André Luís Brasil Paiva
Vestuário Interactivo para
Desporto e Reabilitação
André Luís Brasil Paiva
V es tuár io Inter activ o par a Despor to e R eabilit ação
Dissertação de Mestrado
Mestrado em Design e Marketing
Trabalho efectuado sob a orientação do
Professor Doutor Hélder Carvalho
e corientação do
Professor Doutor Octavian Postolache
André Luís Brasil Paiva
Vestuário Interactivo para
Desporto e Reabilitação
DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE
Declaro ter atuado com integridade na elaboração da presente tese. Confirmo que em todo o trabalho conducente à sua elaboração não recorri à prática de plágio ou a qualquer forma de falsificação de resultados.
Mais declaro que tomei conhecimento integral do Código de Conduta Ética da Universidade do Minho.
Universidade do Minho, 08 de Dezembro de 2015 Nome completo: André Luís Brasil Paiva
Agradecimentos
Começo por agradecer aos meus familiares que tanto me apoiaram durante todo o meu percurso na Universidade do Minho ao nível do mestrado. Em particular, agradeço aos meus irmãos Duarte Paiva, Teresa Paiva e Luís Paiva.
Agradeço aos professores Hélder Carvalho e Octavian Postolache pelo trabalho de orientação e ao professor André Catarino pelo acompanhamento no corrente projecto.
Agradeço à Laura Torres pelo apoio prestado, que foi bastante valioso para compreender alguns conceitos relacionados com a saúde.
Termino por agradecer a todas as restantes pessoas (amigos e conhecidos) que, de forma directa ou indirecta, me deram motivação para realizar este trabalho.
Vestuário Interactivo para Desporto e Reabilitação
Resumo
O estudo de parâmetros fisiológicos é bastante relevante na avaliação do desempenho de pacientes no processo de reabilitação cardiopulmonar ou neuromuscular. Nota-se que equipamentos para avaliação desses parâmetros têm sido transportados do campo da saúde para o desporto, como meio de conhecer o estado de saúde de atletas e a sua evolução, não apenas no desporto de competição, mas também em desportos de lazer, como a musculação, corrida ou cardiofitness.
Pretendeu-se neste trabalho estudar e desenvolver vestuário interactivo como forma de substituição dos equipamentos médicos convencionais para monitorização de sinais vitais, permitindo desse modo a monitorização de pacientes fora de gabinetes médicos, na sua vida quotidiana. Em particular, foi estudada a integração de electrocardiografia (ECG) e electromiografia (EMG) de superfície no vestuário no formato de e-têxtil, dado o interesse em conhecer as actividades cardíaca e muscular de indivíduos na fisioterapia.
Foi feito um estudo sobre o conceito de vestuário interactivo e assuntos adjacentes (wearables e e-têxteis), bem como sobre a fisioterapia. Um estudo teórico foi realizado no âmbito dos sensores têxteis e, particularmente, sobre eléctrodos têxteis. Estudaram-se métodos de design no vestuário interactivo através das abordagens centralizadas no vestuário funcional; requisitos funcionais e estéticos do vestuário interactivo e aplicações existentes nas áreas da saúde e do desporto. Foram produzidos e testados eléctrodos têxteis para aquisição de sinais electromiográficos (EMG) e electrocardiográficos (ECG), tendo sido comparadas várias estruturas de malha, e um método de design de vestuário com eléctrodos integrados foi proposto.
Foi possível comprovar que o jacquard é uma técnica viável na construção de eléctrodos e circuitos eléctricos e estudar o efeito que o tipo de laçada tem no desempenho dos eléctrodos têxteis. Embora, na presente dissertação, não seja apresentado um protótipo de uma peça de vestuário com um sistema electrónico integrado para monitorização contínua, é intenção desenvolver uma peça que integre aquele sistema e, deste modo, estudar o comportamento do sistema criado em contexto real.
Smart Clothing for Sports and Rehabilitation
Abstract
The study of physiological and parameters is quite relevant to evaluate the performance of patients undergoing cardiopulmonary and neuromuscular rehabilitation. It can be seen that equipments for the monitoring of these features have been transported from healthcare to sport field, as a mean to measure athletes health status and performance, not just in competition sports, but also for leisure sport, like weighting, jogging or cardio fitness.
It is intended to study smart clothing as a substitute for the traditional medical equipments for monitoring those parameters, which allows for monitoring of patients outside medical facilities. Particular, it will be studied the integration of electrocardiography (EKG) and electromyography (EMG) systems in clothing using an e-textile platform, given the interest in knowing the cardiac and muscular activities of individual under the identified contexts.
A study on the concept of smart clothing and related subjects (wearable and e-textiles) was conducted, as long as a study about physiotherapy fundamentals. A theoretical study on textiles sensors and, in particular, textile electrodes, was also conducted, as well as design methods for smart clothing through a functional apparel design approach; functional and aesthectical requirements for smart clothing and available products. Textile electrodes for EKG and EMG was produced and tested, several knitted structures were compared and a design method for smart clothing with textile electrodes was proposed.
It was possible to prove that it is possible to construct textile electrodes along with electrical circuits using jacquard technique and the effect of differents loops in the electrodes performance was studied.
Although in the present dissertation a prototype of a garment with an integrated electronic system for health monitoring isn’t presented, it is intented to developed a garment that integrates that kind of systems and, then, study its performance in a real context.
Índice
1. Introdução e Objectivos ... 13
2. Estado da Arte ... 15
2.1. Conceitos Relacionados com o Vestuário Interactivo ... 15
2.1.1. Wearable Computer ... 15
2.1.2. Vestuário Interactivo ... 16
2.1.3. Têxteis Electrónicos ... 18
2.2. Fundamentos Teóricos na Fisioterapia ... 20
2.2.1. Reabilitação Pulmonar e Neuromuscular ... 20
2.2.2. Parâmetros Fisiológicos ... 21
2.2.3. Electromiografia ... 22
2.2.4. Electrocardiografia ... 25
2.2.5. O Eléctrodo ... 27
2.3. Sensores e Eléctrodos Têxteis ... 28
2.3.1. Sensores Têxteis ... 28
2.3.2. Eléctrodos Têxteis ... 33
2.4. O Método de Design no Vestuário Interactivo ... 37
2.4.1. Estudo dos Métodos... 37
2.4.2. Exemplo Prático: Sensvest ... 38
2.4.3. Análise do Método de Design e do Conceito de Interacção em Noise ... 40
2.5. Requisitos Funcionais e Estéticos do Vestuário Interactivo ... 44
2.5.1. Consciência de Contexto ... 44
2.5.2. Facilidade de Utilização ... 45
2.5.3. Automação ... 45
2.5.1. Ubiquidade ... 46
2.6. Aplicações na Saúde ... 48
2.6.1. Vestuário com Sensores para Monitorização do Estado de Saúde ... 48
2.6.2. Sistemas de Monitorização Remota (SMR) ... 49
2.7. Aplicações no Desporto ... 52
2.7.1. Vestuário com Sensores para Desporto ... 52
2.7.2. Hexoskin ... 53
2.7.3. Athos ... 55
3. Materiais e Métodos ... 59
3.1. Definição de Requisitos do Utilizador ... 59
3.3. Processo de Design e Construção da Peça ... 67
4. Resultados ... 69
4.1. Sinais EMG ... 69
4.2. Sinais ECG ... 79
4.3. Design da Camisola ... 81
4.3.1. Requisitos Funcionais e Estéticos ... 81
4.3.2. Exploração de Alternativas de Solução ... 82
4.3.3. Variações da Peça ... 88
4.4. Desenvolvimento da Camisola ... 92
4.5. Proposta Método de Design de Vestuário Interactivo ... 97
5. Discussão ... 99
6. Conclusão ... 105
7. Perspectivas Futuras ... 107
1. Introdução e Objectivos
O interesse em praticar actividades desportivas por saúde e bem-estar tem crescido drasticamente nas últimas décadas [1]. Devido aos custos relacionados com a medicina restaurativa, o interesse pela abordagem preventiva tem subido consideravelmente [2]. O exercício físico pode ajudar a prevenir problemas de saúde [3], ao mesmo tempo que é prescrito por fisioterapeutas no processo de reabilitação motora [4]. Existe um grande interesse na monitorização de parâmetros fisiológicos durante o processo de reabilitação física e motora [5], além de esses sistemas estarem cada vez mais presentes no desporto. Todos estes aspectos abrem portas ao universo dos wearables, em particular do vestuário interactivo.
