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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ELETROESTIMULADOR DE CORRENTES INTERFERENCIAIS
Área de Engenharia Elétrica
por
Maicon Stringhetta
Débora Meyhofer Ferreira, MSc Orientadora
Campinas (SP), junho de 2008
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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ELETROESTIMULADOR DE CORRENTES INTERFERENCIAIS
Área de Engenharia Elétrica
por
Maicon Stringhetta
Monografia apresentada à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica para análise e aprovação. Orientadora: Débora Meyhofer Ferreira, MSc
Campinas (SP), junho de 2008
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AGRADECIMENTOS
A meus pais, a minha esposa e toda minha família, pelo apoio e dedicação.
A todos os professores e funcionários da USF, pela amizade e importantes sugestões.
Aos amigos e colegas de trabalho, pela amizade e pelo apoio.
Ao amigo e colega de trabalho Eng. Álvaro Martins da Silva Júnior, pela amizade e pelas sugestões.
Ao amigo fisioterapeuta Rafael Davini, pela amizade e pelas sugestões.
A professora Débora Meyhofer Ferreira, pela amizade e orientação deste trabalho.
Ao professor Luiz Carlos de Freitas Júnior, pela amizade e apoio neste trabalho.
Aos amigos de trabalho, pela amizade e pelo apoio.
A empresa IBRAMED, em especial aos diretores José Ricardo de Souza e Cyro Spinelli Júnior,
pela oportunidade de desenvolvimento deste trabalho.
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS...................................................................v
LISTA DE FIGURAS................................................................................vi LISTA DE EQUAÇÕES ..........................................................................vii RESUMO..................................................................................................viii ABSTRACT................................................................................................ix
1. INTRODUÇÃO ......................................................................................1 1.1. OBJETIVOS ..................................................................................................... 1 1.1.1. Objetivo Geral................................................................................................ 1 1.1.2. Objetivos Específicos...................................................................................... 2 1.2. METODOLOGIA............................................................................................. 2 1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO ..................................................................... 3
2. ELETROFISIOLOGIA.........................................................................4 2.1. CONHECENDO O SISTEMA NERVOSO .................................................... 4 2.1.1. Penetração dos Pulsos Elétricos nos Tecidos ................................................ 5 2.2. CORRENTE INTERFERENCIAL ................................................................. 6 2.2.1. Princípios físicos da corrente interferencial ................................................. 6
3. DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO...................................................8 3.1. REQUISITOS NORMATIVOS..................................................................... 10
4. DESENVOLVIMENTO DO ELETROESTIMULADOR...............12 4.1. FONTE CHAVEADA .................................................................................... 12 4.2. MICROCONTROLADOR ............................................................................ 15 4.2.1. Software desenvolvido.................................................................................. 16 4.3. GERAÇÃO DO SINAL.................................................................................. 18 4.3.1. Implementação do AD9833.......................................................................... 19 4.3.2. Controle do AD9833..................................................................................... 20 4.4. TECLADO ...................................................................................................... 20 4.5. DISPLAY DE LCD......................................................................................... 21 4.6. EPOT............................................................................................................... 21 4.7. AMPLIFICADOR DE SAÍDA....................................................................... 22 4.8. PLACA DO EQUIPAMENTO ...................................................................... 23
5. RESULTADOS OBTIDOS .................................................................26
6. IMAGENS DO EQUIPAMENTO......................................................27
7. TRABALHOS FUTUROS ..................................................................30
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................31
GLOSSÁRIO.............................................................................................32
iv
APÊNDICE A – FICHA TÉCNICA DO EQUIPAMENTO................33
ANEXO I – ESQUEMA ELÉTRICO DO EQUIPAMENTO..............34
LISTA DE ABREVIATURAS
TCC Trabalho de Conclusão de Curso USF Universidade São Francisco AMF Amplitude modulada em Freqüência V Volts Hz Hertz PCI Placa de Circuito Impresso SPI Serial Peripheral Interface LCD Liquid crystal display IEC International Engineering Consortium NBR Norma Brasileira EPOT Eletronic Potentiometer NGO Não grão orientado SMD Surface Direct Montage INMETRO Instituto Nacional de Metrologia IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Desenho Esquemático de um Neurônio Idealizado e de seus Principais Componentes. Fonte: BERNE (1993) .............................................................................................................5
