRODO ...................................................................................................................... 23 2.5. FILTROS.......................................................................................................................... 24 2.5.1. FILTRO PASSA ALTA ..................................................................................................... 24 2.5.2. PASSA BAIXA ............................................................................................................... 25 2.6. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO ............................................................................... 25 2.7. MICROCONTROLADOR 8051............................................................................................. 26 2.7.1. PINAGENS DO 8051 E SUAS FUNÇÕES............................................................................ 26 2.8. USB (UNIVERSAL SERIAL BUS) ........................................................................................ 28 2.9. TRANSFORMADA DE FOURIER........................................................................................... 29
3. DESCRIÇÃO DO PROJETO .....................................................................30
4. ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE ..........................................................31 4.1. AMBIENTE DE DESENVOLVIMENTO..................................................................................... 31 4.2. LINGUAGENS E FERRAMENTAS DE SOFTWARE................................................................... 31 4.3. INTERFACE COM O USUÁRIO............................................................................................. 31 4.4. FUNÇÕES A SEREM DESENVOLVIDAS................................................................................ 31
5. ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE..........................................................32 5.1. REQUISITOS DE HARDWARE ............................................................................................. 32 5.2. COMPONENTES ............................................................................................................... 33 5.3. DIAGRAMA DE BLOCOS..................................................................................................... 34 5.4. AMBIENTE DE DESENVOLVIMENTO .................................................................................... 35
6. ESPECIFICAÇÃO DE VALIDAÇÃO DO PROJETO ..................................36 6.1. TESTES IN VITRO............................................................................................................. 36 6.2. TESTES IN VIVO............................................................................................................... 36
7. ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO - ECONÔMICA.............................38
8. CRONOGRAMA ........................................................................................39
9. PROJETO DO HARDWARE......................................................................41 9.1. ALIMENTAÇÃO ................................................................................................................. 41
6
9.2. ELETRODOS .................................................................................................................... 41 9.3. FILTROS.......................................................................................................................... 41 9.3.1 FILTRO PASSIVO PA....................................................................................................... 41 9.3.2. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO INA128 ............................................................... 42 9.3.3 PASSA BAIXA 8º ORDEM ................................................................................................ 43
10. PROJETO DO SOFTWARE ....................................................................45 10.1. DIAGRAMA DE CASOS DE USO, DIAGRAMA DE SEQÜÊNCIA E DIAGRAMA DE CLASSE .......... 45 10.2. DIAGRAMA DE CASOS DE USO, DIAGRAMA DE SEQÜÊNCIA E DIAGRAMA DE CLASSE. ......... 47
11. RESULTADOS.........................................................................................48 11.1. FUNCIONAMENTO DO HARDWARE ................................................................................... 48 11.2. FUNCIONAMENTO DO SOFTWARE.................................................................................... 49
12. CONCLUSÃO ..........................................................................................51
13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.........................................................52
7
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Primeira amostra de EEG [3]............................................................................................................ 13 Figura 2 – EEG e Estados de Vigilância [7] ..................................................................................................... 14 Figura 3 - Cérebro humano [12]. ........................................................................................................................ 16 Figura 4 - Potencial de ação exibido em um osciloscópio.......................................................................... 17 Figura 5 - A. Potencial de ação “esquemático”. B. Potencial de ação “real”. ....................................... 18 Figura 6 - Relação entre cérebro e a posição dos eletrodos [7] ................................................................ 20 Figura 7 - Filtro passa-alto................................................................................................................................... 24 Figura 8 - Filtro passa-baixo ............................................................................................................................... 25 Figura 9 - Pinagens do chip 8051 [14] .............................................................................................................. 28 Figura 10 - Diagrama de blocos do sistema de hardware ........................................................................... 34 Figura 11 - Cronograma do Microsoft Project ................................................................................................ 40 Figura 12 - Filtro Passa Altas 0,3Hz. ................................................................................................................. 42 Figura 13 - Amplificador de instrumentação Configurador para ganho de 3333. ................................. 43 Figura 14 Filtro Passa Baixas, freqüência de corte 35Hz, 8ª ordem. ........................................................ 44 Figura 15 - Diagrama de Caso de Uso .............................................................................................................. 45 Figura 16 - Diagrama de seqüência ................................................................................................................... 46 Figura 17 - Diagrama de Classe.......................................................................................................................... 46 Figura 18 - Protótipo de interface do software para microcomputador .................................................. 47 Figura 19 - Captura do sinal gerado pelo gerador de função..................................................................... 50
8
LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Resultado do estado de vigilância. ................................................................................................ 30 Tabela 2 - Estudo de viabilidade técnico-econômica ................................................................................... 38 Tabela 3 - Datas importantes do projeto final. ............................................................................................... 39 Tabela 4 - Tabela 5: Resultados obtidos no modulo 1 ................................................................................. 48 Tabela 5 - Curva de resposta obtida no filtro passa-baixas 35Hz butterworth. ..................................... 49
9
LISTA DE SIGLAS
AI - Instrumentação Eletrônica
AOP - Amplificador Operacional
NCET - Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas
UNICENP - Centro Universitário Positivo
UML - Unified Modeling Language
EEG - Eletroencefalograma
ECG - Eletrocardiograma;
EMG - Eletromiograma;
ENG - Eletroneurograma
PC - Personal Computer
FPA - Filtro Passa Alta
FPB - Filtro Passa Baixa
FPF - Filtro Passa Faixa
FRF - Filtro Rejeita Faixa Fc - Freqüência de corte
AmpOp – Amplificador Operacional
FFT– Fast Fourier Transform
RAM – Random Access Memory
ROM – Read Only Memory
USB – Universal Serial Bus
10
RESUMO
Este projeto tem o objetivo de avaliar, monitorar e diferenciar as fracas correntes
elétricas geradas pelo cérebro humano, especificamente os estados de vigilância do
individuo, que se dividem em: estado de alerta (ondas beta), relaxamento (ondas alfa),
adormecimento (ondas teta) e sono (delta).
Foi necessário o desenvolvimento de um sistema capaz de adquirir, tratar e
processar os sinais eletroencefalográficos, gerando como resposta, em forma gráfica
no monitor do microcomputador, o estado de vigilância em que o indivíduo se encontra.
11
ABSTRACT
This project has the objective to evaluate, to monitor and to differentiate weak
electric current generated by the human brain, specifically the states of monitoring of
individual, that they are divided in: state of alert (waves beta), relaxation (waves alpha),
asleep (waves theta) and sleep (delta).
The development of a system capable was necessary to acquire, to treat and to
process the EEG signals, generating as reply, in graphical form in the monitor of the
microcomputer, the monitoring state where the individual if finds.
12
1. INTRODUÇÃO
Este projeto visa disponibilizar, em tempo real e graficamente, as fracas
correntes elétricas geradas no cérebro humano, com o intuito de, primeiramente,
monitorar e diferenciar os estados de vigilância. A análise é feita por meio de um
equipamento devidamente projetado para captar e mandar as informações necessárias
ao microcomputador.
