Introdução

Vários orgãos no corpo humano, como o coração, o cérebro, os músculos e os olhos, manifestam suas funções fisiológicas atraves de atividades elétricas. O coração, por exemplo, produz um sinal conhecido por eletrocardiograma (ECG); o cérebro produz um sinal chamado de eletroencefalograma (EEG); a atividade muscular produz o eletromiograma (EMG); e os movimentos dos olhos resultam no eletrooculograma (EOG). As medidas destes e de outros sinais elétricos no corpo humano podem revelar disjunções nos orgãos correspondentes. Por exemplo, batimentos cardíacos anormais, disritmias, podem ser revelados nos gráficos de ECG. Os neurologistas conseguem identificar eventos relativos a crises epilépticas em ondas cerebrais registradas em graficos de EEG. Essas atividades elétricas têm origem nos orgãos, ou melhor, nas celulas que compõem cada orgão. No cérebro, potenciais elétricos conhecidos como potenciais de repouso são resultados de diferentes concentrações de íons de potássio e de sódio que existem dentro e fora das células nervosas cerebrais, os neurônios. Se excitados por um estímulo elétrico, os neurônios podem responder com uma rápida inversão de polaridade nas concentrações iônicas de cada lado de sua membrana celular. Esse rápido fluxo de portadores de cargas elétricas (corrente elétrica) entre os meios intra e extracelular, atraves da membrana celular, recebe o nome de potencial de ação. Veja na figura ao lado a forma de onda típica de um potencial de ação neuronal.

Essas tênues correntes elétricas geradas pelos neurônios produzem campos elétricos (e consequentemente, campos magnéticos) que podem ser facilmente detetados com eletrodos apropriados se posicionados sobre regiões da cabeça de um paciente e conectados a amplificadores eletrônicos de alto ganho, os amplificadores de biopotenciais. Tais amplificadores, normalmente construídos com op-amps, alem de ganho da ordem de 10.000 ou mais, devem ter muito alta impedância de entrada e elevada rejeição a ruídos e interferências elétricas. Uma vez captadas e amplificadas, essas ondas elétricas (ou magnéticas) cerebrais podem servir para acionar, sob controle mental, dispositivos eletromecanicos externos como pequenos motores, como fazemos conscientemente com diversas partes móveis de nossos corpos. Esses sinais elétricos do cérebro que desejamos detetar têm muito baixa amplitude, entre 10 e 100 microvolts e baixa frequência, entre 0,1 e pouco mais de 40 Hz; e ainda são grandemente contaminados por outros sinais elétricos biológicos, como aqueles gerados por movimentos involuntários musculares (EMG), oculares (EOG) e por batimentos cardíacos (ECG); e tambem por todo tipo de irradiações eletromagnéticas, principalmente da rede elétrica (60 Hz), de motores DC e de aparelhos eletrônicos domésticos e computadores pessoais e seus periféricos.

O Amplificador de Instrumentação AD-620

O amplificador de biopotenciais cerebrais, ou bioamplificador como o chamaremos, que vamos usar no nosso projeto de interface cérebro-computador é o amplificador de instrumentação AD-620. É um circuito integrado (CI) comercial de 8 pinos dual-in-line (DIL) de encapsulamento plástico e fabricado pela empresa americana Analog Devices (www.analog.com). Internamente esse componente eletrônico é uma implementação em um único chip do clássico circuito de amplificador de instrumentação com tres op-amps: um amplificador diferencial com um buffer em cada entrada, como o do circuito ao lado. Esse amplificador pode ser alimentado com tensões entre +/- 2,3 V e +/- 18 V. Um único resistor externo programa o ganho de tensão do AD-620, que pode ser de 1 a 10.000. Veja na figura abaixo o diagrama simplificado e as principais especificações desse in-amp, reproduzido do data-sheet original.

Vamos tentar entender esse diagrama analisando cada parte separadamente. Primeiramente podemos observar que os op-amps A1 e A2 são amplificadores não-inversores, porem funcionando de um modo não usual. No amplificador não-inversor com op-amp clássico o sinal a ser amplificado é aplicado diretamente na entrada não-inversora. A entrada inversora é conectada à junção de um divisor resistivo, com um dos extremos aterrado (Rin) e o outro (Rf) conectado à saída, fechando o loop de realimentação negativa. Saiba mais sobre op-amps nesse outro post. A formula para o cálculo do ganho de tensão para esse tipo de amplificador é A = 1 + (Rf / Rin).

