Desenvolvimento de um Protótipo para Aquisição de Ondas Cerebrais com Interface Ethernet e USB

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Desenvolvimento de um Protótipo para Aquisição de Ondas

Cerebrais com Interface Ethernet e USB

Marcos Aurélio Pinto Cunha1, Paulo César Cortez2, Otoni Cardoso Vale3, Luiz Alves de Lima Neto1,

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Instituto Atlântico 2Departamento de Engenharia de Teleinformática (DETI), Universidade Federal do

Ceará, Brasil (UFC) 3 Departamento de Medicina Clínica, UFC

Resumo – O eletroencefalograma (EEG) é amplamente utilizado para investigar clinicamente

distúrbios cerebrais. Este trabalho consiste no desenvolvimento de um protótipo capaz de adquirir ondas cerebrais a partir do escalpo e transmiti-las para um PC utilizando interface USB. Além disso, o protótipo dispõe de interface ethernet, o que possibilitará uma conexão com outros dispositivos em uma rede local ou através da internet. Nesse sentido, este artigo aborda os aspectos práticos do desenvolvimento desse protótipo, bem como, os estágios necessários para a aquisição e transmissão do sinal. Para isso, a especificação do Analog Front End, conversor analógico digital, processador, interfaces USB e ethernet e fontes são tratadas levando-se em consideração o tipo de aplicação. O ganho total proporcionado pelo Analog Front End é ajustável e pode variar de 60 dB até 86 dB. Para aplicar estes ganhos, foram utilizados o amplificador de instrumentação INA326 e o amplificador operacional OPA2335, ambos possuem alimentação simples. O microcontrolador utilizado possui dois núcleos de processamento e também conversor analógico digital e UART integrados. A interface UART é utilizada para realizar a comunicação com o PC através de um conversor USB/Serial integrado ao protótipo. A comunicação ethernet é realizada utilizando-se um controlador ethernet que possui MAC e PHY integrados.

Palavras-chave: Instrumentação Biomédica, Eletroencefalografia, Epilepsia, Ethernet e USB

Abstract – The electroencephalogram (EEG) is widely used clinically to investigate brain disorders.

This work consists of development of a prototype able to get the brain waves from the scalp and transmit them to a PC through USB interface. Besides that, the prototype have Ethernet interface that provides equipment connectivity with either local network or internet. In this way, this paper deals with practical aspects of this prototype design. The specification of Analog Front End, analog digital converter, processor, USB and Ethernet interfaces, and sources are treated taking into account the type of application. The total gain provided by the Analog Front En is adjustable and can vary from 60 dB to 86 dB. To apply these gains, we used the instrumentation amplifier INA326 and the operational amplifier OPA2335, both are single supply. The microcontroller used have two processing cores, the analog to digital converted and UART are integrated. The UART interface is connected with onboard USB/UART transceiver to provide communication with PC. The Ethernet communication is provided by an Ethernet controller with MAC and PHY integrated.

Keywords: Biomedical Instrumentation, Electroencephalography, Epilepsy, Ethernet and USB.

Introdução

Atualmente, com a modernização da infra-estrutura dos hospitais, os equipamentos de aquisição de sinais biomédicos necessitam de interfaces capazes de prover comunicação integração com outros equipamentos. Com isso, a necessidade de inclusão de recursos de telecomunicações, como por exemplo, o acesso à rede de dados, é de grande valia,

notadamente para seu uso clínico, pesquisa e de ensino.

Além disso, novos problemas começam a surgir com o envelhecimento da população, resultante do aumento da expectativa de vida. Hoje existem 600 milhões de pessoas acima de 60 anos. Esse número deve dobrar em 2025 e alcançará 2000 milhões em 2050 (1). Com isso, equipamentos médicos que permitam o acesso remoto às informações através de redes de telecomunicações, devem se tornar uma

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realidade em curto prazo. Isto evita a necessidade do paciente se deslocar até uma unidade hospitalar, bem como na redução de custo de atendimento.

