Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA PORTÁTIL PARA REGISTRO DO ELETROENCEFALOGRAMA F. Iaione, J. L. B. Marques Grupo de Pesquisas em Engenharia Biomédica - Departamento de Engenharia Elétrica – Centro Tecnológico Universidade Federal de Santa Catarina - Campus Universitário - Trindade - Florianópolis - Brasil - CEP 88040-900 iaione@gpeb.ufsc.br 2. METODOLOGIA RESUMO O objetivo desse trabalho foi desenvolver um sistema eletrônico portátil para aquisição e armazenamento de uma derivação de eletroencefalograma (EEG). Suas funções serão coletar sinais de EEG para verificação de alterações eletroencefalográficas, durante a noite principalmente, e futuramente, sinalizar a ocorrência de certos eventos no sinal de EEG. O sistema é constituído por um Palmtop PC e por um módulo desenvolvido para o condicionamento do sinal de EEG. O módulo construído possui amplificadores, filtros, conversor analógico/digital e um microcontrolador. As amostras do sinal são transferidas através da porta serial para o Palmtop PC, que visualiza o sinal e armazena-o. O sistema possibilita registrar 20 segundos de EEG em intervalos de 5 minutos, durante aproximadamente 10 horas. O sistema foi testado através da aquisição de ondas senoidais conhecidas, possibilitando a confirmação da resposta em freqüência calculada, e através da aquisição de sinais reais de EEG, em 5 pacientes. Os sinais adquiridos são apresentados. Palavras chave: instrumentação, eletroencefalograma, palmtop. monitoração, 1. INTRODUCÃO Atualmente, inúmeros trabalhos estão sendo desenvolvidos, na área de processamento de sinais, com o objetivo de encontrar alterações no sinal de EEG que possam alertar sobre problemas neurológicos futuros, ou detectar a ocorrência de determinadas condições neurológicas de risco [3], [4], [5]. No desenvolvimento desses trabalhos, geralmente deparase com o problema da falta de sinais de EEG registrados nas condições desejadas. Além disso, muitos desses trabalhos necessitam de sinais coletados com o paciente desenvolvendo sua rotina diária normal [3], [4], [5]. Dado o exposto, construiu-se um sistema eletrônico portátil para aquisição de uma derivação de EEG. O sistema pode ser usado para registrar sinais que serão utilizados no modelamento de doenças ou eventos eletroencefalográficos, ou ainda, na detecção em tempo real, através da inclusão dos modelos (processamento) resultantes dos trabalhos de pesquisa. Os aparelhos comerciais encontrados no mercado para essa função apresentam um custo que inviabiliza a utilização, até mesmo para pesquisa em alguns casos. O protótipo construído para aquisição do sinal de eletroencefalograma (EEG) possui o diagrama de blocos de Figura 1. AMP PROTEÇÃO FILTRO PB1 FILTRO PB2 CONVERSOR A/D AI REGULADOR +5V ANALÓGICO BATERIA (6V) REGULADOR +5V DIGITAL FILTRO PA MICROCONTRO LADOR CONVERSOR TTL/RS-232 PC Fig. 1. Diagrama de blocos do circuito para aquisição do sinal de EEG. O circuito possui três eletrodos para captação do sinal de EEG no escalpo do paciente. Dois são as entradas do amplificador de instrumentação (AI) e um é a referência do circuito (+2V). Essa referência, conectada ao escalpo, proporciona uma tensão em modo comum nas entradas do AI de aproximadamente +2V, o que é desejável, já que o AI é alimentado com 0V e +5V. Cabe observar que o protótipo trabalha totalmente isolado da rede elétrica e sem nenhum aterramento, assim não existe diferença de potencial entre a referência de +2V e o potencial de terra (solo). O circuito de proteção é constituído por resistores e diodos e sua função é limitar a tensão entre os três eletrodos, em 0,6V. Isso proporciona uma proteção para o aparelho e principalmente para o paciente. Em caso de falha, a corrente máxima que circularia pelo escalpo seria de aproximadamente 54µA, isso sem levar em consideração