Figura 2. Diagrama em blocos do Equipamento e conexão com o paciente. .....................................8 Figura 3. Ambiente de desenvolvimento da fonte chaveada. P.I. Expert.........................................13 Figura 4. Ambiente de desenvolvimento do transformador. P.I. Transformer Designer. .................14 Figura 5. Foto da fonte chaveada desenvolvida. .............................................................................14 Figura 6. Arquitetura de Harvard. Fonte: www.microchip.com, (2008)..........................................15 Figura 7. Gravador ICD2br utilizado. ............................................................................................16 Figura 8. Fluxograma do Software Desenvolvido. .........................................................................17 Figura 9. Ambiente de Desenvolvimento MPLAB v8.0. ................................................................17 Figura 10. Diagrama em blocos do circuito integrado AD9833. Fonte: www.analog.com, (2008)..19 Figura 11. Detalhe de ligação do EPOT. ........................................................................................22 Figura 12. Representação esquemática do circuito de saída............................................................23 Figura 13. Desenvolvimento da placa no software P-CAD.............................................................24 Figura 14. Placa do equipamento montada. ....................................................................................25 Figura 15. Sinal senoidal gerado pelo equipamento........................................................................27 Figura 16. Sinal modulado gerado pelo equipamento. ....................................................................28 Figura 17. Foto do protótipo final do equipamento. .......................................................................29
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1......................................................................................................................................20 Equação 2......................................................................................................................................23
RESUMO
Stringhetta, Maicon. Eletroestimulador de Correntes Interferenciais. Campinas, 2008. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas, 2008. O uso da estimulação elétrica com fins terapêuticos, ou Eletroterapia, é uma técnica consolidada no
tratamento de pacientes em reabilitação. Este trabalho descreve o desenvolvimento de um
equipamento Eletroestimulador de Correntes Interferenciais, para o tratamento de quadros
patológicos associados à dor e à reabilitação neuromuscular. Este equipamento possui uma interface
com o usuário composta por um teclado e um display de LCD, na qual é possível selecionar os
parâmetros do tratamento. Circuitos eletrônicos recebem os dados relacionados a estes parâmetros,
e geram os sinais na forma de corrente elétrica, através de um microcontrolador PIC e um
amplificador de potência. O Eletroestimulador de Correntes Interferenciais, desenvolvido sob as
normas IEC vigentes, gera um sinal senoidal com freqüências levemente diferentes em cada canal,
que quando somadas resultam em uma modulação do tipo AMF dentro do organismo, com a
amplitude máxima de 120 mA (valor pico a pico medido com uma carga de 1KΩ por canal).
Palavras-chave: Eletroestimulador. Correntes Interferenciais. Eletroterapia.
ABSTRACT
The use of electrical stimulation for therapeutic purposes, or Electrotherapy, is a consolidated
technique in the treatment of patients in rehabilitation. This work describes the development of
equipment electric stimulator of Interferential currents, for the treatment of pathological tables
associated with pain and neuromuscular rehabilitation. This equipment has an interface with the
user consists of a keyboard and the LCD display, where you can select the parameters of treatment.
Circuits receive electronic data related to these parameters, and generate signals in the form of
electrical current through a PIC microcontroller and a power amplifier. The electric stimulator of
currents Interferential, developed under the existing IEC standards, generates sine signal with a
frequency slightly different in each channel, which when combined result in a differentiation within
the AMF type body, with the maximum range of 120 mA (peak to peak value measured with a load
of 1KΩ per channel).
Keywords: electric stimulator. Interferential currents. Electrotherapy.
1. INTRODUÇÃO
As primeiras experiências com a estimulação elétrica datam de 46 D.C. quando o peixe
elétrico, que pode gerar de 100 a 150 volts, foi usado para alívio da dor. No final do século XIX,
métodos foram desenvolvidos para seguramente usar a eletricidade no tratamento de pacientes.
Graças à criação da máquina eletrostática movida a manivela, pelo cientista prussiano Otto
Von Guericke, experimentos com descargas elétricas em tecidos biológicos puderam ser realizadas,
iniciando-se assim, através de cientistas como o fisiologista suíço Albrecht Von Haller e os
anatomistas bolonheses Marco Antonio Caldani e Tommasseo Laghi, a formação da base de
conhecimento para a Eletroterapia atual. Desde então, a estimulação elétrica tem sido usada em
variadas condições, como: controle da dor de diversas origens, aumento da força muscular,
diminuição da espasticidade muscular, redução de edema subcutâneo e cicatrização de feridas.
Modalidades diferentes de estimulação elétrica são usadas para alcançar esses objetivos [1].
Dentre as modalidades terapêuticas de estimulação elétrica, existe a Corrente Interferencial,
amplamente utilizada por profissionais da fisioterapia como procedimento para modulação da dor e
outros efeitos pertinentes às correntes.
1.1. OBJETIVOS
1.1.1. Objetivo Geral
O principal objetivo deste trabalho é desenvolver um equipamento que possa contribuir com
o trabalho de profissionais da área da reabilitação e da saúde em geral.