O sistema usa cinco eletrodos (2 canais) colocados em pontos estratégicos na
pele do crânio do indivíduo que é analisado. No programa inicial devem ser inseridos
os dados do indivíduo, como por exemplo, a idade (as freqüências podem variar
conforme a idade). Logo após, o sistema irá analisar as correntes elétricas do cérebro
da pessoa analisada e informar o seu atual estado de vigilância.
Assim, o sinal é recebido, amplificado, e filtrado através de circuitos específicos.
Esse sinal é passado por um conversor analógico digital e transformado em um sinal
discreto; passa então por um microprocessador cuja função é enviar o sinal para o
microcomputador através da porta USB. Esta porta envia os dados para o programa
responsável por analisar o sinal recebido e informar, em forma gráfica, no monitor do
microcomputador, em que fase de vigilância a pessoa analisada se encontra.
1.1. Histórico
A partir do século XIX a neurociência moderna passou por avanços
extraordinários. Estes progressos foram possíveis graças à crescente pesquisa no
campo de fenômenos elétricos. Em 1929 o psiquiatra alemão Hans Berger descobriu
que o cérebro humano gerava atividade elétrica contínua e era capaz de registrar esta
atividade.
Hans Berger anunciou ao mundo científico e médico que, mesmo sem fazer uso
de métodos invasivos, era possível registrar as fracas correntes elétricas geradas no
cérebro humano e, desta forma, mostrá-las registrada em papel. Denominou esta nova
forma de registro fisiológico de eletroencefalograma (ou EEG) e constatou que esta
atividade mudava de características de acordo com o estado funcional do cérebro,
como por exemplo, no sono, na anestesia, na hipóxia (falta de oxigênio) e em certas
doenças nervosas, como na epilepsia.
13
Primeiro EEG registrado por Hans Berger, aproximadamente em 1928, como
mostra a figura 1:
Figura 1 - Primeira amostra de EEG [3]
Essas eram descobertas revolucionárias e, de fato, Berger acabou sendo o
fundador de um ramo inteiramente novo e muito importante da ciência médica: a
neurofisiologia clínica [3].
1.2. Objetivo
O projeto consiste no desenvolvimento de um equipamento que monitora, em
tempo real e graficamente, as fracas correntes elétricas geradas no cérebro humano,
com o intuito de, primeiramente, diferenciar as fases da vigilância como demonstra o
gráfico da figura 2:
14
Figura 2 – EEG e Estados de Vigilância [7]
O objetivo, com este dispositivo computacional, é futuramente empregar os
conhecimentos adquiridos em um sistema de segurança para motoristas.
O motorista, enquanto dirige, será monitorado. O sistema alertará assim que
identificar a transição de um nível de ondas beta para ondas teta (fase em que ocorre o
“adormecimento”).
15
2. ESTUDO TEÓRICO
2.1 Cérebro
A estrutura mais complexa que temos noção de existir é o cérebro humano. A
sua estrutura é bem definida e pode ser manipulada. É formado pelas células neurais,
vias neurais e sinapses. Localiza-se dentro do crânio e é composto por hormônios,
enzimas e substâncias químicas.
Possui cerca de 100 milhões de neurônios, cada um com aproximadamente
1000 dendritos, formando cerca de 100 trilhões de sinapses. Os neurônios trocam
substâncias químicas através das suas membranas e, mantendo estados de
polarização elétrica, são interrompidos por breves períodos de despolarização.
O cérebro opera a cerca de 100 hertz (cada neurônio pode disparar um pulso
100 vezes por segundo), freqüência muito lenta pelos padrões dos computadores de
hoje. Por exemplo, um chip Intel 80486 opera até 100 megahertz, ou a milhões de ciclo
por segundo, executando uma instrução por vez. Mas os neurônios do cérebro operam
em paralelo e o cérebro humano pode acionar cerca de 10 quatrilhões de
interconexões por segundo. Isto excede de longe a capacidade de qualquer máquina
hoje conhecida ou, de qualquer máquina já planeada ou, até mesmo, de alguma a ser
desenvolvida com a tecnologia atual. O cérebro humano pesa em média 1,4 Kg [12].
2.1.1. Definição sobre o cérebro
Complexo e extenso, em rigor, o termo cérebro refere-se aos hemisférios
cerebrais, que se distinguem pelas pregas nas suas superfícies, formando giros,
separados por sulcos ou fendas, e também às suas estruturas intra-hemisféricas.
Divide-se em duas metades: o hemisfério esquerdo e o hemisfério direito. Assemelha-
se, quanto ao se seu aspecto, ao miolo de uma noz como mostrado na figura 3.
16
Figura 3 - Cérebro humano [12].
2.1.2. Hemisférios Cerebrais
O hemisfério dominante em 98% dos humanos é o hemisfério esquerdo,
responsável pelo pensamento lógico e competência comunicativa. Enquanto o
hemisfério direito é responsável pelo pensamento simbólico e criatividade. Diz-se
dominante, pois nele localizam-se duas áreas especializadas: a Área de Broca, o
córtex responsável pela motricidade da fala, e a Área de Wernicke, o córtex
responsável pela compreensão verbal [12].
2.1.3. Estudo Científico do Cérebro
O cérebro e as funções cerebrais têm sido estudados cientificamente por
diversos ramos do saber, é um projeto pluri-disciplinar. Nasceu assim a neurociência,
com o objetivo de estudar o funcionamento do Sistema Nervoso, nomeadamente do
Sistema Nervoso Central, a partir de uma perspectiva biológica. A psicologia, depois de
se ter emancipado da filosofia e de vários conceitos religiosos, tem por objetivo estudar
cientificamente o comportamento do indivíduo e como este se relaciona com as
estruturas cerebrais. A ciência cognitiva procura estudar as funções cerebrais com
objetivo de desenvolver o conceito de "inteligência artificial" [12].
17
2.2. Biopotenciais
A movimentação de íons de sódio e potássio, através das membranas celulares,
resulta em atividades eletroquímicas celulares, cujos potenciais elétricos são
denominados de biopotenciais. Conhecidas como células excitáveis, quando
estimuladas de maneira adequada, as células apresentam grande variação de
potencial, e saem da condição de potencial de repouso, que varia de -50 a -100 mV.
Sempre que a membrana, partindo do potencial de repouso, é despolarizada, formam-
se potenciais de ação.
O estado ativo de uma célula é caracterizado pela sua capacidade de conduzir
potenciais de ação quando corretamente estimuladas. O estímulo adequado é aquele
capaz de exceder o limiar da membrana, permitindo assim a passagem de um grande
fluxo de íons, provocando assim uma rápida despolarização celular [7].
A figura 4 mostra a evolução do potencial de ação em um ponto do neurônio. A
linha reta inicial corresponde à voltagem do potencial de repouso da membrana. A
primeira alteração é promovida pela chegada de uma estimulação elétrica. Depois de
certo tempo de retardo, o potencial começa a subir (fase de despolarização) e depois a
descer (fase de repolarização), Após um breve excesso de repolarização, o potencial
de membrana volta ao valor anterior à estimulação.