Neste contexto, algumas propostas analisadas contemplam a utilização de sistemas em tempo real para monitoração de paciente e integração com uma rede hospitalar (2). Outra proposta sugere a utilização de interfaces sem fio (3).

No entanto, a maioria dos sistemas comerciais de aquisição de sinais cerebrais não permite o acesso completo às ondas, ou seja, seu uso é proprietário, não as disponibilizado para a comunidade, em geral, apenas possível a

visualização. Assim, equipamentos que

disponibilizam seus dados possuem seu preço elevado, em relação aos equipamentos que não têm este requisito. Isto pode impossibilitar uma análise clínica mais precisa, bem como no monitoramento efetivo de doenças que podem ser diagnosticadas a partir de ondas cerebrais obtidas de pacientes e de pesquisas nesta área. Além disso, informações disponibilizadas em bases de dados por outros centros de

pesquisa podem ser insuficientes ou

incompletas para a uma determinada análise. Com base na discussão descrita anteriormente, este trabalho consiste no desenvolvimento de um protótipo capaz de adquirir ondas cerebrais a partir do escalpo e transmiti-las para um PC utilizando as interfaces ethernet e USB.

O restante deste trabalho está organizado nas

seguintes seções: Materiais e Métodos,

Resultados e Discussões e Conclusões e Contribuições.

Métodos

Este trabalho consiste no desenvolvimento de um protótipo capaz de capturar os sinais cerebrais oriundos do escalpo e enviar estes sinais para um computador pessoal (PC) através da interface USB ou Ethernet. A utilização da interface Ethernet também pode ser utilizada para enviar os dados obtidos a locais remotos, tais como universidades e hospitais de referência.

Essa arquitetura pode ser utilizada em hospitais inteligentes, onde há interação e

integração ente equipamentos. A

disponibilização desses exames em tempo-real à médicos em um local distânte do paciente para análise do especialista é uma das aplicações possíveis. Também pode-se formar

uma base de dados local com a aquisição do sinal em condições específicas.

A arquitetura posposta em um cenário onde há a interligação entre Universidade, Hospital de referência e o protótipo pode ser visto na Figura 1.

Figura 1 : ambiente macro de aplicação do sistema proposto.

O protótipo de hardware sugerido é composto por três grandes blocos: o Analog Front End (AFE), que faz interface com o Analog/Digital Converter (ADC). O segundo bloco é o ADC, que possui interface com o AFE e o microcontrolador. O terceiro bloco é o microcontrolador, responsável pelo envio das informações ao PC através da interface USB. Além disso, possui a interface ethernet, possibilitando a comunicação com redes locais e a internet.

Os sistemas comercialmente disponíveis, em sua maioria, são divididos em três grandes blocos.

O primeiro bloco é o AFE, responsável pela amplificação e condicionamento de ondas cerebrais. Esse é composto por eletrodos, amplificadores e filtros.

O segundo bloco é módulo microprocessado. Esse é responsável pela realização da conversão analógica/digital e transmissão dos dados digitalizados para o PC.

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Um computador pessoal (PC) compõe o terceiro bloco. Neste é realizada a recepção dos dados e o processamento do sinal adquirido. A exibição do sinal adquirido também pode ser realizada por esse bloco. A arquitetura típica de um sistema comercial pode ser vista na Figura 2. Nesta Figura, os blocos AFE e módulo microprocessado são representados pelo protótipo.

O contato elétrico entre a entrada dos terminais de um equipamento de EEG e o tecido, onde sinal é extraído, é feita através de eletrodos (4). Além disso, é utilizado um gel entre o metal e a pele para estabelecer e manter o contato elétrico (5).

Figura 2: arquitetura típica de um EEG.

Na prática, a diferença de potencial DC entre os eletrodos pode chegar a ±500mV que pode

saturar os amplificadores operacionais,

impossibilitando a amplificação do sinal AC de interesse. Logo, o estágio de amplificação deve possuir apenas acoplamento AC, rejeitando as componentes DC do sinal (6).

