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CARLOS ALEXANDRE FERRI NEUROESTIMULADOR MICROCONTROLADO PARA UTILIZAÇÃO EM PROCEDIMENTOS ANESTÉSICOS LONDRINA 2009
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CARLOS ALEXANDRE FERRI
NEUROESTIMULADOR MICROCONTROLADO PARA UTILIZAÇÃO EM PROCEDIMENTOS ANESTÉSICOS
LONDRINA
2009
CARLOS ALEXANDRE FERRI
NEUROESTIMULADOR MICROCONTROLADO PARA UTILIZAÇÃO EM PROCEDIMENTOS ANESTÉSICOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina. Orientador: Prof. Dr. Ernesto F. Ferreyra Ramírez
Londrina 2009
CARLOS ALEXANDRE FERRI
NEUROESTIMULADOR MICROCONTROLADO PARA UTILIZAÇÃO EM PROCEDIMENTOS ANESTÉSICOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina.
COMISSÃO EXAMINADORA
____________________________________ Prof. Dr. Ernesto F. Ferreyra Ramírez
Universidade Estadual de Londrina
____________________________________ Prof. Dr. Walter Germanovix
Universidade Estadual de Londrina
____________________________________ Prof. Dr. Ruberlei Gaino
Universidade Estadual de Londrina
Londrina, 02 de dezembro de 2009.
DEDICATÓRIAS
- A Minha Família, que nos momentos de minha ausência dedicados
ao estudo, sempre fizeram entender que o futuro, é feito apartir da
constante dedicação no presente !!!
- A minha namorada Gisele Silva de Aquino que tanto me apoiou,
incentivou e acreditou no trabalho realizado!!!
- Por final, à aquele, que me permitiu tudo isso, ao longo de toda a
minha vida, e, não sómente nestes anos como universitário, à você meu
DEUS, obrigado, reconheço cada vez mais em todos os meus momentos,
que você é o maior mestre, que uma pessoa pode conhecer e reconhecer!!!
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao meu orientador, prof. Dr. Ernesto Fernando Ferreyra
Ramírez, não só pela possibilidade de realização deste trabalho, mas especialmente
pela sua amizade repleta de grandes conselhos e por seu exemplo de dignidade.
Ao professor Dr. Walter Germanovix por todo o apoio e dedicação
prestada e, o mais importante, me instigar cada vez mais na busca ao
conhecimento.
Ao professor Dr. Ruberlei Gaino por dividir parte do seu
conhecimento sobre neuroestimulação comigo.
A professora Msc. Maria Bernadete de Morais França pelo apoio na
realização deste trabalho e pelo incentivo e ajuda no plano de pós-graduação.
Ao professor Dr. Carlos Henrique Gonçalves Treviso pela paciência
e esclarecimentos nas mais diversas duvidas.
Ao professor Dr. Marcelo Carvalho Tosin pelo auxílio na confecção
da parte digital deste trabalho.
Aos meus amigos e amigas, minha segunda família, que
fortaleceram os laços da igualdade, num ambiente fraterno e respeitoso!
“O homem erudito é um
descobridor de fatos que já existem -
mas o homem sábio é um criador de
valores que não existem e que ele faz
existir.”
Albert Einstein
i
FERRI, Carlos Alexandre. Neuroestimulador microcontrolado utilizado em procedimentos Anestésicos. 2009. 137pg. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2009.
RESUMO
Nas últimas duas décadas, o uso de estimuladores elétricos de
nervos periféricos, também conhecidos como neuroestimuladores, tem sido
disseminado entre os médicos anestesiologistas. Esses equipamentos são
considerados muito úteis nos procedimentos de anestesia regional e geral,
pois, respectivamente, ajudam a encontrar o melhor local para colocar a agulha
no paciente, reduzindo o risco de lesões nos nervos e melhorando a qualidade
dos bloqueios periféricos e permitem monitorar o estado de relaxamento
neuromuscular decorrente do uso de anestésicos, o qual permite ao
anestesiologista melhor avaliar a intensidade do bloqueio neuromuscular. Para
desenvolver este sistema, de forma a mantê-lo portátil, utilizou-se do
microcontrolador da freescale HCS08AC32, o qual controla todos os
parâmetros necessários a neuroestimulação, ou seja, largura do pulso,
frequência e intensidade do estímulo, bem como aos padrões de estimulação
(Simples, Tetânico, Pós-tetânico, DBS e TOF). Os avisos e informações ao
usuário são feitos via LCD, Buzzer e LED possibilitando duplicidade de avisos.
Para geração do sinal nos eletrodos foi empregado um circuito espelho de
corrente permitindo, desta forma, controle da carga (Q) lançado ao paciente.
Como alimentação ao espelho de corrente, um flyback (alimentado com 18V)
com saída de 70V foi anexado ao sistema. Ao comparar os dados obtidos pelo
neuroestimulador desenvolvido com outro presente no mercado verificou-se
boa similaridade. Isto nos permite concluir que o equipamento desenvolvido
está dentro do esperado bastando realizar algumas melhorias na parte de
potência a fim de diminuir as distorções no formato de onda.
Palavras-chave: Neuroestimulação. Microcontrolador. Anestesia. Espelho de corrente.
ii
FERRI, Carlos Alexandre. Microcontrolled Neuroestimulador used in procedures Anaesthetics. 2009. 137 pg. Trabalho de Conclusão de Curso
(Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina,
Londrina, 2009.
In last the two decades, the use of electric stimulators of
peripheral nerves, also known as neurostimulators, has been spread between
the anesthesiologists doctors. These equipment is considered very useful in the
regional and general anesthesia procedures, therefore, respectively, they help
to find optimum place to place the needle in the patient, reducing the risk of
injuries in the nerves and improving the quality of the peripheral blockades and
allow to monitor the relaxation state to neuromuscular decurrent of the use of
anaesthetics, which allows the anesthesiologist best to evaluate the intensity of
the blockade to neuromuscular. To develop this system, of form to keep it
portable, it was used of the microcontroller of freescale HCS08AC32, which
controls all the necessary parameters the neurostimulation, either width of the
pulse, frequency and intensity of I stimulate it, as well as the standards of
stimulation (Single Twitch, Tetanic, Post-tetanic, DBS and TOF). The warning
and information to the user are made way LCD, Buzzer and LED having made
possible duplicity of acknowledgments. For generation of the signal in the
electrodes a circuit was used chain mirror allowing, in such a way, control of the
load (q) launched the patient. As feeding to the current mirror, a flyback (fed
with 18V) with output of 70V was annexed to the system. By comparing the data
obtained by the neurostimulator developed with another present in the market
there was good similarity. This allows us to conclude that the equipment
developed is as expected simply make some at the power in order to reduce
distortions in the waveform.
Key words: Neurostimulation. Microcontroller. Anesthesia. Current mirror.
iii
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1.1: OS NERVOS PERIFÉRICOS (FONTE: [5]). ............................................... 4
FIGURA 1.2: O NERVO PERIFÉRICO MISTOS (FONTE: [6]). ......................................... 5
FIGURA 1.3: O NEURÔNIO MODIFICADO DE (FONTE: [8]). ......................................... 6
FIGURA 1.4: ZONA SINÁPTICA. (MOD. DE: [9]). ........................................................ 8
FIGURA 1.5: POTENCIAIS DE AÇÃO DE TRÊS TIPOS DE CÉLULAS DE VERTEBRADOS
(FONTE: [10]). ............................................................................................. 10
FIGURA 1.6: POTENCIAL DE AÇÃO DE UM NERVO ILUSTRANDO OS PERÍODOS
REFRATÁRIOS ABSOLUTOS E RELATIVOS ASSOCIADOS (FONTE: [10]). ............... 10
FIGURA 1.7: TRANSMISSÃO NEUROMUSCULAR ...................................................... 11
FIGURA 2.1: A RESPOSTA (A) SUBLIMIAR E (B) SUPRALIMIAR DE UMA FIBRA NERVOSA
PARA UM ESTÍMULO EXTRACELULAR. (FONTE: [15]). ........................................ 14
FIGURA 2.2: CIRCUITO EQUIVALENTE DA PELE (FONTE: (8)). .................................. 16
FIGURA 2.3: INFLUÊNCIA DA FREQUÊNCIA (FONTE: [17]) ........................................ 17
FIGURA 2.4: PROPRIEDADES DE ESTIMULAÇÃO DAS FIBRAS NERVOSAS. (A)
INTENSIDADE-DURAÇÃO (B) CARGA-DURAÇÃO. (C) CORRENTE – DISTÂNCIA (D)
CORRENTE– DIÂMETRO (FONTE: [15]). ......................................................... 19
FIGURA 2.5: ESTRUTURA DE UMA FIBRA NERVOSA MIELINIZADA (FONTE: [15]) ......... 21
FIGURA 2.6: ESTIMULAÇÃO DE FIBRAS NERVOSAS COM PULSOS MONOFÁSICAS E
BIFÁSICAS (FONTE:[15]). .............................................................................. 22
FIGURA 2.7: ELETRODOS DE SUPERFÍCIE [20]. ...................................................... 24
FIGURA 2.8: ELETRODOS INTERNOS [20]. ............................................................. 25
FIGURA 3.1: FORMATO DO ESTÍMULO SIMPLES PARA A FREQUÊNCIA DE 1 E 0,1 HZ. . 26
iv
FIGURA 3.2: FORMATO DO ESTÍMULO TETÂNICO PARA A FREQUÊNCIA DE 50 HZ. ...... 27
FIGURA 3.3: FORMATO DO ESTÍMULO TOF ........................................................... 28
FIGURA 3.4: FORMATO DA ESTIMULAÇÃO COM DUPLA SALVA DBS .......................... 29
FIGURA 5.1: TENSÃO-CONSTANTE E CORRENTE-CONSTANTE (MOD. DE: [18]). ......... 33
FIGURA 5.2: DIAGRAMA DE BLOCO DO MICROCONTROLADOR HCS08AC (FONTE: [24]).
.................................................................................................................. 35
FIGURA 5.3: ESPELHO DE CORRENTE BÁSICO (A) E CARACTERÍSTICAS DE SAÍDA DA
FONTE DE CORRENTE (B) ( MOD. DE: [25]). .................................................... 37
FIGURA 5.4: ESPELHO DE WILSON (MOD. DE: [26]). .............................................. 38
FIGURA 5.5: TOPOLOGIAS BÁSICAS DE CONVERSOR CC. ........................................ 39
FIGURA 5.6: ETAPAS DE FUNCIONAMENTO DO CONVERSOR FLYBACK EM MODO
CONTÍNUO (FONTE: [27]). ............................................................................. 40
FIGURA 6.1: DIAGRAMA DE BLOCOS DO ESTIMULADOR DE NERVOS. ......................... 41
FIGURA 6.2: MC9S08AC32CPUE 64-PIN LQFP (FONTE: [24]). .......................... 42
FIGURA 6.3: PROGRAMADOR E DEBUGADOR WTBDMS08 PARA
MICROCONTROLADORES S08 DA FREESCALE ................................................. 43
FIGURA 6.4: OPERAÇÃO MONOPOLAR DO CONVERSOR D/A DAC0808 (FONTE:[29]).
.................................................................................................................. 44
FIGURA 6.5: AMPLIFICADOR DIFERENCIAL UTILIZADO COMO GERADOR DE SINAL
BIFÁSICO. ................................................................................................... 45
FIGURA 6.6: TECLADO MATRICIAL 4X3. ................................................................ 46
FIGURA 6.7: DISPLAY LCD PARA MONITORAR E AUXILIAR NA CONFIGURAÇÃO DOS
PADRÕES DE ESTIMULAÇÃO. ......................................................................... 48
v
FIGURA 6.8: BUZZER E LED PARA AVISOS SONOROS LUMINOSOS. .......................... 48
FIGURA 6.9: FONTE DE ALIMENTAÇÃO SIMÉTRICA .................................................. 49
FIGURA 6.10: ESPELHO DE CORRENTE DE WILSON. ............................................... 50
FIGURA 6.11: CONVERSOR FLYBACK CONTROLADO POR SG3525 .......................... 51
FIGURA 6.12: CIRCUITOS DE AMOSTRAGEM DE CORRENTE E TENSÃO ...................... 52
FIGURA 6.13: CONTROLE DIGITAL DE 𝐼𝑟𝑒𝑓 ESPELHO DE CORRENTE ........................ 54
FIGURA 7.1: LAYOUT DA PLACA DO MÓDULO DIGITAL. ............................................. 55
FIGURA 7.2: MÓDULO DIGITAL. ............................................................................ 56
FIGURA 7.3: LARGURA DOS PULSO PRODUZIDOS PELO MÓDULO DIGITAL. (A) 100US, (B)
200US E (C) 300US. ..................................................................................... 57
FIGURA 7.4: INFORMAÇÃO DO DISPLAY PARA ESTÍMULO SIMPLES. ........................... 58
FIGURA 7.5: ESTÍMULO SIMPLES PARA FREQUÊNCIAS DE (A) 1HZ E (B) 0,9HZ. ........ 58
FIGURA 7.6: ESTÍMULOS SIMPLES PARA FREQUÊNCIAS DE 0,8HZ A 0,1HZ. .............. 59
FIGURA 7.7: INFORMAÇÃO DO DISPLAY PARA ESTÍMULO TETÂNICO. ......................... 60
FIGURA 7.8: ESTÍMULOS TETÂNICOS PARA FREQUÊNCIAS DE (A)100HZ E (B) 50 HZ. 60
FIGURA 7.9: INFORMAÇÃO DO DISPLAY PARA ESTÍMULO PÓS-TETÂNICO. .................. 61
FIGURA 7.10: ESTIMULAÇÃO PÓS-TETÂNICA. ........................................................ 61
FIGURA 7.11: INFORMAÇÃO DO DISPLAY PARA ESTÍMULO DBS. .............................. 62
FIGURA 7.12: ESTIMULAÇÃO COM DUPLA SALVA. ................................................... 63
FIGURA 7.13: ESTIMULAÇÃO COM DUPLA SALVA OBTIDA DO ESTIMULADOR COMERCIAL.