Figura 4 - Potencial de ação exibido em um osciloscópio
18
Potenciais de ação são mensageiros essenciais para a linguagem neuronal.
Provêem controle rápido e centralizado, além de coordenação, de órgãos e tecidos.
Eles podem guiar a maneira em que a anatomia vai evoluir [12].
A figura 5 mostra, de maneira esquemática, as alterações que ocorrem na
membrana, durante o potencial de ação.
Figura 5 - A. Potencial de ação “esquemático”. B. Potencial de ação “real”.
Dentre os biopotenciais, pode-se citar:
• ECG – Eletrocardiograma;
• EMG – Eletromiograma;
• EEG – Eletroencefalograma;
• ENG – Eletroneurograma;
19
2.3. EEG
O EEG compreende oscilações de potencial elétrico que ocorrem continuamente
entre regiões monitoradas do couro cabeludo. O registro pode ser feito por
oscilógrafos, com inscrições à tinta, nos aparelhos mais antigos, e por digitação dos
sinais analógicos, apresentados em monitores, nos aparelhos mais modernos (EEG
digital).
O registro eletroencefalográfico é usualmente realizado através de eletrodos
(pequenos discos metálicos), fixados com um gel condutor de eletricidade à pele do
crânio. Um poderoso amplificador eletrônico aumenta milhares de vezes a amplitude do
fraco sinal elétrico que é gerado pelo cérebro, e que pode ser captado (geralmente
menos do que alguns micros volts). Um dispositivo chamado galvanômetro, que tem
uma pena escritora presa ao seu ponteiro, escreve sobre a superfície de uma tira de
papel, que se desloca à velocidade constante. O resultado é a inscrição de uma onda
tortuosa. Um par de eletrodos constitui o que chamamos de um canal de EEG.
Dependendo da aplicação clínica que se dá ao EEG, os aparelhos modernos permitem
o registro simultâneo de 8 a 40 canais, em paralelo. Este é chamado de registro
multicanal do EEG. Alterações da atividade elétrica cortical podem sugerir tipos
específicos de epilepsia, tumores, encefalopatia metabólica, etc. A evidência de
associação entre atividade paroxística e epilepsia foi verificada precocemente, quando
se observou que descargas elétricas anormais não correspondiam necessariamente a
crises clínicas do paciente [9].
Com o uso mais freqüente de EEG digitais, o envio de dados, através de
arquivos, entre diversos centros, exige a padronização do método de registro. Os
eletrodos são colocados com distância padrão entre si, havendo variações pertinentes
de acordo com o tamanho da cabeça do paciente. Eletrodos colocados na linha média
são denominados "zero” ou "z" ou ainda "0". Eletrodos colocados no hemicrânio
esquerdo têm números ímpares, e à direita, têm números pares. Assim, por exemplo,
F4 é frontal direito, F3 frontal esquerdo e Fz ou F0 é frontal na linha média (figura 06
demonstra a distribuição dos eletrodos). Casos especiais, especialmente aqueles com
finalidade acadêmica, podem requerer maior número de eletrodos em regiões cuja
atividade necessita ser mais bem caracterizada (geralmente temporal). Eletrodos de
referência podem ser usados nos lobos das orelhas.
20
Figura 6 - Relação entre cérebro e a posição dos eletrodos [7]
Para o registro do EEG, o paciente deverá estar sem brincos, ou objetos de
metal, com os cabelos secos e o escalpe limpo. Cabelos longos devem ser presos de
forma a exibir o couro cabeludo. O ambiente de registro deve ser calmo, silencioso,
sem luzes intensas, sem movimentos de pessoas passando e sem interferência eletro-
eletrônico. A aparelhagem deve ser mantida muito limpa e freqüentemente calibrada. O
uso de pastas especiais, para aderência de eletrodos ao escalpe, e filtros para registro
da atividade elétrica, devem ser feitos de forma sistematizada. Movimentos oculares e
contratura muscular são causas freqüentes de artefatos que por vezes impedem a
21
avaliação do traçado; desta forma, o registro é feito em repouso, com os olhos
fechados [7].
2.3.1. Amplitude de ondas EEG denota variação da voltagem no tempo. A voltagem registrada determina a
amplitude da onda e uma escala é necessária no traçado. A medida de voltagem de
cada onda é ineficaz, sem finalidade prática, e sujeita a erros. Geralmente, a amplitude
é considerada baixa, média ou alta, após uma avaliação geral do traçado. Amplitudes
altas são freqüentes em crianças, durante a hiperpnéia, e em ritmos de freqüência
inferior a 13Hz. Amplitudes baixas são registradas em situações de ansiedade, dor e,
por vezes, lesões cerebrais importantes. A interpretação dos achados na variação de
amplitude é muito importante devido ao grande número de situações que podem
acarretar tais variações [3].
Freqüência de ondas cerebrais (ciclos/seg = Hz):
Delta - menor que 3.5 ciclos/seg
Theta - 4 - 7 ciclos/seg
Alpha - 8 - 13 ciclos/seg
Beta - acima de 13 ciclos/seg
Outras letras gregas como o Lambda são usadas para designar padrões
especiais de ondas, ainda que numa freqüência como as descritas acima [9].
2.3.2. Ritmo Alpha Ondas de 8-13 Hz, amplitude média de 50mV, predominantes na região
posterior do cérebro, durante o repouso, com olhos fechados. Este ritmo se estabelece
por volta dos 3 anos de idade. As ondas são sinusoidais, arredondadas, embora alguns
indivíduos as apresentem de forma mais aguda. Alguns analisados apresentam ritmo
alpha em praticamente todas as regiões cerebrais, até mesmo nas áreas frontais;
porém, o mais comum, é se observar Alpha nas áreas posteriores ao vertex.
Abertura dos olhos, influxo de luz e atividade mental são estímulos que
bloqueiam, ou pelo menos atenuam, a atividade alpha. Também é interessante
observar que se o indivíduo apresenta bloqueio alpha com a abertura dos olhos, mas
continua olhando para um ponto fixo por algum tempo, a atividade alpha retorna com
22
os olhos abertos. Desviando o olhar para algum ponto que lhe chame a atenção, o
bloqueio alpha retorna [9].
Alpha é o ritmo típico do repouso, com olhos fechados, durante a vigília. Nos
estados de sonolência, este ritmo tende a desaparecer, e apenas curtos surtos de ritmo
alfa são observados a intervalos cada vez maiores.
O ritmo alpha já foi relacionado a grau de inteligência e tipos de personalidade,
mas é difícil estabelecer um parâmetro, variações interindividuais são comuns. Até
mesmo o período do ciclo menstrual pode determinar alterações da freqüência e
amplitude alpha.