A partir do sinal obtido através do eletrodo,

faz-se necessário sua amplificação. Essa

amplificação transforma este sinal da ordem de poucos microvolts, em um sinal da ordem de

poucos volts, tornando possível sua

digitalização (7).

Em geral, a amplificação é composta por dois estágios. O primeiro estágio garante um ganho pequeno, em torno de 20 vezes (7). Antes da entrada no segundo estágio, insere-se um circuito amplificador integrador responsável por remover a tensão residual DC gerada pelos eletrodos para não saturar os amplificadores

operacionais do estágio seguinte. O ganho total do estágio de amplificação de um EEG é da ordem de 10.000 a 20.000, obtendo-se na saída deste estágio, um sinal da ordem de poucos volts (7). Devido à presença do integrador, responsável pelo bloqueio DC, entre

os dois estágios de amplificação, a

amplificação possui a característica de filtro passa-altas (7).

O primeiro estágio é composto pelo

amplificador de instrumentação, utilizado para amplificar a diferença de potencial entre os pares de eletrodos. A principal característica deste tipo de amplificador é a rejeição em modo comum do sinal e para quantificá-la utiliza-se a definição da Commom Mode Rejection Ratio (CMRR).

Embora nenhum amplificador de

instrumentação real rejeita completamente a tensão em modo comum, em equipamentos de

aquisição de biopotenciais, o valor do CMMR

dever ser maior que 80 dB, tornando a tensão em modo comum muito pequena. Além disso, o amplificador deve possuir alta impedância de entrada, devendo ser superior a 10MΩ (7). Outros parâmetros devem ser considerados na escolha de amplificadores operacionais para aplicações de instrumentação biomédica, tais como drift e offset.

O processo de condicionamento do sinal não é composto apenas de circuitos de amplificação, também são necessários filtros. Estes são

responsáveis por remover frequências

indesejáveis ao sistema, condicionando-se o sinal na faixa de frequência desejada.

A largura de banda de um sinal é definida pelo intervalo de frequência na qual a informação relevante do sinal está contida. Se o sinal do EEG passa por filtros em que a largura de banda é inferior à do sinal, então parte da informação é perdida. Por outro lado, os filtros que possuem largura de banda muito superior ao sinal, informação adicional sem relevância é preservada ao processo de obtenção do sinal (4).

A faixa de corte usada em EEG não é consenso entre os autores, Moore propõe de

0.5 a 70Hz (7), já Webster sugere que as

ondas de maior importância estão de 0.5 a 50Hz (5) e Ernst indica que as ondas cerebrais para pesquisas podem ser identificadas entre a frequência de 0.16 e 100Hz (4).

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Além disso, uma das maiores fontes de interferência na aquisição de sinais biomédicos, como o EEG, é a rede elétrica (8). Para realizar a remoção deste tipo de interferência, utiliza-se o filtro notch. Este filtro possui banda de

rejeição bastante acentuada em uma

frequência específica, neste caso em 60Hz, atenuando abruptamente qualquer contribuição desta frequência ao sinal.

Outra filtragem importante em um sistema de aquisição é o filtro passa-baixas antes da amostragem do sinal. Utiliza-se este filtro para evitar o processo de aliasing (sobreposição) do sinal, bem como para limitar sua banda.

O Analog Font End (AFE) é a interface responsável por amplificar e condicionar o sinal. A arquitetura típica do AFE para sinais biomédicos está representada na Figura 3. Esta arquitetura é composta pelos eletrodos, amplificadores de instrumentação, bloqueio dos níveis DC, amplificador adicional, filtro notch (rejeição da frequência de 60Hz) e filtro passa-baixas (anti-aliasing).

Figura 3: diagrama de blocos típico do AFE.

Os circuitos de amplificação e filtragem são compostos pelo amplificador de instrumentação e o integrador, cujo esquema elétrico pode ser visto na Figura 4. Neste caso, é utilizado um circuito integrado INA326, como amplificador de instrumentação, e um circuito integrado (CI) OPA2335, como integrador que é responsável pela remoção da componente DC, também observado na Figura 4.