.................................................................................................................. 63
FIGURA 7.14: INFORMAÇÃO DO DISPLAY PARA ESTÍMULO. ...................................... 63
FIGURA 7.15: (A) ESTIMULAÇÃO TOF E (B) DISTÂNCIA ENTRE CADA REPETIÇÃO. ...... 64
vi
FIGURA 7.16: ESTIMULADOR COMERCIAL. ............................................................. 64
FIGURA 7.17: GRÁFICO DA RELAÇÃO BINÁRIO X TENSÃO DE SAÍDA DO DAC. ............ 66
FIGURA 7.18: LAYOUT DA PLACA ANALÓGICA (ESPELHO DE CORRENTE E FLYBACK). 67
FIGURA 7.19: MÓDULO ANALÓGICO. .................................................................... 67
FIGURA 7.20: FORMA DE ONDA PRODUZIDO PELA SIMULAÇÃO DO CIRCUITO COM
CORRENTE DE 10 MA ................................................................................... 68
FIGURA 7.21: FORMA DE ONDA PRODUZIDO PELA SIMULAÇÃO DO CIRCUITO COM
CORRENTE DE 50 MA ................................................................................... 69
FIGURA 7.22: LARGURA DE PULSO NA SAÍDA DO ESPELHO DE CORRENTE. ............... 71
FIGURA 7.23: ESTÍMULOS SIMPLES COM FREQUÊNCIA DE 0,5 HZ A 1 HZ. ................ 72
FIGURA 7.24: ESTÍMULOS SIMPLES COM FREQUÊNCIA DE 0,1 HZ A 0,4 HZ............... 73
FIGURA 7.25: ESTÍMULOS TETÂNICO DE 50 HZ E 100 HZ. ...................................... 74
FIGURA 7.26: ESTIMULAÇÃO PÓS-TETÂNICA. ........................................................ 74
FIGURA 7.27: (A)TEMPO DE 8S ENTRE CADA REPETIÇÃO E (B) TEMPO DE 750MS ENTRE
CADA SALVA. ............................................................................................... 75
FIGURA 7.28: UMA SALVA DO ESTÍMULO DBS EM 50 HZ. ....................................... 75
FIGURA 7.29: TEMPO DE 10 SEGUNDOS ENTRE CADA REPETIÇÃO ........................... 76
FIGURA 7.30: RESPOSTA A UM ESTÍMULO OBTIDO COM CARGA PADRÃO ................... 78
vii
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - RESISTÊNCIA DO CORPO HUMANO EM FUNÇÃO DO ESTADO DA PELE
(FONTE: [16]). ............................................................................................. 16
TABELA 2: LIMIAR DE SENSAÇÃO EM FUNÇÃO DO AUMENTO DA FREQUÊNCIA (FONTE:
[16]). .......................................................................................................... 17
TABELA 3: GERAÇÃO DO SINAL DE ESTIMULAÇÃO. ................................................. 45
TABELA 4: RELAÇÃO BINÁRIO X TENSÃO DE REFERÊNCIA. ..................................... 65
TABELA 5: COMPARAÇÃO ENTRE OS DOIS MÓDULOS E A LARGURA DE PULSO
DESENVOLVIDO. ........................................................................................... 70
TABELA 6: RELAÇÃO ENTRE 𝑰𝑹𝑬𝑭 X CORRENTE NA CARGA. ................................... 77
TABELA 7: GASTO ENERGÉTICO DO MÓDULO DIGITAL. ............................................ 79
TABELA 8: GASTO ENERGÉTICO DO MÓDULO ANALÓGICO. ...................................... 79
viii
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ................................................................................................... 1
Capítulo 1 .......................................................................................................... 4
1. SISTEMA NERVOSO ................................................................................. 4
1.1 O Sistema Nervoso Periférico ............................................................... 4
1.2 O Neurônio ............................................................................................ 5
1.3 Neurotransmissores e Sinapses ........................................................... 7
1.4 Lei do Tudo-ou-Nada, Potencial de Ação e Período Refratário ............ 9
1.5 Transmissão neuromuscular ............................................................... 11
1.6 Bloqueadores Neuromusculares ......................................................... 12
Capítulo 2 ........................................................................................................ 13
2. ESTIMULAÇÃO ELÉTRICA DE NERVOS ............................................... 13
2.1 Os princípios fundamentais de neuroestimulação ............................... 13
2.2 A corrente ............................................................................................ 13
2.3 Limiar e propagação ........................................................................... 14
2.4 Impedância dos tecidos vivos ............................................................. 15
2.5 Sensibilidade elétrica do corpo humano ............................................. 16
2.6 Relação intensidade-duração .............................................................. 17
2.7 Relação carga-duração ....................................................................... 18
2.8 Relação corrente – distância entre eletrodo e nervo ........................... 19
2.9 Relação Corrente – Diâmetro do Nervo .............................................. 20
ix
2.10 Efeito da Polaridade do Estímulo ........................................................ 21
2.11 Estimulação Monofásica Versus Bifásica ............................................ 21
2.12 Estimulação de nervos em procedimentos anestésicos ...................... 23
2.13 Eletrodos ............................................................................................. 23
Capítulo 3 ........................................................................................................ 26
3. PADRÕES DE ESTIMULAÇÃO ............................................................... 26
3.1 Estimulação Simples ........................................................................... 26
3.2 Estímulo Tetânico ............................................................................... 27
3.3 Potenciação pós-tetânica .................................................................... 27
3.4 Sequencia de quatro estímulo (Train-of-Four ou TOF) ....................... 28
3.5 Estimulação com Dubla Salva (Double-burst-stimulation ou DBS) ..... 29
Capítulo 4 ........................................................................................................ 31
4. CARACTERÍSTICAS DE UM ESTIMULADOR DE NERVOS .................. 31
4.1 Forma de onda .................................................................................... 31
4.2 Intensidade da corrente ...................................................................... 31
4.3 Duração do impulso ............................................................................ 31
4.4 Máxima carga de saída ....................................................................... 32
4.5 Funcionalidade .................................................................................... 32
Capítulo 5 ........................................................................................................ 33
5. CIRCUITOS E COMPONENTES .............................................................. 33
5.1 Fonte de corrente versus fonte de tensão ........................................... 33
x
5.2 O microcontrolador .............................................................................. 35
5.3 O Espelho de corrente ........................................................................ 36
5.4 O conversor CC-CC ............................................................................ 39
Capítulo 6 ........................................................................................................ 41
6. MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................ 41
6.1 Sistema proposto ................................................................................ 41
6.2 Módulo microcontrolado para geração, monitoração e controle dos
padrões de estimulação. ..................................................................... 42
6.2.1 O Microcontrolador ....................................................................... 42
6.2.2 O conversor digital para analógico (DAC) .................................... 44
6.2.3 Geração da forma de onda ........................................................... 44
6.2.4 Teclado para acionamento de funções ......................................... 46
6.2.5 Interface informativa entre equipamento e usuário ....................... 47
6.2.6 Fonte de alimentação ................................................................... 49
6.3 Módulo Analógico ................................................................................ 49
6.3.1 Espelho de corrente e seus controles ........................................... 49
6.3.2 Conversor Flyback Controlado por SG3525A ............................... 51
6.3.3 Amostragem de corrente e tensão via ADC ................................. 52
6.3.4 Conversor Binário x Corrente ....................................................... 53
xi
Capítulo 7 ........................................................................................................ 55
7. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................ 55
7.1 Módulo digital ...................................................................................... 55
7.1.1 Larguras de pulso e tempo de subida e descida .......................... 57
7.1.2 Estimulação Simples .................................................................... 58
7.1.3 Estimulação Tetânica ................................................................... 60
7.1.4 Estimulação Pós-tetânica ............................................................. 61
7.1.5 Estimulação com dupla salva (DBS) ............................................. 62
7.1.6 Estimulação em sequência de quatro estímulos (TOF) ................ 63
7.1.7 Conversor DAC e a corrente de referência ................................... 65
7.2 Módulo Analógico ................................................................................ 66
7.2.1 Simulação ..................................................................................... 68
7.2.2 Largura de pulso e tempo de subida e descida ............................ 70
7.2.3 Estimulação Simples .................................................................... 71
7.2.4 Estimulação Tetânica ................................................................... 73
7.2.5 Estimulação Pós-Tetânica ............................................................ 74
7.2.6 Estimulação com Dupla Salva (DBS) ........................................... 75
7.2.7 Estimulação em sequência de quatro estímulos .......................... 76
7.2.8 Relação 𝑰𝑹𝑬𝑭 x Corrente na carga .............................................. 76
7.2.9 Amostragem da Tensão e corrente na carga ............................... 78
xii
7.3 Gasto Energético ................................................................................ 79
Considerações Finais .................................................................................... 81
8. Conclusão ................................................................................................ 81
8.1 Trabalhos Futuros ............................................................................... 82
REFERÊNCIaS ................................................................................................ 83
ANEXOS .......................................................................................................... 88
ANEXOS A - Fluxogramas ........................................................................... 89
ANEXO B – CÓDIGO EM C ....................................................................... 101
1
INTRODUÇÃO
Perthes, em 1912, foi o primeiro a utilizar a eletrolocalização de
nervos em anestesia regional. O equipamento utilizado na época era grande,
ocasionando restrições em seu uso. Strohl descreveu em 1921 um
neuroestimulador portátil, desenvolvido para estudar a função do nervo
periférico. Um grande hiato se deu até que, Person em 1955 e depois
Greenblatt em 1962, descreveram estimuladores aplicáveis especialmente à
anestesia regional [1].
Embora descrito como de utilidade na execução de bloqueios
de nervos periféricos desde a década de 1910, o uso de neuroestimuladores só
veio a ser incorporado na prática da anestesia regional na década de 1980. No
Brasil, chegou com dez anos de atraso, tendo se firmado como auxiliar na
prática anestésica somente na década de 1990 [1].
Esses equipamentos são considerados muito úteis nos
procedimentos de anestesia (bloqueios) regional e geral, pois,
respectivamente:
Ajudam a encontrar o melhor local para colocar a agulha no
paciente, visto que permitem a identificação precisa de cada nervo do plexo.
Sendo assim, reduz-se o risco de lesões nos nervos e melhorando a qualidade
dos bloqueios periféricos, evitando a injeção de grandes quantidades de
anestésico, principalmente em crianças, as quais ainda não possuem suas
estruturas anatômicas perfeitamente definidas [1][2][3].
Permitem monitorar o estado de relaxamento neuromuscular
decorrente do uso de bloqueador neuromuscular (anestésico) , possibilitando,
assim, determinar o melhor momento de administrar uma dose suplementar de
anestésico.
Permite avaliar a recuperação do bloqueio neuromuscular
quando associado a critérios clínicos [4].
O presente trabalho tem por finalidade desenvolver um sistema
microcontrolado, cujo objetivo seja de gerar padrões de estimulação. Este
2
estimulador permitirá excitar nervos periféricos com total segurança
possibilitando seu uso como auxílio a procedimentos anestésicos. Deste modo,
este trabalho consiste em desenvolver um estimulador de nervos periféricos
com as seguintes características:
Baixo custo de produção;
Alto desempenho garantindo máximo aproveitamento do sistema e
baixo consumo de energia;
Ótima funcionalidade com presença de todos os padrões de
estimulação (Simples, Tetânico, Pós-Tetânico, Dupla salva e
Sequencia de quatro estímulos), Avisos sonoros e visuais e
indicação de polaridade de eletrodos;
Excelente qualidade nas larguras de pulso e na corrente referida em
relação à corrente lançada ao paciente;
O trabalho está organizado da seguinte maneira:
No primeiro capítulo tem-se uma breve descrição sobre o
sistema nervoso periférico e as características fisiológicas dos neurônios. No
segundo capítulo apresentam-se os princípios e características básicos para a
neuroestimulação. O terceiro capítulo é destinado a explicar os padrões de
eletroestimulação aplicados no auxilio ao anestesiologista. No quarto capítulo é
apresentado as características necessárias a um bom estimulador quando
aplicado à procedimentos anestésicos. No quinto capítulo são apresentados
alguns equipamentos básicos que serão utilizados no desenvolvimento deste
equipamento. O sexto capítulo apresenta-se, detalhadamente, todos os
mecanismos utilizados no desenvolvimento do neuroestimulador. Desde a
parte digital (Microcontrolador, teclado matricial, LCD, conversores DAC e
diversos periféricos) até a parte analógica (Espelho de corrente, Flyback,
Controle digital de corrente de referencia e pontos de amostragem de tensão e
corrente). O sétimo capítula apresenta-se os resultados e suas discussões
3
comparando o equipamento desenvolvido com um estimulador comercial a fim
de validar o sistema desenvolvido neste trabalho.
No sétimo capítulo são apresentadas as conclusões e
sugestões para trabalhos futuros.
Por fim, são apresentadas as referências e dois anexos
contendo os fluxogramas e código C desenvolvidos para o microcontrolador.
4
CAPÍTULO 1
1. SISTEMA NERVOSO
1.1 O SISTEMA NERVOSO PERIFÉRICO
Os nervos periféricos (Figura 1.1) conectam as extremidades e
tronco com a medula espinhal. A maioria dos nervos periféricos são chamados
mistos, porque contém fibras nervosas (axônios) dos três tipos: motoneurônio,
neurônios sensitivos de primeira ordem e neurônios autônomos (Figura 1.2).
Os chamados nervos sensitivos possuem quase todos os axônios oriundos de
células sensitivas e nenhum nervo periférico é formado por apenas fibras
motoras ou autônomas. Os motoneurônios e neurônios autônomos transmitem,
através de potenciais de ação, a informação da medula espinhal para a
periferia, enquanto que os neurônios sensitivos enviam informações sensitivas
da periferia para a medula, que são retransmitidos para o encéfalo.
Figura 1.1: Os nervos periféricos (Fonte: [5]).
5
Figura 1.2: O nervo periférico mistos (Fonte: [6]).
Além das fibras nervosas, os nervos periféricos apresentam
outros tecidos em sua formação. As células de Schwann aumentam a
velocidade de transmissão, o tecido conectivo faz o isolamento das fibras
nervosas, permitindo a propagação individual da informação em cada fibra e
vasos sanguíneos nutrem as células que compõem o nervo.
1.2 O NEURÔNIO
O Neurônio típico apresenta quatro regiões morfologicamente
definidas: o corpo celular, os dendritos, o axônio e suas terminações pré-
sinápticas (Figura 1.3). Cada uma dessas regiões possui funções específicas
na geração de sinais [4][7].
Soma: O corpo do neurônio, em realidade, ocupa um volume
relativamente pequeno comparado com o total da célula. O soma é um centro
metabólico e de síntese proteica importante. Em sua estrutura, além de
componentes celulares como o núcleo, o retículo endoplasmático, o aparelho
6
de Golgi e as mitocôndrias, encontram-se os chamados neurofilamentos1 e
neurofibrilas2. Estes constituem uma verdadeira rede de comunicação em todo
o citoplasma.
Figura 1.3: O Neurônio modificado de (Fonte: [8]).
Dendritos: A maioria das células apresenta muitos
prolongamentos, que se ramificam em vários outros dendritos; esses dendritos
começam como uma suave extrusão do corpo celular, e que a cada divisão, vai
se estreitando. Existem diversos tipos: retos ou muito sinuosos, longos e
1 Conferem rigidez estrutural aos neurônios
2 Agregações de neurofilamentos
7
curtos, muito ou pouco ramificados. Têm como principal função a coleta ou
recepção de sinais advindos de outras células neurais.
Axônio: É a principal unidade condutora do neurônio, sendo
capaz de conduzir sinais elétricos por distâncias que variam no corpo humano
entre 0,1 mm a 2 m. Muitos axônios se dividem em vários ramos e dessa
forma, conduzem informações, em forma de sinais elétricos, para diferentes
destinos. Esses sinais elétricos – conhecidos como potenciais de ação – são
impulsos nervosos rápidos, transientes, com amplitude de +40 mV a +80 mV e
duração de aproximadamente 1ms. Axônios de maior calibre são circundados
por bainhas de mielina, que asseguram uma condução dos sinais elétricos em
alta velocidade, podendo chegar a 100 m/s. Essa bainha é interrompida a
intervalos regulares, pelos nódulos de Ranvier. Nesses nódulos, que são
desprovidos de isolamento elétrico, ocorre a regeneração do potencial de ação.
Em sua terminação, o axônio se divide em ramos muito finos, que fazem
contatos com outros neurônios. Esses contatos são denominados sinapses.
Assim, a célula transmissora de um sinal é chamada de pré-sináptica e as
receptoras de pós-sinápticas [7] [8].
1.3 NEUROTRANSMISSORES E SINAPSES
Neurotransmissores: são substâncias químicas produzidas
pelos neurônios, as células nervosas. Por meio delas, podem enviar
informações à outras células. Podem também estimular a continuidade de um
impulso ou efetuar a reação final no órgão ou músculo alvo [7].
Sinapse: é uma zona de interação entre duas células
especializadas para a transmissão do impulso nervoso, geralmente um
neurônio ou seu prolongamento e outro neurônio ou efetor. É constituída por
três elementos (Figura 1.4): Axônio Pré-sináptico ou célula transmissora (A),
Fenda sináptica (B) e Célula Pós-sináptica ou célula receptora (C). Algumas
8
enzimas inativam quimicamente os neurotransmissores, interrompendo a sua
ação.
As sinapses são classificadas em dois grupos: elétrica e
química [6][7][8].
Sinapses químicas: Não há continuidade estrutural entre a
membrana pré-sináptica e a pós-sináptica. O potencial de membrana provoca a
liberação do conteúdo das vesículas sinápticas no espaço sináptico em
resposta ao aumento de Ca2+, que ocorre com a chegada de cada potencial de
ação axônico. Os neurotransmissores unem-se aos receptores na membrana
plasmática pós-sináptica e regula direta ou indiretamente a abertura de canais
iônicos. Apesar da lentidão que possuem, em comparação com as sinapses
elétricas, as sinapses químicas têm a propriedade de amplificação.
Considerando que apenas duas moléculas de neurotransmissores são capazes
de ativar um receptor, a descarga de uma vesicular ativa muitos milhares de
receptores, o que gera a abertura de milhares de canais iônicos que são
capazes de despolarizar uma celular pós-sináptica grande [7].
Figura 1.4: Zona sináptica. (Mod. de: [9]).
Sinapses elétricas: Quando é injetada uma corrente na pré-
sinapse, essa flui pelos canais de baixa resistência e alta condutância que
conectam a membrana plasmática pré-sináptica e a pós-sináptica. As cargas
positivas passam para o interior da membrana da célula pós-sináptica e a
1 – Vesículas sinápticas
2 - Segundos mensageiros
4 – Neurotransmissores
5 - Bombas de recaptação
6 - Receptores celulares pós-sinápticos
9
despolarizam; se a despolarização excede um limiar, abrem-se canais ativados
por voltagem que geram um potencial de ação [7].
1.4 LEI DO TUDO-OU-NADA, POTENCIAL DE AÇÃO E PERÍODO REFRATÁRIO
A lei do tudo-ou-nada diz que: Um neurônio só consegue
enviar um pulso se a intensidade do pulso for acima de um determinado nível,
fazendo com que a sua membrana seja despolarizada e repolarizada. Este
valor mínimo que permite a transmissão do potencial de ação é conhecido
como potencial limiar. Os valores abaixo do potencial limiar são conhecidos
como sublimiares, e cada célula possui um valor característico de potencial
limiar [10].