2.3.3. Ritmo Beta
Ondas com freqüência maior que 13 ciclo/seg. Devido às limitações do registro,
50 a 70 ciclo/seg costuma ser o máximo registrado, mas é raro observar-se beta a esta
freqüência. A freqüência máxima costuma ser 35 ciclo/seg. A amplitude é geralmente
menor que 30mV.
Adultos em vigília apresentam atividade beta principalmente nas regiões
anteriores do cérebro. Alguns medicamentos e o sono podem aumentar a freqüência
das ondas beta de um indivíduo.
2.3.4. Ritmo Teta
Ondas na freqüência de 4,0 a 7,7Hz, comum em crianças, adultos em estado de
sonolência e sono, ou aparecendo ocasionalmente, em surtos de curta duração, nas
regiões parieto-occipitais, em adultos jovens e normais.
Na região frontal, o ritmo teta pode aparecer durante atividade mental (ex:
cálculos matemáticos). Quando assimétrica ou constante, a atividade Teta pode sugerir
disfunção em determinada área cerebral [3].
2.3.5. Ritmo Delta Ondas lentas, geralmente de grande amplitude, mais comum na forma
intermitente. É um ritmo comum em crianças pequenas, recém-nascidos, e encontrado
durante o sono.
23
Atividade Delta em surtos, desorganizando o traçado de base, pode ser
observada em diversas patologias inflamatórias, infecciosas, e intoxicações por drogas
[9].
Estas ondas tendem a ter uma maior amplitude e menor velocidade. Com o seu
aumento, há uma queda significante com relação à consciência e conhecimento do que
está ocorrendo à volta do paciente.
2.4. Eletrodo
Tem o objetivo de proporcionar a transferência de elétrons entre o circuito e o
meio em que está inserido. É utilizado para conectar um circuito elétrico a uma parte
não metálica, deste modo, deve ser constituído por um material condutor de
eletricidade como, por exemplo, um metal.
Em todo e qualquer sistema que utilize biopotenciais no seu funcionamento, a
parte mais crítica na aquisição do sinal é, sem dúvidas, o eletrodo utilizado. A escolha
tanto do eletrodo, assim como da pasta condutora, podem definir o sucesso ou o
fracasso do sistema, isto porque com um acoplamento mal feito no indivíduo, todo o
restante do circuito será diretamente afetado [7].
Os utilizados hoje, de acordo com a forma de aquisição e da variável a ser
mensurada, podem ser classificados como: químicos, elétricos, físicos ou biológicos.
Podem ser de três tipos:
• Transdutores: capazes de converter um tipo de energia em outra. Por exemplo:
energia iônica presente nas células, em energia elétrica;
• Sensores: converte uma variação física em uma saída elétrica;
• Atuadores: capazes de converter energia elétrica em outra forma de energia.
Para este projeto foram utilizados eletrodos com as seguintes características:
baixa resistência do metal; alta condutibilidade; baixo potencial de meia-célula e alta
imunidade à corrosão.
Podemos citar 3 tipos de eletrodos para utilização no projeto:
• Borracha: necessita da utilização de um gel para facilitar a passagem da
corrente elétrica. A borracha dos eletrodos é feita com carbono que aumenta a
condutividade.
24
• Adesivo ou Silicone: Adesivo ou Silicone: dispensa o uso de gel. Tem tempo de
vida útil variável, de 10 a 15 utilizações. Podem ser molhados para aumentar a
condutividade.
• Esponja: molha, retira o excesso de água e coloca no paciente. Aumenta a
condutividade. Utiliza-se principalmente para a corrente polar (Galvânica).
Com a utilização prolongada dos eletrodos, é possível a existência de uma
tensão contínua (DC), denominada de potencial de meia-célula. Deve-se evitar ao
máximo a existência desta tensão, que pode provocar perda ou flutuação do sinal. Para
evitar que isto ocorra são necessários determinados cuidados, como por exemplo, a
constante limpeza da pele e a troca de eletrodos.
2.5. Filtros
Pode ser definido como circuito de dois acessos, podendo ser linear ou não
linear, concentrado ou distribuído, passivo ou ativo, invariante ou variante no tempo,
capaz de processar sinais elétricos analógicos ou digitais. Um filtro tem como função
selecionar, rejeitar, ou igualar uma, ou várias gamas de freqüência de um sinal elétrico.
2.5.1. Filtro Passa Alta Filtro elétrico ou eletrônico que permite a passagem de sinais de altas
freqüências, bloqueando sinais abaixo da freqüência de corte do filtro. A figura 7
representa o tipo filtro passa-alta.
Figura 7 - Filtro passa-alto
25
2.5.2. Passa Baixa
Filtro elétrico ou eletrônico que permite a passagem de sinais de baixas
freqüências, atenuando sinais acima da freqüência de corte do filtro. A figura 8
representa o tipo filtro passa-baixo.
Figura 8 - Filtro passa-baixo
2.6. Amplificador de Instrumentação
Qualquer dispositivo que utiliza uma pequena quantidade de energia para
controlar uma quantidade maior. A relação entre a entrada e a saída de um
amplificador, geralmente expressa em função da freqüência de entrada, é denominada
função de transferência do amplificador, e a magnitude da função de transferência é
denominada de ganho.
Amplificadores operacionais são amplificadores diferenciais de alto
desempenho: alto ganho, alta impedância de entrada, baixa impedância de saída e
grande resposta em freqüência. Foram criados para implementar computadores
analógicos, executando operações matemáticas com valores de tensões como
operandos e resultados. Podem ser construídos com transistores ou válvulas. Muito
usados em instrumentação e equipamentos eletrônicos em geral.
Amplificador de instrumentação é um tipo especial de amplificador operacional
que permite obter algumas características muito especiais, tais como:
• Resistência de entrada extremamente alta;
• Menor resistência de saída que a dos amplificadores operacionais comuns;
• CMRR superior a l00 dB;
26
• Ganho em malha aberta muito superior ao dos amplificadores operacionais
comuns;
• Tensão de offset de entrada muito baixa;
• drift extremamente baixo[6];
2.7. Microcontrolador 8051
Corresponde a um microprocessador e seus periféricos típicos, todos juntos num
só chip. Tipicamente o 8051 é o representante básico da família, suas características
são:
• CPU de 8-bits otimizada para aplicações de controle;
• Processamento Booleano Amplo;
• Espaço de endereçamento de Memória de Programa de 64K;
• Espaço de endereçamento de Memória de Dados de 64K;
• 4K bytes de Memória de Programa on-chip;
• 128 bytes de RAM de Dados on-chip;
• 32 linhas de I/O programáveis;
• Dois contadores/timer de 16 bits;
• UART Full duplex;
• Estrutura de interrupção com dois níveis de prioridade;
• Oscilador de relógio;
O 8051 tem dois parentes próximos, o 8751 e o 8031, e um primo, o 8052.
Todas as versões contêm a mesma CPU, RAM, contadores/temporizadores, portas
paralelas, e I/O serial. O 8051 contém 4Kbytes de ROM, a qual é definida/mascarada
quando o chip é produzido. O 8751 tem todas as características do 8051, exceto que
uma única EPROM substitui o programa armazenado na ROM. Fazer uma mudança do
programa é tão simples como apagar a EPROM com luz ultravioleta e gravar outro
programa [14].