A principal característica desse CI é a rejeição em modo comum elevada, CMRR é igual a 114 dB e uma impedância de entrada da ordem de 10 MΩ (9).

Figura 4: circuito de amplificação diferencial.

Essas características o tornam uma alternativa importante em aplicações de instrumentação biomédica.

Existe outro circuito de amplificação no AFE que possui ganho variável de 6 até 100 vezes (15,5dB a 40dB). Esse ganho é ajustado através de um resistor variável. Este circuito pode ser vista na Figura 5.

Figura 5: circuito de amplificação ajustável.

Após o estágio de amplificação, utiliza-se um filtro passa-baixas com o objetivo de evitar aliasaing e limitar a banda do sinal. A frequência de corte deste filtro é de 100 Hz. Além desta função, este amplificador é responsável por produzir no sinal um ganho de 10 vezes.

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A interferência causada pela rede elétrica no sistema é minimizada com filtro notch. Devido à característica lineares do filtro de corte notch, esse circuito mantém as propriedades do sinal nas outras faixas de frequência. Este filtro notch é implementado conforme está mostrado na Figura 6. Esse circuito possui ganho unitário.

Figura 6: filtro notch de 60Hz.

Neste trabalho, é utilizado o circuito integrado

OPA3225. Esse amplificador operacional

possui duas características importantes para aplicações em instrumentação biomédica: baixo drift e baixo offset de saída, cujos valores típicos são 0.05µV/°C e 1µV, respectivamente (10).

Além disso, o CI escolhido possui dois amplificadores operacionais em um único encapsulamento, diminuindo seu custo e contribuindo para a miniaturização da placa. Após a amplificação do sinal, este está condicionado para ser digitalizado. Neste

trabalho, utiliza-se um único conversor

analógico-digital. Para a conversão de múltiplos canais é realizada a multiplexação dos sinais e apenas um sinal é a amostrado por vez. O processador do protótipo possui um único módulo de conversão analógica-digital por aproximações sucessivas (11). Este módulo possui internamente o capacitor de sample and hold, não necessitando de circuito externo com este objetivo. O conversor pode ser utilizado com duas resoluções, em 8 e 10 bits (11). A frequência de amostragem utilizada neste trabalho obedece ao teorema de Nyquist, e é de 256 Hz para cada canal.

O microcontrolador HCS12, fabricado pela Freescale, utilizado possui dois conversores

analógico-digital capazes de realizar a

conversão de 24 canais analógicos. Além disso, esse microcontrolador possui duas unidades de processamento, uma unidade principal e um processador-auxiliar. Essas unidades têm papeis diferentes, a unidade principal é responsável pela aquisição das amostras e o co-processador é responsável pelo controle da comunicação com o PC. Depois de digitalizadas, as amostras são transmitidas ao PC via interface USB. É utilizado um transceiver UART/USB. Este dispositivo possui uma interface UART, que é conectada ao microcontrolador, e uma interface USB, que é conectada ao PC. Este dispositivo emula uma interface serial para os dois lados da comunicação.

As linhas de transmissão de dados entre o processador do protótipo e o transceiver (TX), que é ligado ao PC, são isoladas, devido à presença de terra e alimentação presentes na interface USB. Esta isolação é realizada utilizando-se os optoacopladores 6N139 nas linhas TX e RX, garantindo que o paciente fique desacoplado da rede elétrica.

O bloco ethernet é implementado utilizando-se um CI que possui um Medium Access Controller (MAC) e Physical Layer (PHY) internos e uma interface Serial Peripheral Interface (SPI). O diagrama de blocos da interface ligada ao microcontrolador pode ser vista na Figura 7.

A isolação entre o equipamento e o meio externo é feito através de transformadores integrados ao conector, provendo uma isolação de 1500 Vrms.