Potencial de ação: consiste em uma rápida variação do
potencial da membrana. Na ausência de perturbações externas, os potenciais
de membranas permanecem constantes. Entretanto, um estímulo externo às
células nervosas e musculares produz uma variação em seus potenciais de
membrana. Essa variação rápida, que se propaga ao longo de uma dessas
células, é denominada potencial de ação. Em todos os potenciais de ação
medidos, partindo do potencial de repouso, o potencial se eleva rapidamente a
um valor positivo e volta mais lentamente ao potencial de repouso. O valor
deste potencial é mantido pelas concentrações de íons principalmente de sódio
(Na+), de potássio (K+), de cloro (Cl-) e anions orgânicos (A-). No geral, o
potencial de repouso da membrana vai de -70 a -90mV em fibras nervosas e
musculares e de -40 a –60mV em músculos liso e cardíaco atingindo os valores
de +10 a +30mV para fibras nervosas e musculares e +40mV em músculos liso
e cardíacas quando há o disparo do potencial de ação (figura 1.5). A duração
do potencial de ação, por outro lado, difere bastante de célula para célula [10].
10
Figura 1.5: Potenciais de ação de três tipos de células de vertebrados (Fonte: [10]).
Período refratário: Quando ocorre um impulso nervoso, a
membrana celular passa então a ter um potencial em torno de 30 mV, existe
um período para que a membrana volte ao seu potencial de equilíbrio de,
aproximadamente, -70 mV (figura 1.6). Isto significa que, quando uma célula
está refratária, ela é incapaz de disparar um segundo potencial de ação, seja
qual for a intensidade da estimulação. Este estado sem resposta é chamado de
período refratário absoluto e durante ele, qualquer estímulo produzido, mesmo
com grande intensidade, será incapaz de gerar um impulso nervoso [11].
Durante a parte final do potencial de ação, a célula é capaz de disparar um
segundo potencial de ação, mas um estímulo mais forte do que o normal é
necessário. Este período é chamado de período refratário relativo [10].
Figura 1.6: Potencial de ação de um nervo ilustrando os períodos refratários absolutos e
relativos associados (Fonte: [10]).
11
1.5 TRANSMISSÃO NEUROMUSCULAR
A transmissão neuromuscular se inicia com a chegada de um
potencial de ação na terminação nervosa. Com isso, ocorre a abertura dos
canais de cálcio permitindo a fusão das vesículas de acetilcolina3 com a
membrana nervosa, com consequente liberação de acetilcolina na fenda
sináptica. A acetilcolina liberada difunde-se pela fenda sináptica e vai atuar nos
receptores da placa terminal. Quando a acetilcolina ocupa os dois sítios α do
receptor da placa terminal, o canal iônico abre. Quando um numero limite de
canais iônicos são abertos, gera-se um potencial de placa terminal, que abre os
canais de sódio da membrana perijuncional, gerando um potencial de ação na
fibra muscular. A acetilcolina é rapidamente hidrolisada em acetato e colina
pela enzima acetilcolinesterase. Com a hidrólise da acetilcolina, os canais
iônicos da placa terminal fecham e ela se regulariza. Todo este sistema está
ilustrado na Figura 1.7 [4].
Figura 1.7: Transmissão Neuromuscular
3 Neurotransmissor
12
1.6 BLOQUEADORES NEUROMUSCULARES
A junção neuromuscular é uma sinapse formada pelo terminal
nervoso (região pré-sináptica), uma estreita fenda sináptica (20 a 50 nm), e por
uma região especializada da membrana da fibra muscular chamada placa
terminal (região pós-sináptica). Essa região de aproximação entre o neurônio
motor e a fibra muscular é especializada em transmitir e receber mensagens
químicas e transformá-las em um pulso elétricos (Figura 1.4). Os bloqueadores
neuromusculares atuam nessa região, impedindo a passagem do impulso do
terminal nervoso para a fibra muscular [4].
Os bloqueadores neuromusculares apresentam uma estrutura
similar à acetilcolina, o que lhes permite ocupar os receptores de acetilcolina.
De acordo com seu mecanismo de ação, podem ser divididos em dois grupos.
Os adespolarizantes evitam a ativação do receptor pela acetilcolina, enquanto
que os despolarizantes ativam esses receptores de maneira semelhante à
acetilcolina.
Bloqueio adespolarizantes: é um bloqueio competitivo
causado por fármacos que se ligam aos receptores de acetilcolina, impedindo a
abertura do canal iônico e o surgimento do potencial de placa terminal (pós-
sináptico) [4].
Bloqueio despolarizante: É um bloqueio não-competitivo
causado por fármacos que mimetizam a ação da acetilcolina. O bloqueador
despolarizante, atuando no receptor de acetilcolina. Mas ao contrário da
acetilcolina, o bloqueador despolarizante não é metabolizado pela
acetilcolinesterase. Isso faz com que a placa terminal permaneça
despolarizada por um tempo prolongado [4].
13
CAPÍTULO 2
2. ESTIMULAÇÃO ELÉTRICA DE NERVOS
2.1 OS PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS DE NEUROESTIMULAÇÃO
A função neuromuscular é monitorada pela avaliação da
resposta muscular ao estímulo supramáximo de um nervo motor periférico (a
unidade motora é constituída por um neurônio motor e um músculo, que são
separados pela junção neuromuscular. Tipicamente, uma fibra nervosa irá
inervar entre 5 e 2000 fibras musculares). A estimulação de uma única fibra
muscular segue o princípio do tudo-ou-nada [12][13].
A fim de estimular um nervo, uma corrente elétrica terá de ser
aplicadas. Para que o potencial de ação seja gerado em todas as fibras
nervosas de um determinado nervo motor, uma corrente de amplitude e
duração suficiente deverá ser fornecida [13].
2.2 A CORRENTE
A quantidade de corrente necessária para obter uma resposta
muscular detectável é a corrente limiar (15 mA). Já a corrente necessário para
induzir despolarização em todas as fibras nervosas de um determinado feixe é
a corrente máxima. Para que a estimulação seja eficaz, o estímulo deve ser
verdadeiramente máximo durante todo o período de monitoração. Para a
monitoração clínica, normalmente é aplicada uma corrente de intensidade
supramáxima, ou seja, de 10% a 20% maior que a corrente máxima e 2 a 3
vezes mais elevada do que a corrente limiar. Isso garante que nas estimativas
do bloqueio neuromuscular não se encontraram erros devido à falta de
estimular todas as fibras nervosas [12][14].
14
2.3 LIMIAR E PROPAGAÇÃO
Uma fibra nervosa pode ser estimulada através da alteração do
potencial de membrana em toda a fibra nervosa (despolarização). Durante o
repouso, o potencial através da membrana é de cerca de -70mV, medido no
interior em relação ao exterior. Tornar o potencial transmembrana menos
negativos, referido como despolarização, é necessária para gerar excitação e
iniciar o potencial de ação [14] [15].
Fibras nervosas são não-lineares e respondem a um estímulo
elétrico com o princípio do tudo-ou-nada. A resposta de uma fibra nervosa a um
estímulo sublimiar e supralimiar é mostrada na figura 2.1. Em resposta ao
menor estímulo (figura 2.1a), a membrana neural responde de forma linear,
carregamento e descarregamento durante e após o estímulo, respectivamente,
e nenhum potencial de ação é iniciado, ou seja, o estímulo sublimiar gera uma
resposta passiva que não se propagam e decai com a distância a partir do nó
sob o eletrodo. Quando o estímulo é aumentado acima da amplitude crítica
(limiar)(figura 2.1b), a membrana inicia um potencial de ação como resultado
do fluxo de íons de sódio a partir do espaço extracelular para o espaço
intracelular. Este potencial de ação é então propagado em ambas as direções
ao longo da fibra [15].
Figura 2.1: A resposta (a) sublimiar e (b) supralimiar de uma fibra nervosa para um estímulo
extracelular. (Fonte: [15]).
15
A despolarização de uma fibra nervosa pode ser alcançada
pela injeção intracelular de corrente resultando em corrente transmembranica
fluindo do meio intracelular para o meio extracelular ou pela imposição de um
potencial de distribuição extracelular que resulta na corrente transmembrana
fluindo do meio intracelular para o meio extracelular. Um pulso de corrente
elétrica entregue através de eletrodos extracelular localizados nas
proximidades da fibra nervosa pode ser usado para criar potenciais
extracelulares no tecido que, por sua vez, podem levar à geração de um
potencial de ação. A distribuição dos potenciais extracelulares é dependente da
geometria do eletrodo. As propriedades elétricas do tecido extracelular bem
como a amplitude da estimulação e do seu efeito sobre os potenciais nos
neurônios dependem do tipo de células nervosas, seu tamanho e geometria,
bem como a características temporais dos estímulos [15].
2.4 IMPEDÂNCIA DOS TECIDOS VIVOS
Pode-se representar as células do organismo através de um
circuito eletrônico e aplicar-lhes as leis que regem a eletroeletrônica, pois os
sistemas biológicos podem ser esquematicamente considerados como uma
combinação de resistências e capacitâncias [11]. Um modelo simples utilizado
para representar a impedância da pele pode ser visto na Figura 2.2, onde o
resistor RD e o capacitor CD representam a resistência e a capacitância da
derme4 respectivamente, e RE a resistência epidérmica5 [8].
4 é um tecido conjuntivo que sustenta a epiderme.
5 Camada mais superficial da pele.
16
Figura 2.2: Circuito equivalente da pele (Fonte: (8)).
De acordo com estudos médicos foi possível estabelecer
estatisticamente valores aceitáveis internacionalmente da resistência do corpo
humano, como os indicados no quadro seguinte [16].
Tabela 1 - Resistência do corpo humano em função do estado da pele (Fonte: [16]).
2.5 SENSIBILIDADE ELÉTRICA DO CORPO HUMANO
O Limiar de Sensação da corrente (figura 2.3) cresce com um
aumento da frequência, ou seja, correntes com frequências maiores são menos
sentidas pelo organismo, estas correntes de altas frequências acima 100kHz,
cujos efeitos se limitam ao aquecimento são amplamente utilizadas na
medicina como fonte de febre artificial.
17
Curva 1 - Limite convencional dos valores de corrente dos quais não resulta normalmente nenhuma reação Curva 2 - Início de percepção para 50% das pessoas Curva 3 - Início de percepção para 99,5% das pessoas Curva 4 - Corrente de largar para 99,5% das pessoas Curva 5 - Corrente de largar para 50% das pessoas Curva 6 - Corrente de largar para 0,5% das pessoas
Figura 2.3: Influência da frequência (Fonte: [17])
Tabela 2: Limiar de Sensação em função do aumento da frequência (Fonte: [16]).
Frequência (Hz) 50-60 500 1.000 5.000 10.000 100.000
Limiar de Sensação (mA) 1 1,5 2 7 14 150
Corrente de largar é o valor máximo de corrente que uma
pessoa pode suportar quando estiver segurando um objeto energizado e ainda
ser capaz de largá-lo pela ação de músculos diretamente estimulados por esta
corrente [17].
2.6 RELAÇÃO INTENSIDADE-DURAÇÃO
18
A amplitude de um estímulo necessária à excitação de uma
única fibra nervosa, 𝐼𝑡 , aumenta à medida que a duração do estímulo é
diminuída. A relação intensidade-duração (Figura 2.4a) descreve a corrente
limiar necessário para excitar uma única fibra em função da duração do
estímulo (PW). A curva intensidade-duração da excitação neural relaciona a
amplitude com a duração de impulso. A reobase é a intensidade de
estimulação requerida para excitação com pulso de duração infinita, e a
cronaxie é a mínima duração de um pulso para que haja excitação, quando a
amplitude do estímulo é igual ao dobro da intensidade da reobase. A Figura
2.4a mostra um exemplo de curva intensidade-duração.
𝐼𝑡 = 𝐼𝑟 1 + 𝑇𝑐
𝑃𝑊 eq. 1
O parâmetro 𝐼𝑟 é a corrente reobase e é definida como a
amplitude de corrente necessária para excitar um único neurônico com um
pulso de duração infinita. O parâmetro 𝑇𝑐 é a cronaxia e é definida como a
duração do pulso necessário para excitar um neurônio com um pulso de
amplitude igual a duas vezes ao da corrente reobase [15].
2.7 RELAÇÃO CARGA-DURAÇÃO
A quantidade de carga necessária para a excitação, 𝑄𝑡 , pode
ser determinada diretamente pela integral, em relação ao tempo, da curva
intensidade-duração (figura 2.4b). A relação carga-duração descreve a carga
limiar necessária par excitar uma única fibra, em função da duração do
estímulo.
𝑄𝑡 = 𝑄𝑟 𝑃𝑊 + 𝑇𝑐 eq. 2
19
A carga necessária para a excitação diminui à medida que a
duração dos pulsos diminui. Assim, embora pulsos de curta duração exijam
altas correntes de excitação eles são mais eficientes em produzir excitação ao
se compara com os de longa duração. Reduzir a carga necessária para
excitação implica na redução da probabilidade de corrosão do eletrodo ou do
dano ao tecido celular e reduz a potência exigida pelo estimulador [15].
Figura 2.4: Propriedades de estimulação das fibras nervosas. (a) intensidade-duração (b)
carga-duração. (c) Corrente – distância (d) Corrente– Diâmetro (Fonte: [15]).
2.8 RELAÇÃO CORRENTE – DISTÂNCIA ENTRE ELETRODO E NERVO
A corrente necessária para a estimulação extracelular de
axônios também depende da relação espacial entre os eletrodos e as fibras
nervosas (figura 2.4c). Potenciais transmembrana geradas por correntes
extracelulares são maiores nas fibras mais próximas ao eletrodo. Assim, menos
20
corrente é necessária para estimular neurônios nas proximidades do eletrodo.
Como a distância entre o eletrodo e da fibra, 𝑟, aumenta, o limiar, 𝐼𝑡 , também
aumenta. A mudança no limiar de excitação das fibras nervosas mielinizadas
em relação à distância e um ponto fonte (eletrodo) são descrita pela Equação
abaixo chamada relação corrente – distância o qual mostra que a intensidade
limiar exigido para a estimulação da fibra nervosa varia diretamente com o
quadrado da distância entre os eletrodos e as fibras nervosas.
𝐼𝑡 = 𝐼𝑅 + 𝑘 × 𝑟2 eq. 3
O deslocamento, 𝐼𝑅, determina o limiar absoluto e o coeficiente,
𝑘, determina a diferença de limiar entre fibras em diferentes distâncias do
eletrodo [15].
2.9 RELAÇÃO CORRENTE – DIÂMETRO DO NERVO
Em resposta a um estímulo aplicado externamente, fibras
nervosas com um maior espaçamento entre os nós de Ranvier, experimentam
variações no potencial transmembrana maiores que aquelas nas fibras com um
afastamento internodal menor. Sob circunstâncias normais, as fibras nervosas
com diâmetro maiores têm afastamentos internodais maiores, visto que
𝐿 ≈ 100 ∗ 𝐷 (figura 2.5). Assim, as fibras com diâmetros maiores são ativadas
com amplitudes de estímulos menores do que as fibras de diâmetro menores.
A dependência do limiar de excitação de fibras nervosas mielinizadas com um
eletrodo pontual, em função do diâmetro da fibra, é descrita pela Equação
abaixo, o qual, mostra que a intensidade limiar exigido para a estimulação de
fibras nervosas varia inversamente com a raiz quadrada do diâmetro das fibras
nervosas. Um exemplo da curva corrente-intensidade é mostrada na figura 2.4d
[15].
21
𝐼𝑡 𝐷 = 𝐼𝐷 +𝑎
𝐷 eq. 4
Figura 2.5: Estrutura de uma fibra nervosa mielinizada (Fonte: [15])
2.10 EFEITO DA POLARIDADE DO ESTÍMULO
A polaridade de uma estimulação monofásica tem uma
influência direta sobre o limiar e o padrão de estimulação. Os estímulos
catódicos aplicados extracelularmente despolarizam a membrana neuronal na
proximidade do eletrodo e um potencial de ação é gerado. Os estímulos
anódicos, ao contrário, hiperpolarizam a membrana junto ao eletrodo. Estes
estímulos podem igualmente gerar a excitação nas regiões de membrana
despolarizada (chamado ―catodo virtual‖). A iniciação do potencial de ação
ocorrerá nos cátodos virtuais se a amplitude da corrente for suficiente para
trazer a parcela despolarizada da membrana ao ponto inicial. Tipicamente, a
corrente limiar para excitação com uma corrente anodal, através de um catodo
virtual, são 5 a 8 vezes maiores do que a corrente limiar uma estimulação
catódica direta [15] [18].
2.11 ESTIMULAÇÃO MONOFÁSICA VERSUS BIFÁSICA
Sob a maioria das circunstâncias, a estimulação elétrica
crônica do sistema nervoso é realizada com pulsos de estímulos bifásicos para
impedir dano aos eletrodos de estimulação ou ao tecido subjacente. Embora os
22
estímulos monofásicos sejam suficientes para gerar a excitação (Figura 2.6a),
a segunda fase de um estímulo bifásico inverte a carga injetada na primeira
fase do pulso, o qual pode inverter reações eletroquímicas na interface do
elétrodo-eletrólito. A segunda fase da forma de onda da estimulação, embora,
primariamente, sirva para a recuperação da carga injetada na primeira fase,
também tem efeitos na excitação. A segunda fase pode prender o potencial de
ação gerado pelo primeiro pulso e aumentar o limiar de excitação. Deste modo,
o mesmo estímulo (monofásico), quando seguido por um pulso de polaridade
oposta e de igual magnitude, não conseguiu gerar um potencial de ação.