2.7.1. Pinagens do 8051 e suas funções
• Port P0 Port de propósito geral, se não utilizar memória externa de nenhuma
espécie. É port de utilização como via multiplexada no tempo, entre dados e
27
endereços (só os endereços menos significativos), quando usa memória externa.
Na mesma via, num dado tempo, apresentam-se dados e, em outro tempo,
endereços. Foi uma maneira de economizar pinos no chip.
• Port P1: Port de propósito geral como “I/O”. São oito vias de comunicação de
propósito geral. Via software, pode-se ler, ou escrever, neste port. Muito utilizado
para o acoplamento do teclado.
• Port P2: Port de propósito geral, se não utilizar nenhuma memória
RAM/ROM/EPROM externa.
• Port P3: Port de propósito geral de I/O, isto se não utilizar nenhum periférico interno
ao chip, nenhuma interrupção externa e, também, se não utilizar RAM externa. Esse
port é utilizado como interface entre os periféricos internos do chip, para fora do
mesmo, além de ter entradas programáveis, como interrupção e dois pinos que
gerenciam uma memória RAM externa (pinos de Read – RD e Write – WR).
• ALE (Address Latch Enable): Ligado a um chip latch, permite demultiplexar
externamente os dados e endereços no tempo, separando assim, as interrupções.
Isto é transparente ao programador, isto é, não precisa se preocupar com o
comando desse pino ALE. Ele é automaticamente gerenciado pelo
microprocessador.
• EA (External Access): É um pino de comando externo, que determina se será
usada a ROM/EPROM interna ao chip, ou se será lida somente uma ROM/EPROM,
externa ao chip. Em nível baixo, enxerga apenas a ROM/EPROM externa.
• RST (Reset): É o disparador do chip quando se quer iniciar adequadamente sua
função. Para ocorrer o reset esse pino deve permanecer no nível alto por, ao
menos, dois ciclos de máquina.
• INT0/INT1: São pinos físicos de interrupção, que precisam ser habilitados (e
também sua prioridade de atuação) via software.
• T0/T1: São pinos físicos de interrupção interna gerada pelo Timer/Counter, podendo
ser usados como contador de eventos externos, ou um temporizador interno.
• TXD/RXD: São pinos físicos usados para transmissão e recepção serial.
• PSEN (Program Store Enable): É um dos quatro pinos de controle do chip. Ele
aciona a ROM/EPROM externa (chamada de memória de código) quando o Mc vai
fazer uma busca de instrução na ROM, para, em seguida, executá-la. É acionado
automaticamente pelo próprio Mic.
28
• XTAL1/XTAL2: Esse chip tem um sistema de oscilação interna que só exige do
exterior o cristal e dois capacitores para gerar a oscilação, que se tornará o clock ou
padrão de tempo para o microcontrolador trabalhar.
• VCC/VSS: São os pinos de alimentação do chip, 5Vdc em VCC e terra em VSS.
Pinos estão demonstrados na figura 9:
Figura 9 - Pinagens do chip 8051 [14]
2.8. USB (Universal Serial Bus)
Trata-se de uma tecnologia que tornou mais simples e fácil a conexão de
diversos tipos de aparelhos (câmeras digitais, drivers externos, modem, mouse,
teclado, etc) ao computador, evitando o uso de um tipo específico de conector para
cada dispositivo. Diante de situações como essa, foi criada em 1995, uma aliança
promovida por várias empresas (como NEC, Intel e Microsoft) com o intuito de
desenvolver uma tecnologia que permitisse o uso de um tipo de conexão comum entre
computador e periféricos: a USB Implementers Forum. Em pouco tempo, surgia o USB,
um barramento que adota um tipo de conector que deve ser comum a todos os
aparelhos que o usarem. Assim, uma porta USB pode ser usada para instalar qualquer
dispositivo que use esse mesmo padrão [10].
29
Teoricamente, pode-se conectar até 127 dispositivos USB em uma única porta,
mas isso não é viável, uma vez que a velocidade de transmissão de dados de todos os
equipamentos envolvidos seria comprometida.
Uma característica importante e interessante do USB é que sua interface permite
que o dispositivo conectado seja alimentado pelo cabo de dados, ou seja, não é
necessário ter um outro cabo para ligar o aparelho à tomada. Porém, isso só é possível
com equipamentos que consomem pouca energia.
Cabos USB devem ter até 5 metros de comprimento. Acima disso, o aparelho
pode não funcionar corretamente.
Quanto à velocidade, o barramento USB pode operar de 1,5 Mbps (megabits por
segundo) a 12 Mbps na versão USB 1 e 1.1, mesmo assim são mais rápido que as
tradicionais portas seriais e paralelas. A maioria dos computadores, com mais de uma
porta USB, divide o barramento entre os diversos dispositivos conectados. Assim, uma
impressora trabalhará mais lentamente quando, por exemplo, imagens estiverem sendo
transferidas de uma câmera digital para o computador.
O USB 2.0 oferece a velocidade de 480 Mbps, o equivalente a cerca de 60 MB
por segundo. O conector é o mesmo tipo utilizado na versão anterior. É totalmente
compatível com dispositivos que funcionam com o USB 1.1. No entanto, nestes casos,
a velocidade da transferência de dados será a deste último. Isso ocorre porque o
barramento USB 2.0 tentará se comunicar à velocidade de 480 Mbps. Se não
conseguir, tentará a velocidade de 12 Mbps e, por fim, se não obtiver êxito, tentará a
velocidade de 1,5 Mbps[10].
2.9. Transformada de Fourier
Os processos de transformação de amostras do domínio do tempo para o
domínio da freqüência são de extrema utilidade de diversas aplicações de
processamento digital de sinais. Estas incluem tanto a análise direta do espectro de
freqüência, bem como convoluções. Existem diversas variações diretamente
relacionadas desta transformada, dependendo do tipo de função a transformar. A
transformada de Fourier é extensivamente usada em teoria de informação, processo
notável e processamento de imagem.
30
3. DESCRIÇÃO DO PROJETO
A construção de um sistema computacional, que monitora e analisa os sinais
providos do EEG, é o foco principal deste projeto. A distinção dos estados de vigilância
do individuo será apresentada na tela do computador, em tempo real.
Conseqüentemente, foi necessário a implementação de um sistema de hardware para
aquisição, amplificação, filtragem, adaptação (conversão analógico-digital) e
transmissão para o microcomputador dos sinais elétricos provenientes do cérebro.
O sistema de software terá a função de converter os sinais no domínio do tempo
para o domínio da freqüência, usando um algoritmo que calcule, no caso, a
transformada rápida de Fourier (FFT). Uma análise espectral decompõe o sinal de
EEG em suas componentes fundamentais, os harmônicos; estes geram as freqüências
conhecidas que podem ser distinguidas.