2
1.1.2. Objetivos Específicos
O desenvolvimento deste equipamento compreende o projeto de hardware e software,
portanto deverá ser dividido em algumas etapas:
• Desenvolvimento de uma fonte chaveada para alimentação do circuito. Esta fonte deve
operar na faixa de 100 a 240 V, 50 a 60 Hz.
• Desenvolvimento do circuito elétrico do equipamento, que compreende o teclado de
operação, microcontrolador para controle dos parâmetros do equipamento, display de
cristal líquido para interface com o usuário, epots para controle de intensidade digital e
circuito de potência da saída de corrente.
• Desenvolvimento do software que gerencia o equipamento. Este software deve ser
desenvolvido em linguagem C.
1.2. METODOLOGIA
Depois de listados os parâmetros que o equipamento deve possuir, foram pesquisados os
componentes eletrônicos para serem utilizados no projeto, e possíveis softwares de
desenvolvimento específico. Foram realizadas pesquisas junto aos fabricantes Microchip, Analog
Devices, Texas, Power Integrations, Fairchild, National e International Rectifier. Depois de
selecionados os componentes, serão desenvolvidos o esquema elétrico e o layout da PCI, utilizando-
se o software P-CAD para desenvolvimento. O software que gerencia o equipamento deve ser a
última etapa do projeto, desenvolvido em linguagem C, com o apoio da ferramenta de
desenvolvimento MPLAB.
3
1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO
Esta monografia está dividida em 7 capítulos e apresenta a seguinte seqüência:
• Introdução sobre o assunto.
• Eletrofisiologia e a corrente interferencial.
• Descrição do equipamento e seus principais componentes.
• Desenvolvimento do equipamento.
• Resultados obtidos.
• Imagens do protótipo construído.
• Trabalhos futuros baseados nesta monografia.
2. ELETROFISIOLOGIA
O sistema nervoso, em nosso organismo, é responsável pela percepção de estímulos. Um
estímulo elétrico quando aplicado na pele é processado pelo sistema nervoso, que responde a esses
estímulos, promovendo uma atividade no organismo.
2.1. CONHECENDO O SISTEMA NERVOSO
No corpo humano, o sistema nervoso compreende o encéfalo, a medula espinhal e milhões
de células nervosas. Juntos, eles formam uma complexa rede, através da qual, impulsos nervosos
são levados de um ponto a outro do corpo. É assim, que o sistema nervoso controla a maior parte
das atividades do organismo. Para isso, monitora a todo o tempo, as alterações que ocorrem no
corpo e no ambiente externo. Estas informações são captadas e processadas pelos neurônios de
associação [1].
Para compreendermos melhor as funções de coordenação e regulação exercidas pelo sistema
nervoso, precisamos primeiro conhecer a estrutura básica de um neurônio e como a mensagem
nervosa é transmitida.
O neurônio é uma célula formada por um corpo celular, onde está o núcleo, o citoplasma e o
citoesqueleto, e de finos prolongamentos celulares denominados neuritos, que podem ser
subdivididos em dendritos e axônios.
• Dendritos: são prolongamentos geralmente muito ramificados e que atuam como receptores
de estímulos, funcionando portanto, como "antenas" para o neurônio.;
• Corpo celular: estrutura capaz de processar os estímulos recebidos pelos dendritos, gerando
um estímulo (impulso) resultante;·
• Axônio: são prolongamentos longos que atuam como condutores dos impulsos nervosos.
5
Figura 1. Desenho Esquemático de um Neurônio Idealizado e de seus Principais Componentes. Fonte: BERNE (1993) Nas fibras nervosas, os impulsos nervosos são então transmitidos de um neurônio a outro,
através de um efeito em cadeia onde os dendritos de um neurônio, ao receber diversos estímulos
que são processados em seu corpo celular, geram um impulso resultante que é transmitido ao longo
de seu axônio, até que este chegue ao neurônio seguinte. Este efeito cessa, uma vez que o impulso
nervoso chega ao seu destino, por exemplo, um grupo muscular que deverá se contrair [1].
2.1.1. Penetração dos Pulsos Elétricos nos Tecidos
A impedância da pele é relativamente alta para ambas correntes DC e AC, muito maior do
que a impedância da maioria dos tecidos, contudo, diminuindo seu valor com pulsos mais curtos.
Assim, tem-se a impedância da pele de aproximadamente 1000Ω para pulsos de 10ms, mas de
apenas 50Ω para pulsos de 0,1ms. Isto acontece porque a pele trabalha como um capacitor que
oferece impedâncias muito baixas para pulsos de curta duração, e da mesma forma para correntes
com altas freqüências, na ordem de 4KHz [1].