O conceito não é propriamente novo na academia e não se pode dizer que tenha já atingido um grau de maturação no mercado. Vários conceitos de wearables já estão disponíveis, a maior parte na forma de acessórios, sendo a quantidade de conceitos de vestuário com electrónica e computação integrada ainda bastante limitada. Os mais comerciais estão geralmente presentes no vestuário desportivo. Dos restantes, uma grande parte ainda surge na alta-costura ou em projectos artesanais e, por isso, não são peças nem acessíveis ao público geral, nem sequer para serem usadas no dia-a-dia (estas são escassas).
A integração de sensores e sistemas interactivos no vestuário ainda enfrentam uma série de problemas técnicos e a resolução desse tipo de desafios parece estar muito concentrada em projectos de investigação sem fins comerciais. É do conhecimento geral o impacto negativo da humidade nos equipamentos electrónicos, um problema que é normalmente resolvido através da integração de dispositivos amovíveis na roupa. No vestuário com sensores para análise de parâmetros fisiológicos já se conseguem introduzir estruturas de e-têxteis laváveis combinadas com aparelhos amovíveis.
O conceito de vestuário interactivo é ainda bastante ambíguo e estudá-lo é um dos objectivos da actual dissertação. Nota-se que o termo é várias vezes aplicado para expressar conceitos que não incorporam, na realidade, sistemas interactivos, apenas funcionalidades electrónicas. Os requisitos de introdução do conceito de interacção no vestuário serão analisados, bem como o processo de design de vestuário interactivo.
É proposto neste trabalho um conceito de vestuário com sensores integrados para electrocardiografia (ECG) e electromiografia (EMG). Outro dos objectivos é construir uma peça capaz de acompanhar o indivíduo no exercício físico, tanto no lazer como no campo da reabilitação
(cardiopulmonar e neuromuscular), tendo em conta a importância da medição de sinais na prevenção de problemas de saúde e na recuperação do paciente. A peça é desenvolvida no âmbito do projecto EHR-Physio, que se foca na construção de equipamentos de saúde electrónicos para fisioterapia, para a qual foi escolhido o substrato têxtil. Eléctrodos têxteis em várias estruturas de malhas e fios têxteis condutores são estudados, bem como a sua introdução numa camisola para medição daqueles parâmetros. Além do produto em si, um novo método de design de vestuário com sensores é proposto e os resultados desse processo são analisados.
No capítulo seguinte, é apresentado o estudo efectuado ao nível do estado da arte. Este separa-se no estudo de conceitos relacionados com o vestuário interactivo e conceitos ligados com a fisioterapia; análise de projectos científicos de desenvolvimento de sensores e eléctrodos têxteis; metodologias de design adaptadas ao vestuário interactivo; requisitos funcionais e estéticos desse tipo de vestuário; e aplicações práticas no âmbito da saúde e do desporto. No capítulo 3, são apresentados os materiais e métodos utilizados no projecto, que se subdivide no estudo do utilizador, trabalho experimental com eléctrodos têxteis e no processo de design e construção do protótipo. De seguida, são apresentados os resultados no processo anterior e é feita uma discussão dos mesmos, tendo como base o estudo feito no estado da arte.
2. Estado da Arte
2.1. Conceitos Relacionados com o Vestuário Interactivo
2.1.1. Wearable Computer
Sistemas wearable podem ser definidos como dispositivos electrónicos móveis capazes de serem inseridos em peças de vestuário ou acessórios de forma subtil [6]. O termo wearable surge na literatura isoladamente ou como wearable computer [7], wearable electronics [8], fashionable wearables [9] ou wearable tecnologies [10]. Em todos os casos, define a introdução de sistemas electrónicos, computacionais e comunicacionais nos objectos com que vestimos o corpo, na forma de vestuário, acessório ou calçado [9]. Segundo Mann [7]:
Um wearable computer é um computador que está subsumido no espaço pessoal do utilizador, controlado por ele, e que está constantemente operacional e em interacção […]. Sobretudo, é um dispositivo que está sempre com o utilizador, e através do qual o utilizador pode sempre introduzir instruções e executar um determinado número de comandos e fazê-lo ao mesmo tempo que está a andar ou a executar outro tipo de actividades. […] O wearable computer é mais do que um simples relógio de pulso […] sendo um computador com todos os recursos, está inextricavelmente entrelaçado com o utilizador.1
O Conceito Wearable Computing faz parte de um vasto espectro de computação ubíqua que visa, de forma o mais invisível possível, melhorar o nosso estilo de vida com dispositivos electrónicos inteligentes que possam ser usados junto do corpo [6]. No conceito de vestir o computador (wearable computer) está implícita a ideia de que no futuro vestiremos computadores pessoais da mesma forma como usamos uma peça de roupa comum [11].
Wearable computing facilita uma nova forma de interacção humano-computador através de um pequeno computador vestido no corpo que está sempre ligado e sempre pronto para ser acedido. A respeito disso, a nova estrutura computacional difere dos dispositivos móveis, computadores portáteis e assistentes digitais pessoais (PDAs). A capacidade “sempre pronto” conduz a uma nova forma de sinergia entre
1 “A wearable computer is a computer that is subsumed into the personal space of the user, controlled by the user,
and has both operational and interactional constancy […]. Most notably is a device that is always with the user, and into which the user can always enter commands and execute a set of such entered commands, and in which the user can do so while walking around or doing other activities. […] The wearable computer is more than just a wristwatch
o ser humano e o computador, caracterizado por uma adaptação a longo prazo através de uma constância de interface de utilizador [7].2
Seymour [9] sugere o emprego do termo fashionable wearables para definir roupa, acessórios ou joalharia que combinam estética e estilo com tecnologia funcional. Tal como o wearable computer definido anteriormente, os fashionable wearable incorporam elementos tecnológicos que os transformam em interfaces interactivas. A autora também defende que essa moda pode ser classificada dentro dum espectro que varia entre funcionalidade e expressividade. No desenvolvimento de vestuário técnico, por exemplo, interessa apenas melhorar as suas funcionalidades, enquanto no outro extremo do espectro (expressividade) está a alta-costura, em que o foco está na forma de o indivíduo se expressar na sociedade. Exemplo de combinação de ambos os conceitos é o vestuário desportivo, com claro interesse no seu desempenho funcional, bem como na sua relação com o indivíduo e a sociedade.
O termo wearable não tem uma tradução para o português e refere-se a toda a forma de vestir tecnologia – vestuário, acessório e calçado. A tradução directa seria vestível, mas esta palavra não existe no dicionário da língua portuguesa e não parece haver um termo alternativo definido na literatura científica. Subdividindo o conceito de wearable computer nos vários tipos de objectos com que ornamentamos e protegemos o corpo, e função das definições anteriormente analisadas, obtém-se o vestuário interactivo, acessórios interactivos e calçado interactivo.
2.1.2. Vestuário Interactivo
A definição de vestuário interactivo (tradução do autor de smart clothing) não parece ser ainda clara na literatura, o que é normal numa altura em que essa forma de roupa ainda se concentra muito na investigação. Ele está comummente associado ao vestuário funcional ou à introdução de electrónica e computação na roupa [12]. Torna-se imperativo, antes de mais, determinar em que paradigma se situam ambos os tipos de vestuário, de forma a obter uma linguagem coerente na restante dissertação.
