Baixar este arquivo PDF

MRGP - MONITORAMENTO DA RESISTÊNCIA GALVÂNICA DA PELE
Geciane de Souza Pereira∗
Me. Júlio César Marques de Lima ∗∗
RESUMO
O Monitoramento da Resistência Galvânica (MRGP) ou Galvanic Skin Response
(GSR) pode ser descrito como sendo um circuito que mede a impedância da pele através de
um amplificador cujo ganho varia por uma relação entre uma resistência pré-definida e a
resistência captada através de dois eletrodos colocados nos dedos das mãos de um paciente,
um no indicador e outro no dedo médio, pontos estes onde se localizam as glândulas
sudoríparas. Conforme este paciente é estimulado psicologicamente a quantidade de secreção
(suor), liberada nesses pontos monitorados pelos eletrodos varia, alterando dessa forma a
resistência medida.
Portanto, quanto mais estimulado o sistema nervoso central estiver, mais suor as
glândulas sudoríparas vão produzir e menor será a resistência medida nos eletrodos,
aumentando assim a amplitude do sinal de saída do circuito.
Este sistema é alimentado por uma bateria de celular de 3,7V, tendo a saída de tensão
regulada em 3,3V, sendo gerado a partir desta, a alimentação simétrica de -3,3V. O circuito
conta ainda com amplificadores operacionais do tipo OPA277, que atuam na amplificação e
filtragem do sinal analógico, para redução de interferências.
Recebendo os sinais analógicos, o circuito possui um microcontrolador MSP430F2619
que realiza a conversão desses sinais para digital e os envia através de uma porta tipo USB,
para o computador.
Os dados coletados são enviados a um software programado em Delphi que
disponibiliza os dados através de gráficos.
Palavras-chave: Resistência Galvânica da Pele. Eletrodos. Glândulas Sudoríparas.
∗
Acadêmico da Faculdade de Engenharia Elétrica da PUCRS. E-mail: [email protected]
Professor da Faculdade de Engenharia Elétrica da PUCRS. E-mail: [email protected]
∗∗
2
1 INTRODUÇÃO
Nos tempos atuais a tecnologia voltada para a saúde e bem-estar do ser humano, vem
obtendo consideráveis avanços. Equipamentos utilizados para diagnósticos tornaram-se cada
vez mais precisos e indispensáveis aos profissionais de saúde.
Este trabalho apresenta um dispositivo que mede a resistência da pele, e que pode ser
utilizado na região das mãos das pessoas. Conforme a liberação de secreção feita pelas
glândulas sudoríparas, é possível medir o nível de estresse em que se encontra um
determinado indivíduo.
O circuito utiliza um amplificador operacional para medir a resistência da pele
aplicando uma tensão constante e medindo a variação de ganho do amplificador. O circuito é
alimentado por uma bateria de 3,7V regulada para 3,3V para ficar compatível com a
alimentação do microcontrolador. A tensão de -3,3V é gerada apartir de um conversor
CC/CC, pois o amplificador operacional requer alimentação simétrica.
Os dados obtidos são enviados pela porta USB isolada galvanicamente por um circuito
de acoplamento óptico ao software, cuja função é monitorar a variação de resistência
galvânica da pele nos dedos indicador e médio da mão, os quais estão ligados à variação do
nosso sistema nervoso central, tendo como embasamento pesquisas realizadas nas áreas
médica, científica e psicológica.
Estas informações podem ser de grande valia no tratamento de paciente com alto nível
de estresse e estresse pós – traumático.
Os sinais convertidos e enviados ao computador alimentam tabelas e gráficos que
podem fornecer precisão ao diagnóstico.
2 METODOLOGIA
A metodologia utilizada nesse trabalho foi uma pesquisa experimental. O
desenvolvimento desse estudo teve início com a pesquisa bibliográfica sobre o tema exposto,
de modo a sistematizar as informações.
Foram realizadas as seguintes etapas:
•
busca e seleção dos estudos;
•
montagem da experiência;
•
avaliação crítica dos resultados;
•
conclusão apartir dos resultados encontrados.
3
3 ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DO CIRCUITO
A resistência da pele é freqüentemente medida utilizando eletrodo bipolar [4] colocado
na falange medial. Jaakko Malmivuo e Robert Plonsey sugerem trabalhar com a tensão