(Figura 2.6b). Este efeito pode ser compensado aumentando-se a amplitude da
fase preliminar (e, paralelamente, a amplitude da fase secundária tal que uma
carga igual e oposta seja injetada em cada fase) ou pela redução da amplitude
e aumento da duração da segunda fase (Figura 2.6c) [15] [18].
Figura 2.6: Estimulação de fibras nervosas com pulsos monofásicas e bifásicas (Fonte: [15]).
23
2.12 ESTIMULAÇÃO DE NERVOS EM PROCEDIMENTOS ANESTÉSICOS
Tradicionalmente, os bloqueios neuromusculares são utilizados
em dose padrão, de acordo com o peso do paciente. Através de critérios
clínicos, avalia-se o grau do bloqueio neuromuscular, tal como: Tônus
muscular, volume corrente, pressão inspiratória máxima, capacidade de abrir
os olhos e elevar a cabeça. Contudo, estes fatores dependem da cooperação
do paciente e podem ser influenciados por fármacos [4] [19]. No período
perioperatório6, uma variedade de fatores pode influenciar a resposta de um
paciente ao bloqueador neuromuscular (BN). Devido à variação na
sensibilidade dos pacientes aos BN, problema de paralisia residual pós-
operatório está aumentando [12].
A utilização da estimulação do nervo periférico permite ao
anestesiologista melhor avaliar a intensidade do bloqueio neuromuscular.
Profundo relaxamento muscular (para permitir a intubação traqueal e assegurar
imobilidade), relaxamento muscular moderado (para facilitar o procedimento
cirúrgico) e recuperação da função neuromuscular podem ser avaliados através
do monitoramento da resposta muscular evocadas para a estimulação do nervo
[12]. Por este motivo, o método mais eficaz para avaliar a função
neuromuscular é a medida da força de contração de um músculo periférico,
como resposta à estimulação elétrica de seu nervo motor [4] [19].
2.13 ELETRODOS
Eletrodos de superfície: Eles possuem sua superfície coberta
por gel de condução para melhorar a transmissão de impulsos aos nervos
através da pele. A impedância transcutânea pode ser reduzida pode ser
6 Consiste em pré-operatória, trans-operatória e pós-operatória.
24
reduzida com o auxílio do gel condutor. Estes eletrodos geralmente são
utilizados em terapia, pois evitam lesões no nervo. Entretanto, necessitam de
uma corrente muito maior para desencadear um potência de ação (15mA a
30mA). Em procedimentos anestésicos este tipo de eletrodo é utilizado quando
se deseja monitorar o grau de relaxamento neuromuscular. A figura 2.7
apresenta alguns eletrodos de superfície.
Eletrodos de agulha: as agulhas subcutâneas permitem
entregar o impulso nas proximidades do nervo. São altamente eficazes porque
ignoram a impedância da pele e tecido permitindo estimular diretamente o
nervo. Possui como desvantagem irritação local, infecção, danos nos nervos,
especialmente se forem colocados intraneural, queimaduras diatermia e
entrega de corrente em quantidades excessivas que podem induzir a repetidos
disparos do potencia de ação ou estimulação direta do músculo. Necessitam de
uma corrente consideravelmente inferior ao dos eletrodos de superfície para
desencadear o potencial de ação (1 a 5 mA). Em procedimentos anestésicos
este tipo de eletrodo é utilizado quando se deseja localizar um nervo para
realizar anestesia regional. A figura 2.8 apresenta alguns eletrodos internos.
Superfície Descartáveis Alta mobilidade Eletrodos pediátricos
Utilidade geral Utilizado em lugares de difícil
fixação Utilizados onde se necessita
de eletrodos pequenos
Figura 2.7: Eletrodos de superfície [20].
25
Ponta Chiba Ponta Quincke Ponta Trifacetada
Indicada para o bloqueio de plexos nervosos
Indicada para o bloqueio de nervos periféricos (menos
traumática)
Indicada para acessos profundos e difíceis (alto capacidade perfurante)
Figura 2.8: Eletrodos internos [20].
26
CAPÍTULO 3
3. PADRÕES DE ESTIMULAÇÃO
3.1 ESTIMULAÇÃO SIMPLES
Consiste na aplicação de um estímulo supramáxima numa
frequência de 0,1 a 1 Hz (Figura 3.1). Esta estimulação causa uma contração a
cada 10 e 1 segundo, respectivamente. A frequência mais indicada é a de
0,1Hz, pois tem melhor correspondência com o relaxamento
clinico[8][12][13][14] [19][21].
Figura 3.1: Formato do estímulo Simples para a frequência de 1 e 0,1 Hz.
A resposta à estimulação simples só começa a diminuir quando
pelo menos 75-80% dos receptores são ocupados por bloqueadores
neuromusculares (BNM) e desaparecem completamente quando 90-95% dos
receptores são bloqueados. Este estímulo não distingue o tipo de bloqueio
neuromuscular (despolarizante ou adespolarizante), necessita medidas de
controle e é insensível na detecção de bloqueio residual [8][12][13][14] [19][21].
27
3.2 ESTÍMULO TETÂNICO
Todo estímulo com frequência igual ou superior a 30 Hz resulta
em contração mantida do músculo e é descrita como estímulo tetânico (Figura
3.2). A frequência de 50 Hz com duração de 5 segundos é a mais fisiológica e
é a que mais se aproxima da frequência desenvolvida por um esforço
voluntário máximo [8][12][13][14] [19][21].
Figura 3.2: Formato do estímulo Tetânico para a frequência de 50 Hz.
Na presença de bloqueio despolarizante não ocorre fadiga,
mas uma diminuição uniforme da amplitude da resposta, proporcional a
intensidade do bloqueio. Na presença de bloqueio adespolarizante, ocorre uma
resposta não sustentada, chamada fadiga tetânica. Quanto maior a frequência
de estimulação ou maior a intensidade do bloqueio, mais pronunciada é a
fadiga. Embora a estimulação tetânica diferencie o tipo de bloqueio
neuromuscular, só é recomendado em pacientes anestesiados por ser doloroso
[8][12][13][14] [19][21].
3.3 POTENCIAÇÃO PÓS-TETÂNICA
Consiste na combinação tetânica de 50 Hz por 5 segundos,
com estímulo simples de 1 Hz aplicado 3 segundos após a estimulação
tetânica. A potenciação pós-tetânica serve como base para a contagem pós-
tetânica, um teste muito útil na avaliação de bloqueios neuromusculares
profundos (mais de 95% e receptores bloqueados), quando as respostas ao
tétano, estímulo simples ou sequencia de quatro estímulos não aparece. O
28
número de respostas visíveis pós-tétano indica o tempo necessário para o
aparecimento da primeira resposta da sequencia de quatro estímulos
[8][12][13][14] [19][21].
A contagem pós-tetânica é o número de respostas que surge
com a aplicação de estímulos simples após a estimulação tetânica, quanto
menor for este número mais intenso é o bloqueio, sendo o inverso também
verdadeiro. Deste modo, quando se necessita de bloqueio neuromuscular
intenso, o ideal é que não apareça nenhuma resposta pós-tetânica
[8][12][13][14] [19][21].
3.4 SEQUENCIA DE QUATRO ESTÍMULO (TRAIN-OF-FOUR OU TOF)
Consiste em quatro estímulos supramáxima com impulso de
ondas quadradas de 0,1 a 0,3 ms com intervalo entre eles de 0,5 segundos,
por um período de 2 segundo, o que corresponde a uma frequência de 2 Hz
(Figura 3.3). São utilizados quatro estímulos, porque na presença de bloqueio
adespolarizante parcial a quarta resposta é a que mais diminui [8][12][13][14]
[19][21].
Figura 3.3: Formato do estímulo TOF
A resposta a este estímulo depende da intensidade e do tipo de
bloqueio. Na ausência de bloqueio, as quatro respostas têm a mesma
amplitude. No bloqueio despolarizante a sequencia de quatro estímulos
apresenta todas as respostas diminuídas, porém com igual amplitude. Na
presença de um bloqueio adespolarizante, ocorre diminuição progressiva nas
29
quatro respostas. Portanto, quanto mais intenso o bloqueio, menor será a
relação entre a intensidade do ultimo estímulo em comparação ao primeiro
[8][12][13][14] [19][21].
Para propósito clinico, contando-se o número de contração
muscular em respostas à sequencia de quatro estímulos, pode-se determinar o
grau de bloqueio. A presença de apenas uma contração muscular significa 90%
de bloqueio, de duas, 80% de bloqueio e de três, 75% de bloqueio. Como em
qualquer outro estímulo, a ausência de qualquer resposta significa bloqueio
total. Deste modo, a sequencia de quatro estímulos tem como vantagem não
necessitar de valor pré-bloqueio (controle), uma vez que utiliza a primeira
resposta como ponto de referência. Diferencia o tipo de bloqueio
neuromuscular, é mais sensível que o estímulo simples permitindo detectar
bloqueio residual, não é doloroso e podem ser repetidos a cada 10 segundos
[8][12][13][14] [19][21].
3.5 ESTIMULAÇÃO COM DUBLA SALVA (DOUBLE-BURST-STIMULATION OU DBS)
Este método de estimulação nervosa foi desenvolvido com o
fim especifico de permitir a detecção visual ou tátil de pequenos graus de
bloqueio residual. Este estímulo consiste em duas rajadas de três estímulos na
frequência de 50Hz separados por um intervalo de 750 ms (Figura 3.4). Cada
salva é percebida como uma contração única [8][12][13][14] [19][21].
Figura 3.4: Formato da estimulação com Dupla salva DBS
30
Na ausência de bloqueio neuromuscular, a resposta aparece
como duas contrações musculares de igual força. No músculo paralisado por
bloqueador neuromuscular adespolarizante, a segunda resposta é mais fraca
do que a primeira. Deste modo, a ausência de fadiga na estimulação com
dupla salva significa ausência de bloqueio residual significativo [8][12][13][14]
[19][21].
31
CAPÍTULO 4
4. CARACTERÍSTICAS DE UM ESTIMULADOR DE NERVOS
4.1 FORMA DE ONDA
O impulso deve ser monofásico e retangular isento de períodos
transitórios ou overshoot7. O impulso bifásico pode desencadear potenciais de
ação repetitivos, aumentando assim a resposta à estimulação. O pulso deve
possuir um rápido crescimento da intensidade da corrente (tempo de subida ≤
3µs), seguido por um platô de intensidade constante e então um rápido
decaimento da corrente (tempo de descida ≤ 3µs) [2][12][13][21] [22][23].
4.2 INTENSIDADE DA CORRENTE
A corrente de saída de cada estímulo deve variar de 10 – 70
mA (eletrodo de superfície) e apresentar intensidade constante. Deve haver
uma ótima precisão entre a corrente especificada de saída e a lançada no
paciente [4] [19] [22].
4.3 DURAÇÃO DO IMPULSO
O intervalo mais adequado para estimulação está entre 0,1 e
0,3 ms. Um pulso com largura > 0,5 ms que exceda o período refratário de um
nervo pode resultar em estimulação nervosa repetitiva ou estimular
diretamente o músculo [2][12][13]. A duração do impulso deve permanecer
7 É a diferença entre o valor de pico e o valor final de estabilização de um sinal.
32
constante para cada nível de intensidade de corrente. Para um bom
estimulado de nervos é recomendado que tenha seletividade de três durações
de impulso 0,1 a 0,3 ms[21] [22][23].
4.4 MÁXIMA CARGA DE SAÍDA
A resistência da pele pode variar 0Ω a 5kΩ e, ainda, poder ser
afetada por fatores como temperatura e umidade da pele, tipo de eletrodos
utilizados e alguma doenças [13]. Porém, um bom estimulador deve suportar
uma variação de carda de 0Ω a 10kΩ [24].
4.5 FUNCIONALIDADE
Deve apresentar um display que mostre o valor da corrente de
saída, modalidade de estímulo e carga da bateria. Aviso sonoro para quando o
circuito estiver aberto [22]. Indicação de polaridade dos eletrodos, alarme na
eventualidade de sobre corrente, termômetro para avaliar a temperatura do
músculo monitorizado e disponibilidade de todos os padrões de estimulação
[19].
33
CAPÍTULO 5
5. CIRCUITOS E COMPONENTES
5.1 FONTE DE CORRENTE VERSUS FONTE DE TENSÃO
Embora uma variedade de formas de ondas sejam utilizadas
para estimular o tecido excitável, o circuito de saída que fornece tais estímulos
através dos eletrodos podem ser apenas de dois tipos, os quais possuem
características de funcionamento completamente diferente. Estes circuitos são
os de tensão-constante e corrente-constante [11] [18].
Figura 5.1: Tensão-constante e corrente-constante (Mod. de: [18]).
O circuito de tensão-constante fornece uma saída que é capaz
de fornecer uma corrente inversamente proporcional à impedância do eletrodo-
carga conectar a ele. A Figura 5.1a ilustra as características de saída com as
respectivas variações da impedância 𝑍𝑠 conectada entre eletrodo-carga.
Notamos que a tensão de saída permanece constante para todo valor de 𝑍𝑠, no
entanto a corrente entregue diminui com o aumento de 𝑍𝑠 [11] [18].
O circuito de corrente-constante fornece a mesma corrente
independente da impedância 𝑍𝑠 eletrodo-pele conectado a ele. A Figura 5.1b
Zs
00
Tensão Corrente
Ten
sã
oC
orr
en
te
Zs
Te
ns
ão
Co
rren
te
Tensã
o
a b
00
Corrente
34
ilustra as características de saída do circuito de corrente-constante com a
variação da impedância 𝑍𝑠 eletrodo-pele. Pela lei de Ohm, a tensão de saída
deverá se alterar para manter a corrente constante, conforme a impedância dos
tecidos se altera ao longo do tempo, deste modo a tensão incrementa
linearmente com o aumento linear de 𝑍𝑠[11] [18].
Cada tipo de estimulador possui potenciais vantagens e
desvantagens de acordo com a aplicação clínica desejada. O uso do
estimulador por tensão é mais seguro por manter uma densidade de corrente
constante, pois, em casos onde o contato dos eletrodos e a transmissão
elétrica são reduzidos, estes estimuladores irão automaticamente reduzir os
níveis de corrente, diminuindo o risco de queimadura ao paciente pelo aumento
da densidade de corrente, ou ainda, se a impedância eletrodo-pele diminui,
melhorando a transmissão elétrica, a corrente irá aumentar, podendo resultar
em uma elevada e indesejada intensidade de estimulação. Contudo, devido à
variação da resistência de acoplamento eletrodo-pele e da própria impedância
do tecido, não é possível prever a quantidade de carga aplicada ao individuo.
Já os estimuladores a corrente constante irão automaticamente
reduzir a tensão de saída quando os contatos dos eletrodos melhoram ou
quando a transmissão elétrica aumenta, de modo a manter o nível desejado de
estimulação. Entretanto, em casos onde o contato dos eletrodos ou a
transmissão elétrica se reduz, a tensão será aumentada, o que pode resultar
em queimaduras na pele se a densidade de corrente aumentar de forma
significativa. Por esta razão, estimuladores a correntes constantes bem
projetados apresentam uma tensão limite de saída, que não pode se exceder
independente do aumento da impedância eletrodo-pele. A grande vantagem de
se utilizar sistema de corrente-constante é a possibilidade de controlar e
preverá quantidade de carga aplicada ao individuo, mesmo que a resistência
de acoplamento e a impedância do tecido sofram alterações[11] [18].
35
5.2 O MICROCONTROLADOR
Um microcontrolador é um sistema computacional completo no
qual estão incluídos uma CPU (Central Processor Unit), memória de dados e
programa, um sistema de clock, portas de I/O (Input/Output), além de outros
possíveis periféricos, tais como, módulos de temporização e conversores A/D
entre outros, integrados em um mesmo componente. As partes integrantes de
qualquer computador, e que também estão presentes, em menor escala, nos
microcontroladores são:
Unidade Central de Processamento (CPU)
Sistema de clock para dar sequencia às atividades da CPU
Memória para armazenamento de instruções e para manipulação de
dados
Entradas para interiorizar na CPU informações do mundo externo
Saídas para exteriorizar informações processadas pela CPU para o
mundo externo
Programa (firmware8) para definir um objetivo ao sistema
Figura 5.2: Diagrama de bloco do microcontrolador HCS08AC (Fonte: [25]).
8 Conjunto de instruções operacionais programadas diretamente no hardware.
36
Os microcontroladores normalmente são classificados em
famílias, dependendo da aplicação a que se destinam. A partir da aplicação
que a família de microcontroladores se destina, um conjunto de periféricos
específicos é escolhido e integrado a um determinado microprocessador.