Figura 7: Diagrama de blocos da interface

Ethernet ligada ao microcontrolador.

Através desta interface e o desenvolvimento de protocolos de rede, é possível integrar o

equipamento proposto a qualquer rede

ethernet, inclusive até seu acesso remoto através da rede mundial de computadores.

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Os passos necessários para a construção de um dispositivo de aquisição de ondas cerebrais são discutidos neste artigo. Também são apresentados alguns problemas que podem ser encontrados no desenvolvimento desse tipo de equipamento.

A partir do protótipo desenvolvido, algumas aplicações podem ser realizadas, como a formação de uma base de dados local e aquisição de um formato de onda em

condições específicas. Além disso, um

equipamento com características de

disponibilização dos dados remotamente são adequados para uso em hospitais inteligentes, onde existe infraestrutura de rede disponível para os equipamentos. Além disso, a utilização deste equipamento em aplicações home care, onde há a necessidade de monitoramento remoto e envio de alarmes de sinalização para eventos críticos, torna-se fundamental a utilização da interface de rede ethernet.

A partir da aquisição e disponibilização destes sinais, estes podem ser destinados para inúmeros fins, tais como, geração de uma base de dados, reconhecimento de padrões e auxílio ao diagnóstico e prover uma maneira de acessar o equipamento remotamente.

Conclusão

A arquitetura proposta é capaz de amplificar sinais da ordem de microvolts através dos amplificadores de instrumentação e filtros compostos pelos amplificadores operacionais. Neste trabalho, foi desenvolvido o protótipo funcional com esses amplificadores. Também foi realizada a aquisição e transmissão do sinal. O desenvolvimento do protótipo com a interface ethernet funcional e seus protocolos estão em andamento.

Os próximos passos são analisar a aquisição de um número maior de canais pelo microcontrolador, pois, possui capacidade para converter um número considerável de canais, uma vez que possui um co-processador

específico para tratar do controle dos

periféricos. Além disso, realizar melhorias na interface de comunicação, bem como adicionar outras interfaces para prover maior mobilidade ao protótipo, tais como interfaces sem fio, como Bluetooth, Zig-Bee, e Wi-Fi. A inclusão de outros periféricos pode ser avaliada, como Leds, displays LCDs, botões e SD Cards.

Referências

1. Nation, United. World Poppulation

Ageing 2007. United Nation. [Online] 2007. [Citado em: 18 de 05 de 2010.]

www.un.org/esa/population/publications/WPA2 007/wpp2007.htm.

2. Ahn, HyunSoon, Lee, SeungHan e Lee,

SangKyung. Development of a Ubiquitous Healthcare System Implementing Real-time Connectivity between Cardiac Patients and Medical Doctors. Proceedings of 7th International Workshop on Enterprise Networking and Computing in Healthcare Industry. 2005, pp. 51-54.

3. Pettus, Dan C. Mobile Medical Device

Connectivity: Real World Solutions.

Proceedings of the 26th Annual International Conference of the IEEE EMBS. 2004, pp. 3450-3451.

4. Neidermeyer, Ernst e Silva, Fernando

Lopes da. Electroencephalography basic principles, Clinical applicationand related fields. 1998.

5. Webster, John G. The Encyclopedia of

Medical Devices and Instrumentation. s.l. : John Wiley and Sons, Inc., 2006.

6. Texas Instrument. Medical Applications

Guide. 2007.

7. Moore, James e Zouridakis, George.

Biomedical Technology and Devices: Handbook. s.l. : CRC Press, 2004. 0-8493-1140-3.

8. Webster, John G. Medical

Instrumentation - Application and Design. 1998.

9. Burr Brown. INA 326 INA 327

Precision, Rail-to-Rail I/O Instrumentation Amplifier. 2004.

10. Burr Brow. opa334 opa2334 opa335

opa2335, 0.05uV/C max, Simgle Supply CMOS Operational Amplitiers Zero-Drift Series. 2003.

11. Freescale. MC9S12XDP512 Datasheet.

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