constante de 0,5V na superfície da pele, já que a resistência da pele é linear até 0,7V [1]. A
Figura 1 – Falanges médias, apresenta a estrutura da mão humana onde estão localizadas as
falanges mediais.
Figura 1 – Falanges médias
Podemos utilizar a resposta galvânica da pele para descrever a atividade elétrica que
demonstra as alterações psicológicas [2]. A variação da resposta galvânica se origina nas
alterações das glândulas sudoríparas as quais estão sob controle do sistema nervoso simpático
[1].
Alguns eventos como uma forte emoção, um acontecimento surpreendente, dor,
exercício físico, respiração profunda, entre outros, fazem com que o sistema nervoso responda
ativando mecanismos físicos e químicos através do corpo, incluindo as glândulas sudoríparas.
Apesar desta resposta nem sempre ser visível (suor), ocorre uma alteração da resistência da
pele em consequência das alterações psicológicas como o aumento da excitação e ansiedade
[3].
4
Foram projetados basicamente quatro circuitos utilizando o software Orcad Capture
versão 9.10.157.97.
•
Circuito de alimentação simétrica;
•
Amplificador e filtro;
•
Circuito de conversão A/D microprocessado;
•
Circuito de isolação óptica e comunicação serial por meio da interface USB.
3.1 CIRCUITO DE ALIMENTAÇÃO SIMÉTRICA
O circuito de alimentação pode ser visto na Figura 2 - Circuito de alimentação. É
composto por uma bateria BLD-3 de 3,7V, utilizada em celulares, pelo regulador LP2985 [12]
de 3,3V e pelo conversor CC/CC implementado com o circuito regulador MC34063 [11]
responsável por gerar uma fonte simétrica a partir da alimentação de 3,3V. Ambos
reguladores utilizados neste trabalho são fabricados pela Texas Instruments.
JP1
L1 100uF
R3
1R
R9
1R
5
R10
1R
8
4
R11
1R
7
3.3V
1
1
2
3
U2A
VIN
VOUT
ON/OFF
6
GN D
HEADER 8
BPASS
5
2
LP2985-33DBVR
C1
100nF
C2
2.2uF
C3
100uF
Driv erCollector
SwCollector
Ipk
SwEmitter
VCC
TimingCap
CompInv Input
GND
1
2
2
U1A
SW1
3
D1
4
C4
1.5nF
1N5819
-3.3V
MC34063ADR
1
8
7
6
5
4
3
2
1
R2
1k6
R1 1k
C5
220uF
Figura 2 - Circuito de alimentação
O layout da placa com o circuito de alimentação pode ser visto na Figura 3 – Placa do
circuito de alimentação simétrica.
5
Figura 3 – Placa do circuito de alimentação simétrica
O resultado final da placa já montada pode ser visto na Figura 4 – Placa de
alimentação montada (vista superior).
Figura 4 – Placa de alimentação montada (vista superior)
3.2 CIRCUITO DO AMPLIFICADOR
Pode-se medir a resistência da pele, aplicando-se uma tensão de 0,5V e medindo a
resposta através de um circuito principal que consiste de uma fonte de tensão de 0,5V e de um
amplificador, cujo esquemático pode ser visto na Figura 5 – Circuito do Amplificador.
6
Os eletrodos que conectam em JP2 servem para medir a resistência da pele, aplicando
uma tensão de 0,5V constante e medindo a resposta utilizando amplificadores operacionais de
alta precisão do tipo OPA277 [10] da Texas Instruments, dando ganho e fazendo a filtragem
do sinal.
Esse circuito, na sua essência, tem uma configuração de um amplificador não inversor
[5] cuja resistência direta é dada pela impedância da pele, tendo sua saída excursionada de
acordo com a variação da resistência captada pelos eletrodos.
-3.3V
-3.3V
C11
C16
JP2
10uF
10uF
C14
4
3
2
1
C8 100nF
R4
100nF
100nF
39K
Ain
+
3
-
R6
U3
R7
2
R8
6
3
OPA277UA
15k
+
2
3.3V
C17
220nF
-
4
5
4
5
HEADER 4
C6
U4
JP3
6
1
2
OPA277UA
100k
HEADER 2
7
1
7
1
47k
R5
10k
C9
100nF
C7
100nF
C10
10uF
C15
47nF
C12
100nF
C13
10uF
3.3V
3.3V
Figura 5 – Circuito do Amplificador
Para garantir a tensão próxima de 0,5V no pino três do operacional U3, ou seja,
VR5=0,5V, considerando a alimentação de 3,3V, foi realizado o seguinte cálculo.
VR 5 = Vcc.
R5
10kΩ
∴ 0,5V = 3,3V .
∴ R 6 = 56kΩ
R5 + R 6
10kΩ + R 6
Equação [1]
O valor comercial disponível utilizado para a montagem de R6 foi de 47kΩ, que
conforme a equação abaixo garante que a tensão em R5 seja 0,57V.
VR 5 = 3,3V .
10kΩ
∴VR 5 = 0,57V
10kΩ + 47kΩ
Equação [2]
7
O primeiro estágio possui a configuração amplificador não inversor e para cálculo do
da tensão de saída VOUT, foi realizado o cálculo abaixo.