Estes microprocessadores normalmente operam com barramentos de 8, 16 ou
32 bits, e apresentam arquiteturas RISC (Reduced Instruction Set Computer)
ou CISC (Complex Instruction Set Computer). Alguns exemplos de
microcontroladores que utilizam microprocessadores com arquitetura RISC são
o PIC (Microchip) e o MSP430 (Texas Instruments). Já o MC68HC08 e HCS08
(Freescale) e o 8051 (Intel) são exemplos de microcontroladores que utilizam
arquitetura CISC.
Neste trabalho optou-se pelo microcontrolador da Freescale da
série HCS08 (Figura 5.2) devido ao grande número de periféricos (ADC, KBI,
Timers, e etc), quantia de em memória e facilidade de programação.
5.3 O ESPELHO DE CORRENTE
A Figura 5.3a apresenta um circuito espelho de corrente
simples. O principal componente deste circuito é o transistor Q1, cujo dreno
este curto-circuitado com a porta, forçando sua operação no modo de
saturação com [26]:
𝐼𝐷1 =1
2𝑘𝑛
′ 𝑊
𝐿 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡𝑛 2 eq. 5
Na função acima desconsideramos a modulação do
comprimento do canal. Temos para o circuito da Figura 5.3a que a corrente de
referência pode ser dada por:
𝐼𝐷1 = 𝐼𝑅𝐸𝐹 =𝑉𝐺𝑆
𝑅1 eq. 6
37
VGSV - VGS t0
IREF
Inclinação1ro
=
IO
VO
Figura 5.3: Espelho de corrente básico (a) e características de saída da fonte de corrente (b) (
Mod. de: [26]).
Considerando o transistor Q2 vemos que ele possui o mesmo
𝑉𝐺𝑆 que Q1 podemos supor que ele esteja operando na saturação, deste modo
sua corrente 𝐼𝐷 = 𝐼𝑂𝑈𝑇 , logo [26]:
𝐼𝑂𝑈𝑇 = 𝐼𝐷2 =1
2𝑘𝑛
′ 𝑊
𝐿 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡𝑛 2 eq. 7
Sendo assim, as duas equações anteriores nos permitem
relacionar a corrente de saída (𝐼0) com a corrente se referência (𝐼𝑟𝑒𝑓 ) pela
seguinte equação:
𝐼𝑂
𝐼𝑟𝑒𝑓=
𝑊 𝐿 2
𝑊 𝐿 1
eq. 8
Esta relação mostra a conexão entre Q1 e Q2 o qual gera uma
corrente 𝐼0 que é relacionada à corrente de referência (𝐼𝑟𝑒𝑓 ) pela razão da
relação de aspecto dos transistores. Devido a essa relação entre os
transistores que se deu o nome de espelho de corrente.
a b
38
Embora desconsiderada a modulação do comprimento do
canal nestas analises, ela pode ter um efeito significativo sobre a operação da
fonte de corrente. Pois, à medida que 𝑉𝑜 aumenta acima do valor de 𝑉𝐺𝑆, 𝐼𝑜 vai
crescer de acordo com a resistência de saída incremental 𝑟𝑜2(dependente de
𝑉𝐴2) de Q2 como mostrado na Figura 5.3b.
Este espelho de corrente possui sua resistência incremental
finita e de baixo valor, dada por:
𝑟𝑜2 =𝑉𝐴2
𝐼𝑂 eq. 9
Para contorna este problema, visto que quanto maior a
resistência de saída, menor será a interferência da modulação de canal,
diminuindo assim a inclinação do gráfico é o espelho de Wilson mostrado na
Figura 5.4 o qual, possui sua resistência de saída muito maior do que a do
circuito anterior. Deste modo temos que a resistência de saída para o espelho
de Wilson levando em consideração o efeito de corpo dado por [27]:
𝑅𝑜𝑢𝑡 = 2 + 𝑔𝑚2𝑟𝑜3 𝑟𝑜2 eq. 10
Figura 5.4: Espelho de Wilson (Mod. de: [27]).
39
5.4 O CONVERSOR CC-CC
Também conhecidos como conversores estáticos, realizam a
conversão de tensão CC aplicando tensão contínua pulsada em um indutor ou
transformador com determinada frequência/período (usualmente na faixa de 50
kHz a 5 MHz ) que faz com que o fluxo de corrente gere energia magnética
armazenada, que é então aproveitada em uma saída. Ajustando-se o ciclo de
trabalho, a tensão na saída pode ser alterada, ou preferencialmente, mantida
estável, através de um controle adequado (realimentação), mesmo que
ocorram alterações de carga e corrente. Este método de conversão é mais
eficiente (geralmente 80% a 95%) do que conversores lineares. Uma
desvantagem de conversores chaveados é o ruído eletrônico gerado a altas
frequências, que muitas vezes precisam ser filtrados. As topologias básicas de
conversores estáticos CC para CC são: Buck, Boost, Buck-boost (Figura 5.5).
Neste trabalho utilizou-se o conversor Flyback (variação do conversor Buck-
Boost) operando em modo contínuo para fazer a elevação de tensão de 18V
para 70V[28][29].
Figura 5.5: Topologias básicas de conversor CC.
No funcionamento do conversor Flyback vemos que o elemento
magnético comporta-se como dois indutores acoplados e não como um
transformador. No modo contínuo, quando S conduz (Figura 5.6 na 1ª etapa),
40
armazena-se energia na indutância do "primário" (em seu campo magnético) e
o diodo fica reversamente polarizado. Quando S desliga (Figura 5.6 na 2ª
Etapa) a energia acumulada no campo magnético é enviada à carga [28][29].
Figura 5.6: Etapas de funcionamento do conversor Flyback em modo contínuo (Fonte: [28]).
Para determinar o ganho estático do conversor, deve-se
determinar a relação de transformação do circuito magnético de indutores
acoplados.
𝑁𝑆
𝑁𝑃=
𝐿𝑠
𝐿𝑃 eq. 11
Deste modo, a relação de ganho estático é dada por:
𝑉𝑂 = 𝑁𝑆
𝑁𝑃
𝑉𝑖𝑛
1− 𝐷 eq. 12
Onde D é a razão cíclica da frequência utilizada.
41
CAPÍTULO 6
6. MATERIAIS E MÉTODOS
6.1 SISTEMA PROPOSTO
O sistema proposto consiste em um neuroestimulador
controlado digitalmente como mostrado no diagrama de blocos da Figura 6-1.
Este trabalho está dividido em duas partes: módulo digital e módulo analógico.
O módulo digital corresponde ao gerenciamento de todas as
funções do neuroestimulador (padrões de estimulação), controle da amplitude
da corrente de saída, geração das formas de ondas (através de um DAC),
interface entre equipamento e usuário (LCD e Buzzer), amostragem de sinal
analógico (ADC) e controle de alguns parâmetros da parte analógico (através
de PWM).
MCU
Te
cla
do
Ma
tricia
l
LC
D
BU
ZZ
ER
DACControle digital
de corrente
PERIFÉRICOSFLYBACK
ESPELHO DE CORRENTE
ADCPONTOS DE
AMOSTRAGENS
ENVIO DOS PADRÕES DE
ESTIMULAÇÃO
Módulo Digital Módulo Analógico
Figura 6.1: Diagrama de blocos do estimulador de nervos.
O módulo analógico corresponde à conversão do sinal digital
em um sinal aplicável á neuroestimulação. Para isso, utilizou-se um espelho de
42
corrente para gerar as corrente necessárias na eletroestimulação, um
conversor flyback para gerar a tensão necessária de alimentação ao espelho
de corrente, um conversor de tensão em corrente e algumas lógicas de circuito
para amostragem de sinal.
6.2 MÓDULO MICROCONTROLADO PARA GERAÇÃO, MONITORAÇÃO E CONTROLE DOS
PADRÕES DE ESTIMULAÇÃO.
6.2.1 O Microcontrolador
Para o desenvolvimento deste sistema, a escolha do
MC9S08AC32CPUE (Figura 6.2) se deu em virtude de ser um componente
com grande potencialidade, evitando-se assim, maiores limitações de
desenvolvimento.
Figura 6.2: MC9S08AC32CPUE 64-Pin LQFP (Fonte: [25]).
Dentre as características principais do MC9S08AC32CPUE,
destacam-se:
CPU de 8-Bit da família HCS08 com frequência de trabalho de até 40-
MHz.
Memória Flash de 32 KB on-chip.
16 canais ADC com amostragem de 10-bit.
SPI — Serial peripheral interface.
43
Timers – Apresenta 3 timer/PWM (TPM) independentes com suportes
à input capture, output compare, ou buffered edge-aligned pulse-width
modulation (PWM) em cada canal.
KBI – 8 pinos de interrupção por teclas Input/Output.
54 pinos de propósito gerais (I/O).
Pullups selecionados por software quando usados como entrada.
Pullups internos nos pinos RESET, IRQ e BKGD/MS.
6.2.1.1 Gravação dos dados no microcontrolador
A partir das versões HCS da freescale foi incorporado um
método de gravação denominado de BDM (Background Debug Mode) que
consiste em utilizar apenas um pino para gravação dos dados no
microcontrolador. Para que seja possível a gravação, necessita-se de um
periférico que faça a comunicação entre o Microcomputador e o pino BDM do
microcontrolador. Neste trabalho utilizou-se o WTBDMS08 da Witztronics que
permite programar e debugar o código assembler.
Figura 6.3: Programador e debugador WTBDMS08 para microcontroladores S08 da freescale
Este periférico permite comunicação com o CODEWARRIOR
(ferramenta da freescale para desenvolvimento de códigos de programação em
assembly, C ou C++) com o método de comunicação OSBDM. A versão
utilizada foi a CodeWarrior Special Ed 6.2 (versão Free limitada a 32KB de
código).
44
6.2.2 O conversor digital para analógico (DAC)
O diagrama de operação do conversor D/A utilizado (DAC0808)
da National é mostrado na figura 6.4. Nesta estrutura os dados digitais
enviados pela Porta PTF do microcontrolador chegam paralelamente aos pinos
A1 - A8 e são escritos na saída do conversor (𝐼𝑜) com os valores descritos pela
equação abaixo, para uma tensão VREF de +10V e tensão de alimentação Vcc de
+5V e VEE = -15 V.
Figura 6.4: Operação monopolar do conversor D/A DAC0808 (Fonte:[30]).
𝑉𝑂 = 𝑉𝑅𝐸𝐹 𝐴1
2+
𝐴2
4+ ⋯
𝐴8
256 eq. 13
6.2.3 Geração da forma de onda
O amplificador diferencial é um circuito cuja saída é uma
tensão resultante da diferença entre os dois sinais aplicados à entrada,
multiplicada por um ganho. Este ganho depende dos resistores (R10, R9, R8, R7)
conectadas nas entradas do amplificador. A Figura 6.5 apresenta este circuito
[31].
45
Figura 6.5: Amplificador diferencial utilizado como gerador de sinal Bifásico.
Temos deste modo que:
𝑉𝑜 =𝑅9
𝑅10 𝑉2 − 𝑉1 eq. 14
Considerando 𝑅10 = 𝑅8 𝑒 𝑅9 = 𝑅7 o ganho é igual a ―1‖, a
tensão de saída será:
𝑉𝑜 = 𝑉2 − 𝑉1 eq. 15
Utilizando sinais digitais (1 = 5V, e 0 = 0V) o amplificador
diferencial terá em sua saída uma forma de onda retangular, além de ser
possível, manipulando V1 e V2, para gerar uma forma de onda simétrica e
bifásica com mostrado na Tabela 3. Ou seja, o amplificador operacional
diferencial consegue formar a onda necessária para os pulsos elétricos do
eletroestimulador a partir de sinais digitais enviados pelo microcontrolador.
Tabela 3: Geração do sinal de estimulação.
V1 V2 Vo [V]
0 0 0
0 1 5
1 0 -5
1 1 0
46
Neste trabalho foi implementado um sinal monofásico, deste
modo, o controle da forma de onda será feita mantendo V1=0 e alterando o
valor de V2 entre 0 e 5V. Entretanto, o circuito já está configurado caso
necessite de um sinal bifásico.
6.2.4 Teclado para acionamento de funções
Uma forma bastante comum de implementação de teclado é o
sistema de teclado matricial. Um teclado matricial de 4 linhas por 4 colunas
permite a geração de 16 códigos independentes utilizando-se apenas 8 pinos
de uma porta do microcontrolador. Para este trabalho foram utilizadas 12
teclas, deste modo, utilizou-se um teclado de 4x3. A Figura 6.6 apresenta um
teclado matricial comercial. Para realizar a interface com o microcontrolador as
colunas do teclado matricial são conectadas com pinos configurados como
saídas e as linhas do teclado são conectadas a pinos configurados como
entradas. Os pinos de entrada serão conectados internamente com resistores
pull up.
Figura 6.6: Teclado Matricial 4x3.
47
Os pinos configurados como saídas são utilizados para realizar
a varredura do teclado matricial. Esta varredura terá como tarefa identificar
quando uma chave do teclado for pressionada. A varredura ira alternar os
valores lógicos nos pinos configurados como saídas. Estes pinos sempre
estarão configurados para que somente um deles contenha nível lógico zero
em um determinado momento. Desta forma, quando uma chave for
pressionada ira gerar um código bem definido, onde somente dois pinos da
porta utilizada como teclado estará em nível lógico zero (um pino de saída e
um pino de entrada).
6.2.5 Interface informativa entre equipamento e usuário
Para que o aparelho tenha total segurança ele precisa mandar
constantes avisos ao usuário (médico Anestesiologista), seja por informações
visuais (padrão de estimulação, corrente lançada, impedância de contando
entre eletrodo e paciente e duração de estímulo) apresentados em um LCD
(Figura 6.7) (display de cristal líquido) ou através de avisos sonoros (Figura
6.8) no instante da estimulação ou quando houve algum problema.
48
Figura 6.7: Display LCD para monitorar e auxiliar na configuração dos padrões de estimulação.
Figura 6.8: Buzzer e LED para avisos sonoros luminosos.
Tanto o LED quanto o Buzzer servem para avisar ao usuário a
presença de estímulos no exato momento. Evitando danos ao paciente por
descuido.
49
6.2.6 Fonte de alimentação
Consiste em uma fonte de alimentação simétrica regulada para
tensão positiva de 5V (LM 7805) e tensão negativa de -5V (LM 7905) através
de duas baterias de 9V e alguns capacitores para filtragem de ruídos. O
esquema do circuito da fonte de alimentação em +5V e -5V encontra-se na
Figura 6.9.
Figura 6.9: Fonte de alimentação simétrica
As tensões VPP e VEE são utilizadas para alimentação dos
AMP-OP e levadas ao módulo analógico.
6.3 MÓDULO ANALÓGICO
6.3.1 Espelho de corrente e seus controles
Neste estimulador será utilizado um circuito de corrente
constante para que possamos ter controle da carga lançada ao paciente. Para
concretizar este circuito optou-se pelo espelho de corrente o qual controlamos
sua corrente de referencia 𝐼𝑟𝑒𝑓 de forma digital através Q11 e IC1B. A inserção
do padrão de estimulação é realizada através dos transistores Q9 e Q10 os
quais trabalham como chave.
50
A partir de testes em laboratório e simulação optou-se por um
espelho de corrente melhorado, neste caso o espelho de Wilson (Figura 6.10).
Figura 6.10: Circuito do módulo analógico.
51
6.3.2 Conversor Flyback Controlado por SG3525A
Para que o espelho de corrente consiga liberar a corrente
necessária á estimulação em uma carga que varie de 500Ω a 2kΩ deve-se
alimentá-lo com uma tensão elevada. Isso se deve a lei de ohm que diz que a
tensão é proporcional a corrente aplicada em uma carga (U=Ri), pois quando
uma corrente de 30mA percorre por uma carga de 2kΩ produz uma tensão de
60V. Deste modo, a fonte que alimenta o espelho de corrente deve ser
elevada.
Como o sistema é portátil, a alimentação do estimulador deve
ser feita através de baterias, as quais não possuem tensão elevada. Neste
caso usaremos duas baterias de 9V em série. Durante o uso, a tensão das
baterias sofre queda alterando o ponto de operação do circuito. Este problema
pode ser contornado pelo uso de conversores CC-CC que elevam a tensão
(flyback) da bateria para níveis desejáveis e os mantém mesmo que a tensão
de entrada varie (figura 6.11).
Figura 6.11: Conversor Flyback controlado por SG3525
52
6.3.3 Amostragem de corrente e tensão via ADC
A fim de coletar alguns dados no período de estimulação foram
escolhidos dois pontos para amostragem, uma de tensão e outra de corrente
(Figura 6.12). O intuído destas amostragens é de avaliar a exata corrente
lançada ao paciente e a impedância conectada entre os dois eletrodos. Na
Figura 6.12a tem-se um divisor resistivo de alta impedância (R5 e R6) a fim de
avaliar a tensão presente na carga. Este divisor resistivo tem por finalidade
adequar o valor de tensão na carga para um nível aceitável, menor que 5 V, na
entrada do amplificador operacional e por fim do microcontrolador. Na Figura
6.12b vemos o circuito de amostragem de corrente. Neste circuito, quando a
corrente passar pelo resistor R1 produzirá uma tensão que será captada pelo
amplificador de instrumentação (INA126UA), o qual enviará a informação ao
microcontrolador. Para que a tensão seja ajustada para os níveis aceitos pelo
amplificador utilizou-se um divisor resistivo de alta impedância (R3, R7, R8 e
R9) a fim de diminuir perdas.