Segundo Malmivaara [8], a roupa é interactiva quando adiciona funcionalidades não convencionalmente associadas ao vestuário, sem comprometer as suas propriedades originais. Contudo, essa definição não é suficiente para definir o vestuário interactivo. Pode-se analisar essa
2 “Wearable computing facilitates a new form of human--computer interaction comprising a small body--worn computer
definição do ponto de vista do vestuário funcional. Gupta [13] define-o como uma peça de vestuário projectada para executar uma função pré-determinada e que vai além das funções típicas da roupa, isto é, adiciona uma funcionalidade à peça normalmente não executada pelo vestuário convencional. A definição sugerida por Gupta está em concordância com a proposta de Malmivaara, sendo que se aplica ao vestuário funcional porque a adição de funcionalidades pouco convencionais ao vestuário, por si só, não o transforma numa plataforma interactiva. Uma peça de vestuário pode integrar uma plataforma têxtil para medição de sinais electromiográficos sem activar nenhum tipo de função que utilize essa informação (ex.: avisar a pessoa sobre algumas anomalia). Segundo o mesmo autor [13], a roupa com sensores integrados para medição de sinais fisiológicos como o batimento cardíaco, respiração ou a temperatura (bio-sensing clothing) pertence ao conjunto do vestuário funcional, dado ter apenas uma funcionalidade acrescida, neste caso a detecção de sinais vitais derivada da capacidade do material têxtil em conduzir electricidade.
De acordo com Suh et al. [14], o vestuário interactivo pode ser entendido no campo do vestuário funcional, na medida em que são acrescentadas funcionalidades extras pouco convencionais para satisfação de necessidades especiais, mas em que funcionalidades tecnológicas podem ser automaticamente activadas e desactivadas. Contudo, essa definição é demasiado vaga para perceber o conceito de vestuário interactivo.
Segundo Gepperth [15], o vestuário interactivo integra componentes electrónicos e computacionais, e algoritmos para assistir o utilizador no dia-a-dia. Ele deve ser capaz de receber e interpretar sinais, mas utiliza mecanismos de processamento e actuação para interagir com o utilizador, ou seja, é adicionado um princípio de interacção entre objecto e sujeito que transforma a roupa numa plataforma interactiva. Chunyan [12] defende que o vestuário interactivo deve permitir algum tipo de interacção com o utilizador. Um material de mudança de fase (PCM) é capaz de armazenar ou libertar energia térmica em resposta à mudança de temperatura [16], ou seja, há um princípio de acção e reacção, mas esse sistema não implica uma interacção entre objecto e sujeito. Este conceito de regulação térmica poderia ser introduzido no vestuário através da adição de electrónica, não implicando necessariamente um princípio de interacção.
O ingrediente que separa o vestuário funcional do vestuário interactivo é a interacção entre dois sistemas (do ponto de vista imaterial), um sendo a própria roupa e outro o sujeito. O vestuário interactivo passa a ser um tipo de vestuário funcional capaz de recolher e analisar informação do ambiente em redor (ex.: detecção de movimento, sinais vitais, som, etc.), e que integra o conceito
de wearable computing para activar mecanismos de interacção com o utilizador em função da informação recebida (avisar sobre o nível de ruído ambiental, alertar para anomalias no corpo, etc.).
2.1.3. Têxteis Electrónicos
Segundo Berzowska [11], um e-têxtil, também referido pelos media como têxtil inteligente, refere-se a um substrato têxtil que integra capacidades de monitorização (fisiológica ou externa), comunicação, fonte de alimentação e interconexões que permitem a comunicação entre os diferentes componentes. Segundo Suh [17], o termo e-têxtil refere-se ao têxtil com características eléctricas e/ou eletrónicas, sendo a conductividade o ponto mais importante do e-têxtil, do ponto de vista da electrónica.
Os têxteis electrónicos (e-têxtil) são um componente importante no vestuário interactivo, uma vez que possibilitam a integração de sistemas electrónicos no vestuário em formato têxtil. Catrysse e Pirote [18] sugerem que uma rede distribuída de circuitos de baixa tensão e alto desempenho, comunicações sem fios, novos sensores e actuadores, fontes de tensão autónomas e interfaces homem-máquina prometem transformar os sistemas electrónicos convencionais em plataformas têxteis integradas no vestuário e no ambiente.
A integração de componentes electrónicos em superfícies têxteis pode ser executada em diversos níveis. Segundo Mecheels et al. [19], ela pode ser realizada segundo três princípios:
Adopção – os componentes são inseridos em plataformas têxteis (ex.: bolsos);
Integração – A electrónica faz parte do tecido (ex.: costura, bordado);
Combinação – Estruturas e materiais têxteis passam a ter funções electrónicas (ex.: circuitos eléctricos em jacquard, fibras fotovoltaicas).
O mesmo autor veio posteriormente designar os três princípios como electrónica integrada (adopção), textronics (integração) e fibertronics (combinação) [20].
Na realidade, pela definição de e-têxtil, apenas os níveis de integração e combinação podem constituir um e-têxtil. A sua definição deve, antes de mais, considerar que as propriedades electrónicas fazem parte do substrato têxtil. Por exemplo, um circuito electrónico só é têxtil quando é implementado através de tecnologias e materiais têxteis (tecelagem com fio têxtil condutor, estamparia ou revestimento) e não quando um fio eléctrico convencional é aplicado sobre um substrato têxtil.
Consideramos um sensor totalmente integrado como aquele que é directamente tecido ao substrato, na ausência de qualquer componente rígido.3
Este pensamento do autor, se focada no campo geral dos e-têxteis, fundamenta a ideia de que um têxtil é electrónico quando ambos se fundem através de tecnologias têxteis.
A combinação entre têxteis e electrónica possibilita um tipo de integração de electrónica no vestuário que tira partido das propriedades têxteis (conformidade, flexibilidade, conforto), acrescentando-lhe novas funcionalidades de monitorização (input), processamento e actuação (output) [18].
2.2. Fundamentos Teóricos na Fisioterapia
Intervenções fisioterapêuticas podem ser divididas em três grupos – intervenções restaurativas, compensatórias e preventivas. As Intervenções restaurativas estão directamente relacionadas com a restauração do paciente em termos de disfunção, limitação funcional e recuperação de funções. Intervenções compensatórias focam-se na aprendizagem da tarefa ou actividade usando os segmentos não afectados (ex.: pacientes com hemiplegia esquerda aprendem a vestir-se com o braço direito). Intervenções preventivas estão direccionadas para a prevenção de potenciais disfunções, limitações funcionais e incapacidade, que podem afectar os sistemas cardiopulmonar, neuromuscular, músculo-esquelético e tegumentar [22].
2.2.1. Reabilitação Pulmonar e Neuromuscular
A reabilitação pulmonar é um programa multidisciplinar para o tratamento de pacientes com distúrbios pulmonares crónicos, sendo este desenhado de forma a otimizar o desempenho físico e social do paciente [23]. A Doença Pulmonar Obstrutiva Crónica (DPOC), asma e fibrose cística são algumas das doenças de obstrução pulmonar mais vulgares e para as quais é precisa reabilitação pulmonar [24].
A reabilitação neuromuscular visa ajudar o indivíduo na recuperação do controlo motor e optimizar a capacidade funcional. Trata-se de um processo inclusivo que engloba dimensões cognitivas, comportamentais e neurofisiológicas do indivíduo [25]. Exercício físico para restabelecer força muscular e resistência cardíaca (treinos isocinéticos e isotónicos) é necessário em indivíduos com perturbações no sistema neuromuscular, perturbações estas que podem ser decorrentes de patologias ou acidentes [4]. A terapia inclui exercícios activos e passivos que são iniciados se o paciente não conseguir atingir a total amplitude do movimento [4] e é vocacionada para a preservação da normal amplitude de movimento, melhoramento da força muscular e da resistência cardíaca, retomar as funções e desempenho das actividades diárias, entre outros aspectos [26].
Indivíduos com o sistema tegumentar afectado podem necessitar de reabilitação pulmonar como resultado de uma queimadura. Uma pessoa que tenha sofrido queimaduras num espaço fechado pode ter sofrido danos por inalação de fumo. Os problemas resultantes desta exposição podem ser divididos em duas categorias [27]: efeitos sistémicos de gases tóxicos como o dióxido de carbono inalado, podendo culminar em ossificação heterotópica, diminuição da resistência
no sistema respiratório, substâncias essas que poderão causar edema pulmonar, pneumonia ou obstrução das vias aéreas superiores [4].