R4 

VOUT = Vin .1 +
Z
eletrodo 

Equação [3]
Sendo que o ganho do operacional é dado por

R4 

G = 1 +
Z
eletrodo


Equação [4]
A variação da resistência galvânica da pela varia em torno de 40kΩ a 500kΩ [1].
Sendo assim os valores máximo e mínimo para a tensão de saída são os seguintes:
 39kΩ 
VOUT max = 0,57V .1 +
 = 1,125V
 40kΩ 
Equação [5]
39kΩ 

VOUT min = 0,57V .1 +
 = 0,614V
 500kΩ 
Equação [6]
Um capacitor de 100nF foi colocado em paralelo com o resistor de 39kΩ a fim de
estabilizar e filtrar o sinal, eliminando os ruídos de 60Hz gerados por circuitos externos [6].

 
1
1

 = 
fc = 
 ∴ fc = 40,81Hz
2
.
π
.
R
.
C
2
.
π
.
39
k
Ω
.
100
nF


4
8 

Equação [7]
O operacional U4 foi configurado como um filtro passa-baixa com freqüência de corte
de 40Hz, responsável também por eliminar interferências no sinal de saída amplificado [6].
O layout da placa do circuito amplificador pode ser visto na Figura 6 – Placa do
circuito do amplificador.
8
Figura 6 – Placa do circuito do amplificador
A placa montada do circuito amplificador pode ser visto na Figura 6 – Placa do
circuito do amplificador (vista inferior).
Figura 7 – Placa do amplificador montada (vista inferior)
3.3 CIRCUITO DE CONVERSÃO A/D MICROPROCESSADO
O microcontrolador MSP430F2619 tem a função de capturar os sinais analógicos e enviálos digitalmente para exibição no computador via USB. A Figura 8 – Microprocessador
MSP430F2619, mostra o esquema elétrico desse circuito, onde estão a entrada analógica, a
entrada e saída da porta serial, um led de sinalização e a entrada de programação do
microcontrolador.
9
3.3V
C18
10uF
+
X1
JP5
6
5
4
3
2
1
HEADER 6
16MHz
47k
9
P2.2
P1.1
2
3
4
5
6
RST
TST
3.3V
R14
10k
7
10
11
C24
C25 +
100nF
10uF
3.3V
D4
R15
2
1k
P1.1
1
LED
P2.2
TX
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
XOUT
P6.3/A3
P6.4/A4
P6.5/A5/DAC1
P6.6/A6/DAC0
P6.7/A7/DAC1/SVSIN
62
64
63
R13
AVcc
XIN
3.3V
C21
100nF
DVss1
8
DVcc1
U5
3.3V
1
C19
100nF
C20
10uF
AVss
+
3.3V
P6.2/A2
P6.1/A1
P6.0/A0
RST/NMI
TCK
TMS
TDI/TCLK
TDO/TDI
XT2IN
61
60
59
58
57
56
55
54
Ain
RST
TST
53
VREF+
VeREF+/DAC0
VREF-/VeREF
P1.0/TACLK/CAOUT
P1.1/TA0
P1.2/TA1
P1.3/TA2
P1.4/SMCLK
P1.5/TA0
P1.6/TA1
P1.7/TA2
P2.0/ACLK/CA2
P2.1/TAINCLK/CA3
P2.2/CAOUT/TA0/CA4
P2.3/CA0/TA1
P2.4/CA1/TA2
P2.5/ROSC/CA5
P2.6/ADC12CLK/DMAE0/CA6
P2.7/TA0/CA7
P3.0/UCB0STE/UCA0CLK
P3.1/UCB0SIMO/UCB0SDA
P3.2/UCB0SOMI/UCB0SCL
P3.3/UCB0CLK/UCA0STE
P3.4/UCA0TXD/UCA0SIMO
XT2OUT
P5.7/TBOUTH/SVSOUT
P5.6/ACLK
P5.5/SMCLK
P5.4/MCLK
P5.3/UCB1CLK/UCA1STE
P5.2/UCB1SOMI/UCB1SCL
P5.1/UCB1SIMO/UCB1SDA
P5.0/UCB1STE/UCA1CLK
P4.7/TBCLK
P4.6/TB6
P4.5/TB5
P4.4/TB4
P4.3/TB3
P4.2/TB2
P4.1/TB1
P4.0/TB0