a impedância entre os dois eletrodos, que faria a corrente ter um valor menor ainda que o citado. O filtro PB1 é um filtro passa-baixas RC de ordem 1 e está localizado entre as duas entradas do AI. Esse filtro tem a finalidade de eliminar os sinais de rádio-freqüência que atingem os cabos dos eletrodos. Sua freqüência de corte é de 710,5 Hz [2]. O AI é um INA118 (Burr-Brown) e foi configurado para um ganho fixo de 112. Esse amplificador proporciona uma primeira amplificação do sinal captado pelos eletrodos. O filtro PA é um filtro passa-altas RC de ordem 1 cuja finalidade é eliminar as componentes de baixa freqüência do sinal, como por exemplo, o potencial de meia-célula dos eletrodos e tensões de desvio (offset) do AI. A freqüência de corte desse filtro é de 0,16 Hz [1]. 950-7132-57-5 (c) 2001, Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo 00207 O amplificador AMP é um amplificador não inversor baseado no operacional LMC6484. Seu ganho foi ajustado em 250 e sua função é proporcionar uma segunda amplificação no sinal de EEG, totalizando junto com o AI um ganho de aproximadamente 28000. O filtro PB2 é um filtro passa-baixas Butterworth de ordem 2, construído em torno de um operacional LMC6484. A freqüência de corte (-3dB) é de 22,5 Hz e sua função é limitar o sinal de EEG à faixa de freqüências de interesse clínico, além de servir como filtro antialiasing [6]. O conversor analógico/digital utilizado é um MAX187 (Maxim), que é de 12 bits e possui uma referência interna de 4,096V. Esse conversor possui um protocolo de comunicação serial e é controlado por um microcontrolador AT89C2051 (Atmel), proporcionando 240 amostras por segundo. As linhas RXD e TXT do microcontrolador passam por um conversor TTL/RS-232 do tipo MAX3223 (Maxim), que possibilita a conexão na porta serial de um Palmtop PC. Cabe observar que se utilizou a tensão de referência interna do conversor para gerar a tensão de referência de todo o circuito (+2V), através de um divisor de tensão e um amplificador operacional configurado como seguidor de tensão. O circuito é alimentado por uma bateria recarregável de NiCd de 6V (1200mAh), cuja tensão é regulada separadamente em 5V, para os circuitos analógicos e digitais. O consumo do protótipo é de aproximadamente 20mA. Para recarga da bateria foi construído um recarregador externo baseado no circuito integrado MAX713. O tempo máximo de recarga é de 3 horas. A placa de circuito impresso e a bateria foram alojadas em uma caixa plástica conforme pode ser visto na Figura 2. Fig. 2. Foto do protótipo (caixa aberta) construído para aquisição de uma derivação de EEG. A Tabela 1 mostra o erro percentual de fundo de escala que cada parâmetro gera nos diversos blocos do circuito de aquisição. Cabe observar que os erros de zero (offsets) do amplificador de instrumentação são eliminados pelo filtro passa-altas. O valor total encontrado está na faixa dos aparelhos considerados “de precisão”. Tabela I Erro percentual de fundo de escala para cada bloco do circuito de aquisição Bloco √( E%F.E)2 Amplif. de instrumentação 0,794 Amplificador 0,715 Filtro PB2 0,11 0,538 Conversor analógico/digital TOTAL = √( E%F.E) 2 1,201 Para verificação prática da resposta em freqüência do protótipo utilizou-se um esquema conforme a Figura 3. Gerador de sinais VAMPL = 1 Vpp V1 C1 100n R1 560 Ohms R2 330k Vd = 59,4 uVpp Entrada (+) R3 19,6 Ohms Vd Entrada (--) SASEEG01 Referência Fig. 3. Esquema utilizado para verificação prática da resposta em freqüência do SASEEG (Sistema de aquisição de sinais de EEG). Foi realizado o registro de vários sinais senoidais, um para cada freqüência desde 2 Hz até 30 Hz, em intervalos de 2 Hz. A tensão aplicada ao divisor foi mantida sempre em 1 Vpp. Os dados armazenados no Palmtop PC foram transferidos para um PC e analisados. O programa para o