O resultado final deve ser a distinção do estado de vigilância do analisado, que
será apresentado na tela do microcomputador, como mostra a tabela 1 abaixo:
Tabela 1 - Resultado do estado de vigilância.
Forma do sinal Freqüência do
sinal
Estado de
Vigilância
Acima de 13Hz Alerta
De 8Hz a 12Hz Relaxamento
De 4Hz a 7Hz Adormecimento
Abaixo de 4Hz Sono leve
31
4. ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE
4.1. Ambiente de desenvolvimento
• Borland C++Builder 6.0: Utilizado para realização dos cálculos da Transformada de Fourier e a visualização do sinal via interface gráfica.
4.2. Linguagens e Ferramentas de Software
• Assembly para 8051;
• C/C++ para Microsoft Windows;
4.3. Interface com o Usuário
A interface do software a ser desenvolvida para rodar no PC é voltada para o
sistema operacional Microsoft Windows.
4.4. Funções a Serem Desenvolvidas
O software terá as seguintes funções a serem desenvolvidas ao longo do
projeto: • Comunicação serial com o microprocessador 8051;
• Exibição dos sinais obtidos na forma gráfica;
• Aplicação da transformada rápida de Fourier (FFT);
• Informação sobre o estado de vigilância do individuo.
32
5. ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE
O Sistema projetado foi dividido com os seguintes módulos de hardware:
• Eletrodos: sua função é fazer a aquisição do sinal elétrico
proveniente do cérebro humano, transformar corrente iônica em
corrente elétrica, para que esse sinal possa ser amplificado e
analisado, segundo a sua taxa de atenuação.
• Filtros: sua função no sistema é de muita importância, devido ao
grande número de elementos que podem gerar ruídos, tais como:
ruído na rede elétrica, interferência eletromagnética, etc.
Para facilitar, o ambiente de registro deve ser calmo, silencioso, sem luzes
intensas, sem movimentos de pessoas passando e sem interferência eletro-eletrônica
[7].
• Amplificadores Operacionais: sua função é amplificar e tratar os
baixos sinais elétricos obtidos.
• Conversor A/D: sua função é realizar sucessivas amostragens do
sinal analógico, convertendo-o em valores discretos digitais.
• Microcontrolador: sua função é receber valores que foram
convertidos pelo conversor A/D e reenviá-los, via comunicação
USB, para o microcomputador (PC).
• Porta USB: interface de comunicação entre o microprocessador
8051 e o PC.
• Microcomputador: sua função é gerenciar o software do projeto de
monitoramento da EEG, receber os dados enviados pelo
microcontrolador 8051 e disponibilizar a saída, em forma gráfica,
para o monitor.
5.1. Requisitos de Hardware
Para o funcionamento perfeito deste projeto e necessário um ambiente com
grande imunidade a ruídos, visto que existem outros equipamentos à volta (como o
microcomputador) gerando interferências eletromagnéticas.
Dois itens de maior preocupação são:
33
- Os eletrodos, que devem ser específicos e de boa qualidade para a aquisição
de sinais. A qualidade do sinal amostrado depende diretamente deste componente.
- Fonte de alimentação do circuito, a fonte deve ser de preferência uma fonte
estabilizada, para isso será projetada uma fonte simétrica à base de baterias de 9 volts.
Para a visualização do resultado da analise do sinal é necessário um
microcomputador padrão IBM-PC, dotado de porta USB, e um dos seguintes sistemas
operacionais instalado: Windows 98SE ou Windows XP.
5.2. Componentes
• INA128: Amplificador de Instrumentação da Texas Instruments, responsável
pela amplificação inicial do sinal.
• LF351: Amplificadores Operacionais responsáveis por projetar filtros passa-
baixos, com resposta butterworth de 8ª ordem, com freqüência de corte de
35Hz;
• ADC0804: Responsável por realizar a conversão analógica para digital;
• AT80C51: Microcontrolador responsável por receber os sinais já convertidos
para o modo digital e fazer a comunicação via serial com o microcomputador.
• TUSB3410: Dispositivo da Texas Instruments, responsável pela ponte entre a
porta USB do microcomputador e dispositivos seriais, realizando a conversão
automaticamente.
34
5.3. Diagrama de blocos
Eletrodo Aquisição do sinal
Filtros
Amplificador Instrumentação Conversor A/D Microcontrolador
USB
PC
Figura 10 - Diagrama de blocos do sistema de hardware
35
5.4. Ambiente de Desenvolvimento
Todos os módulos de hardware foram projetados, a princípio, em proto-boards e
passados às placas de circuito impresso, após a realização de testes no mesmo.
Para os cálculos e implementação dos filtros, foi utilizado o FilterPro, software da
própria Texas Instruments.
Os dispositivos de hardware foram projetados utilizando o software de captura
de esquemáticos OrCAD Capture CIS versão10.5 da Cadence Design Systems, Inc.
36
6. ESPECIFICAÇÃO DE VALIDAÇÃO DO PROJETO
A comprovação do funcionamento do sistema foi realizado, de forma satisfatória,
em testes In Vitro. Os testes InVivo foram poucos realizados, devido à dificuldade de
serem realizados e analisados por completo, principalmente pelo fato da fonte de
alimentação do projeto não sustentar por um período muito longo a alimentação de
energia do sistema, este tempo variava ente 10 a 15 minutos; outro obstáculo foi a falta
de um lugar apropriado para realização dos testes, visto que um sistema deste requer
um ambiente calmo, silencioso, sem luzes intensas, sem movimentos de pessoas
passando e sem interferência eletro-eletrônico
6.1. Testes In Vitro
Para a realização dos testes de funcionamento é utilizado um gerador de função
devidamente ajustado, acoplado no inicio do filtro passa-baixa, ignorando o módulo de
amplificação do sistema.
O objetivo deste teste é verificar a variação do espectro de potência e,
conseqüentemente, a visualização do funcionamento dos filtros, grampeador,
conversor analógico digital, microcontrolador, sistema de transferência serial/USB e o
funcionamento do software.
Para a validação do funcionamento do módulo de amplificação inicial foram
utilizados dois geradores de funções, ajustados com valores próximos das tensões
obtidas dos biopotenciais e um osciloscópio para comprovação dos valores calculados.
Assim comprovado o funcionamento de ambos os módulos foram então realizados
testes nos módulos por inteiro, sem separação.
6.2. Testes In Vivo
O teste in vivo consiste na monitoração de EEG. Os procedimentos serão os
seguintes:
• Serão colocados os eletrodos no individuo e o sistema iniciará o
processamento das informações do estado de vigilância atual;
• O estado de vigilância será informado no monitor do microcomputador;
37
Através das informações provenientes do individuo é possível verificar seu atual
estado de vigilância em tempo real.