P3.7/UCA1RXD/UCA1SOMI
P3.6/UCA1TXD/UCA1SIMO
P3.5/UCA0RXD/UCA0SOMI
52
51
50
49
48
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
RX
MSP430F2619TPM
Figura 8 – Microprocessador MSP430F2619
A Figura 9 – Placa do Conversor A/D e Serial, mostra o layout da placa do conversor
A/D microprocessado e da serial.
Figura 9 – Placa do Conversor A/D e Serial
10
3.4 CIRCUITO DE ISOLAÇÃO ÓTICA E COMUNICAÇÃO SERIAL
O circuito de USB isolada foi projetado com a finalidade de realizar o isolamento elétrico
e assim evitar que o usuário receba uma descarga elétrica durante o manuseio da placa [6].
O isolador óptico utilizado ISO 7221 têm uma barreira lógica de entrada e saída separados
por dióxido de silício (SiO2), o que proporciona isolamento galvânico de até 4.000 volts.
Estes dispositivos isolam e previnem contra ruído de correntes em barramento de
dados dos sinais de terra separados. O circuito do FT232RL, mostrado na Figura 10 Circuito de isolação ótica e comunicação serial, tem a função de fazer a conversão de serial
para USB.
VCC
VCC
VCC
U7
4
CN1
CON USB
1
2
3
4
20
16
15
FT232RL
VCCIO
TXD
RXD
VCC5I
USBDM
USBDP
DTR#
RTS#
1k
R16
1
5
1k
R17
TXi
RXi
VCC
3.3V
2
3
C27
C26
D2
LED
LED
100nF
U6A
1
RXi
TXi
2
3
4
ISO7221AD
VCC1
VCC2
OUTA
INB
INA
OUTB
GND1
GND2
100nF
8
7
6
TX
RX
5
TEST
22
23
13
14
D3
26
GND
GND
GND
C28
100nF
VCC3O
AGND
17
GPIO0
GPIO1
GPIO2
GPIO3
7
18
21
C29
100nF
CTS#
DSR#
DCD#
RI#
VCC3I
RESET#
AVCC
OSCI
OSCO
SLEEP#
25
5
8
19
24
27
28
12
11
9
10
6
Figura 10 - Circuito de isolação ótica e comunicação serial
A Figura 9 – Placa do Conversor A/D e Serial, mostra a placa depois de montada,
onde aparecem o microcontrolador, o isolador óptico e o conversor USB-serial.
11
Figura 11 – Placa montada do Conversor A/D e Serial
4
O MICROCONTROLADOR MSP430F2619
Os microcontroladores MSP430F da Texas Instruments são muito utilizados em
projetos devido a sua rapidez, baixo consumo e capacidade de processamento.
Neste trabalho o objetivo principal em utilizar o microcontrolador MSP430F2619 foi
para realizar a conversão analógica digital do sinal gerado pelo amplificador e enviar os dados
pela porta serial para o software de captura dos dados.
O MSP430F2619 possui as seguintes características [8]:
•
Arquitetura RISC de 16bits;
•
Freqüência de trabalho de até 16MHz;
•
Ciclo de máquina de 62.5ns;
•
Conversor AD de 8 canais e 12 bits de grande precisão e rapidez;
•
Conversor DA de 2 canais e 12 bits;
•
Memória RAM de 4kB;
•
Memória FLASH de 120kB;
•
Tamanho reduzido em três tipos de encapsulamento: LQFP de 64 e 80 pinos e
BGA de 113 pinos;
•
Alimentação facilmente fornecida de 1.8V a 3.3V;
•
