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CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO GONIÔMETRO Eduardo Melego Gonçalves da Costa Monografia apresentada à disciplina de Projeto Final como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação, orientada pelo Professor José Carlos da Cunha. UNICENP/NCET Curitiba 2007
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CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
GONIÔMETRO
Eduardo Melego Gonçalves da Costa
Monografia apresentada à disciplina de Projeto Final como requisito parcial à conclusão
do Curso de Engenharia da Computação, orientada pelo Professor José Carlos da Cunha.
UNICENP/NCET
Curitiba
2007
TERMO DE APROVAÇÃO
Eduardo Melego Gonçalves da Costa
Goniômetro
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação
do Centro Universitário Positivo, pela seguinte banca examinadora:
Prof. José Carlos da Cunha (Orientador)
Prof. Valfredo Pilla Jr.
Prof. Maurício Perretto
Curitiba, 10 de Dezembro de 2007.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus. A minha mãe Marisa falecida no primeiro ano de faculdade e que
tenho certeza esta muito orgulhosa deste objetivo alcançado. Ao meu pai Mauro que sempre me
incentivou e criou as condições para que eu chegasse até aqui. Agradeço também a minha esposa
e companheira Denise que sempre acreditou em mim, me incentivou e apoiou, e soube ser
compreensiva durante todo o curso. Aos meus irmãos Lucius, Cristiane e Christian e a minha
sogra Ione, incentivadores e confiantes nesta conquista. Ao companheiro de faculdade e grande
amigo Ronnie e ao mestre José Carlos da Cunha que acreditou em mim e lançou-me o desafio
deste projeto.
RESUMO
Este projeto, denominado “goniômetro”, teve por objetivo construir um dispositivo para
realizar, em tempo real, medições de ângulos articulares do corpo humano. Este instrumento tem
importância no auxilio a médicos, fisioterapeutas e fisiologistas no diagnóstico e tratamento de
lesões e melhoria de desempenho de atletas e praticantes de atividades físicas.
O sistema desenvolvido apresenta basicamente, uma solução utilizando dois
acelerômetros que tem a função de realizar as medições de ângulos articulares com base na
aceleração instantânea, e um microcontrolador que faz o processamento dos dados dos sensores e
através de um dispositivo de interfaceamento serial transfere os dados para o PC. Um software
foi construído para plotagem de um gráfico para análise da amplitude de movimento articular
(ADM). Neste software é possível também a inclusão de informações sobre o paciente e seu
histórico médico.
O protótipo construído cumpriu os testes de validação do projeto, atestando de maneira
satisfatória seu funcionamento, obtendo medidas da ADM confiáveis e válidas. Os resultados
demonstraram um erro percentual em torno de 5%, se comparado aos valores medidos através da
utilização de um goniômetro convencional.
Palavras-chave:
goniômetro, acelerômetro, engenharia biomédica, tratamento de lesões, reabilitação
ABSTRACT
This project, denominate “goniometer”, has a purpose to construction a device to realize,
in real time, measurements of articulated angles of the human body. This instrument has
importance in assists doctors, physiotherapists and fisiologists in the diagnosis and treatment of
injuries and improvement of performance of athlete and practitioners of physical activities.
The system to be developed presents, basically, a solution using two accelerometers that
have a function in realize the measurements of articulated angles taking as base the instant
acceleration, and one microcontroller that makes the information’s process of the sensors using a
device serial interface that transfers the information to PC. A software was constructed to plot a
graphic to analyze the amplitude of articular movement development (ADM). In this software,
the inclusion of information about the patient and their medical description is possible also.
The prototype built passed through the project validation test, certificating its function
very reasonably, taking measures of ADM reliable and valid. The results appear with a
percentual error rounding off 5%, comparing the values taking over the utilization of a
conventional goniometer.