Pacientes com incapacidades físicas ou motoras podem falhar no tratamento se existir um problema psicossocial. A pessoa pode ter dificuldade em aceitar os resultados de uma experiência traumática [28]. Educação, inclusão na definição dos objectivos (incluir os objectivos pessoais do paciente no tratamento traçado) e um alto compromisso por parte dos pacientes e de profissionais da saúde são alguns factores com influência positiva na recuperação [22]. Segundo Watts [29], devem ser incluídas no processo de reabilitação intervenções ao nível da saúde mental, tendo em conta a influência que o estado mental exerce sobre o processo de recuperação do paciente. Quanto mais o paciente tiver evoluído social e psicologicamente, melhor conseguirá lidar com situações de crise [28]. A depressão, por exemplo, é um factor de risco para doenças cardíacas e mortalidade pós-AVC [30]. Indivíduos com traumatismo craniano, lesão da medula espinal e doença de Parkinson também tendem a sentir-se mais deprimidos do que o público geral [31].
2.2.2. Parâmetros Fisiológicos
Alguns parâmetros fisiológicos de interesse na reabilitação incluem batimento cardíaco, frequência respiratória, oximetria e actividade muscular [5] e podem ser medidos superficialmente. A avaliação da temperatura do corpo, pulsação, fluxo respiratório e pressão sanguínea, por exemplo, permite recolher dados referentes ao sistema cardiopulmonar [32]. A actividade muscular, por outro lado, faculta informação sobre o estado neuromuscular de um indivíduo. Quando um paciente inicia exercícios de fortalecimento e resistência muscular, os sinais vitais devem ser monitorizados para analisar as respostas cardiovasculares ou respiratórias ao tratamento [32]. A informação sobre esses sinais é um indicativo do estado de saúde do indivíduo, tendo bastante valor no diagnóstico. Até há pouco tempo, a monitorização contínua de sinais vitais era apenas possível nos hospitais, mas esse é um paradigma que tem vindo a alterar-se com os avanços tecnológicos [5].
Factores que influenciam os sinais vitais podem estar relacionados com o indivíduo – estado hormonal, idade, género e historial familiar – ou com o estilo de vida – consumo de álcool, tabaco e cafeína, alimentação, resposta ao stress, nível de actividade física, medicação e consumo de drogas. Outros aspectos com efeitos nesse tipo de sinais são as variáveis ambientais (temperatura ou humidade) e o estado de saúde em geral [32].
Segundo Patel el al. [5], existe um grande interesse na combinação entre sensores ambientais e sensores fisiológicos no campo da reabilitação. Os autores identificaram a segurança, reabilitação doméstica, acesso à eficácia do tratamento e detecção antecipada de disfunções como as principais vantagens daqueles sensores na reabilitação. Além da reabilitação, cada vez mais transferida para a monitorização doméstica em virtude do desenvolvimento tecnológico, a monitorização contínua está cada vez mais presente no desporto. A medição de sinais vitais permite ao treinador conhecer o estado de saúde do atleta, mas também fornece, a um indivíduo que pratique exercício físico livremente (musculação, cardiofitness, pilates, ginástica, entre outro), informação sobre o seu corpo. Um indivíduo que pratique musculação já pode conhecer o nível de actividade muscular, a quantidade de calorias queimadas, a temperatura, o batimento cardíaco e o fluxo respiratório enquanto executa os exercícios, bem como no fim do treino.
A monitorização de sinais vitais pode ser significativa para acompanhamento de exercício físico (ex.: musculação, cardiofitness, pilates, entre outros), além da análise do estado de saúde da pessoa, em termos preventivos ou curativos (avaliação da evolução de pacientes de reabilitação neuromuscular ou cardiopulmonar, monitorização do sono, avaliação da resistência cardíaca, entre outros). Por exemplo, a detecção de sinais electromiográficos é significativa para avaliação do estado do paciente em fase de reabilitação neuromuscular, bem como para avaliação do desempenho muscular em praticantes de musculação. Um exame pode ser igualmente relevante para avaliar a resistência cardíaca do desportista ou para fazer uma análise do estado cardíaco de pacientes em reabilitação cardiopulmonar.
2.2.3. Electromiografia
A electromiografia (EMG) refere-se à medição da actividade eléctrica dos músculos, ou seja, à detecção e registo de potenciais eléctricos a partir das fibras músculo-esqueléticas, sendo utilizada para estudar doenças ou traumas neuromusculares ou disfunções musculares (electromiografia cinesiológica).
Em cada plexo, fibras motores e sensoriais de diferentes ramos nervosos formam os nervos periféricos, que, por sua vez, facultam inervação muscular em vários músculos e sensação cutânea na pele ou em estruturas subjacentes [33]. O plexo braquial (Figura 1) é formado pelos ramos anteriores dos nervos que saem dos forames vertebrais das vértebras C5 à T1, que inervarão as extremidades superiores. A junção dos ramos C5 e C6 formam o tronco superior no
ramos são formados por divisões anteriores e posteriores que fazem parte dos troncos. As divisões anteriores dos troncos, superior e médio, originam o ramo lateral, que por sua vez dá origem ao nervo musculocutâneo. Este nervo é formado por fibras dos ramos C5 e C6 no fascículo lateral, inervando os músculos bíceps, braquial e coracobraquial. O nervo radial é formado pelos axónios dos ramos C5 à C8 e inerva os músculos tríceps, ancóneo, braquioradial e extensor radial do carpo. O nervo cubital é originário dos ramos C8 e T1 e atravessa o fascículo medial, formada pela divisão anterior do tronco inferior, passando pela artéria braquial e o nervo mediano até entrar no antebraço, onde alimenta o flexor cubital do carpo e os flexores profundos dos dedos III e IV, além de vários músculos das mãos [34].
Figura 1) Plexo braquial [33].
A função primária do nervo é transmitir informação desde as células do corno anterior até aos músculos – no sistema motor – e desde os receptores sensoriais até à medula espinal – sistema sensorial. Um conjunto de eventos químicos e eléctricos permite ao nervo difundir um potencial de acção, que é propagado ao longo do nervo quando um axónio é despolarizado. Cada axónio divide-se em vários ramos até uma fibra muscular. Um axónio, em conjunto com a sua célula do
corno anterior e fibra muscular constituem a unidade motora. A despolarização de todas as fibras musculares produz um potencial eléctrico conhecido por potencial de ação da unidade motora (MUAP). Numa situação normal, quando é produzido um potencial de acção, todas as fibras musculares são activadas. A electromiografia permite analisar esses potenciais [33].
Este teste, em conjunto com outro tipo de exames de electrodiagnóstico, fornece informação relevante em diagnósticos e prognósticos de pacientes com distúrbios ao nível músculo-esquelético e neuromuscular [35]. Trata-se de uma extensão à análise clínica para detectar distúrbios no sistema nervoso periférico [33]. Distúrbios no sistema nervoso periférico incluem neuropatia motora, atrofia muscular espinal, escoliose lateral amiotrófica, neuropatia sensitiva, distúrbios das junções neuromusculares, radiculopatia, plexopatia, neuropatia ou miopatia.
Figura 2) Exemplo de colocação dos eléctrodos para EMG. Eléctrodo de referência no pulso, sobre saliência óssea, e os dois positivo e negativo sobre o músculo – bíceps.
O primeiro objectivo da electromiografia é localizar a disfunção, sendo primeiro determinado se o problema é miopático ou neuropático, se se trata de um distúrbio na transmissão neuromuscular ou se pertence ao sistema nervoso central. Em pacientes com fadiga muscular, exames de electrodiagnóstico, como é o caso da electromiografia, ajudam a perceber se o problema é causado por disfunções dos neurónios motores, das junções neuromusculares, dos músculos ou se existe uma etiologia central. Anomalias detectadas nos exames EMG ajudam a diferenciar entre tais possibilidades, providenciando informação suficientemente concreta para guiar subsequentes avaliações e tratamentos, que diferem bastante entre doenças. Por exemplo, pacientes com fraqueza ou dormência nas mãos podem ter tido lesões que afectem o nervo cubital o plexo braquial inferior ou os ramos C8 ao T1. Electrodiagnósticos permitem corrigir erros de diagnóstico. Por exemplo, pacientes diagnosticados com desordens no sistema nervoso periférico podem, na realidade, ter o SNC afectado. [33].
