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Universidade Federal da Paraíba Centro de Ciências Exatas e da Natureza
Departamento de Informática
Uso do SunSPOT na Captação de
Eletromiograma
Eduardo Freire Santana José Rogério B. Barbosa Filho
Leonardo V. Batista Luis Carlos Carvalho
Maio de 2009
Resumo
Biotelemetria é a medida de parâmetros fisiológicos de forma remota, que visa
facilitar a captura de sinais biológicos. O SunSPOT, recente tecnologia desenvolvida pela
Sun Microsystems®, é um pequeno dispositivo dotado de sensores, entradas digitais e
analógicas, conversor analógico-digital (A/D) e capacidade de comunicação sem fio. Esse
trabalho objetiva a construção de um sistema de biotelemetria para a captação do
eletromiograma (EMG) usando o SunSPOT. A captura do sinal é comandada por software e
o sinal coletado é armazenado na memória interna do SunSPOT. Em seguida o sinal digital,
é enviado por rádio- frequência até outro SunSPOT, ligado à base computacional para
exibição e análise off-line.
Sumário
Resumo...................................................................................................................................................................... 2
Sumário ..................................................................................................................................................................... 3
1. Introdução .......................................................................................................................................................... 4
2. Materiais e Métodos ........................................................................................................................................ 6
2.1. Amplificador de EMG ............................................................................................................................. 6
2.2. SunSPOT ...................................................................................................................................................... 7
2.3. Software de captura do SunSPOT ..................................................................................................... 8
2.4. Software da base computacional ...................................................................................................... 9
3. Resultados ......................................................................................................................................................... 10
4. Discussões e Conclusões ............................................................................................................................. 12
5. Referências ....................................................................................................................................................... 13
1. Introdução
Apesar da existência de muitos métodos de comunicação para sistemas de
biotelemetria, o mais utilizado atualmente é a comunicação via rádio-frequência
utilizando tecnologia digital. Dentre as vantagens obtidas em relação à transmissão
analógica pode-se citar maior relação sinal-ruído, menor consumo de energia e maior
facilidade na adoção de estratégias para redução de interferência [2]. A utilização da
comunicação via rádio frequência também permite um monitoramento mais eficiente de
sinais para aplicações médicas, nas ciências desportivas ou em experimentos com animais
que exigem algum movimento ou locomoção, devido à ausência de fios que limitariam
esses movimentos.
Eletromiograma é o sinal bioelétrico resultante dos potenciais elétricos
musculares que precedem a contração muscular, tendo diversas aplicações na área
médica, em fisioterapia, ciências desportivas, biomecânica etc. O Eletromiograma
superficial tem sido cada vez mais utilizado nestas áreas como uma forma não invasiva e
barata de avaliar diversos aspectos da contração muscular. Em algumas aplicações como
nos desportos ou avaliação da função muscular em postos de trabalho, captar o sinal sem
longos fios conectados a amplificadores pode ser de grande vantagem por deixar o
indivíduo mais livre para fazer os seus movimentos.
O SunSPOT é um pequeno dispositivo que possui processador, memória, entradas
analógicas/digitais e um conversor A/D. Também possui um rádio transmissor que
possibilita a comunicação sem fio entre outros SunSPOTs de forma simples e abstraída ao
desenvolvedor. Por utilizar a linguagem de programação Java®, as aplicações construídas
para o uso de SunSPOTs são multiplataforma, podendo ser executadas nos sistemas
proprietários da Microsoft® bem como em distribuições do Linux/Unix.
Algumas propostas de utilização do SunSPOT em sistemas de telemetria foram
apresentadas em trabalhos. Em [3] foi sugerida uma arquitetura para monitoramento do
movimento humano onde o SunSPOT seria uma opção comercial favorável devido a
presença de um acelerômetro nativo ao dispositivo.
Em [4] uma arquitetura para ambientes AAL (Ambient Assisted-Living) usando o
SunSPOT foi proposta por fornecer uma rede de sensores sem-fio bem como um poder
maior de computação em cada nó da rede, o que permite a transmissão de informação já
processada.
Apesar de seu objetivo original não contemplar aplicações médicas, é interessante
investigar a possibilidade do uso do SunSPOT na construção de sistemas de biotelemetria
mais robustos, como a captação do eletromiograma, devido as facilidades que ele oferece
tais como a presença de um conversor A/D, comunicação via rádio-frequência e seu
tamanho reduzido.
Esse trabalho objetiva a construção de um sistema para captação do
eletromiograma utilizando o SunSPOT que, acoplado a um amplificador de reduzidas
dimensões e operado a bateria, oferecerá uma interessante alternativa para aplicações que
necessitem de uma maior mobilidade no indivíduo avaliado. O sistema oferece uma
interface gráfica para exibição do sinal obtido no domínio do tempo e no domínio da
frequência, cálculo da média do valor absoluto e valor RMS. Conta também com filtros
digitais a exemplo de um filtro notch de 60 Hz.