Key - words:
goniometer, accelerometer, biomedical engineering, lesions treatment, rehabilitation
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO E MOTIVAÇÃO..............................................................................................1
2. DEFINIÇÃO DO TRABALHO..................................................................................................2
3. CONTEXTUALIZAÇÃO NOS DIAS ATUAIS........................................................................2
4. PRINCIPAIS FUNCIONALIDADES ........................................................................................2
5. TECNOLOGIAS UTILIZADAS ................................................................................................3
6. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ..............................................................................................3
6.1. Goniômetro...........................................................................................................................3
6.2. Goniometria..........................................................................................................................4
6.3. Traumatologia ......................................................................................................................5
6.4. Ortopedia..............................................................................................................................6
6.5. Ossos do Membro Inferior ...................................................................................................6
6.6. Fêmur, Tíbia e Fíbula ...........................................................................................................7
6.7. Teoria de Hardware..............................................................................................................8
6.7.1. Transdutor .........................................................................................................................9
6.7.2. Acelerômetros ...................................................................................................................9
6.7.3. Acelerômetros Piezoelétricos..........................................................................................10
6.7.4. Aspectos Físicos..............................................................................................................13
6.7.4.1. Vetor Posição ...............................................................................................................13
6.7.4.2. Deslocamento ...............................................................................................................13
6.7.4.3. Velocidade Média ........................................................................................................13
6.7.4.4. Velocidade....................................................................................................................14
6.7.4.5. Aceleração Média.........................................................................................................14
6.7.4.6. Aceleração....................................................................................................................14
6.7.5. Interface Serial ................................................................................................................15
6.7.5.1. Modo Síncrono.............................................................................................................16
6.7.5.2. Modo Assincrono .........................................................................................................16
6.7.5.3. Modo Simplex ..............................................................................................................17
6.7.5.4. Modo Half-Duplex .......................................................................................................17
6.7.5.5. Modo Full-Duplex........................................................................................................17
6.8. Linguagem de Programação C ...........................................................................................17
7. ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE .....................................................................................19
7.1. Microcontroladores 8051 ...................................................................................................20
7.2. Microcontrolador MSC1211Y5 .........................................................................................21
7.3. Sensor de Aceleração (Acelerômetro) ADXL202E ...........................................................22
7.4. Funções do Hardware.........................................................................................................23
8. PROJETO DO HARDWARE...................................................................................................23
8.1. Componentes......................................................................................................................23
8.2. Aquisição............................................................................................................................24
8.3. Processamento....................................................................................................................25
9. ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE.......................................................................................26
10. PROJETO DO SOFTWARE ..................................................................................................27
10.1. Protótipos das Telas do Software .....................................................................................28
11. APLICABILIDADE / FUNCIONALIDADE DO SISTEMA................................................29
11.1. Procedimentos para as Medidas .......................................................................................29
12. CRONOGRAMA DE DESENVOLVIMENTO .....................................................................32
13. ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO - ECONÔMICA..................................................32
14. ESPECIFICAÇÃO DA VALIDAÇÃO E TESTES................................................................33
15. RESULTADOS.......................................................................................................................33
16. CONCLUSÕES.......................................................................................................................38
17. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................................39