38
7. ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO - ECONÔMICA
Tabela 2 - Estudo de viabilidade técnico-econômica
Descrição Qtde. Custo por unidade
Total
Hora Técnica 598 R$ 4,50 R$2691,00
Mc 8051 1 R$ 25,00 R$ 25,00
Tusb3410 1 R$20,00 R$20,00
Eletrodos 4 R$ 20,00 R$ 60,00
Gel para o
Eletrodo
1 R$ 35,00 R$ 35,00
Circuito Impresso 1 R$10,00 R$ 35,00
Componentes
Variados
1 R$70,00 R$70,00
Fonte de
Alimentação
1 R$ 12,00 R$ 12,00
Total R$2948,00
O projeto é viável economicamente, visto que com um hardware simples e um
microcomputador com configuração mínima, o indivíduo tem a possibilidade de ter um
EEG digital em casa. As aplicações de monitoramento são vastas; problemas como a
insônia, falta de atenção, ou doenças cerebrais, podem ser diagnosticados com a
elaboração de um software mais aplicado.
39
8. CRONOGRAMA
Tabela 3 - Datas importantes do projeto final.
Data Atividade a ser apresentada
06/03/06 Entrega das propostas de projeto para avaliação do colegiado
03/04/06 Entrega das especificações técnicas do projeto aprovado
12/06/06 Entrega do projeto (monografia) e do resumo/abstract do artigo para
congresso, bem como dos testes preliminares do mesmo.
09/10/06 Apresentação do projeto implementado;
Qualificação para a fase final
23/10/06 Segunda apresentação do projeto implementado, para os que não o
fizeram no dia 09/10/06, com decréscimo da nota;
Qualificação para a fase final.
06/11/06
Entrega da documentação completa em espiral para a banca
examinadora, em 3 vias, contendo a monografia, manual técnico,
manual do usuário e artigo científico.
40
Figura 11 - Cronograma do Microsoft Project
41
9. PROJETO DO HARDWARE
9.1. Alimentação
O circuito desenvolvido utiliza-se de 4 tensões diferentes:
• 9V Tensão de entrada principal do equipamento;
• 5V Tensão para alimentação positiva tanto de filtros e amplificadores como dos
circuitos digitais;
• -5V Tensão para a alimentação negativa dos amplificadores e filtros;
• 3,4V Tensão para o USB.
9.2. Eletrodos
Será utilizado durante os testes do projeto, eletrodo de Ag/AgCl da Meditrace
para a aquisição dos biopotenciais, pelo fato de serem descartáveis, de fácil colocação
e de baixo custo.
Para demonstração final do projeto está sendo estudada a possibilidade de se
usar eletrodos mais específicos para aquisição do sinal, visando, com isto, melhor
precisão e qualidade.
9.3. Filtros
9.3.1 Filtro passivo PA
Este filtro foi selecionado para eliminar tensões contínuas provenientes dos
eletrodos, tais tensões são chamadas potencial de meia célula e devem ser removidas
para evitar a saturação na saída do amplificador.
Neste projeto foi utilizado um filtro passivo devido a sua boa resposta na faixa de
freqüências utilizada (0Hz à 10Hz) e por sua facilidade de implementação (figura 12). O
seu cálculo foi baseado na seguinte equação:
CR***21
π=∫ o
42
Considerando uma freqüência de corte igual a 0,3 Hz e um capacitor de 220nF,
obtemos o valor do resistor igual à 390K (valor comercial).
Sin+
Sin-
R2390K
C1
220nF
R1390K
C2
220nF
Sref
Figura 12 - Filtro Passa Altas 0,3Hz.
9.3.2. Amplificador de Instrumentação INA128
Como trabalhou-se com sinais de magnitude muito pequena (por volta dos µV),
fez-se necessária a utilização de um amplificador de sinais diferenciais. Este tipo de
amplificador, conhecido como amplificador de instrumentação, é capaz de amplificar
uma diferença de potencial entre dois pontos tendo um terceiro valor como referência.
O amplificador de instrumentação utilizado é o INA 129 da Texas Instruments.
Este dispositivo foi escolhido pelos seguintes motivos:
• Entrada bipolar;
• Ganho variável de 1 até 10000;
• Off-set de entrada máximo de 50uV;
• Proteção de sobre-tensão de ± 40V;
• Alto CMRR (Comum Mode Rejection Rate) de 120dB.
As entradas do INA129 são provenientes das saídas do filtro passa alta (figura
13). Com isto, o sinal encontrado nas entradas diferenciais do amplificador já está livre
de potenciais de meia célula (tensões DC).
Para o cálculo de implementação do ganho do amplificador, foi utilizada a
seguinte equação encontrada no próprio datasheet do componente:
RKG Ω+= 00,501
O seu ganho foi ajustado para 3333 com a utilização de um resistor de 15. Não
foi utilizado o ganho total neste ponto do circuito para evitar a amplificação de ruídos de
43
modo comum e também para que não ocorresse a saturação dos filtros. O segundo
estágio de amplificação é encontrado após a filtragem do sinal.
+ 5
+
-
U1
INA129/BB
18
2
3
6
74 5
GS1GS2
-
+
OUT
V+
V-
RE
F
-5
R3
15K
Figura 13 - Amplificador de instrumentação Configurador para ganho de 3333.
9.3.3 Passa Baixa 8º Ordem
Este filtro será responsável para retirar sinais de freqüência altas indesejáveis a
este projeto, a faixa correspondentes das ondas a serem analisadas (teta, beta, alfa e
delta) variam de 0Hz a 30Hz.
Após o processo de amplificação inicial do sinal obtido, é necessária a remoção
dos sinais de freqüência superiores às desejadas para os cálculos posteriores. A faixa
de interesse varia de 0,5Hz até 35Hz.
Para que ruídos de alta freqüência não interfiram na digitalização do sinal, é
necessária a remoção de todo e qualquer sinal superior à metade da freqüência de
amostragem. Isto é, se o sinal for amostrado a uma freqüência de 100Hz é necessário
que não haja nenhum sinal com freqüência superior a 50Hz. Além do problema de
contaminação do sinal digitalizado, também é extremamente crítica a remoção das
componentes de 60Hz encontradas no sinal. Esta freqüência aparece no sinal devido a
interferências de equipamentos ligados à rede elétrica, a qual opera nesta freqüência
[6].
Para a eliminação de ambos os problemas, é utilizado um filtro passa baixa com
freqüência de corte configurada para 35Hz. Neste caso, deve-se levar muito em conta
a ordem do filtro a ser utilizada, visto que o sinal em 35Hz deve ter atenuação máxima
44
de 3dB e em 60Hz deve-se obter a maior atenuação possível, evitando assim a
contaminação do sinal com componentes de tal freqüência.
Para a implementação, foi utilizado um conjunto de Amps Ops LF351 formando
um filtro passa baixas oitava ordem butterworth.