A distribuição da corrente pelos tecidos com pulsos de curta duração é ainda maior,
conforme a corrente penetra mais profundamente. Conseqüentemente, nervos mais profundos, como
os nervos motores, são estimulados mais facilmente com pulsos de curta duração. Com pulsos mais
longos, a maior parte da corrente é absorvida pela pele, estimulando assim os nervos periféricos [1].
6
2.2. CORRENTE INTERFERENCIAL
As correntes de média freqüência apresentam a vantagem terapêutica de encontrarem uma
menor resistência da pele, podendo desta maneira, penetrar em tecidos mais profundos. Estes tipos
de correntes causam efeitos menores em nervos cutâneos e em complexos nervosos dos músculos
esqueléticos, ou seja, a placa motora, quando comparadas às correntes de baixa freqüência. Sugere-
se que as freqüências de batimento entre 0 e 150Hz sejam responsáveis por efeitos terapêuticos
como redução do processo inflamatório intra-articular e periarticular, modulação da dor, redução de
edema e aumento da amplitude de movimento articular [2].
A corrente interferencial foi desenvolvida na década de 1950 pelo Dr. Hans Nemec, em
Viena, e foi tornando-se cada vez mais popular no Reino Unido durante a década de 1970 [2].
2.2.1. Princípios físicos da corrente interferencial
O princípio da terapia com Corrente Interferencial é passar através dos tecidos duas
correntes alternadas de média freqüência, que ficam levemente fora de fase. Quando essas correntes
se encontram, uma nova corrente se inicia [2].
A freqüência da corrente resultante será igual à média das duas correntes originais e variará
em amplitude com uma freqüência igual à diferença entre essas duas correntes. Essa terceira
freqüência é conhecida como “freqüência de amplitude modulada” (AMF), podendo variar de 1 a
250Hz e amplitude de 0mA até a intensidade máxima selecionada, proporcionando a estimulação
característica da corrente interferencial.
As correntes de média freqüência apresentam a vantagem terapêutica de encontrarem uma
menor resistência da pele podendo, desta maneira, penetrar em tecidos mais profundos. Este tipo de
corrente causa efeitos menores em nervos cutâneos e em complexos nervosos superficiais dos
músculos esqueléticos, ou seja, a placa motora, quando comparada à corrente de baixa freqüência.
Sugere-se que as freqüências de batimento entre 0 e 250 Hz sejam responsáveis por efeitos
7
terapêuticos como redução do processo inflamatório intra-articular e periarticular, modulação da dor
e redução do edema [3].
3. DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO
Agora será mostrado um diagrama com os principais circuitos do equipamento, descrevendo
suas principais funções. A figura 2 mostra um diagrama em blocos do equipamento:
Figura 2. Diagrama em blocos do Equipamento e conexão com o paciente.
9
Fonte de alimentação: A fonte de alimentação do equipamento é responsável pela
alimentação de todo o circuito. Trata-se de uma fonte chaveada com entrada de 100 a 240Vac – 50
a 60Hz, saída de 12Vcc com capacidade de carga de 2A. Esta fonte possui uma isolação entre
primário e secundário de 4KVrms.
Microcontrolador PIC: Responsável por gerenciar os parâmetros do equipamento como
freqüências de operação, tempos de aplicação, envio de informações ao display de LCD e
gerenciamento de outros componentes do circuito. Foi escolhido para este projeto o
microcontrolador PIC18F6410 fabricado pela Microchip. A programação deste microcontrolador
foi desenvolvida em linguagem C, no compilador MCC18 da microchip.
Teclado: Todas as funções e parâmetros do equipamento são ajustadas através do teclado. É
constituído por micro-chaves tácteis localizadas no painel frontal do equipamento.
Display de LCD: Realiza a interface com o usuário, mostrando todas as mensagens
recebidas do microcontrolador, display de cristal líquido 16 colunas X 2 linhas.
AD9833: Trata-se de um oscilador numericamente controlado, fabricado pela Analog
Devices, gera um sinal senoidal através de dados enviados pelo microcontrolador. A vantagem
deste circuito integrado em relação a outros é que uma vez recebidos os dados relativos à
freqüência, este os armazena em registradores, liberando o microcontrolador para outras tarefas.
EPOT: O circuito integrado MCP42010 fabricado pela Microchip, é um potenciômetro
digital duplo que através de comunicação com o microcontrolador ajusta a intensidade de saída do
equipamento.