18. ANEXOS.................................................................................................................................40
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Representação gráfica do projeto...................................................................................1
Figura 2 – Esqueleto do membro inferior e cintura pélvica............................................................7
Figura 3 – O ângulo obtuso formado pelo fêmur e tíbia .................................................................8
Figura 4 – Diagrama em blocos simplificado do sistema desenvolvido .........................................8
Figura 5 – Acelerômetro piezelétrico............................................................................................11
Figura 6 – Circuitos equivalentes de um acelerômetro piezoelétrico. ..........................................12
Figura 7 – Diagrama em blocos do hardware do sistema .............................................................19
Figura 8 - Diagrama Funcional em blocos do acelerômetro ADXL202E.....................................22
Figura 9 – Pinagem do acelerômetro ADXL202E ........................................................................23
Figura 10 – Típica saída duty cycle ...............................................................................................24
Figura 11 – Esquemático do microcontrolador .............................................................................25
Figura 12 – Diagrama em blocos do software...............................................................................26
Figura 13 – Configuração para gravação do firmware do microcontrolador ................................27
Figura 14 – Tela “Registro do Paciente”.......................................................................................28
Figura 15 – Tela “Pesquisa de Registro” ......................................................................................28
Figura 16 –Tela “Visualização das Medições”. ............................................................................29
Figura 17 – Articulação do joelho – Movimento de flexão (0 – 140º) .........................................30
Figura 18 – Articulação do joelho – Movimento de extensão (0 – 8º) .........................................31
Figura 19 – Posição do paciente para um ângulo de aproximadamente 180º ...............................35
Figura 20 - Medições para um ângulo de aproximadamente 180º ................................................35
Figura 21 – Posição do paciente para um ângulo de aproximadamente 90º .................................36
Figura 22 - Medições para um ângulo de aproximadamente 90º ..................................................36
Figura 23 – Posição do paciente para um ângulo inferior a 90º....................................................37
Figura 24 - Medições para um ângulo inferior a 90º.....................................................................37
LISTA DE TABELAS
TABELA I - Características dos sensores de aceleração .............................................................12
TABELA II – Custos do Projeto ...................................................................................................33
LISTA DE SIGLAS
UNICENP – Centro Universitário Positivo
A – Ampére
V – Volt
Hz – Hertz
ROM – Read-Only Memory
RAM – Random Access Memory
USB – Universal Serial Bus
PC – Computador Pessoal (do inglês Personal Computer)
ADM - Amplitude de Movimento Articular
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1. INTRODUÇÃO E MOTIVAÇÃO
O presente trabalho teve por finalidade a construção de um instrumento eletrônico para
medição de ângulos, denominado “goniômetro”. Este instrumento serve para medir ângulos
articulares do corpo humano no auxilio do diagnóstico de médicos, fisioterapeutas e fisiologistas,
para o tratamento de lesões e melhoria de desempenho de atletas e praticantes de atividades
físicas. Um modelo de goniômetro exemplifica a visão geral do projeto na figura 1.
Dentre as motivações para o projeto esteve à aplicação e pesquisa na utilização de
transdutores de aceleração, microcontroladores, dispositivos de interfaceamento e memória, a
integração de dispositivos eletrônicos com um software de controle e monitoração, e a aplicação
de outros conhecimentos adquiridos ao longo do curso de Engenharia da Computação para o
desenvolvimento de um dispositivo útil, eficiente, de alta tecnologia e de baixo custo. Motivação
intelectual no estudo da fisiologia e anatomia dos membros inferiores e superiores do corpo
humano, estudo de lesões e seu tratamento, busca na literatura médica de informações auxiliares
para a eficiência do sistema.
Figura 1 – Representação gráfica do projeto
FONTE: adaptada [TOGAWA & TAMURA ,1997].
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2. DEFINIÇÃO DO TRABALHO
Desenvolvimento de um goniômetro eletrônico, estudando alternativas viáveis técnico-
financeiras que possam ser aplicadas no projeto, incluindo as seguintes fases:
- Estudo de componentes de instrumentação e microcontroladores;
- Técnicas de construção de software;
- Forma de aplicação do sistema com profissionais da área médica e de fisioterapia;
- Implementação do projeto incluindo hardware e software;
- Testes, com a aplicação do sistema projetado de modo a coletar dados para validação;
- Elaboração da documentação final do projeto incluindo a especificação e os resultados
finais e conclusões, além dos demais documentos necessários, como artigo e manual técnico (de
manutenção e do usuário).
3. CONTEXTUALIZAÇÃO NOS DIAS ATUAIS
O goniômetro pode ser usado em consultórios médicos, clínicas e salas de fisioterapia,
uma vez que se trata de um elemento auxiliar para os mais variados profissionais da área de
saúde. O goniômetro eletrônico vem substituir com maior precisão e eficiência os goniômetros
mecânicos. O correto tratamento de lesões vem de encontro à necessidade atual da busca do ser
humano por uma melhor qualidade de vida, combinado a isto está a necessidade de atletas em
obter um melhor desempenho em competições nas mais variadas modalidades esportivas.
4. PRINCIPAIS FUNCIONALIDADES
- Medição em tempo real de ângulos para diagnósticos de lesões e melhoria de
desempenho de atletas;
- Transmissão dos dados do protótipo para o PC através de interfaceamento serial;
- Inserção em software de informações cadastrais e históricas do paciente;
- Coleta das amostras em arquivo digital;
- Plotagem de gráfico com as medições realizadas pelo goniômetro para análise de
especialistas.