Figura 3) Exemplo de um sinal EMG normal [36].
Figura 4) Tipo de actividade muscular anormal: actividade espontânea dupla da unidade motora [33].
Figura 5) Sinal EMG do músculo deltoide num paciente com plexopatia [34].
O estudo da electromiografia é realizado actualmente na investigação médica (ortopedia, estudo da função neurológica e análise da postura), na reabilitação (reabilitação neuromuscular), em ergonomia (design e certificação de produto) e no desporto (análise do movimento, reabilitação desportiva e avaliação dos atletas) [36]. Como se pode verificar, ela pode ser usada na detecção de problemas de saúde, tanto numa abordagem curativa, como preventiva.
A instrumentação utilizada em EMG requer um sistema de três fases [35], uma fase de input, que se refere à captação de potenciais eléctricos da contração muscular, uma fase de processamento, durante a qual o sinal eléctrico é ampliado e fase de output, em que o sinal eléctrico é convertido em sinais visuais ou auditivos para poderem ser mostrados e analisados.
2.2.4. Electrocardiografia
A electrocardiografia (ECG) é uma parte fundamental do estudo cardiovascular. Os exames em ECG são tipicamente usados para determinar o fluxo sanguíneo e ritmo cardíaco, perfusão coronária e atrasos da condução sanguínea [32], apresentando-se como uma ferramenta essencial para detectar arritmias e diagnosticar disfunções cardíacas, tais como enfarte agudo do miocárdio
[37]. A contração e descontração do músculo cardíaco resulta na despolarização e polarização dos cardiomiócitos. Essas variações eléctricas são captadas por eléctrodos colocados sobre o peito e os membros, sendo o eletrocardiograma transcrito em papel gráfico posteriormente.
Em ECG utilizam-se eléctrodos de superfície que podem ter diversas configurações, como ECG de doze, seis, quatro ou uma derivações. Cada um deles representa diferentes diferentes tipos de informação [38]. As configurações de três, quatro e cinco derivações são eficazes na detecção de anomalias no ritmo cardíaco [39]. Exemplos desses sistemas são mostrados na Figura 6).
Figura 6) Exemplo de colocação dos eléctrodos (RA: right arm; LA: left arm; LL, left leg; RL – right leg) – da esquerda para a direita: ECG de três, quatro e cinco eléctrodos: adaptado de [39].
O sistema EASI (Figura 7) propõe um arranjo de quatro derivações, que incluem os eléctrodos nas localizações E, A e I de Frank e um quarto eléctrodo no manúbrio (ponto S da Figura 7) mais o eléctrodo de referência [40]. Diferentes configurações podem ter níveis de ruído variados conforme as condições da actividade e, por isso, o sistema deve ser adaptado ao tipo actividade do indivíduo. Arranjos de eléctrodos para pessoas em estado imóvel, por exemplo, podem não ser apropriadas para monitorização ambulatória [38]. Welinder et al. [41] comparou a suscetibilidade do sistema EASI ao ruído durante o exercício físico com o sistema de Mason-Likar (doze derivações) e concluiu que o primeiro tinha melhores resultados nesse aspecto.
2.2.5. O Eléctrodo
Eléctrodos de superfície são essencialmente adequados para medir sinais em músculos superficiais largos ou conjuntos de músculos, não sendo, contudo, viáveis para medir com precisão a actividade de uma unidade motora individual ou de músculos pequenos e/ou profundos.Nesses casos são usados eléctrodos de agulha, mais adequados para EMG clínico [32], uma vez que o transdutor está mais próximo da fonte de tensão, permitindo obter melhores resultados [33]. Um eléctrodo de superfície convencional para EMG apresenta normalmente uma forma circular com 3 a 5 mm de diâmetro e é composto por prata e cloreto de prata (Ag/AgCl). Essa espécie de disco é contida dentro duma cápsula autocolante que é depois colada ao corpo. Dois desses eléctrodos são aplicados na pele sobre o devido músculo para registo de bipolarização e são tipicamente posicionados paralelamente às fibras musculares. Adicionalmente aos eléctrodos de registo, um eléctrodo de referência é aplicado para cancelar o efeito do ruído externo, como os causados pelos balastros de luzes fluorescentes, radiodifusão dos edifícios e outras fontes eléctricas próximas [35]. O sinal captado por cada eléctrodo soma o ruído ambiental com o sinal eléctrico local a partir dos músculos no ponto de contacto com a pele. Quando os sinais dos eléctrodos são subtraídos, a variável comum (o ruído ambiental) presente em cada um dos sinais captados é cancelado, um processo conhecido por Rejeição de Modo Comum [43]. O eléctrodo de referência pode ser posicionado sobre a pele junto aos outros dois eléctrodos [35].
Figura 8) Secção de um electrocardiograma [37]. A diferença entre os dois picos determina a frequência cardíaca
2.3. Sensores e Eléctrodos Têxteis
2.3.1. Sensores Têxteis
Muitos investigadores têm depositado esforços na integração de sistemas de medição de sinais vitais invisíveis no corpo, nomeadamente através da transformação desse tipo de sensores em plataformas têxteis. É já possível integrar-se tecnologias sem fios e e-têxtis no vestuário interactivo para monitorização contínua [44].
Vários materiais, técnicas e aplicações têm sido estudados no âmbito dos sensores têxteis. Alguns projectos desenvolvidos nesse âmbito incluem sensores de extensão tricotados [45-51], tecidos [52] ou costurados [53-56] com fio condutor, por deposição de borracha condutora [57-59] ou de espuma de polipirrola [60] ou produzidos com fibra óptica [61-63]; sensores amperimétricos estampados com tinta condutora [64]; electrogoniómetros (medição de ângulos) bordados [49]; sensores de temperatura através de deposição de fluoreto de polivinilideno [65], de tricotagem [66, 67] e tecelagem [68]; sensores de pressão tecidos [69, 70] ou bordados [71] com fio condutor ou por deposição de prata [72]; e sensores de humidade tecidos [73, 74], tricotados [51, 75], estampados com tinta condutora [76, 77] ou por deposição de fluoreto de polivinileno [78]. Estes são apenas alguns exemplos. O potencial das tecnologias têxteis aliadas aos novos materiais dá lugar a um infindável número de aplicações.
Wang et al. [79] desenvolveu um sensor têxtil com borracha condutora que aproveita o efeito piezoresistivo – variação da resistência em função de um estímulo mecânico – para detectar variações na pressão.
Gioberto [55] estudou a viabilidade de recorrer a pontos de costura – ponto de orlar, ponto de recobrimento e flatlock – para construir um goniómetro têxtil – sensor para medição de ângulos – baseado nas variações da resistência derivadas das dobras do matérial. Ao realizar os testes com uma extensão de 25%, verificou que o ponto com recobrimento foi o único que apresentou variações em toda a gama de medida testada, tendo os restantes atingido a saturação aos 15%, aproximadamente.
Lage et al. [75] desenvolveram uma camisola que contem eléctrodos ECG de duas derivações e um sensor de humidade para medição da frequência cardíaca e do suor do corpo. Ambos foram tricotados na própria malha com poliamida revestida a prata (fio Elitex). O sensor de humidade consiste em duas barras paralelas, em que as variações de resistência produzidas pela humidade
Figura 10) Sensor de humidade nas costas da camisola [75].
Li et al. [50] reportaram o desenvolvimento de um sensor de extensão tricotado para medição do fluxo respiratório. A malha (rib 1x1) foi produzida no tear recto Stoll CMS 32 OTC com fio de aço inoxidável (inox). Vários testes foram conduzidos com extensão máxima de 50 % para determinar os melhores parâmetros de fabricação do substrato têxtil utilizando as propriedades eléctricas como variáveis de estudo para optimização daqueles parâmetros. O sensor foi integrado numa banda elástica com fecho em Velcro, novos testes foram conduzidos no corpo e os resultados parecem demonstrar uma forma viável de se produzir um sensor de extensão para medir a respiração.