Amplificador de saída: O circuito de saída é composto por um amplificador de áudio e um
transformador de saída. O amplificador de áudio utilizado é o circuito integrado TDA2003, foi
10
escolhido por possuir alta impedância de entrada, 1600Ω, baixa impedância de saída, 2 a 8Ω,
potencia máxima de saída de 12W e alimentação de 12V. O transformador de saída possui uma
relação de espiras de 1 X 10, e isolação entre primário e secundário de 4KVrms.
Eletrodos de borracha condutiva: Fazem a conexão entre paciente e equipamento, podem ser
do tipo auto-adesivo ou presos por cintas. Produzidos em borracha ou silicone, possuem uma
quantidade de carbono na composição para garantir a condução da corrente elétrica.
3.1. REQUISITOS NORMATIVOS
O projeto do eletroestimulador de correntes interferenciais deve seguir todas as cláusulas
aplicáveis das normas que regulam o funcionamento dos equipamentos eletromédicos. Para esse
equipamento, as normas são:
• NBR IEC 601-1: 1994 – Equipamento eletromédico – Parte 1: Prescrições gerais para
segurança.
• NBR IEC 601-1: Emenda nº 1 Out 1997.
Esta norma regulamenta características gerais de projeto e funcionamento de equipamentos
elétromedicos, como classe de operação, marcações internas e externas, características construtivas,
segurança elétrica e compatibilidade eletromagnética, existem limites estabelecidos e métodos de
ensaios utilizados para testar o funcionamento dos equipamentos.
• NBR IEC 60601-2-10: 1997 – Equipamento eletromédico – Parte 2-10: Prescrições
particulares para segurança de equipamento para estimulação neuromuscular.
• NBR IEC 60601-2-10: Emenda nº 1 Nov 2002.
Esta norma é exclusiva para equipamentos eletroestimuladores, regulamenta os parâmetros
como tipo de saída utilizado, intensidade de saída, tipo de corrente gerada, freqüência da corrente
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de saída e suscetibilidade eletromagnética. Todos os parâmetros regulamentados possuem limites
de operação e métodos para ensaios.
12
4. DESENVOLVIMENTO DO ELETROESTIMULADOR
Neste capítulo será detalhado o projeto do eletroestimulador. O equipamento possui dois
canais de saída que geram um sinal senoidal com freqüência selecionável de 2KHz, 4KHz ou
8KHz, capaz de fornecer uma corrente de saída de 120 mA (valor pico a pico por canal, medido
com uma carga resistiva de 1KΩ), deve ainda possuir modulação do tipo AMF selecionável de 1 a
100Hz, variação desta modulação selecionável de 1 a 100Hz, possibilidade de saída com
intensidade variável (modo rampas) e alimentação de 100 a 240Vac – 50 a 60Hz.
4.1. FONTE CHAVEADA
Conforme características descritas do eletroestimulador, a fonte deve ser capaz de fornecer
30 W de pico, deve ainda possuir uma isolação entre primário e secundário de 4KVrms e operar
com um nível de ruído abaixo do limite especificado para equipamentos eletromédicos.
Tais características foram encontradas em um circuito integrado fabricado pela Power
Integrations, o TNY280, dedicado a fonte chaveada. Opera a uma freqüência de chaveamento de
132 KHz, com uma variação de 10KHz que evita a incidência de sucessivos picos de chaveamento
no mesmo intervalo de tempo, reduzindo a emissão de ruídos, esta variação é chamada de “green
mode”. Possui ainda proteção contra excesso de corrente e temperatura. Essas características
atendem aos requisitos normativos pertinentes a equipamentos eletromédicos [4].
Para garantir a isolação entre primário e secundário da fonte, esta foi projetada com
topologia fly-back e realimentação através de um opto-acoplador.
Um filtro de entrada foi utilizado para evitar que ruídos fossem conduzidos para a rede
elétrica devido ao chaveamento da fonte.
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A fabricante do circuito integrado TNY280, Power Integrations, disponibiliza em seu site
um ambiente de desenvolvimento para fontes chaveadas, P.I.Expert (Figura 3). Este software faz o
projeto completo da fonte, incluindo filtros de saída, circuito de realimentação, circuito clamp
(snubber), filtro de entrada e projeto detalhado do transformador (Figura 4).
A Figura 5 mostra um protótipo da fonte chaveada desenvolvida com o auxílio do software
P.I. Expert.
Figura 3. Ambiente de desenvolvimento da fonte chaveada. P.I. Expert.
14
Figura 4. Ambiente de desenvolvimento do transformador. P.I. Transformer Designer.
Figura 5. Foto da fonte chaveada desenvolvida.
15
Para a alimentação dos circuitos alimentados com 5V, foi utilizado um regulador de tensão
de 5 volts, 7805. A capacidade de fornecimento de corrente deste regulador é de 1A, como o
circuito alimentado com 5 V consome 200mA, este regulador atendeu as necessidades.