- 3 -
5. TECNOLOGIAS UTILIZADAS
- Tecnologia de circuitos integrados analógicos e digitais;
- Microprocessadores e microcontroladores;
- Instrumentação eletrônica;
- Armazenamento de dados em dispositivos móveis;
- Interfaceamento serial;
- Software embarcado;
- Conversão de dados;
- Engenharia de software;
- Processamento de sinais;
- Banco de dados;
- Física aplicada.
6. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo serão descritas as informações teóricas pertinentes ao desenvolvimento do
projeto, incluindo-se informações técnicas relacionadas à física, eletrônica, computação,
construção de software, fisiologia e anatomia humana.
6.1. Goniômetro
Define-se “goniômetro” como um instrumento com que se medem ângulos [AURÉLIO,
2006]. Entre os goniômetros está o transferidor, um semicírculo de plástico transparente ou um
círculo graduado utilizado para medir ou construir ângulos.
A medida da amplitude de movimento articular (ADM) é um componente importante na
avaliação física, pois identifica as limitações articulares, bem como permite aos profissionais
acompanharem de modo quantitativo a eficácia das intervenções terapêuticas durante a
reabilitação. O instrumento mais utilizado pelos terapeutas para medir a ADM é o goniômetro.
No entanto, há também outros instrumentos capazes de mensurar a ADM, como o dinamômetro
isocinético. Nas últimas décadas houve um grande aumento no uso deste instrumento em várias
- 4 -
áreas, dentre elas a fisioterapia, que tem se beneficiado de forma particular e significativa desta
tecnologia [BATISTA, CAMARGO, AIELLO et al, 2006].
A precisão da medida é influenciada pela qualidade do goniômetro (hastes longas devem
ser mais eficientes para medir ângulos que tenham ossos longos como os da articulação dos
cotovelos, joelhos, etc.), pelas diferentes patologias (um paciente com muitas limitações
articulares e com dor deve ser mais difícil de avaliar do que aquele que tem menos
comprometimento) e pela utilização do movimento passivo ou ativo durante a realização da
medida. Os valores considerados normais baseiam-se na proposta do American Academy
Orthopaedic e The Veterans Administration of United States of North América (1963)
[MARQUES, 2002].
6.2. Goniometria
Goniometria é a técnica de medir ângulos [AURÉLIO, 2006]. Na literatura médica,
define-se goniometria como método de avaliação utilizado para medir os ângulos articulares do
corpo [MARQUES, 2002]. A goniometria, descrita na literatura desde 1914, é amplamente
usada, tanto na prática clínica quanto em pesquisas científicas, com a finalidade de medir a ADM
de diversas articulações. Vários experimentos examinaram o grau de confiabilidade das medidas
goniométricas utilizando diferentes procedimentos de medida e demonstraram que a ADM do
joelho, medida com o goniômetro, obteve um nível de confiabilidade de bom a excelente. Outros
trabalhos concluíram serem válidas as medidas realizadas com o goniômetro, após terem sido
correlacionadas às medidas da ADM obtidas a partir de radiografia, considerada um padrão de
medida bem estabelecido. Sendo assim, o goniômetro é um instrumento com o qual se obtém
medidas da ADM do joelho confiáveis e válidas. Finalmente, o goniômetro é um instrumento de
medida articular mais confiável e válido que a estimativa visual [BATISTA, CAMARGO,
AIELLO et al, 2006].
Serão abordadas a seguir informações sobre as especialidades médicas beneficiadas com
o projeto do goniômetro eletrônico.
- 5 -
6.3. Traumatologia
A Traumatologia é a especialidade médica que lida com o trauma do aparelho músculo-
esquelético [MOLINARI, 2000].
O aumento da velocidade de locomoção do ser humano trouxe também o trauma,
considerada uma doença, ao contrário do antigo termo utilizado, que era "acidente"
[MOLINARI, 2000].