Figura 11) Esquema da banda elástica com o sensor integrado: cinza) sensor; branco) banda elástica; preto) velcro [50]
Witt et al. [61] exploraram a fibra óptica na construção de sensores de extensão para monitorização contínua da frequência respiratória. Os sensores medem o alongamento provocado pela extensão do tórax (respiração torácica) e do abdómen (respiração abdominal), seguindo princípio de monitorização com fibra óptica anteriormente estudados – redes de Bragg, reflectometria óptica no domínio do tempo e macrocurvatura. Na medição do movimento respiratório baseado nas redes de Bragg, o sensor é construído recorrendo à interferometria ultravioleta para induzir modificações no índice de refracção de luz no núcleo da fibra óptica. As fibras com redes de Bragg (FBG) reflectem um comprimento de onda específico e transmitem os restantes como um filtro. O comportamento do filtro, isto é, o comprimento de onda refletido/transmitido, altera-se com a ação mecânica a que está sujeito. A fibra óptica foi costurada numa banda elástica em zigue-zague
e aquando do alongamento, as variações do comprimento de onda de Bragg ao longo da fibra foram medidas. O sensor que mede macrocurvaturas (curvas de 180º ao longo da banda elástica) baseia-se no princípio de que alterações do raio da curvatura causadas pelo alongamento (o raio aumenta com a extensão) provocam variações de intensidade de luz, que são medidas na extremidade da fibra e que são proporcionais ao alongamento. O sensor baseado na reflectrometria óptica no domínio do tempo (RODT) mede o tempo e intensidade da luz reflectida. Impulsos luminosos são lançados para o interior da fibra e são medidas as variações de luz reflectida, resultado das mudanças no índice de refracção de luz e de deformações microscópicas provocadas pelo alongamento. O sensor foi costurado a uma banda elástica que se divide em duas partes: uma zona elástica onde está posicionado o sensor e uma zona não elástica que dá a volta ao abdómen. Esta configuração permite uma extensão do sensor bastante superior em comparação com a mesma versão com elasticidade em toda a volta (se toda a banda fosse elástica, o alongamento seria proporcional a toda a volta e, por isso, seria menor na zona do sensor do que na solução proposta). Dada a maior precisão do sensor FBG e menor tolerância ao alongamento, os autores consideram esse mais viável para respiração torácica, enquanto que os restantes podem ser usados para monitorização da respiração abdominal. Seguindo essas premissas, os autores construíram um protótipo de um equipamento para medição da respiração com o sensor FBG integrado para medir a respiração torácica e o sensor de macro curvatura direcionado para a respiração abdominal.
Figura 14) Sensor baseado na reflectometria óptica no domínio do
tempo [61]. Figura 15) Protótipo do projecto [61].
Kutzner et al. [76] recorreram à estamparia digital para desenvolver um sensor de humidade impresso numa superfície têxtil com tinta condutora (prata). O sensor é constituído por quatro camadas: uma base têxtil em algodão e poliéster, uma camada de poliuretano impressa no tecido para criar uma superfície suficientemente lisa para estampar os eléctrodos de prata (terceira camada) e uma quarta camada sensitiva, composta por tetrafluoroetileno sulfonado O efeito sensitivo é baseado na variação da impedância, sendo a condutividade dessa camada dependente da quantidade de humidade e da temperatura. Os autores verificaram que o sensor é insensível a pequenas dobras, mas abrem-se fendas sob ação de dobras maiores. No primeiro caso, há um ligeiro aumento na resistência dos eléctrodos, mas a influência da dobra na impedância do sensor é negligenciável. Se a dobra for muito acentuada, as deformações resultam em valores de resistência dos eléctrodos na ordem dos gigaohms e o sensor perde sensibilidade à humidade. Os testes demonstraram capacidades de medição de humidade relativa entre 30% e 90%, aproximadamente.
Figura 17) Protótipo do sensor [76].
Byrne [49] estudou o desenvolvimento um sensor de extensão para medição dos ângulos de articulações, utilizando diferentes técnicas e materiais. Os três sensores foram estudados para integrar uma manga de joelho que medisse os ângulos dos movimentos do joelho. A autora procurou várias formas de expressão da peça alienada a um bom funcionamento do sensor, deixando este de ser apenas um goniómetro para se transformar numa peça de moda com funcionalidades acrescidas. A primeira solução apresentada foi produzida em malha rib 1x1 com fio condutor tricotado juntamente com o fio de lã. A segunda alternativa é uma manga com pregas que abrem com o movimento do joelho, usando tinta condutora impressa ao longo das pregas, que obtém melhor contacto quando as pregas estão fechadas. Verificando que ambas as soluções não eram viáveis do ponto de vista funcional, decidiu explorar o bordado, criando um calça de compressão em malha com um bordado condutor no joelho, nas versões homem e senhora. Das duas versões, verificou que a de homem era a que tinha maior precisão, provavelmente dada a simplicidade do desenho, em comparação com a versão de senhora.
O que é interessante analisar projecto de Byrne é a abordagem conduzida pela autora. Para além de se preocupar apenas com o correcto funcionamento do sistema, também se preocupou em trabalhar a expressão da peça e, em particular, do próprio sensor. Este é um dos mais recentes projectos de investigação em sensores de extensão têxteis (2014), notando-se a evolução da investigação nessa área. Enquanto os primeiros trabalhos se focavam exclusivamente na tecnologia, os projectos mais recentes trabalham os sensores têxteis do ponto de vista da função e da expressão do material.
2.3.2. Eléctrodos Têxteis
Vários estudos sobre o desenvolvimento de eléctrodos têxteis secos têm surgido na literatura científica, com especial foco na electrocardiografia [51, 81-88] e na electromiografia [51, 85-95]. Outros exemplos incluem a electro-oculografia [88] e a electroencefalografia [95].
Algumas técnicas e materiais utilizados incluem tricotagem [51, 75, 82-88, 90, 95], tecelagem [82, 83, 91, 95] e bordado [84] com fios condutores (ex.: poliéster revestido com inox [82, 83] ou poliéster revestido de prata [75, 84, 94]); estamparia com tinta condutora [88, 89]; e revestimento com borracha condutora [80, 91].
Pola e Vanhala [96] recorreram a várias técnicas têxteis com fio condutor para produzir eléctrodos para ECG – tricotagem, tecelagem e bordado. Foram desenvolvidos quatro eléctrodos, um em malha, dois em tecido (um com o fio condutor na trama e o outro na teia) e um em bordado, com 20 mm por 50 mm de área, sensivelmente. Os mesmos foram integrados numa banda elástica para ser colocada sobre o tórax e ligam-se a um dispositivo com um cartão de memória para armazenamento de dados. Os testes foram realizados com os eléctrodos secos e molhados sem preparação da pele e secos com preparação da pele. Os resultados mostraram-se bastante positivos em todos os testes, sendo que a versão húmida dos eléctrodos teve sempre melhores resultados que os secos e semelhantes aos secos com preparação da pele. Isto indicia que o utilizador não terá que recorrer a processos de preparação da pele para usar os eléctrodos têxteis. Das quatro técnicas, o bordado demonstrou os melhores resultados.
Zhang et al. [97] desenvolveram eléctrodos EMG têxteis para reconhecimento de padrões de movimento e construção de uma prótese que utiliza esses sinais como input para execução de movimentos. Os eléctrodos foram produzidos com 20mm por 10mm e cada par foi colocado a uma distância de 20mm. Para se proceder aos primeiros testes, os mesmos foram inseridos em duas fitas largas de poliamida (dois pares numa e quatro pares na outra), vestidas no braço (Figura
20). Apenas um eléctrodo de referência foi usado para todos os pares de eléctrodos, situado no cotovelo, sobre a saliência óssea. Uma prótese virtual foi projectada para simular os movimentos da prótese real em função dos sinais detectados nos músculos dos braços correspondentes aos movimentos desejados – flexão e extensão de pulso, pronação e supinação do pulso e abertura e fecho da mão. Os testes revelaram níveis de precisão entre aproximadamente 56% e 98%, conforme o movimento e o número de repetições, sendo que a abertura e fecho das mãos obteve menor precisão que os restantes. Os mesmos testes foram conduzidos com eléctrodos convencionais, sendo as diferenças entre tipos de eléctrodos pouco significativas.