4.2. MICROCONTROLADOR
A escolha do microcontrolador utilizado no projeto levou em consideração características
como custo, velocidade, robustez e tempo de desenvolvimento. Foi então escolhido o
microcontrolador PIC18F6410, fabricado pela Microchip.
Uma característica importante dos microcontroladores da linha PIC é a estrutura dos
barramentos, conhecida como arquitetura de Harvard (Figura 6). O PIC possui dois barramento de
endereço e dois barramentos de dados, todos independentes. Enquanto um dos barramentos é
utilizado para leitura das instruções do programa, o outro é utilizado para a leitura e gravação dos
dados, garantindo maior velocidade de processamento [5].
Figura 6. Arquitetura de Harvard. Fonte: www.microchip.com, (2008).
A gravação do software no microcontrolador é realizada in-circuit, ou seja, na própria placa
do equipamento, através do gravador/emulador ICD2br (Figura 7). Este também é utilizado durante
os testes de funcionamento das rotinas, pois permite o debug do software comando a comando.
16
Figura 7. Gravador ICD2br utilizado.
4.2.1. Software desenvolvido
Para o desenvolvimento do software foram desenvolvidas rotinas em linguagem C, com o
auxílio do ambiente de desenvolvimento MPLAB v8.0 da Microchip (Figura 9) e do compilador
MCC18 também da Microchip.
Todas as portas do microcontrolador foram utilizadas como I/O digital, exceto as destinadas
a comunicação SPI, que foram utilizadas para realizar a comunicação com os EPOTS.
Durante o desenvolvimento do software requisitos normativos também são levados em
consideração, como por exemplo, ao iniciar o tratamento deve-se garantir que as saídas estejam com
intensidade zero e o incremento de intensidade durante a aplicação não pode exceder 1mA.
17
Figura 8. Fluxograma do Software Desenvolvido.
Figura 9. Ambiente de Desenvolvimento MPLAB v8.0.
18
4.3. GERAÇÃO DO SINAL
Conforme características da corrente de saída do equipamento, o sinal de saída deve ser
senoidal, com freqüências de portadora selecionáveis de 2KHz, 4KHz ou 8KHz. Entre os canais de
saída deve existir uma pequena diferença destas freqüências, que pode variar de 1 a 200Hz, com
incrementos de 1 em 1Hz.
O microcontrolador utilizado possui apenas saídas digitais, não podendo gerar este sinal.
Tornou-se então necessária a utilização de um circuito auxiliar para gerar o sinal senoidal com as
freqüências citadas.
Após algumas pesquisas foi encontrado o circuito integrado AD9833 fabricado pela Analog
Device. Trata-se de um oscilador numericamente controlado. Para o funcionamento deste
componente, é necessário uma alimentação de 5 V, um clock externo e comunicação com o
microcontrolador. A vantagem deste componente em relação a outros é que uma vez enviadas as
informações sobre o tipo de sinal e a freqüência, esses dados ficam gravados e permanecem
inalterados até que sejam trocadas as informações, esta característica possibilita que o
microcontrolador seja liberado para executar outras tarefas [6]. Um diagrama em blocos do
componente é mostrado na Figura 10.
19
Figura 10. Diagrama em blocos do circuito integrado AD9833. Fonte: www.analog.com, (2008)
4.3.1. Implementação do AD9833
Foram utilizados dois circuitos integrados AD9833, um para cada canal. O AD9833 do canal
1 permanece fixo com a freqüência selecionada para a portadora, enquanto o AD9833 do canal 2
gera a freqüência da portadora somada com a freqüência selecionada para AMF. Quando
selecionada a função SWEEP no equipamento, a freqüência é somada e subtraída também no canal
2.
O clock utilizado para a referência de funcionamento do componente é o mesmo utilizado
para o funcionamento do microcontrolador, gerado por um oscilador a cristal de 20MHz ligado nos
terminais do microcontrolador.
A impedância de saída do conversor é de 200Ω e a amplitude do sinal gerado quando
senoidal é de 600mVpp. Foi necessário então em sua saída um amplificador operacional com
20
configuração não-inversora, para dar um ganho de tensão no sinal, que deve chegar ao EPOT com
aproximadamente 5Vpp.
O ganho de tensão da configuração não-inversora é dado por:
Equação 1
4.3.2. Controle do AD9833
Para a escolha do tipo de sinal e freqüência são enviados 32 bits de controle, como o
microcontrolador possui arquitetura de 8 bits, é necessário enviar 8 de cada vez. Uma rotina foi
desenvolvida para o envio destes dados.