Protocolos internos para comunicação serial UART (Universal Asynchronous
Receiver/Transmitter), SPI (Serial Peripheral Interface) e I2C (Inter-Intergrated
Circuit);
•
Ferramenta de desenvolvimento MSPGCC fornecida pela Texas.
12
A Figura 12 – Diagrama de blocos funcional do MSP430F2619, mostra a arquitetura
interna deste microcontrolador [8].
Figura 12 – Diagrama de blocos funcional do MSP430F2619
4.1 CONFIGURAÇÃO DO MSP430F2619
O sistema básico de clock do microcontrolador trabalha com freqüências próximas de
16MHz e possui três fontes de clock ACLK, MCLK e SMCLK. Neste trabalho foi utilizado
10Mhz para os três clocks existentes.
A comunicação da porta serial foi estabelecida para uma taxa de 19200bps, ou seja,
envia ou recebe um bit a cada 52,08µs.
Para realizar a conversão A/D neste trabalho foi utilizado o canal A0 para conversão,
com um clock de 10MHz e referência interna do microcontrolador de 2.5V.
A cada 10ms é gerada uma interrupção através do timer onde o valor lido no conversor
A/D é convertido e enviado para o software GSR Plotter através da porta serial.
A Figura 13 – Fluxograma mostra o fluxograma de configuração, leitura e envio de
dados.
13
Figura 13 – Fluxograma do processo
4.2 A PROGRAMAÇÃO DO MSP430F2619
A programação do microcontrolador foi feita em linguagem C utilizando o compilador
MSPGCC. Foram desenvolvidas as funções de leitura do A/D, programação do timer,
interrupções e acesso a porta serial. Através de uma ferramenta de programação o código é
transferido ao microcontrolador.
O funcionamento do programa é bem simples. Uma vez feita a configuração dos
periféricos do microcontrolador, o mesmo fica em loop eterno lendo o conversor A/D e
enviando o valor lido para a porta serial. O tempo de cada leitura é controlado pelo timer.
14
5
O SOFTWARE GSR PLOTTER
O software para aquisição dos dados foi desenvolvimento em Delphi com auxílio do
professor orientador. É uma interface simples e serve para visualizar os dados adquiridos em
uma tela gráfica semelhante a de um osciloscópio.
Na Figura 14 – GSR Plotter, podemos visualizar a tela do programa de aquisição de dados
fisiológicos.
Figura 14 – GSR Plotter
O programa tem 4 botões:
•
Iniciar – dispara o processo de aquisição;
•
Parar – encerra o processo de aquisição;
•
Limpar – limpa a tela do programa;
•
Sair – encerra o aplicativo.
É possível selecionar a velocidade de transmissão e a porta de comunicação a ser utilizada
através de dois combo boxes.
A Figura 15 mostra o sistema completo em funcionamento, adquirindo os dados de
resistência da pele e enviando ao software de coleta de dados.
15
Figura 15 – Sistema completo
6
CONCLUSÕES