De posse destes dois dados, tensão e corrente na carga,
obtemos de forma indireta a impedância entre os eletrodos. Isso nos permite
perceber quando os eletrodos estão mal fixados evitando danos ao paciente.
Figura 6.12: Circuitos de amostragem de corrente e tensão
53
Devido à necessidade de se encontrar o valor mais próximo e
preciso da corrente lançada no paciente, há a necessidade de se encontrar a o
valor RMS do pulso. Para o calculo RMS do pulso demandará alto custo e
tempo em processamento, deste modo, parte-se para métodos alternativos
como a média aritmética (eq. 16), geométrica (eq. 17) e soma de Riemann (eq.
18). Na média aritmética, caso tivermos um valor muito discrepantes será
obtido uma média não precisa, uma vez que, este valor causará maior
interferência em relação aos demais dados. Na media geométricas, caso
tenhamos uma dos dados igual a zero teremos o resultada da média também
igual à zero. O método da soma de Riemann permite calcular a área coberta
por uma função através de somas sucessivas isso nos permite calcular o valor
RMS de um sinal de forma discreta, minimizando distorções causadas por
dados discrepantes.
𝑥 =1
𝑛 𝑥𝑖
𝑛𝑖=1 eq. 16
𝑥 = 𝑥𝑖𝑛𝑖=1 eq. 17
O método utilizado para amostrar estes valores foi o da soma
de retângulos de Riemann utilizando 4 amostras a fim de minimizar variações
de amplitudes drásticas. Soma de Riemann simplificada é mostrada abaixo:
𝑆 =1
2 𝑃𝑛 + 𝑃𝑛−1
𝑛2 eq. 18
6.3.4 Conversor Binário x Corrente
Para que seja possível controlar de forma digital a corrente de
referência no espelho de corrente é necessário um circuito conversor tensão x
corrente. Deste modo, a corrente 𝐼𝑟𝑒𝑓 será diretamente dependente da tensão
54
presente na entrada do amplificador. Esta tensão é proveniente de um valor
binário vindo do microcontrolador após ser convertido por um DAC (DAC0808).
Na figura 6.13 mostra-se o esquemático do conversor tensão
para corrente conectado ao bloco DAC.
Figura 6.13: Controle digital de 𝐼𝑟𝑒𝑓 espelho de corrente
55
CAPÍTULO 7
7. RESULTADOS E DISCUSSÃO
7.1 MÓDULO DIGITAL
A placa PCI para o módulo digital foi criada no Eagle CadSoft
5.6 e seu layout é mostrado na Figura 7.1.
Figura 7.1: Layout da placa do módulo digital.
Após verificar a existência de curto-circuito na placa iniciou-se
o processo de soldagem dos componentes. Primeiramente o que se diz
respeito à alimentação verificando se todos os pontos estavam com a
alimentação desejada. Em seguida, soldou-se o microcontrolador e os
componentes necessários para seu funcionamento, bem como o ramo para
gravação constituído pelo pino BDM. Após estes testes, iniciou-se a soldagem
dos componentes restantes testando cada bloco soldado. Assim obtemos a
placa completa do módulo digital (Figura 7.2).
56
Figura 7.2: Módulo digital.
O módulo digital e composto por 3 fileiras de botão. Uma com 5
e duas com 3. A primeira fileira seleciona o padrão de estimulação. A segunda
fileira coresponde ao incremento do período, corrente e frequência. A terceira
fileira corresponde ao decremento do período, corrente e frequência. O ultimo
botão corresponde ao início ou parada (start/stop) do estímulo.
O display LCD mostra os parâmetros e características presente
na estimulação no presente momento. A seguir são mostradas as informações
presente no display e a respectiva forma de onda para cada padrão de
estimulação.
57
7.1.1 Larguras de pulso e tempo de subida e descida
Podemos ver pelos sinais apresentados na Figura 7.3 que para
os três valores de duração de pulso o módulo digital respondeu de forma
adequada, seja na precisão da duração, seja no rápido tempo de subida e
descida. Os três valores de duração de pulso estão presentes em todos os
padrões de estimulação.
(a)
(b)
(c)
Figura 7.3: Largura dos pulso produzidos pelo módulo digital. (a) 100us, (b) 200us e (c) 300us.
58
7.1.2 Estimulação Simples
Na Figura 7.4 tem-se as informações apresentadas no display
LCD: frequência, largura do pulso e padrão de estimulação selecionado.
Figura 7.4: Informação do display para estímulo simples.
O módulo digital produz, para o estímulo simples, um sinal, o
qual, sua frequência varie de 0,1Hz a 1Hz em passos de 0,1Hz como
mostrado nas Figura 7.5 e Figura 7.6. As larguras de 100us, 200us e 300us
estão disponíveis para todas as frequências. Deste modo, para este padrão de
estimulação, vemos que para todas as frequências empregadas estão de
acordo com a teoria apresentada no capítulo 3.
(a)
(b)
Figura 7.5: Estímulo Simples para frequências de (a) 1Hz e (b) 0,9Hz.
59
0,8 Hz
0,7 Hz
0,6 Hz
0,5 Hz
0,4 Hz
0,3 Hz
0,2 Hz
0,1 Hz
Figura 7.6: Estímulos Simples para frequências de 0,8Hz a 0,1Hz.
60
7.1.3 Estimulação Tetânica
Na Figura 7.7 tem-se as informações apresentadas no display
LCD: frequência, largura do pulso e padrão de estimulação selecionado.
Figura 7.7: Informação do display para estímulo Tetânico.
O módulo digital produz, para o estímulo Tetânico, um sinal, o
qual, sua frequência pode assumir o valor e 100 Hz ou 50Hz, como mostrados
na Figura 7.8. Vemos que, para este padrão de estimulação, o módulo digital
gerou os 50 Hz e 100Hz como apresentados no capítulo 3.
(a)
(b)
Figura 7.8: Estímulos Tetânicos para frequências de (a)100Hz e (b) 50 Hz.
61
7.1.4 Estimulação Pós-tetânica
Na Figura 7.9 tem-se as informações apresentadas no display
LCD: frequência, largura do pulso e padrão de estimulação selecionado.
Figura 7.9: Informação do display para estímulo Pós-tetânico.
O módulo digital produz, para o estímulo Pós-tetânico, um
sinal, o qual, apresenta uma frequência de 50 Hz nos 5 primeiros segundos e 3
segundos após o termino prova dois estímulos na frequência de 1 Hz. A Figura
7.10 apresenta este estímulo, o qual, verificamos sua conformidade com a
teoria apresentada no capítulo 3.
(a)
(b)
Figura 7.10: Estimulação Pós-Tetânica.
62
7.1.5 Estimulação com dupla salva (DBS)
Na Figura 7.11 tem-se as informações apresentadas no dislay
LCD: frequência, largura do pulso e padrão de estimulação selecionado.
Figura 7.11: Informação do display para estímulo DBS.
O módulo digital produz, para o DBS, um sinal, o qual
apresenta duas salvas de pulsos na frequência de 50 Hz distantes em 750ms.
A Figura 7.12a mostra a distância entre cada salva e a Figura 7.12b a distância
entre cada sequencia de estímulos. Podemos verificar que o sinal gerado está
de acordo com o proposto na teoria apresentada no capítulo 3 e com o
estimulador comercial Figura 7.13 (marca: Organon Teknika; modelo: Digistim
3 plus). A variação dos níveis de amplitude do estimulado se deve ao fato de
ser obtido sem o uso de uma carga padrão, tendo como carga a impedância do
osciloscópio.
(a)
(b)
63
Figura 7.12: Estimulação com dupla salva.
(a)
(b)
Figura 7.13: Estimulação com dupla salva obtida do estimulador comercial.
Pode-se verificar que os sinais gerados pelo módulo digital
conferem com o do estimulador comercial.
7.1.6 Estimulação em sequência de quatro estímulos (TOF)
Na Figura 7.14 tem-se as informações apresentadas no display
LCD: frequência, largura do pulso e padrão de estimulação selecionado.
Figura 7.14: Informação do display para estímulo.
64
O módulo digital produz, para sequência de quatro estímulos,
um sinal que apresenta quatro estímulos (Figura 7.15a) na frequência de 2 Hz
distantes 10 segundos entre cada repetição (Figura 7.15b). Podemos verificar
que o sinal gerado está de acordo com o proposto na teoria apresentada no
capítulo 3 e, também, sua similaridade com o mesmo padrão de estimulação
(Figura 7.16) de um estimulador comercial (marca: Organon Teknika;
modelo: Digistim 3 plus)
(a) (b)
Figura 7.15: (a) Estimulação TOF e (b) distância entre cada repetição.
Figura 7.16: Estimulador comercial.
65
7.1.7 Conversor DAC e a corrente de referência
Vemos pela Tabela 4 que a resposta à variação da corrente de
referência está em função do valor binário que o microcontrolador envia ao
DAC. A corrente de referência é gerada com base nesta tensão em um resistor
de 100Ω. Deste modo, tanto tensão quanto corrente variam de forma linear.
Tabela 4: Relação Binário x Tensão de referência.
Valor em Hexadecimal Tensão Saída 𝑰𝑹𝑬𝑭 [mA]
0
0 0
2
78.2m 0,782
4
158.8m 1,588
6
237.3m 2,373
8
317.7m 3,177
10
396.2m 3,962
12
476m 4,76
14
555m 5,55
16
635m 6,35
18
714m 7,14
20
796m 7,96
22
873m 8,3
24
953m 9,53
26
1.031 10,31
28
1.111 11,11
30
1.190 11,9
32 1.272 12,72
66
Figura 7.17: Gráfico da relação binário x tensão de saída do DAC.
Deste modo, temos que a expressão que rege a corrente de
referência, com base na Tabela 4 e na Figura 7.17, pode ser dada de forma
aproximada por:
𝐼𝑅𝐸𝐹 = 4
10∗ 𝐴
Sendo, ―A‖ é o valor binário enviado ao DAC.
7.2 MÓDULO ANALÓGICO
A placa PCI para o módulo analógico foi criada no Eagle
CadSoft 5.6 e seu layout é mostrado na Figura 7.18.
Após verificar se não havia nenhum curto-circuito na placa
iniciou-se a soldagem, tendo como partida o Flyback. Posteriormente, deu
início a testes de carga no conversor CC a fim de verificar se estava de acordo
com o esperado (Tensão de saída de 70V e corrente máxima de 100mA).
y = 0,3956x - 0,0055
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
I[mA
]
Binário
I[mA]
67
Figura 7.18: Layout da placa analógica (Espelho de corrente e Flyback).
O módulo analógico apresenta na sua parte superior o
conversor flyback com seu sistema de controle. Em sua parte inferior direita o
espelho de corrente com sua interface de polarização para controle do estímulo
(Figura 7.19)
Figura 7.19: Módulo Analógico.
68
7.2.1 Simulação
Para simulação deste circuito foi utilizado o programa ORCAD
10.3 da empresa Cadence. Os transistores de canal P do circuito espelho de
corrente Q1, Q2, Q3, Q4 e Q5 são o IRFD9110 e o transistor de canal N (Q6)
do circuito de conversão de sinal lógico para sinal de acionamento da chave é
o IRFD120. Para o teste, programou-se a fonte Vpulse de forma a apresentar
1us de tempo de descida e subida, 100us de duração de pulso e 500ms entre
cada pulso e a corrente de referência para 10mA. A Figura 7.20 apresenta a
forma de onda em uma carga de 1kΩ presente entre os eletrodos.
Figura 7.20: Forma de onda produzido pela simulação do circuito com corrente de 10 mA
Como podemos ver a forma de onda sofreu uma alteração em
seu formato inicial, gerando dois picos de pulso (overshoot) em ambas as
bordas do estímulo (descida e subida). Sendo a primeira de maior amplitude
tornando-se necessárias algumas alterações no circuito a fim de suprimí-la. Um
método seria o de buscar componentes que possibilitem melhor respostas
transitórias.
69
Para todos os valores de corrente de referência simulados em
uma escada de 0mA a 50mA o espelho de corrente respondeu com uma
corrente de igual valor sobre a carga e quanto maior a corrente menor se
tornava a porcentagem de overshoot do sistema (Figura 7.21). Contudo, a
largura do pulso foi alterada, essa resposta se deve a Q6 que não possui e
uma boa resposta. Uma alternativa para este problema seria a substituição por
um transistor mais rápido ou que produza menor distorção.
Figura 7.21: Forma de onda produzido pela simulação do circuito com corrente de 50 mA
Pode-se perceber, também, que houve certo atraso causando
um aumento da largura de pulso. Isto remete a velocidade de resposta do
transistor, sendo necessários componentes mais rápidos para uma melhor
resposta.
70
7.2.2 Largura de pulso e tempo de subida e descida
Podemos ver pelos sinais apresentados na Figura 7.22 que
para os três valores de duração de pulso o módulo analógico não respondeu de
forma esperada. Apresentaram uma resposta muito lenta aumentando a largura
de pulso. Podemos ver pela tabela 5 que não há uma diferença significativa
entre cada largura de pulso amplificada pelo espelho de corrente e que são, em
média, 10 vezes maiores do que o esperado. Isto se deve à utilização de
MOSFETS de potência, devido à necessidade de alto VDS. Estes transistores,
normalmente, não necessitam de uma boa resposta em frequência, o que
acarreta em distorções do sinal para frequências altas, fator não muito
preocupante em eletrônica de potência. Transistores com melhor resposta em
frequência não trabalham com altos VDS como o necessário para este
neuroestimulador. Transistores utilizados em amplificadores de áudio é uma
solução para este problema, contudo são de valores demasiadamente
elevados inviabilizando o circuito.
Ainda temos que o tempo de subida e descida estão
consideravelmente superior ao esperado de 3us.
Pode-se perceber ainda que uma grande alteração no sinal
ocorreu no primeiro transistor de canal N (Q7), o qual apresentava um atraso
no sinal. Esse atraso surgia quando o sinal estava sendo desligado, ou seja,
passagem de alto para baixo. Esse atraso se da devido às capacitâncias do
transistor utilizado.
Tabela 5: Comparação entre os dois módulos e a largura de pulso desenvolvido.
100us 200us 300us
Digital 100us 200us 300us
Análogico 1,273ms 1,281ms 1,284ms
71
100𝜇𝑠
200𝜇𝑠
300𝜇𝑠
Figura 7.22: Largura de pulso na saída do espelho de corrente.
7.2.3 Estimulação Simples
Apesar do aumento na largura de pulso provocado pelo
espelho de corrente, percebe-se quem não houve uma alteração em sua
frequência (Figura 4-23 e Figura 4-24). Deste modo, neste quesito o sistema se
mostrou satisfatório sendo necessário apenas melhorar a resposta da largura
de pulso. Para melhor visualização os estímulos estão com amplitude máxima.
72
1 Hz
0,9 Hz
0,8 Hz
0,7 Hz
0,6 Hz
0,5 Hz
Figura 7.23: Estímulos simples com frequência de 0,5 Hz a 1 Hz.
73
0,4 Hz
0,3 Hz
0,2 Hz
0,1 Hz
Figura 7.24: Estímulos simples com frequência de 0,1 Hz a 0,4 Hz.
7.2.4 Estimulação Tetânica
Assim como no estímulo simples o único problemas
apresentado foi o aumento na largura de pulso. Contudo a frequência do
estímulo permaneceu como o esperado (50 Hz e 100Hz) como mostrado na
Figura 7.25. Para melhor visualização os estímulos estão com amplitude
máxima.
74
100 Hz
50 Hz
Figura 7.25: Estímulos Tetânico de 50 Hz e 100 Hz.
7.2.5 Estimulação Pós-Tetânica
Assim como nos dois primeiros padrões de estimulação o único
inconveniente para este estímulo foi o aumento na largura de pulso. Entretanto
a frequência do estímulo manteve-se como o esperado (Figura 7.26). Para
melhor visualização os estímulos estão com amplitude máxima.
Figura 7.26: Estimulação Pós-Tetânica.
75
7.2.6 Estimulação com Dupla Salva (DBS)
Assim como nos três primeiros padrões de estimulação o único
inconveniente para este estímulo foi o aumento na largura de pulso, o qual sua
correção pode ser dar pela escolha de transistores mais rápidos. Entretanto a
frequência do estímulo manteve-se como o esperado. A Figura 7.27a mostra a
tempo de 8 segundos entre cada repetição, a Figura 7.27b apresenta a
distância de 750ms entre cada salva (Figura 7.27) e a Figura 7.28 apresenta os
três estímulos de uma salva na frequência de 50Hz. Para melhor visualização
os estímulos estão com amplitude máxima.