C21µF
R16,8K
R315K
-5
+ 5
-
+
U6
LF351
3
26
7 14 5
C26,8µF
C21,5µF
R13,9K
+ 5
R26,8K
R26,8K
R312K
C21µF
-5
C1
220nF
-
+
U6
LF351
3
26
7 14 5
-
+
U6
LF351
3
26
7 14 5
R23,9K
+ 5
R25,6K
R312K
+ 5
R16,8K
C1
150nF
-5
-5
C1
330nF
R315K
R15,6K
-
+
U6
LF351
3
26
7 14 5
C1
68nF
Figura 14 Filtro Passa Baixas, freqüência de corte 35Hz, 8ª ordem.
45
10. PROJETO DO SOFTWARE
10.1. Diagrama de Casos de Uso, Diagrama de seqüência e Diagrama de Classe
Captação dos dados: utilizado para receber valores pela USB transmitidos pelo
microprocessador 8051;
Demonstração dos gráficos: gera uma resposta gráfica dos valores recebidos durante a
analise do individuo;
Figura 15 - Diagrama de Caso de Uso
46
Figura 16 - Diagrama de seqüência
Figura 17 - Diagrama de Classe
47
10.2. Diagrama de Casos de Uso, Diagrama de seqüência e Diagrama de Classe.
Figura 18 - Protótipo de interface do software para microcomputador
48
11. RESULTADOS
11.1. Funcionamento do Hardware
Os testes do hardware foram executados dividindo o sistema em três módulos:
1. Filtros e amplificador
2. Grampeador e ADC0804
3. Microprocessador e comunicação Seria/USB
O modulo 1 é o ponto mais crítico do sistema, mesmo com filtros calculados e
devidamente ajustados a interferência de ruídos principalmente o de 60Hz da rede
elétrica e sinais eletromagnéticos, estavam presente em vários pontos do circuito, a
solução encontrada foi a elaboração de uma fonte simétrica a base de 2 baterias de
9V, que tornou o circuito mais estável sem o 60Hz de quando usava-se alimentação da
rede elétrica, porem devido ao projeto utilizar-se de um kit do 8051, e muitos
componentes eletrônicos, notou-se que o tempo de duração da carga das baterias
eram insuficientes, ainda mais quando de realizava a comunicação com o
microcomputador via serial ou USB. Para solucionar o problema da alimentação do
circuito esta sendo estudado o corte de alguns componentes desnecessários
encontrados no kit do 8051, e até mesmo a utilização de um microcontrolador diferente,
com a função de conversor AD integrada no próprio chip.
Tabela 4 - Tabela 5: Resultados obtidos no modulo 1
Descrição Calculado (em ganho) Obtido
Ganho do Amplificador
de Instrumentação da
primeira fase
3333 3317~3349
Ganho do Amplificador
de Instrumentação da
segunda fase (do filtro
passa baixa)
35 38~80
Obs.: o ganho da segunda fase era controlado por um resistor ajustável por isso o
obtido era controlado.
O circuito de filtragem do sinal também apresenta uma ótima resposta
quando comparada com os valores desejados.
49
Tabela 5 - Curva de resposta obtida no filtro passa-baixas 35Hz butterworth.
Descrição Calculado (em dB) Obtido (em dB)
Corte de freqüência a
35Hz
-5,85 -6,05
Corte de freqüência a
60Hz
-40,68
-48,30
O módulo 2 funciona sem problema no proto-board, o grampeador e ajustado
conforme a necessidade do conversor AD 0804, que opera de 0V a 5V, apenas quando
foi desenvolvido a placa final, ao ajustar o grampeador, em algumas freqüências o sinal
saturava, a solução é a instalação de outro resistor ajustável de 100kΩ.
O módulo 3 teve problema com a alimentação do TUSB3410, e foi necessário se
utilizar um cabo serial. Como não haveria necessidade de modificar o código do
microcontrolador, e, nem do software, este obstáculo não atrapalhou na apresentação
e testes do projeto.
11.2. Funcionamento do Software
O funcionamento do software só foi possível utilizando os testes In Vitro, onde
com a utilização de um gerador de funções (figura 19), foi possível detecta duas fases
de vigilância distintas, acima de 13Hz (estado em alerta) e abaixo de 11Hz (estado de
relaxamento), tanto o algoritmo da transformada de Fourier como a função da
transmissão serial estão funcionado perfeitamente.
O problema para a captação de todos os estados deve-se a um ajuste na
transmissão que esta sendo estudado, freqüências baixas não estão sendo detectada
com precisão. Também é necessária a diferenciação dos indivíduos a serem
analisados, visto que as fases de vigilância mudam de um individuo adulto para uma
criança.
50
Figura 19 - Captura do sinal gerado pelo gerador de função
51
12. CONCLUSÃO
Apesar de toda dificuldade na aquisição dos sinais provenientes do cérebro, os
módulos desenvolvidos apresentaram funcionamento satisfatório.
Serão necessários investimentos em eletrodos mais dedicado ao EEG. Espaço
apropriado para a utilização do equipamento também permite que o projeto seja mais
bem sucedido.
Os módulos de amplificação e filtragem foram calculados antes de
implementados; a resposta correspondeu a estes cálculos, facilitando o
desenvolvimento dos demais módulos restantes.
Para uma futura expansão deste projeto, seria interessante direcioná-lo a uma
aplicação mais específica, como, por exemplo, um sistema de monitoramento para
motorista. Neste tipo de situação, o sistema detectaria a alteração do estado de
vigilância do motorista evitando, desta forma, diversos tipos de acidentes.
52
13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] SOMMERVILLE, IAN : Engenharia de Software , Addison Wsley, 6 ed ,2003.
[2] LARMAN, CRAING : Utilizando UML e Padrões , Bookman, 1ed , 2000.
[3] Sabbatini, RME: Mapeando o Cébro. Disponível em
http://www.cerebromente.org.br/n03/tecnologia/eeg_p.htm . (15 de março de 2006).
[4] EDMINISTER, J. A.: Circuitos Elétricos. Makron Books, 2 ed. 1985.
[5] BOYLESTAD, R. L.: Introdução à Análise de Circuitos. Prentice Hall do Brasil, 8 ed.
1997.
[6] PERTENCE Jr., A.: Amplificadores Operacionais e filtros ativos: Teoria, projetos,
aplicações e laboratório. Makron Books, 5 ed., 1996.
[7] WEBSTER, JOHN : Medical Instrumentation, Trird Edition, 1 ed, 1998.
[8] K.H, Peter Wonk: Digital EEG IN Clinical Practice. Lippincott – Raven. Philadelphia –
New York.
[9] Conceitos Básicos em Eletroencefalografia. Disponível em
http://medworks1.tripod.com/Fisiologia/conceitos_bsicos_em_eletroencef.htm. (15
março de 2006).
[10]USB: Universal Serial Bus. Disponível em
[11]Eletrodo – Wikipédia. Disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletrodo . (31 de
março de 2006).
[12]Cerebro – Wikipédia. Disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/cerebro. (31 de
março de 2006). Disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletrodo . (05 de junho de
2006).
[14] NICOLOSI, Denys Emilio Campion, Microcontrolador 8051 detalhado, São Paulo :
Erica, 2000.