microcontrolador foi desenvolvido em linguagem C e seu fluxograma aparece na Figura 4 [7]. O aplicativo para o Palmtop PC foi desenvolvido utilizando-se o programa Visual C++ 5.0 e o Windows CE Toolkit for Visual C++ 5.0 Beta, que foram instalados em um PC desktop. Depois da compilação, o aplicativo é transferido para o Palmtop PC através da porta serial. Para a construção do aplicativo utilizou-se a Interface para Programação de Aplicativos Win 32 (Win32 API), que é largamente utilizada no desenvolvimento de aplicativos para todas as plataformas Windows de 32 bits (Windows 95/98, Windows NT e Windows CE). O Windows CE é um sistema operacional compacto e altamente eficiente que está sendo usado em uma grande variedade de produtos específicos, desde Palmtop PCs até controladores industriais especializados e dispositivos eletrônicos comuns [8], [9]. A Figura 5 mostra uma foto de todo o sistema para aquisição de sinal de EEG, composto pelo protótipo desenvolvido e pelo Palmtop PC. 3. RESULTADOS Início Inicializa uC e variáveis A Figura 7 mostra a resposta em freqüência medida e a resposta teórica calculada. Envia caracteres pela porta serial => Início da transmissão: Entra em modo IDLE (sai quando ocorrer uma interrupção do Timer 0 Já ocorreram 15 ints. do Timer 0 (c.i. = 14) ? NÃO SIM tempo entre ints = 277,7...uS Freq. amos. = 240 Hz Lê CAD Envia byte mais significativo Envia byte menos significativo Chegou algum byte pela UART serial ? (RI = 1 ?) NÃO SIM NÃO O byte recebido é 't' ? SIM Envia caracteres pela porta serial => *Sistema de EEG detectado, GPEB-UFSC) Fig. 4. Fluxograma do programa desenvolvido para o microcontrolador. Fig. 7. Resposta em freqüência medida e resposta em freqüência teórica. A faixa de 4 à 13Hz é usada por alguns algoritmos na detecção de hipoglicemia. A Figura 8 mostra segmentos dos sinais adquiridos de diferentes pacientes e os espectros de potência. O espectro de potência foi obtido a partir de uma aquisição com 5120 amostras. Essas amostras foram inicialmente filtradas por um filtro digital passa-faixa Butterworth de ordem 10, com freqüências de corte 0,17Hz e 45Hz. Prosseguindo, o sinal foi dividido em 10 segmentos de 512 amostras e cada segmento teve seu valor médio subtraído. Os segmentos foram multiplicados por uma janela do tipo Hanning e tiveram suas transformadas de Fourier calculadas, cujas magnitudes foram elevadas ao quadrado para obtenção do espectro de potência. Por último, realizou-se uma média dos 10 espectros de potência. O processamento foi realizado com o Matlab. 4. DISCUSSÃO Figura 5. Sistema completo para aquisição de um canal de EEG. O sistema foi testado na aquisição de sinais reais de EEG em 5 pacientes, utilizando-se a derivação C3-A2 e com o eletrodo de referência em A1 (Figura 6). Fig. 6. Posicionamento dos eletrodos no escalpo. Um ponto crítico na construção de sistemas de aquisição alimentados com baixa tensão, 5V por exemplo, é a seleção do ganho do amplificador de instrumentação (AI). Esse ganho deve ser relativamente baixo (<150) para evitar que o AI sature em função do nível C.C. resultante da diferença dos potenciais de meia-célula dos eletrodos. Em um sistema com alimentação convencional, ±15V, a diferença dos potenciais de meia-célula é amplificada e mesmo assim não satura a saída do AI, que pode variar de –15V à +15V. Já em um sistema com alimentação unipolar de 5V, a saída do AI pode variar entre 0V e 5V, o que torna o sistema mais suscetível à saturação. Cabe observar nessa comparação que se considerou amplificadores com capacidade fonte a fonte (rail to rail). Percebe-se na Figura 7 uma pequena diferença no módulo das respostas teórica e medida. Essa diferença já era esperada em função das tolerâncias dos componentes e dos erros de medição. Cabe observar que vários algoritmos usados para detecção de alterações no eletroencefalograma não se baseiam em valores absolutos dos parâmetros do sinal de EEG e sim nas variações destes. Assim, espera-se que a diferença da resposta em freqüência na faixa de interesse clínico (0,5 Hz a 30 Hz) não traga problemas significativos. Pode-se observar na Figura 8 que os sinais de EEG registrados apresentam componentes de freqüência maiores na faixa de 1 à 7Hz (padrões delta e teta). Entretanto, deve-se levar em consideração a resposta em freqüência do sistema (Figura 7), para não realizar uma avaliação errônea. 