(a)
(b)
Figura 7.27: (a)Tempo de 8s entre cada repetição e (b) tempo de 750ms entre cada salva.
Figura 7.28: Uma Salva do estímulo DBS em 50 Hz.
76
7.2.7 Estimulação em sequência de quatro estímulos
Assim como nos padrões de estimulação anteriores o único
inconveniente para este estímulo foi o aumento na largura de pulso, o qual sua
correção pode ser trabalhada a partir da escolha de transistores mais rápidos.
Entretanto a frequência do estímulo manteve-se como o esperado (Figura
7.29). Para melhor visualização os estímulos estão com amplitude máxima.
Figura 7.29: Tempo de 10 segundos entre cada repetição
7.2.8 Relação 𝑰𝑹𝑬𝑭 x Corrente na carga
O circuito desenvolvido para parte de potência (espelho de
corrente) apresentou uma razoável desempenho (tabela 6). Porém, para a
aplicabilidade à que se dedica o aparelho desenvolvido os resultados obtidos
não são adequados, uma vez que, se necessitada de precisão entre o valor
informado ao usuário com o valor efetivamente lançado ao paciente. Os valores
apresentados na tabela 6 foram obtidos de forma indireta obedecendo à lei de
Ohm’s. A 𝑰𝑹𝑬𝑭 obteve-se com multimetro (Minipa ET-2082B) a partir da tensão
lançada pelo DAC na resistência de 100Ω presente no circuito gerador de
77
corrente. A corrente na carga, por sua vez foi obtida via osciloscópio (Tektronix:
TDS 360) sobre uma carga de 1kΩ.
Tabela 6: Relação entre 𝑰𝑹𝑬𝑭 x corrente na carga.
Tensão DAC 𝐼𝑅𝐸𝐹[𝒎𝑨] Corrente na carga [mA]
0 0 0
0,158 1,58 1,23
0,555 5,55 4,13
1,03 10,3 8,24
1,89 18,9 16,5
2,91 29,1 26,5
4,03 40,3 35,4
5,01 50,1 48,1
6,32 63,2 60,4
Este problema se deve ao não casamento entre transistores.
Como os MOSFETS utilizados são discretos apresentam pequenas variações
de características, pois são fabricados em lâminas de silício distintas podendo
apresentar variações em sua dopagem. Deste modo, transistor discretos
podem ser originários de lâminas diferentes o qual não permitirá boas
características para implementação em espelhos de corrente. O ideal seria
implementar o espelho de corrente, como um todo, em uma única pastilha,
garantindo assim que todos os MOSFETS apresentarias características muito
semelhantes diminuindo erros por diferença de dopagem e tamanhos de
canais. Outro fator que interfere nesta relação de 𝐼𝑅𝐸𝐹 e corrente espelhada é a
curva 𝐼𝐷𝑥𝑉𝐷𝑆 , pois está curva na região de saturação não é constante
apresentando uma inclinação que depende da tecnologia de fabricação. Esta
inclinação pode ser obtida pelo inverso da resistência de saída do MOSFET o
qual é apresentado como a razão entre a tensão de Early pela corrente Io.
Sendo assim, quanto maior a resistência de saída menor será a variação de
corrente devido à variação de VDS.
78
7.2.9 Amostragem da Tensão e corrente na carga
O sistema apresentado neste trabalho para obter os dados de
corrente e tensão no individuo no momento em que está recebendo a
estimulação somente é valido quando se utiliza carga puramente resistiva.
Entretanto, a carga real a ser utilizada é a impedância que envolve
acoplamento entre eletrodo e pele, resistência da pele e impedâncias internas
o tecido, ou seja, é uma carga que consiste entre resistência e capacitâncias
transformando o sinal na carga em algo semelhante à descarga de capacitores
(Figura 7.30). O sinal da Figura 7.30 foi obtido utilizando a carga apresentada
na Figura 2-8 com RE =500Ω, CD= 1nF e RD= 500 Ω
Figura 7.30: Resposta a um estímulo obtido com carga padrão
Deste modo, o método proposto para medir os valores de
tensão e corrente no paciente não apresentaram respostas significativas,
gerando diferenças de até 70% de erro.
Caso a impedância do corpo humano fosse apenas resistiva
este seria um método bom para amostragem de corrente e tensão. Porém,
outro método deverá ser desenvolvido, levando em conta a capacitância do
corpo humano, para uma amostragem coerente. O método para coleta destes
dados já estão implementados na programação, entretanto a corrente mostrada
79
no display é a corrente de referencia que, no caso, apresenta melhor
proximidade a real corrente lançada ao paciente.
Outro fator que impede o uso deste método é o baixo slew rate
do amplificador de instrumentação utilizado (0.4 V/us) e a relação de ganho
que, quanto maior o ganho, menor é a banda de trabalho do amplificador.
Como necessitamos de um ganho alto, o INA126 provocará grandes distorções
do sinal e para sinais de amplitude baixos não apresentará resposta.
7.3 GASTO ENERGÉTICO
O equipamento desenvolvido apresentou um alto gasto
energético, como podemos ver na tabela 7 e tabela 8.
Tabela 7: Gasto energético do módulo digital.
Tensão [V] Corrente [ mA] Potência [mW]
Standby 9 53 477
Médio Ativo 9 62 448
Tabela 8: Gasto energético do módulo analógico.
Tensão [V] Corrente [ mA] Potência [mW]
Standby 18 36 648
Médio Ativo 18 180 3240
No módulo digital os componentes de maior consumo são os
amplificadores operacionais e o conversor DA, sendo assim ao substituirmos
estes componentes por outros com menor consumo melhoraremos o gasto
energético.
No módulo analógico o maior consumo está nos controle do
conversor flyback. Deste modo, deve-se aperfeiçoa-lo para minimizar o gasto
80
energético em standby. Em médio ativo, ou seja, quando estiver realizando
estimulação temos, realmente, um gasto elevado de potência. Deste modo, o
circuito analógico apresenta uma boa eficiência energética.
81
CONSIDERAÇÕES FINAIS
8. CONCLUSÃO
No decorrer deste trabalho, pode-se perceber ser possível a
criação de um estimulador de nervos com base nas técnicas apresentadas
nesta monografia. O microcontrolador se mostrou eficiente e versátil no que diz
respeito ao controle de padrão, frequência, duração e intensidade do estímulo,
bem como nas características que relacionam interação entre médico e
aparelho. As informações importantes ao anestesiologista, como a amplitude e
a duração do estímulo, são apresentadas ao usuário do aparelho via display
LCD devido à múltipla capacidade gerenciamento de periféricos do
microcontrolador.
O módulo analógico apresentou resultados satisfatórios, pois
foi possível amplificar os sinais gerados pelo módulo digital. Entretanto, deve
ser melhorado em vários aspectos, seja aumentar a tensão de saída do
conversor flyback permitindo maior carga entre os eletrodos ou a respostas dos
transistores no espelho de corrente de forma a ter um sinal o menos distorcido
possível e com taxa de overshoot mínima ou zero. Outro fator que deverá ser
melhorado é a resposta à largura de pulso que deve-se ser reduzido para
valores apresentados no tópico 5.3. Também deve-se melhorar a relação de
corrente de referência e a corrente na carga, as quais, devem apresentar
valores iguais ou o mais próximos possíveis. Um possível método seria a de
implementar todo o espelho de corrente em uma única pastilha de circuito
garantindo que todos os transistores terão as mesmas características. Quanto
ao consumo energético o módulo digital apresenta um consumo acima do
esperado necessitando um aperfeiçoamento. Já o módulo analógico está
dentro de um valor aceitável, contudo é possível melhorar o desempenho.
Por fim, este trabalho permite concluir que, com algumas
alterações na estrutura do circuito, se terá um equipamento de boa qualidade
podendo ser submetidos a testes mais rigorosos como teste com carga padrão,
segurança elétrica e precisão.
82
8.1 TRABALHOS FUTUROS
Para trabalhos futuros, tem-se os seguintes pontos a serem
trabalhados:
Melhorar resposta do espelho de corrente para que haja a menor
distorção possível e mantenha a largura dos pulsos nos valores de
100us, 200us e 300us.
Aumentar grandeza de carga possível, ou seja, aumentar a tensão de
saída do conversor CC-CC flyback ao mesmo tempo em que se
aperfeiçoa para menor consumo interno de energia.
Implementar método de compensação capacitiva para que seja possível
amostragem de corrente e tensão sem que haja interferência da carga
entre os eletrodos.
Desenvolver um método de casamento entre os transistores para que se
minimize a diferença entre a corrente de referencia e a corrente na
carga. Uma possibilidade seria o de encapsular todo o espelho de
corrente. Para isso o CCS (Centro de Componentes Semicondutores) da
Unicamp pode ser consultado para produção destes integrado, visto que
possuem tecnologia suficiente para produção deste componente.
83
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Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos: teoria, projetos,
aplicações e laboratorio. Porto Alegre: Bookman, 2003, cap. 3, pg. 51-76.
88
ANEXOS
89
ANEXOS A - FLUXOGRAMAS
Função principal
90
Estímulos Simples
91
Estímulo Tetânico
92
Estímulo Pós-Tetânico
93
Estímulo DBS
94
Estímulo TOF
95
Timers
Função Liga/desliga estímulo
96
Incrementa/decremente período
97
Incrementa/decrementa frequência
98
99
Incrementa/decrementa corrente
100
Mapeamento do teclado matricial
101
ANEXO B – CÓDIGO EM C
#include <hidef.h> /* for EnableInterrupts macro */
#include "derivative.h" /* include peripheral declarations */
#ifdef __cplusplus
extern "C"
#endif
/*********============================================**********
********** Declaração das funções de inicialização **********
**********============================================**********/
void MCU_init(void);
void Param_init(void);
void Init_LCD(void);
void CARC_init(void);
void Delay_5ms(void);
void Delay_ON(void);
void Delay_OFF(void);
void Delay_long_min(void);
void Delay_long(unsigned int Tempo);
void TIMER_KBI(void);
void Teclado(void);
void START_STOP(void);
void Inc_Per(void);
void Dec_Per(void);
void Dec_Int(void);
void Inc_Int(void);
void Inc_Freq(void);
void Dec_Freq(void);
void Testa_bit(void);
void Escr_LCD(char *string);
void Escr_num(unsigned char Número);
void Instr(char Comando);
void Posic_Cursor(byte linha, byte coluna);
void Limpa_LCD(void);
void Testa_bit(void);
void Atu_Corrent_LCD(void);
void Conv_ADC (void);
/*********============================================**********
********** Variáveis de Inicialização **********
**********============================================**********/
unsigned int Temp_ON, Temp_OFF //Tempo em “1” e tempo em “0” respectivamente no estímulo
unsigned int Free, Atu_x, y, x; //Variáveis de uso geral
unsigned char Int_corrent; // Define Variável para contagem que será enviada ao DAC
unsigned int start_stop; //Define variável de Habilita/desabilita estímulos
102
unsigned int Temp_8min, Freq; // Variáveis para contagem de 8 minutos e definir frequência de
// estímulos
/*********============================================**********
********** Constantes de Inicialização **********
**********============================================**********/
#define T100us 2000 //Define tempo de contagem de 100us
#define T200us 4000 //Define tempo de contagem de 100us
#define T300us 6000 //Define tempo de contagem de 100us
#define RS PTED_PTED4 //Seleção de dados/instrução do LCD
#define RW PTED_PTED5 //Define leitura ou escrita no LCD
#define E PTED_PTED6 //Habilita LCD
#define DADOS PTAD //Saída de dados para o DAC
#define BUSY_FLAG PTAD_PTAD7 //Bit para testar fim de processo no LCD
#define OUT_DA PTFD //porta de saída para o DAC
/*********############################################**********
********** Programa Principal **********
**********############################################**********/
void main(void)
MCU_init(); /* Chama Rotina de Inicialização */
Init_LCD(); //inicializa LCD
Param_init(); //Parâmetros iniciais de estimulação “Default”
EnableInterrupts; // Habilita interrupção
CARC_init(); //Características iniciais vistas no LCD
PTDD_PTDD4 = 0; //Inicializa LED de aviso desligado
PTED_PTED3=0; //Inicializa Buzzer desligado
PTCD_PTCD4=0; //Inicializa Estímulo desligado
Inic_Main:
/*********============================================**********
********** Rotina para função de estimulação Simples **********
********** Gera o sinal apresentado na Figura 4.5 e 4.6 **********
**********============================================**********/
if(Modo==1)
Temp_OFF = 62500; //Define valor de 400ms para ciclo morto
Freq = 2;
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("1.0Hz ");
while(start_stop==0) //Só haverá estimulação caso start_stop=1
while(Modo!=1)
goto Inic_Main
while(Modo==1)
PTCD_PTCD4 = 1;
PTDD_PTDD4 = 1; //Ativa LED
PTED_PTED3=1; //Inicializa Buzzer
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 =0;
103
PTDD_PTDD4 = 0; //Desliga LED
PTED_PTED3=0; //desliga Buzzer
for(Atu_x=0;Atu_x<Freq;Atu_x++)
while(Modo!=1) //Testa se houve mudança de padrão
goto Inic_Main; //Caso tenha mudado modo salta para verificar
//novo modo
Delay_OFF();
Delay_long(15622); //Define tempo de 100ms
while(start_stop==0)
while(Modo!=1)
goto Inic_Main;
goto Inic_Main;
/*********============================================**********
********** Rotina para função de estimulação Tetânica **********
********** Gera o sinal apresentado na Figura 4.8 **********
**********============================================**********/
if(Modo==2)
Temp_OFF = 1562; //Define valor de 10ms para ciclo morto
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("100Hz ");
while(start_stop==0)
while(Modo!=2)
goto Inic_Main;
while(Modo==2)
PTCD_PTCD4 = 1;
PTDD_PTDD4 = 1; //Ativa LED
PTED_PTED3=1; //Inicializa Buzzer
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 = 0;
Delay_OFF();
while(start_stop==0)
while(Modo!=2)
PTDD_PTDD4 = 1; //Ativa LED
PTED_PTED3=1; //Inicializa Buzzer
goto Inic_Main;
goto Inic_Main;
/*********============================================**********
********** Rotina para função de estimulação Pós-Tetânico **********
********** Gera o sinal apresentado na Figura 4.10 **********
**********============================================**********/
if(Modo==3)
Posic_Cursor(2,11); //cada sessão de estímulo tetânico
104
Escr_LCD(" 50Hz ");
while(Temp_8min!=0) //Verifica tempo de 8 minutos entre
Posic_Cursor(2,1); //cada sessão de estímulo tetânico
Escr_LCD(" Wait");
goto Inic_Main;
while(Modo==3)
while(Temp_8min!=0) //Verifica tempo de 8 minutos entre
Posic_Cursor(2,1); //cada sessão de estímulo tetânico
Escr_LCD(" Wait");
goto Inic_Main;
Temp_OFF = 3125; //Define valor de 20ms para ciclo morto
while(start_stop==0)
while(Modo!=3)
goto Inic_Main;
Atu_x=0;
while(Atu_x!=250) //Ativa estímulo tetânico
PTCD_PTCD4 = 1; //de 50Hz durante 5s
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 =0;
while(Modo != 3)
goto Inic_Main;
Delay_OFF();
Atu_x++;
Temp_OFF = 62500; //Define tempo de 400ms
Atu_x=0;
while(Atu_x!=6) //Gera atraso de 3 segundos
Delay_OFF(); //Atraso de 400ms
Delay_long(15625); //Atraso de 100ms
while(start_stop == 0)
while(Modo!=3)
goto Inic_Main;
while(Modo!=3)
goto Inic_Main;
Atu_x++;
Atu_x=0;
while(Atu_x!=2)
PTCD_PTCD4 = 1;
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 = 0;
Delay_OFF();
Delay_OFF();
Delay_long(31250);
Atu_x++;
Delay_long_min(); // Atraso de 8 minutos para que se possa
105
Temp_8min=1; // utilizar este estímulo novamente
while(Modo!=3)
goto Inic_Main;
/*********============================================**********
********** Rotina para função DBS - Double Burst Stimulation *********
********** Gera o sinal apresentado na Figura 4.12 e 4.13 **********
**********============================================**********/
if(Modo==4)
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD(" 50Hz ");
Temp_OFF = 3125; //Define valor de 20ms para ciclo morto*/
while(Modo==4)
while(start_stop==0) //Verifica se permissão de estímulo
while(Modo!=4)
goto Inic_Main;
PTCD_PTCD4 = 1; //Primeiro Estímulo
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 =0;
Delay_OFF();
PTCD_PTCD4 =1; //Segundo Estímulo
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 =0;
Delay_OFF();
PTCD_PTCD4 =1; //Terceiro Estímulo
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 =0;
while(start_stop == 0)
while(Modo!=4)
goto Inic_Main;
while(Modo!=4)
goto Inic_Main;
Delay_long(62500); //A soma de 2 timers dará
Delay_long(54687); //400ms+350ms=750ms
PTCD_PTCD4 =1; //Primeiro Estímulo
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 =0;
Delay_OFF();
PTCD_PTCD4 =1; //Segundo Estímulo
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 =0;
Delay_OFF();
106
PTCD_PTCD4 =1; //Terceiro Estímulo
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 =0;
for(Atu_x=0;Atu_x<16;Atu_x++) //periodo de 8 segundos
Delay_long(62500);
Delay_long(15625);
while(start_stop == 0)
while(Modo!=4)
goto Inic_Main;
while(Modo!=4)
goto Inic_Main;
goto Inic_Main;
/*********============================================**********
********** Rotina para função TOF - Train of Four **********
********** Gera o sinal apresentado na Figura 4.15 **********
**********============================================**********/
if(Modo == 5)
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("2.0Hz ");
Temp_OFF = 62500; /*Define valor de 400ms para ciclo morto*/
while(Modo==5)
while(start_stop==0)
while(Modo!=5)
goto Inic_Main;
PTCD_PTCD4 = 1;
PTDD_PTDD4 = 1;
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 = 0;
PTDD_PTDD4 = 0;
Delay_OFF();
Delay_long(15625);
PTCD_PTCD4 = 1;
PTDD_PTDD4 = 1;
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 = 0;
PTDD_PTDD4 = 0;
while(Modo!=5)
goto Inic_Main;
while(start_stop==0)
while(Modo!=5)
goto Inic_Main;
Delay_OFF();
107
Delay_long(15625);
PTCD_PTCD4 = 1;
PTDD_PTDD4 = 1;
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 = 0;
PTDD_PTDD4 = 1;
Delay_OFF();
Delay_long(15525);
PTCD_PTCD4 = 1;
PTDD_PTDD4 = 1;
Delay_ON();
PTCD_PTCD4 = 0;
PTDD_PTDD4 = 0;
while(Modo!=5)
goto Inic_Main;
Atu_x=0;
while(Atu_x!=20) //Gera intervalo de
Delay_OFF(); //10 segundos
Delay_long(15625);
Atu_x++;
goto Inic_Main;
else goto Inic_Main; //Caso nenhum seja selecionada desvia-se para inicio
//para testar novamente padrão
for(;;)
/* loop forever */
/*********============================================**********
********** Rotina para contagem de tempo **********
**********============================================**********/
//FREQUENCIA DE BARRAMENTO DE 20MHz
void Delay_ON(void) //Configura tempo de estimulação
TPM1SC = 0;
TPM1CNT = 0;
TPM1MOD = Temp_ON; //Temp_ON é uma variável para controlar
//a largura do pulso
TPM1SC = 0x08; //Configura pré-escala para 1 com
//base na frequência de clock e barramento
Conv_ADC();
while(!TPM1SC_TOF) // Aguarda até que contagem de tempo
//termine (estouro de tempo)
void Delay_OFF(void) // Timer para nível baixo do pulso
108
TPM1SC = 0;
TPM1CNT = 0;
TPM1MOD = Temp_OFF; //Temp_OFF é uma variável para
//controlar a frequência
TPM1SC = 0x0F; //Configura pré-escala para 128 com
//base na frequência de clock de barramento
Atu_Corrent_LCD();
while(!TPM1SC_TOF) // Aguarda até que contagem de tempo
//termine (estouro de tempo)*
void Delay_long(unsigned int Tempo) //Configurável para até
//0.4 segundos
TPM1SC=0;
TPM1CNT = 0;
TPM1MOD = Tempo; //Define tempo de contagem para período
//de clock de 6.4us.