O projeto realizado atingiu plenamente seu objetivo que era o de implementar um sistema
para medição da resistência da pele.
Este projeto tem inúmeras aplicações, sendo a mais importante a de construir uma
ferramenta de auxílio ao diagnóstico médico para tratamento de pacientes com estresse póstraumático.
O projeto foi implementado com componentes de altíssima precisão e com baixo custo. O
circuito conta com dispositivos de baixo consumo, garantindo alta durabilidade da bateria.
O uso de baterias de celular garante fácil reposição de peças danificadas a um baixo custo,
devido ao elevado volume de produção dessas baterias.
O circuito foi implementado em pequenas dimensões facilitando o seu transporte e
manuseio, como pode ser visto nas Figuras 16 e 17.
16
Figura 16 – Montagem completa
Figura 17 – Montagem duas placas
17
7
REFERÊNCIAS
1 MALMIVUO, Jaakko; PLONSEY, Robert. Bioelectromagnetism – Principles And
Aplplications Of Bioelectric And Biomagnetic Fields. New York: Oxford University Press,
1995.
2 FULLER, G.D. BIOFEEDBACK – Methods and Procedures in Clinical Practice. San
Francisco: Biofeedback Press, 1977.
3 FENZ, Walter D.; EPSTEINS, Seymour. Gradients Of Physiological Arousal In
Parachutist As A Infusion Of An Approaching Jump. Psychosomatic Medicine. V.29,
P.33-52, 1967.
4 GEDDES L.A.; BAKER L.E.. Principles Of Applied Biomedical Instrumentation. 3.ed.
New York, 1980.
5 PERTENCE JÚNIOR, Antônio. Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos: teoria,
projetos, aplicações e laboratório. Porto Alegre: Bookman, 2003.
6 FRAGA, Carlos Eduardo Nadal. Monitoramento da resistência galvânica da pele. Porto
Alegre: Revista de Graduação: publicações de TCC, 2009.
7 OSSOS DO MEMBRO SUPERIOR. Disponível em http://www.mundoeducacao.com.br/
biologia/ossos-membro-superior.htm. Acessado em 07/12/2009.
8 Datasheet MSP430F2619TPM. Disponível em http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/
msp430f2619. pdf. Acessado em 08/11/2009.
9 Datasheet FT232RL. Disponível em http://www.ftdichip.com/Documents/DataSheets/
DS_FT232R_V204.pdf. Acessado em 08/12/2009.
10 Datasheet OPA277UA. Disponível em http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/opa277.pdf.
Acessado em 08/12/2009.
18
11 Datasheet MC34063ADR. Disponível em
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/mc34063a.pdf. Acessado em 08/12/2009.
12 Datasheet LP2985-33DBVR. Disponível em http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/lp298533.pdf. Acessado em 08/12/2009.
13 Datasheet ISO7221AD. Disponível em http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/iso7221a.pdf.
Acessado em 08/12/2009.