Figura 20) Fitas com os eléctrodos EMG [97]
Figura 21) Sinais EMG captados [97]
Löfhede et al. [95] propôs a criação de eléctrodos têxteis para encefalografia, como uma alternativa mais confortável aos métodos tradicionais. O principal objectivo não passava por obter o melhor eléctrodo possível, mas de perceber a viabilidade de usar estruturas têxteis para análise da actividade cerebral. Foram produzidos e testados dois tipos de eléctrodos têxteis – malha 78%PA/22%EA num banho de 99% de prata; malha 15%PA/20%EA/35%PP num banho de 30% de prata – e comparados com eléctrodos convencionais de 8 mm (esses também foram usados como referência). Uma banda elástica foi colocada sobre os eléctrodos têxteis para pressioná-los contra a cabeça. Os testes foram conduzidos de duas formas: com gel e com uma solução salina
– ambos com a frequência de amostragem de 1000 Hz. Os resultados dos testes revelaram uma boa correlação entre os elétrodos têxteis e os convencionais, acima de 0.7.
Figura 22) Posicionamento dos eléctrodos: fios branco) eléctrodos convencionais; fios preto) eléctrodos têxteis
Foi possível identificar vários requisitos para um melhor funcionamento dos eléctrodos através de uma revisão bibliográfica sobre eléctrodos têxteis e que terá especial relevância mais adiante, no desenvolvimento do projecto. Os principais requisitos são:
Impermeabilidade: de acordo com Wijesiriwardana e Mukhopadhyay [98], se o eléctrodo tiver uma membrana impermeável, o vapor de água expelido pelo corpo é mantido entre as superfícies do eléctrodo e da pele, funcionando como um eletrólito, como os géis condutores que se utilizam na eletromiografia convencional;
Densidade: um material com maior densidade terá uma melhor condutividade e contacto com a pele do que o mesmo material com menor densidade [88], o que significa que quanto maior a densidade, melhor o desempenho;
Alongamento e estabilidade: quando a malha estica, o número de contactos entre a pele e o eléctrodo aumentam, ao mesmo tempo que ocorrem mudanças nas propriedades eléctricas [82, 83] o que significa que, para diminuir a geração de ruído, a estrutura deve estar esticada quando em contacto com a pele, mas estável, ou seja, não deve haver variações de comprimento;
Rugosidade: um tecido rugoso tem menos pontos de contacto com a pele do que uma superfície lisa [99], portanto estruturas lisas deverão conseguir obter melhores sinais. Paul et al. [88] sugere que a impressão digital é mais compatível com electrónica plana do que técnicas baseadas em fio condutor e permitirá a integração dos componentes electrónicos e circuitos eléctricos durante um processo de fabricação homogéneo ao contrário da tecelagem ou
a tricotagem. Do mesmo modo, a tricotagem permite essa integração através de jacquard, como será demonstrado posteriormente.
Um dos motivos por que se opta pelo desenvolvimento de eléctrodos têxteis é que esses permitem o uso prolongado sem causarem desconforto. No entanto, os estudos sobre eléctrodos têxteis, em geral, demonstram resultados inferiores em comparação com os eléctrodos convencionais, sendo o contacto entre eléctrodo e pele o primeiro problema. Hidrogéis são usados para melhorar o contacto, mas criam irritação depois de várias horas de permanência sobre a pele [100].
2.4. O Método de Design no Vestuário Interactivo
2.4.1. Estudo dos Métodos
As metodologias de design de vestuário interactivo utilizam normalmente os métodos usados no desenvolvimento de vestuário funcional [101], embora esse tipo de metodologias possa já não ser suficiente. Segundo Mazé e Redström [102], ao desenhar com novos materiais (interactivos) é expandido o espaço de design, pelo que o designer terá que repensar os métodos adoptados no design de produto. Berglin et al. [103] sugere que a introdução desses novos materiais altera a forma como o designer terá que trabalhar e envolve a aquisição de novas técnicas e conhecimentos antes de começar a desenhar o objecto.
O design de vestuário interactivo é diferente do processo convencional, na medida em que é acrescentada a interacção ao método de design [12]. O design de interacção consiste num processo que se foca na criação, formação e decisão de atributos orientados para o uso de um artefacto digital [104] e determina o valor da comunicação entre o sistema e o sujeito e a qualidade da experiência de utilização [105]. Projectar a interacção requer uma transposição do objecto para as acções que determinam o uso do objecto, isto é, o design de interacção é a projecção das acções que determinam o uso de coisas e sistemas [106].
Dunne [107] apresenta um típico processo de design de vestuário funcional dividido em nove etapas: 1) identificação do utilizador e 2) dos seus requisitos, 3) identificação dos requisitos arquitectónicos, 4) design preliminar, 5) identificação de decisões de design, 6) selecção de alternativas, 7) identificação de critérios de avaliação, 8) avaliação das alternativas e 9) selecção da solução. O processo de design começa pela análise antecipada dos requisitos do utilizador, identificando necessidades físicas, psicológicas e sociais. A análise dos requisitos arquitectónicos refere-se ao estudo de variáveis periféricas, ou seja, ao conjunto de agentes externos que interagirão com o objecto. O design preliminar inicia-se após a avaliação dos requisitos anteriores e várias alternativas de solução são geradas e avaliadas. A melhor solução é transformada em protótipo, posteriormente sujeitado aos devidos testes (laboratoriais ou de campo). Os ensaios permitem perceber se o objecto carece de alterações e quais as que devem ser feitas. A autora indica esse processo como uma possibilidade para design de vestuário interactivo.
McCann et al. [108] propõem um método de desenvolvimento de vestuário interactivo que se inicia com a análise dos requisitos do utilizador. Os autores defendem que o designer deve conhecer em profundidade o utilizador e usar essa informação para tomar decisões relacionadas com aspectos
funcionais e estéticos do vestuário. Uma vez que o vestuário permanece junto ao corpo durante um longo período de tempo, é necessário estar consciente dos parâmetros fisiológicos e requisitos do utilizador, sejam físicos, psicológicos ou sociais [107]. As necessidades humanas podem ser entendidas ao nível do corpo, actividade, cultura ou da estética. O processo continua com a pesquisa e selecção de materiais, desenvolvimento da peça de vestuário (passa por processo de determinação de medidas, desenvolvimento de padrões, escalamento, prototipagem inicial e provas), integração da tecnologia (fontes de tensão, unidades de processamento…) e termina na produção [108]. A ideia de um processo que foca na experiência de utilizador é também defendida por Shifferstein e Hekkert [109], em como o designer começa por compreender e modelar um conceito de experiência ainda antes de considerar um tipo de produto específico.
Ariyatum et al. [101] resumem algumas metodologias adoptadas em projectos de vestuário interactivo. No projecto Computation Technology as Expression Elements of Fashion, o processo começa com uma revisão bibliográfica e identificação do espaço de design, passando para a identificação de parâmetros de design e avaliação, construção de protótipo inicial e redesign após análise, projecção da versão final. O projecto Smart Jacket começa com a identificação de requisitos do utilizador e das suas necessidades, seguindo-se a definição de requisitos arquitectónicos, design estético preliminar, divisão de categorias e exploração de alternativas de solução para cada uma, identificação de critérios de avaliação e análise e selecção da melhor solução desenhada.
No projecto Computation Technology as Expression Elements of Fashion, bem como nas metodologias anteriormente referidas, é visível uma abordagem direccionada para a exploração dos materiais e construção de um protótipo primário como forma de recolha da informação necessária para desenhar o objecto final. O protótipo surge como uma ferramenta de projecção de ideias e de avaliação das soluções, tal como esboços, diagramas ou cenários, através do qual o designer transmite o conceito e o conhecimento necessário à concepção do produto, como? sugerido por Stappers [110].