TPM1SC = 0x0F; //Configura pré-escala para 128 com
//base na frequência de clock de barramento
Atu_Corrent_LCD();
while(!TPM1SC_TOF) // Aguarda até que contagem de tempo
//termine (estouro de tempo)
void Delay_long_min()
TPM2SC=0;
TPM2CNT = 0;
TPM2MOD = 62500; //Define tempo de 0.4 segundos
TPM2SC = 0x4F; //Configura pré-escala para 128 com
//base na frequência de clock de barramento
//e ativa interrupção por estou de tempo
void Delay_5ms(void)
TPM1SC=0;
TPM1CNT=0;
TPM1MOD=50000;
TPM1SC=0x09; //Configura pré-escala para 2 com
//base na frequência de clock de barramento
while(!TPM1SC_TOF)
void TIMER_KBI(void) //Interrupção a cada 50us
TPM3SC=0;
TPM3CNT=0;
TPM3MOD=1000;
TPM3SC=0x48; //Configura pré-escala para 1 com
//base na frequência de clock de barramento
109
/*********============================================**********
********** Parâmetros para inicialização T, P, F e I **********
********** Define padrão “Default” do sistema **********
**********============================================**********/
void Param_init(void)
Temp_ON = T100us; /*Largura do pulso definida em 100us para
inicialização*/
start_stop = 0x00; /*Estimulação desativada para inicialização*/
PTCD_PTCD3 = 0; /*Saída V1 = 0, pois estímulos serão monofásicos*/
PTGD = 0; /*Inicializa teclas de saída em '0'para gerar*/
PTFD = 0; /* interrupção por teclado*/
Modo = 5; //Padrão de estimulação inicial sendo o TOF
OUT_DA = 0; //inicia saída do DAC como 0V
Temp_8min = 0; //Variável de limite mínimo de tempo para pos-tet
TIMER_KBI(); //Inicia timer de interrupção para mapeamento de teclado
//a cada 5us
/*********============================================**********
********** Rotina para mapeamento de TECLADO **********
********** matricial da Figura 3.5 **********
**********============================================**********/
void Teclado(void)
if(PTGD_PTGD0==0)
if(PTGD_PTGD4==0) //Seleciona função SIMPLES
Posic_Cursor(1,8);
Escr_LCD("TETANICO");
Modo = 2;
Int_corrent = 0x00;
OUT_DA = Int_corrent;
Posic_Cursor(2,1);
Escr_LCD("STOP ");
while(PTGD_PTGD4==0)
return;
if(PTDD_PTDD2==0) //Seleciona decrementa corrente
START_STOP();
while(PTDD_PTDD2==0)
return;
if(PTDD_PTDD3==0)
Inc_Freq();
while(PTDD_PTDD3==0)
return;
110
else return;
if(PTGD_PTGD1==0)
if(PTGD_PTGD4==0) /*Seleciona função TETANICO*/
Posic_Cursor(1,8);
Escr_LCD("SIMPLES ");
Modo = 1;
Int_corrent = 0x00;
OUT_DA = Int_corrent;
Posic_Cursor(2,1);
Escr_LCD("STOP ");
while(PTGD_PTGD4==0)
return;
return;
if(PTDD_PTDD2==0) //Seleciona função START_STOP
Dec_Int();
while(PTDD_PTDD2==0)
return;
if(PTDD_PTDD3==0) //Habilita estimulação
Dec_Per(); //Seleciona decremento do período
while(PTDD_PTDD3==0)
return;
else return;
if(PTGD_PTGD2==0)
if(PTGD_PTGD4==0) //Seleciona função D-B-S
Posic_Cursor(1,8);
Escr_LCD("D-B-S ");
Modo = 4;
Int_corrent = 0x00;
OUT_DA = Int_corrent;
Posic_Cursor(2,1);
Escr_LCD("STOP ");
while(PTGD_PTGD4==0)
return;
if(PTDD_PTDD2==0) //Seleciona incrementa corrente
Inc_Int();
111
while(PTDD_PTDD2==0)
return;
if(PTDD_PTDD3==0)
Inc_Per(); //Seleciona incremento do período
while(PTDD_PTDD3==0)
return;
else return;
if(PTGD_PTGD3==0)
if(PTGD_PTGD4==0) //Seleciona função TOF
Posic_Cursor(1,8);
Escr_LCD("T-O-F ");
Modo = 5;
Int_corrent = 0x00;
OUT_DA = Int_corrent;
Posic_Cursor(2,1);
Escr_LCD("STOP ");
while(PTGD_PTGD4==0)
return;
if(PTDD_PTDD2==0) //Seleciona incrementa periodo
Posic_Cursor(1,8); //Seleciona função POS-TETANICO
Escr_LCD("POS-TET ");
Modo = 3;
Int_corrent = 0x80;
while(PTDD_PTDD2==0)
return;
if(PTDD_PTDD3==0) //Seleciona decrementa período
Dec_Freq();
while(PTDD_PTDD3==0)
return;
else return;
else return;
112
/*********============================================**********
********** Função START_STOP habilita estímulo **********
**********============================================**********/
void START_STOP(void)
switch(start_stop)
case 1: //Verifica se inicialmente ligado
start_stop=0; //Então desliga estímulo
Int_corrent = 0x00;
PTCD_PTCD4 = 0;
OUT_DA = Int_corrent;
Posic_Cursor(2,1);
Escr_LCD("STOP ");
break;
case 0: //Verifica se inicialmente desligado
start_stop=1;
Posic_Cursor(2,1);
Escr_LCD("00mA");
break;
default:
break;
/*********============================================**********
********** Incrementa/decrementa largura do pulso. Varia a largura **********
********** do período de acordo com o mostrado na Figura 4.3 **********
**********============================================**********/
void Inc_Per(void)
if (Temp_ON == T100us)
Temp_ON = T200us; //Define tempo em “alto” para 200us
Posic_Cursor(1,1);
Escr_LCD("200us");
return;
if (Temp_ON == T200us)
Temp_ON = T300us; //Define tempo em “alto” para 300us
Posic_Cursor(1,1);
Escr_LCD("300us");
return;
if (Temp_ON == T300us)
Temp_ON = T300us; //Define tempo em “alto” para 300us
Posic_Cursor(1,1);
Escr_LCD("300us");
return;
113
void Dec_Per(void)
if (Temp_ON == T100us)
Temp_ON = T100us; //Define tempo em “alto” para 100us
Posic_Cursor(1,1);
Escr_LCD("100us");
return;
if (Temp_ON == T200us)
Temp_ON = T100us; //Define tempo em “alto” para 100us
Posic_Cursor(1,1);
Escr_LCD("100us");
return;
if (Temp_ON == T300us)
Temp_ON = T200us; //Define tempo em “alto” para 100us
Posic_Cursor(1,1);
Escr_LCD("200us");
return;
/*********============================================**********
********** Incrementa/decrementa intensidade estímulo. Varia **********
********** a amplitude de acordo com o mostrado na Figura 4.17 **********
**********============================================**********/
void Inc_Int(void)
if (Int_corrent == 0xFF)
PTFD = Int_corrent;
return;
else
Int_corrent = (Int_corrent + 0x02);
PTFD = Int_corrent;
return;
void Dec_Int(void)
if (Int_corrent == 0x00)
Int_corrent = 0x00;
PTFD = Int_corrent;
return;
else
Int_corrent = (Int_corrent - 0x02);
PTFD = Int_corrent;
return;
114
/*********============================================**********
********** Incrementa/decrementa frequência estímulo **********
********** como mostrado nas Figuras 4.5, 4.6 e 4.8 **********
**********============================================**********/
void Inc_Freq(void)
switch(Modo)
case 1:
if(Freq == 2)
Freq = 2;
Temp_OFF = 62500;
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("1.0Hz ");
break;
Freq = Freq - 2; //Decrementa a frequencia em passos de 1Hz até 0,1Hz
if(Freq==2)
Temp_OFF = 62500; //Define Temp_OFF = 0,4 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("1.0Hz ");
break;
if(Freq==18)
Temp_OFF = 28125; //Define Temp_OFF = 0,18 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.2Hz ");
break;
if(Freq==16)
Temp_OFF = 17187; //Define Temp_OFF = 0,11 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.3Hz ");
break;
if(Freq==14)
Temp_OFF = 12187; //Define Temp_OFF = 0,078 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.4Hz ");
break;
if(Freq==12)
Temp_OFF = 10468; //Define Temp_OFF = 0,067 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.5Hz ");
break;
if(Freq==10)
Temp_OFF = 10468; //Define Temp_OFF = 0,067 segundos
Posic_Cursor(2,11);
115
Escr_LCD("0.6Hz ");
break;
if(Freq==8)
Temp_OFF = 12187; //Define Temp_OFF = 0,078 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.7Hz ");
break;
if(Freq==6)
Temp_OFF = 17187; //Define Temp_OFF = 0,11 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.8Hz ");
break;
if(Freq==4)
Temp_OFF = 28125; //Define Temp_OFF = 0,18 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.9Hz ");
break;
else break;
case 2: //Incrementa par 100Hz
Temp_OFF = 1562; //Define periodo de 10ms
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("100Hz ");
break;
default:
break;
void Dec_Freq(void)
switch(Modo)
case 1:
if(Freq == 20)
Freq = 20;
Temp_OFF = 62500; //Define Temp_OFF = 0,4 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.1Hz ");
break;
Freq = Freq + 2; //Decrementa a frequencia em passos de 1Hz até 0,1Hz
if(Freq==20)
Temp_OFF = 62500; //Define Temp_OFF = 0,4 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.1Hz");
break;
116
if(Freq==18)
Temp_OFF = 28125; //Define Temp_OFF = 0,18 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.2Hz ");
break;
if(Freq==16)
Temp_OFF = 17187 ; //Define Temp_OFF = 0,11 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.3Hz ");
break;
if(Freq==14)
Temp_OFF = 12187; //Define Temp_OFF = 0,078 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.4Hz ");
break;
if(Freq==12)
Temp_OFF = 10468; //Define Temp_OFF = 0,067 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.5Hz ");
break;
if(Freq==10)
Temp_OFF = 10468; //Define Temp_OFF = 0,067 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.6Hz ");
break;
if(Freq==8)
Temp_OFF = 12187; //Define Temp_OFF = 0,078 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.7Hz ");
break;
if(Freq==6)
Temp_OFF = 17187; //Define Temp_OFF = 0,11 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.8Hz ");
break;
if(Freq==4)
Temp_OFF = 28125; //Define Temp_OFF = 0,18 segundos
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("0.9Hz ");
break;
else break;
117
case 2: //Decrementa par 50Hz
Temp_OFF = 3125; //Define periodo de 20ms
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD(" 50Hz ");
break;
default:
break;
/*********============================================**********
********** Funções de leitura e escrita no LCD **********
**********============================================**********/
//Função de escrita de frases no display
void Escr_LCD(char *string)
while(*string)
Testa_bit();
RS = 1;
RW = 0;
DADOS = *string;
E=1;
asm
nop
nop
nop
E = 0;
string++;
//Função de escrita numérica no display (converte para ASCII)
void Escr_num(unsigned char Numero)
unsigned char i = 0;
Testa_bit();
RS = 1;
RW = 0;
i = (Numero/10);
DADOS = 48+i;
E = 1;
asm
nop
nop
nop
E = 0;
Testa_bit();
RS = 1;
RW = 0;
DADOS = 48+(Numero - (i*10));
118
E = 1;
asm
nop
nop
nop
E =0;
//Função para envio de instrução ao display
void Instr(char Comando)
Testa_bit();
RS = 0;
RW = 0;
DADOS = Comando;
E = 1;
asm
nop
nop
nop
E = 0;
//Função para inicialização do LCD
void Init_LCD(void)
Instr(0x38);
Instr(0x38);
Instr(0x06);
Instr(0x0c);
Instr(0x01);
//Função para posicionamento do curso
void Posic_Cursor(byte Linha, byte Coluna)
Testa_bit();
RS = 0;
RW = 0;
switch(Linha)
case 1:
Coluna--;
DADOS = 0x80 + Coluna;
break;
case 2:
Coluna--;
DADOS = 0xC0 + Coluna;
break;
default:
return;
E = 1;
119
asm
nop
nop
nop
E = 0;
//Limpa display
void Limpa_LCD(void)
Testa_bit();
RS = 0;
RW = 0;
DADOS = 0x01;
E =1;
asm
nop
nop
nop
E = 0;
//Testa o bit Busy Flag para ver se LCD está livre
void Testa_bit(void)
RS = 0;
RW = 1;
PTADD = 0x00;
E =1;
asm
nop
nop
nop
while(BUSY_FLAG)
E = 0;
RW = 0;
PTADD = 0xFF;
//Atualiza o LCD no que corresponde ao valor da corrente de saída
void Atu_Corrent_LCD(void)
Posic_Cursor(2,1);
Escr_num(ADC_DADO);
//Inicializa padroes iniciais
void CARC_init(void)
Escr_LCD("100us");
Posic_Cursor(1,8);
Escr_LCD("T-O-F");
120
Posic_Cursor(2,11);
Escr_LCD("2.0Hz ");
Posic_Cursor(2,1);
Escr_LCD("STOP ");
void Conv_ADC (void)
int b;
b = 0;
while( b!=4) //faz 4 amostragem
ADC1SC1 = canal; //Seleciona Amostragem de corrente
while(!ADC1SC1_COCO);
retorno = ADC1R;
ADC1SC1 = 0x1F;
ADC1SC1 = canal; //Seleciona Amostragem de tensao
while(!ADC1SC1_COCO);
retorno = ADC1R;
ADC1SC1 = 0x1F;
return ADC_DADO;