Devido à função SWEEP do equipamento, incrementar e decrementar a freqüência do canal
2, a rotina de escrita de freqüência deve ser executada constantemente. Para evitar erros na
freqüência de saída do equipamento, esta rotina é chamada em dois momentos:
• Dentro da execução do loop principal do programa, garantindo a execução da escrita durante
o tratamento.
• Utilizada como delay do teclado, garantindo a freqüência de saída exata mesmo quando o
usuário está variando a intensidade de saída.
4.4. TECLADO
O teclado do equipamento é utilizado para a seleção de todos os parâmetros ajustáveis, é
constituído de micro-chaves tácteis localizadas no painel frontal do equipamento.
21
As micro-chaves estão ligadas diretamente nas portas de entrada do microcontrolador, existe
uma rotina na programação do microcontrolador que fica realizando a leitura dessas portas,
verificando mudança de estado.
As teclas set+, set-, next e back são utilizadas para selecionar e alterar os parâmetros, a tecla
start/stop inicia ou termina um tratamento, a tecla program é utilizada para selecionar os protocolos
de tratamento pré-configurados e as teclas up e down incrementam e decrementam,
respectivamente, a intensidade de corrente de saída do equipamento.
4.5. DISPLAY DE LCD
O display utilizado no equipamento é do tipo cristal líquido, 16 caracteres, 2 linhas e
iluminação de fundo azul.
O display mostra o modo de aplicação do equipamento, e todos os outros parâmetros como
freqüência de operação, freqüência de modulação, freqüência de varredura, timer, intensidade de
saída e tipo de modulação.
4.6. EPOT
O EPOT utilizado no projeto foi o MCP42010, fabricado pela Microchip. Este componente é
um potenciômetro digital duplo de 10KΩ. Foram utilizados dois EPOTS no projeto, um para cada
canal, um EPOT controla a intensidade de saída e outro realiza as rampas, quando selecionadas.
Foi utilizada a saída de comunicação SPI disponível no microcontrolador utilizado para o
envio de informações ao EPOT.
Devido às impedâncias de entrada dos potenciômetros do componente, foi necessária a
utilização de amplificadores operacionais configurados como seguidor de tensão em suas saídas,
22
conforme mostrado na Figura 11. Isto evitou uma depressão na curva de resposta do sinal de saída,
tornando-a linear.
Figura 11. Detalhe de ligação do EPOT.
4.7. AMPLIFICADOR DE SAÍDA
O circuito de saída do eletroestimulador de correntes interferênciais deve ser capaz de
responder a uma faixa de freqüência que varia de 2 a 8KHz, deve ser do tipo corrente constante e
deve possuir uma isolação entre circuito e conexão ao paciente de 4KVac.
Para o amplificador de saída foi escolhido o circuito integrado TDA2003, fabricado pela
National. Trata-se de um amplificador de áudio com impedância de entrada de 1600Ω, impedância
de saída de 2 a 8Ω, alimentação de 12V e potência de saída máxima de 12W. Possui ótima curva de
resposta para as freqüências do equipamento e possui ainda uma entrada negativa que permite o
circuito de realimentação para a corrente constante [7].
Para isolar o circuito foi utilizado um transformador de saída, o núcleo do transformador é
de chapa NGO para responder à faixa de freqüências. Como a saída do equipamento deve fornecer
120 mApp medidos em uma carga de 1KΩ, são necessários 120Vpp na saída, devido ao
23
amplificador de saída ser alimentado com 12V a relação de espiras do transformador é de 1X10. A
Figura 12 mostra uma representação esquemática do circuito de saída do equipamento.
A impedância de entrada do circuito de saída é dada por:
Equação 2
Figura 12. Representação esquemática do circuito de saída.
4.8. PLACA DO EQUIPAMENTO
O layout da placa do equipamento foi desenvolvido com o auxílio do software P-CAD
(Figura 13). Todos os circuitos do equipamento, exceto a fonte chaveada, estão nesta placa.
Primeiramente foram posicionadas as micro-chaves do teclado e os conectores de saída,
alimentação e display, levando em consideração as dimensões do gabinete onde foi montado o
equipamento.
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Como alguns componentes da placa são do tipo SMD, não foi possível a montagem do
circuito em uma protoboard, sendo necessário o desenvolvimento de um protótipo para comprovar o
funcionamento do circuito desenvolvido (Figura 14).
Figura 13. Desenvolvimento da placa no software P-CAD.
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Figura 14. Placa do equipamento montada.