2. Materiais e Métodos
O sistema é composto por uma unidade remota e uma base computacional. A unidade
remota é formada por um dispositivo SunSPOT que, acoplado a um amplificador para
eletromiograma, envia os dados obtidos para a base computacional.
A base computacional é formada por outro SunSPOT chamado de basestation acoplado a
um computador, executando o software do sistema que permite dar início e encerrar a
captura dos sinais. Os SunSPOTs basestation são assim chamados por não possuírem
entradas analógicas/digitais, sensores ou conversor A/D, servindo apenas como ponte de
comunicação entre um computador e outros SunSPOTS.
Figura 1. Esquema do sistema proposto.
2.1. Amplificador de EMG
O amplificador para EMG, miniaturizado, operado a bateria (+ 3 V) é baseado na
configuração de amplificador de instrumentação usando, na entrada, o amplificador de
instrumentação INA121 (Texas Instruments). A rejeição de modo comum do amplificador
é > 110 dB, impedância de entrada de 10 MΩ, faixa de passagem de 10 a 480 Hz, com
ganho fixado em 350. Como o conversor A/D do SunSPOT trabalha com alimentação de 0 a
3 volts, foi necessário introduzir um offset de 1,5 volts que corresponderá a zero volts,
visto que o EMG é um sinal bipolar. O sinal é captado por eletrodos de Ag/AgCl em
configuração diferencial (eletrodos bipolares). O esquema elétrico do amplificador é
mostrado na figura 1.
Figura 2. Esquema elétrico do amplificador de EMG utilizado no sistema.
2.2. SunSPOT
O SunSPOT é um dispositivo móvel programável criado pela Sun Microsystems® cujo
intuito é simplificar a comunicação sem fio e prover ao desenvolvedor a possibilidade de
programação em alto nível, incluindo configuração de hardware [5].
Para o desenvolvimento de aplicações utiliza-se a linguagem multiplataforma e
orientada a objetos Java®. Dominada a linguagem Java®, a programação no SunSPOT
torna-se fácil o que é favorecido pela popularidade dessa tecnologia [5].
Para interpretação do código é utilizada a máquina virtual Squawk [6], quase
inteiramente escrita em Java® por motivos de portabilidade, depuração e manutenção.
Essa máquina virtual é projetada para pequenos dispositivos, com limitações de recursos
[7].
O SunSPOT possui um processador ARM com frequência máxima de 180 MHz, 4 MBytes
de memória flash, 512 Kbytes de memória pSRAM e bateria própria, provendo autonomia
+
INA121
4
7
-V
+V
1
6
8
0,47 µF
3
2
+V= + 3 volts
-V= - 3 volts
+saída
220 k
3
2
6
1,5 nF
Ω10 M
TL071
Ω2,7 k
Ω
Ω13 k
7
+V
4
-V
Ω10 M
-V
Ω100 k
33 kΩ1
5entr
ao dispositivo. Além disso, o SunSPOT possui acelerômetro nos três eixos, sensor de
luminosidade, sensor de temperatura, entradas analógicas e digitais. O sinal obtido pelas
entradas analógicas é transformado em sinal digital pelo conversor A/D ADT7411,
também presente no SunSPOT, que possui resolução de 10 bits e trabalha na faixa
dinâmica de 0 a 3 volts.
Para transmissão de dados o SunSPOT utiliza o rádio transmissor CC2420, que opera
numa frequência de 2.4 GHz até 2.4835 GHz. Voltado para dispositivos de baixa voltagem,
o CC2420 implementa o protocolo ZigBee.
Figura 3. SunSPOT.
2.3. Software de captura do SunSPOT
A captura das amostras é feita através de uma entrada analógica do dispositivo e os
dados transformados em formato digital através do conversor A/D do próprio SunSPOT. O
conversor tem resolução de 10 bits e trabalha na faixa dinâmica de 0 a 3 volts.
A aplicação que reside no SunSPOT espera por um sinal vindo da basestation para
iniciar a captura das amostras. Enquanto espera esse sinal, o SunSPOT terá um de seus leds
aceso na cor vermelha. Durante o processo de captura e envio, este led mudará sua cor
para verde. A utilização dos leds em diferentes cores é uma maneira de informar ao
usuário o estado em que se encontra o dispositivo.
As amostras são armazenadas na memória interna do SunSPOT até que seja solicitado o
im da captura. Para este armazenamento, foi empregada uma fila onde cada elemento é
um array contendo 100 bytes (800 bits). Como as amostras coletadas possuem 10 bits
cada, é possível armazenar 80 amostras em cada pacote, evitando fragmentação interna
dos bytes e, por conseqüência, utilizando os 800 bits disponíveis para informação útil.