5. CONCLUSÕES Dado o exposto, percebe-se que o protótipo apresentou um desempenho satisfatório, considerando que seja utilizado com algoritmos que detectem variações nos parâmetros do sinal de EEG, e não valores absolutos. Como por exemplo, alguns algoritmos para detecção de hipoglicemia. O sistema, em uma segunda versão, poderia utilizar um filtro passa-baixas (PB2) de ordem e freqüência de corte maiores, proporcionando assim uma resposta em freqüência plana em toda faixa de interesse clínico. Além disso, a substituição da transmissão serial via cabo por um sistema baseado em IV (infravermelho), traria mais flexibilidade ao sistema. Através da comunicação por IV poderia-se usar um computador desktop no lugar do Palmtop PC, e assim, registrar ou processar continuamente o sinal durante toda à noite, por exemplo. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Fig. 8. Segmentos dos sinais de EEG adquiridos em 5 pacientes e os espectros de potência. M. T. Campelo, “Monitor de Atividade Cerebral Baseado em Microcontrolador”, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, 1997. Micropower, Single and Dual Supply Rail-to-Rail Instrumentation Amplifier AD627. Rev. A - Analog Devices, Inc., 1999. Chalew S.A., Sakamoto R.N. McCarter R., Hanukoglu A., Kowarski A.A.. Quantitative Monitoring of Brain Function, Vital Signs, and Hormonal Response During Acute Insulin-Induced Hypoglycemia. Journal of Clinical Monitoring. Vol. 5, No. 4, October 1989. Bendston I., Gade J., Rosenfalk A. M., Thomsen C.E., Wildsschiodtz G., Binder C.. Nocturnal electroencephalogrm registration in Type 1 (insulin-dependent) diabetic patients with hypoglycaemia. Diabetologia. Vol. 34, 1991. Gade J., Rosenfalck ª , Bendston I.. Detection of EEG Patterns Related to Nocturnal Hypoglycemia. Methods of Information in Medicine. Vol. 33, 1994. Garret, Patrick H. Advanced Instrumentation and Computer I/O Design. IEEE Press, EUA, 1994. M. E. Moraes, “C-Compiler-51 - User’s guide 3.89”, Keil Elektronik GmbH, 1988. “Introducing the Windows CE Embedded Toolkit for Visual C++ 5.0”, Microsoft Corporation, 1997. “The Win32 Programming: A Primer for Embedded Software Developers”, Microsoft Corporation, 1997. DEVELOPMENT OF A PORTABLE SYSTEM FOR RECORDING THE ELECTROENCEPHALOGRAM ABSTRACT The objective of this work is to develop a portable electronic system for aquisition and record of one electroencephalographic (EEG) derivation. The system collects the EEG signals for electroencephalographic changes evaluation, specially at night, and detects events occuring in the EEG signal. The device is constituted of a Palmtop PC and a module for EEG signal conditioning. The module contains amplifiers, filters, analog/digital converter and a microcontroler. The signal samples are transfered to the Palmtop PC through the serial port, where the signals are shown and recorded. The system allows 20 seconds EEG recording every 5 minutes, during 10 hours approximately. The system was tested using known sinusoidal waves, that allows the theoretical frequency response confirmation. The aquisition of EEG signals from 5 pacients was also carried out. These signals are showed and analyzed. Key-words: instrumentation, monitoring, electroencephalogram, palmtop. View publication stats