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5. RESULTADOS OBTIDOS
Os primeiros ensaios de funcionamento do equipamento foram realizados nos laboratórios
da empresa IBRAMED, foram efetuados testes de segurança elétrica, ensaios de rigidez dielétrica,
ensaio de compatibilidade eletromagnética, ensaio de precisão dos parâmetros mostrados e
verificação das características de montagem. Uma vez comprovado o funcionamento correto de
todos os ensaios, laboratórios credenciados pelo INMETRO foram contratados para emitir os
relatórios de funcionamento do produto.
O laboratório contratado para realizar os ensaios de segurança elétrica, compatibilidade
eletromagnética e suscetibilidade eletromagnética foi o NMI BRASIL. O equipamento passou por
todos os requisitos normativos sem registros de não-conformidades.
O laboratório contratado para realizar os ensaios de precisão dos parâmetros mostrados,
segurança elétrica e rigidez dielétrica foi o IPT. O equipamento passou por todos os requisitos
normativos sem registros de não-conformidades.
O protótipo do equipamento passou ainda por uma avaliação clínica, ficou em testes por 90
dias com o fisioterapeuta e professor da USF – campus Bragança Paulista MSc Rafael Davini.
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6. IMAGENS DO EQUIPAMENTO
Figura 15. Sinal senoidal gerado pelo equipamento.
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Figura 16. Sinal modulado gerado pelo equipamento.
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Figura 17. Foto do protótipo final do equipamento.
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7. TRABALHOS FUTUROS
Com a finalidade de complementar os temas abordados nesta dissertação, sugere-se a
implementação dos seguintes trabalhos:
• Utilização de um display gráfico com touch-screen para a interface com o usuário.
• Disponibilização de mais canais no equipamento proporcionando outros tipos de tratamento.
• Implementação de comunicação com PC para criar um banco de dados dos pacientes,
criando a possibilidade de personalizar os protocolos por indivíduo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] G.P. Braz, “Sistema de eletroestimulação informatizado para o tratamento da dor e para a
reabilitação neuromuscular”, Dissertação de mestrado em engenharia elétrica, Florianópolis (SC), pp. 1-29, Setembro 2003.
[2] J. Low, A. Reed, Electrotherapy explained – principles and practice, Butterworth-Heinemann medical, 2ª ed., EUA, 1995.
[3]JARIT G.J., MOHR K.J., WALLER R., GLOUSMAN R.E., The effects of home interferential
therapy on post-operative pain, edema, and range of motion of the knee. Clinical Journal of Sport Medicine, 2003.
[4]Power Integrations, http://www.powerint.com/PDFFiles/tny274-280.pdf, acesso realizado em janeiro de 2008.
[5]Microchip,http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1335&dDocName=en019711, acesso realizado em janeiro de 2008.
[6]Analog Devices, http://www.analog.com/en/prod/0%2C2877%2CAD9833%2C00.html, acesso realizado em janeiro de 2008.
[7]National, http://www.national.com/mpf/LM/LM324.html, acesso realizado em fevereiro de 2008.
[8]Thornton, http://www.thornton.com.br/produtos/nee.htm, acesso realizado em janeiro de 2008.
GLOSSÁRIO
Eletromédico Equipamento elétrico destinado a diagnóstico, tratamento ou monitoração de paciente, sob supervisão médica.
Eletroestimulador Equipamento elétrico destinado a estimulação elétrica. Eletroterapia Esta técnica consiste na aplicação de pulsos elétricos sobre a pele (através
de eletrodos) para estimulação de músculos, nervos periféricos e demais tecidos.
Correntes interferenciais Sinal de média freqüência, entre 1 e 10KHz, modulado em baixas
freqüências, na faixa de 0,5 a 250Hz. Modulação da dor Procedimento terapêutico no qual o uso de uma estimulação elétrica
proporciona alívio imediato da dor.
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APÊNDICE A – FICHA TÉCNICA DO EQUIPAMENTO
Nome do equipamento Neurovector.
Parte aplicada tipo BF de segurança e proteção
Classe de operação equipamento classe II
Canais de saída 2 canais
Faixa de amplitude 120mApp por canal
Modo de interferência bipolar ou tetrapolar
Freqüência da portadora 2.000 Hz, 4.000 Hz ou 8.000 Hz
Forma do pulso senoidal bifásico simétrico
Faixa de freqüência de tratamento AMF variável de 1 a 100Hz
Faixa da freqüência de varredura variável de 1 a 100Hz
On time (modo surge) 1 a 60 segundos
Off time (modo surge) 1 a 60 segundos
Rise (modo surge) 1 A 9 segundos
Decay (modo surge) 1 a 9 segundos
Alimentação full range 100 a 240VAC – 50 a 60Hz
Potência máxima de entrada 40 VA
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ANEXO I – ESQUEMA ELÉTRICO DO EQUIPAMENTO
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