2.4.2. Exemplo Prático: Sensvest
Knight et al. [111] reportam o processo de design de vestuário com sensores integrados para medição de sinais fisiológicos – Sensvest – centralizado nas necessidades do utilizador. São discutidas questões relacionadas com a ergonomia, como o posicionamento dos sensores e
aspectos que costumam surgir vulgarmente em aparelhos médicos e desportivos, o produto foi criado para fins educativos, isto é, para ser usado por adolescentes do terceiro ciclo e secundário como forma de ampliar a sua experiência de educação, através do conhecimento da actividade física.
Depois de se discutirem os requisitos do produto com os professores e educadores de infância e de se explorarem várias opções tecnológicas, ficou decidida a implementação de sensores para medir o batimento cardíaco, a temperatura do corpo e o movimento, este último com acelerómetros. Um processador, uma unidade de condicionamento de sinal e um ecrã também tiveram que ser adicionados. A localização da tecnologia no corpo segue três premissas: 1) a informação recolhida dos sensores tem que ser relevante, 2) usar os dispositivos vestidos no corpo não deve interferir com as actividades da criança e 3) a camisola tem que ser confortável. Os eléctrodos para medição do batimento cardíaco foram colocados no pulso, sobre a artéria radial – zona onde os sinais cardíacos são fáceis de extrair – o sensor de temperatura ficou na zona da cava e os acelerómetros foram montados na cintura e (biaxial) na anca. Os restantes componentes ficaram centralizados na zona superior das costas, embora tivessem também sido consideradas as zonas do peito (que seria desconfortável para as mulheres) e ancas (poderia interferir com alguns movimentos). Aquela zona foi escolhida porque seria precisa uma grande área para localizá-los, e que não interferisse com o movimento.
Vários problemas foram identificados e várias alterações tiveram que ser feitas ao nível do design. A camisola era demasiado grossa, pesada (depois de adicionada a tecnologia) e quente (para o clima local). Os dispositivos criavam muito peso na zona e não estavam suficientemente fixos, pelo que se moviam contra o corpo, tornando a peça desconfortável. Alguns workshops durante os quais foi testada a peça ajudaram a definir algumas mudanças na peça, a começar pela transformação da camisola num colete, que é mais leve e fresco que a peça original. Essa mudança teve implicações ao nível dos sensores, uma vez que um colete não tem mangas para colocar os sensores de batimento cardíaco no punho ou os acelerómetros dos braços, por isso, passaram a ser inicialmente posicionados no corpo com fita adesiva cirúrgica, mantendo a sua ligação ao dispositivo central. Para localização dos restantes componentes electrónicos, são mantidos os bolsos originais para posicionamento do processador e das unidades de comunicação e ECG e são adicionados dois bolsos na zona inferior das costas, para colocação posterior de unidades de acelerometria para ligar às pernas. Os acelerómetros nos braços e os sensores para medição do batimento cardíaco passaram a ser vestidos com fita de velcro, em vez da original fita
adesiva, embora mantendo-se conectados por fio condutor ao sistema central. De acordo com os autores, isso altera o paradigma de material descartável para um acessório que pode ser usado continuamente. O colete tem fecho na frente e sistema de ajuste com velcro para se adaptar aos diferentes tamanhos. Os testes conduzidos revelaram que as modificações surtiram efeitos positivos. A nova peça não dificulta a actividade física e, como está mais justa ao corpo que a camisola original, o sistema electrónico mantém-se firme, ou seja, não se move junto do corpo, nem bate contra o corpo durante a corrida.
2.4.3. Análise do Método de Design e do Conceito de Interacção em Noise
O Noise [112] é um projecto que explora a luz no vestuário enquanto manifesto visual do ruído, partindo do princípio que é mais difícil ignorar uma imagem do que um som. O ponto de partida do projecto segue a ideia de Shifferstein e Hekkert [109], na medida em que é definido um conceito e tipo de interacção antes de se considerar um produto específico.
O projecto encontra-se dividido em duas provas de conceito diferentes, nas quais são introduzidas alterações no método de design. Em ambos os casos, após a definição de conceito, foi decidido que o vestuário seria a plataforma que daria forma à comunicação do som através da luz, mas são desenhadas e desenvolvidas peças distintas.
Inicialmente, foram desenhadas várias peças e uma foi escolhida para representação material no conceito, em função da sua relação com o mesmo. O substrato têxtil foi selecionado de acordo com a expressão que se pretendida dar à peça. O resultado foi um vestido preto em malha jersey que mostraria, através de LEDs, diferentes cores em várias zonas do corpo, conforme o nível de ruído.
Um primeiro protótipo do vestido foi construído, ainda sem a integração dos LEDs, de modo a avaliar a expressão da peça e fazer as devidas provas no corpo. Inicialmente, pensou-se que se poderia colocar as fitas LEDs sobre a superfície da peça, o que significa que as fitas e os fios condutores ficariam visíveis. Noutras situações, a ostentação da tecnologia pode ser pertinente, mas a expressão criada não era a pretendida. Por motivos estéticos, ficou decidido que as fitas de LED seriam inseridas numa camada interior e apenas os LEDs ficariam visíveis, o que levou a repetir o processo de cortar e montar o vestido, tendo sido acrescentada nas medidas da peça a folga necessária para introduzi-los. Foi estudada a possibilidade de manter os LEDs por trás do tecido, mas o preto absorve muito a a luz do espectro visível, significando que a luz iria ser expressa
com os LEDs, passando estes a se manifestarem no exterior da peça, desenhando um padrão de pontos brancos quando o sistema estivesse desligado.
Fitas de LED de uma cor foram escolhidas como o material emissor de luz, nas cores verde, azul e vermelho (tal como o sistema RGB). As fitas foram cortadas em várias segmentos para depois serem espalhados pelo corpo e diferentes formas de reconectar as fitas foram estudadas, incluindo costura com fio condutor. Por motivos tanto estéticos com funcionais, os restantes componentes electrónicos – unidade de processamento, detector de som e bateria – ficaram localizados nas costas, dentro de um bolso. Dois problemas funcionais foram encontrados durante o processo: o contacto entre o fio têxtil e a fita de LED, através de técnicas de costura, não era suficientemente forte para suportar o movimento; e, porque os fios não estavam isolados, a construção dos circuitos eléctricos necessários para ligar ao sistema central todos os conjuntos de LEDs – frente e costas, saia, mangas e capuz multiplicados por três cores – revelou-se impossível, porque não era possível desenhar um circuito em duas dimensões sem que os fios se tocassem. O protótipo não ficou, portanto, totalmente operacional (apenas algumas zonas conseguiam receber sinal eléctrico e emitir luz), sendo necessários novos estudos para tornar a peça operacional.
Contudo, a experiência adquirida através da exploração dos materiais e os problemas encontrados durante a primeira prova de conceito providenciou a aquisição dos conhecimentos e técnicas necessárias à construção de um segundo protótipo, conquanto desta vez tivesse sido decidido recomeçar com um novo tipo de peça. O vestido preto transformou-se num casaco de homem branco e o padrão desenhado pelos LEDs passou a estar escondido por detrás de uma camada de tecido translúcido que protege o material luminoso de condições atmosféricas, em particular da chuva, ao mesmo tempo que permite a passagem de luz, expressando-se de forma difusa. A zona do casaco onde se encontram os LEDs é constituída por várias camadas de materiais, entre as quais estão inseridas as fitas. A camada interior é uma superfície têxtil (tafetá 100% poliamida) sobre a qual estão coladas as fitas. À frente dos LEDs, está uma outra camada opaca de tecido de microfibras 100% poliéster que tapa a parte da fita, mas deixa ver o LED através de ilhós metálicos. A camada exterior corresponde a uma camada de tecido translúcido que protege os LEDs da humidade, ao mesmo tempo que deixa passar a luz. As fitas foram cortadas em vários segmentos e dispostas no escapulário da frente e das costas desenhando várias riscas verticais paralelamente entre si. Fios multifilares metálicos foram soldados para fazer a ligação entre os vários segmentos. O desenho do padrão de fita LED inicia-se na zona inferior esquerda das costas, sobe e passa pelos ombros para a frente formando três linhas, volta para as costas fazendo mais