Recebido da basestation o sinal para envio das amostras, os pacotes são todos enviados
até que a fila fique vazia. O SunSPOT então volta a exibir luz vermelha, indicando que está
à espera de novo sinal da basestaion para dar início a uma nova sessão de captura.
O fato de as mostras serem enviadas em conjuntos de 80 e a utilização efetiva de cada
bit dos pacotes, sem desperdício de espaço por fragmentação interna, fazem com que o
atraso para envio dos dados seja bastante reduzido e a informação seja exibida de forma
gráfica quase instantaneamente.
2.4. Software da base computacional
O software permite a exibição do sinal obtido no domínio do tempo e no domínio da
freqüência (espectro de freqüência). Para a exibição gráfica do sinal foi utilizada a
biblioteca JFreeChart versão 1.0.12 [8]. Utilizou-se a biblioteca FFTW [9] para calcular a
transformada cosseno discreta do sinal. Os dados obtidos são armazenados em uma fila e
exibidos no gráfico através de uma estratégia produtor-consumidor.
Também são oferecidas opções de processamento no sinal tais como filtro rejeita-faixa
de 60 Hz (notch), obtenção do valor RMS, média do valor absoluto do sinal.
Permite-se o armazenamento em disco de um sinal assim como sua posterior abertura
para visualização e processamento off-line.
3. Resultados
Os sinais obtidos mostraram-se bastante satisfatórios. O sinal está livre da interferência
de 60 Hz da rede elétrica devido a quantidade e, principalmente, do tamanho reduzido dos
fios conectados entre os eletrodos e o amplificador.
A figura 2 mostra o EMG obtido com os dois eletrodos ativos superficiais colocados no
ventre do bíceps do membro superior direito e o eletrodo de referência colocado sobre
uma área óssea, no caso o côndilo medial.
Figura 4. Trecho do EMG obtido do bíceps com uma fase de repouso, um período de
contração seguido de outra fase de repouso.
Figura 5. Sinal no domínio da freqüência.
4. Discussões e Conclusões
O SunSPOT mostrou-se uma interessante tecnologia na construção de sistemas de
biotelemetria com captura do sinal eletromiográfico a uma freqüência de amostragem de
até 1k Hz. Entre as vantagens que o SunSPOT apresenta está seu tamanho reduzido,
transmissão digital, autonomia e alto nível de abstração da linguagem Java®. Não foi
possível obter a captura do sinal em tempo real com freqüência de amostragem acima de
140 Hz. Observou-se que enquanto o sinal está sendo enviado para a base computacional
houve uma descontinuidade na coleta de amostras.
O trabalho pode ser estendido para qualquer sinal cuja freqüência de amostragem
necessária não ultrapasse 1kHz, o que contempla uma vasta gama de sinais biológicos e
sinais em outras áreas de aplicação.
Trabalhos futuros estão sendo desenvolvidos no intuito de conseguir uma captura em
tempo real com uma freqüência de amostragem de 250 Hz, o que nos parece viável pelos
experimentos que temos realizado. Obtida essa freqüência de amostragem, as aplicações
do sistema podem ser estendidas para outros sinais, como pressão arterial,
eletrocardiograma, etc., abrindo um grande leque de aplicações em tempo real como
monitoração deste sinal para detecção de arritmias (Holter ECG), determinação da
freqüência cardíaca em atletas e muitas outras aplicações.
Outra linha de evolução do atual trabalho encontra-se na exploração do poder
computacional dos SunSPOTs em fornecer serviços mais robustos a rede de sensores,
transmitindo informações já processadas ao invés de dados brutos, como foi sugerido em
[4].
5. Referências
[1] GÜLER, N. F.; ÜBEYLI E. D.; “Theory and Applications of Biotelemetry”, Journal of
Medical Systems. Vol 26, 2002.
[2] MARTINCOSKI, D. H.; “Sistema para Telemetria de Eletrocardiograma Utilizando
Tecnologia Bluetooth” [dissertation], Florianópolis (Br): Universidade Federal de Santa
Catarina, 2003.
[3] RODRIGUEZ SILVA, D. A. et al; “Human Motion Tracking and Gait Analysis: a Brief
Review of Current Sensing systems and Integration with Intelligent Environments”, 2008.
[4] ANDRÉU, J.; HOLGADO, J. A.; “Wireless Sensor Networks applied to Ambient Assisted-
Living Environments”, 2008.
[5] SUN MICROSYSTEMS; “Sun SPOT System: Turning Vision into Reality”, 2005.
[6] SUN MICROSYSTEMS; “Sun™ Small Programmable Object Technology (Sun SPOT)
Theory of Operation”, 2008.
[7] The Squawk Virtual Machine; http://research.sun.com/projects/squawk, acessado em
11 de Março de 2009.
[8] JFreeChart; www.jfreechart.org, acessado em 11 de Março de 2009.
[9] Fast Fourrier Transform in the West (FFTW); www.fftw.org, acessado em 12 de Março
de 2009.