Olhando agora para o diagrama simplificado do AD-620 ao lado, podemos perceber que a entrada não-inversora do amplificador da esquerda, A1, é conectada a uma fonte de tensão fixa, VB. O resistor de realimentação (Rf) é o transistor Q1, que é controlado pela tensão em sua base, a entrada -IN. Nesse circuito o ganho é calculado da mesma forma, porem a variável da formula agora é o resistor de realimentação, e não a tensão de entrada que aqui é fixa. O mesmo acontece com o amplificador da direita A2, cujo ganho depende da tensão na base de Q2, a entrada +IN. Como trabalham de forma complementar, a diferença entre as saídas de A1 e A2 aparece sobre o resistor de carga comum, RG. A formula para o cálculo do ganho de tensão dessa combinação de amplificadores é A = (R1 + R2) / (RG +1). O amplificador A3, um amplificador diferencial, vai exteriorizar com ganho unitário a diferença das tensões já amplificadas pelos buffers nas duas entradas, -IN e +IN. Repare que sobre o resistor RG podemos medir a mesma tensão que aparece na saída de A3 em relação à terra (REF).

A Montagem do BioAmplificador

A montagem do protótipo do bioamplificador é feita sobre uma placa de fibra de vidro já toda perfurada segundo o padrão 2,54 mm, muito fácil de achar nas boas lojas de material eletrônico. Inicialmente vamos implementar nessa placa uma fonte de alimentação simétrica de +/- 4,5 volts com um op-amp LM-741 e uma bateria de 9 volts e o pré-amplificador com o AD-620. Depois de montado e testado o pré-amplificador vamos incorporar à placa um filtro RC passa-altas, um amplificador de ganho variável com um op-amp TL-082 e um filtro ativo passa-baixas com outro op-amp TL-082. Na verdade esses dois op-amps TL-082 são um só CI de 8 pinos DIL. Depois de tudo montado e testado em bancada com um gerador de ondas senoidais, vamos conectar tres eletrodos comerciais de EEG ao nosso bioamplificador, dois de deteção e um de referência, acrescentar uns poucos componentes ou conectar sua saída a um Arduino para realizar os seguintes experimentos:

• Teste de percepção de diferentes ondas cerebrais;

• Controle da frequência de um Gerador de Tons;

• Acionamento de reles e Leds/Bargraph;

• Acionamento de pequenos motores DC e servos.

Nosso bioamplificador neuronal é formado por tres blocos principais: um pré-amplificador, um amplificador com filtro passivo passa-altas e por um filtro ativo passa-baixas Butterworth, conforme a figura ao lado. Esses tres blocos são alimentados por uma fonte simétrica de +4,5 e -4,5 volts, conseguidos a partir de uma única bateria de 9 volts em um circuito seguidor de tensão com um op-amp LM-741.

Os sinais cerebrais que desejamos detetar têm amplitudes máximas de até 100 microvolts (ou 0,1 mV), e na saída do bioamplificador, depois do filtro ativo passa-baixas, queremos ter até 1 volt de pico (ou 2 volts AC pico-a-pico), para isso o ganho total do nosso circuito deverá ser de:

A = Vout / Vin

A = 1000mV / 0,1 mV = 10.000

Esse ganho de 10.000 será conseguido em dois estágios amplificadores; o primeiro com ganho de 10 com o AD-620, no primeiro bloco; e o segundo de 1.000 com um op-amp TL-082, junto com o filtro passa-altas. Uma vez capturado, filtrado e amplificado o sinal que representa a atividade elétrica de uma região do cérebro pode ser mostrado dinamicamente num osciloscópio, ou digitalizado e transmitido via USB para tratamento em um PC tendo como ponte um Arduino ou em um Raspberry Pi.

A continuação desse capítulo com toda a montagem passo a passo dessa interface homem-máquina está no livro digital em pdf e ePub: KraftWerk - Uma Interface BCI com o Arduino.