Outro importante campo de atuação da especialidade é na área do esporte, no qual temos
as lesões esportivas com características próprias de cada esporte em particular. As lesões
decorrentes das atividades esportivas envolvendo o sistema músculo-esquelético de modo geral
envolvem os músculos, tendões, cápsula e ligamentos articulares e os ossos nos mais diversos
graus de comprometimento, afastando o atleta de suas atividades esportivas por determinado
tempo, de acordo com a gravidade da lesão [MOLINARI, 2000].
Um acidente de trânsito terrestre, aéreo ou mesmo doméstico pode acarretar fraturas
ósseas complexas, com perdas sanguíneas importantes. As fraturas podem ser "fechadas", isto é,
houve uma fratura, mas a parte fraturada não se comunicou com a parte externa, sendo por isso
considerada uma fratura limpa e que pode ser alinhada e mantida imobilizada com gesso. Outro
tipo de fratura é a "exposta", que ocorre quando a fratura tem alguma comunicação com o meio
exterior. Um exemplo seria um fêmur fraturado que rasgasse a pele e aparecesse do lado de fora
da perna [MOLINARI, 2000].
Embora a traumatologia pareça ser o estudo de todo tipo de trauma, ela lida apenas com
as lesões ósseas e tendinosas dos membros superiores, inferiores, bacia e coluna. O trauma
abdominal é visto pelo cirurgião geral, o trauma craniano pelo neurocirurgião, etc. No Brasil a
especialidade é unificada com a ortopedia e recebe o nome de "Ortopedia e Traumatologia"
[MOLINARI, 2000].
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6.4. Ortopedia
A Ortopedia é a especialidade médica que cuida das doenças e deformidades dos ossos,
músculos, ligamentos, articulações, enfim, relacionadas ao aparelho locomotor. Existem diversas
doenças ósseas que independem do trauma, como o câncer ósseo, luxações congênitas e
deformidades ósseas que necessitam de tratamento médico. As hérnias de disco, causadoras de
dores intensas na coluna, podem ser operadas tanto por ortopedistas como por neurocirurgiões,
dependendo de sua formação [MOLINARI, 2000]. No texto que segue serão estudados ossos e
membros do corpo humano, importantes objetos de estudo deste projeto.
6.5. Ossos do Membro Inferior
Assim como em outros vertebrados, os membros superiores e inferiores têm uma
estrutura bastante semelhante, estando ligados ao tronco por ossos que constituem a chamada
cintura escapular (escapulo e clavícula para o membro superior) e pélvica (ossos do quadril para
o membro inferior). Se for possível descrever analogias morfológicas nos membros superior e
inferior, devem-se destacar as suas diferenças funcionais, ocasionadas principalmente pela
postura ereta adquirida pelo homem. Assim a principal função do membro superior é orientar a
mão no espaço, permitindo-lhe os movimentos delicados e especializados que é capaz de
executar; por outro lado, as principais funções do membro inferior são a locomoção e a
sustentação do peso. É costume descrever, com o membro inferior, regiões de transição, como a
região glútea (das nádegas), além dos segmentos que o compõe: coxa, perna e pé. Da mesma
maneira no estudo do esqueleto apendicular do membro inferior inclui-se o osso do quadril, e no
do membro superior, os ossos da cintura escapular. Isto é plenamente justificável, pois vários
músculos da coxa têm origem em ossos da cintura pélvica, e vários músculos do braço e tórax
fixam-se na escápula ou na clavícula [DANGELO & FATTINI, 2000].
A concentração deste estudo ficará restrita ao fêmur que é o osso da coxa (figura 2) que
se articula inferiormente com a tíbia, que juntamente com a fíbula formam o esqueleto da perna.
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Figura 2 – Esqueleto do membro inferior e cintura pélvica
FONTE: adaptada [DANGELO & FATTINI, 2000].
6.6. Fêmur, Tíbia e Fíbula
O maior osso do esqueleto é classificado como um osso longo apresentando, portanto
duas epífises, proximal e distal, e um corpo, ou diáfise. O fêmur articula-se pela sua extremidade
proximal com o osso do quadril e pela extremidade distal com a tíbia. Observe no esqueleto
articulado que, em virtude das articulações dos quadris serem muito afastadas, devido à
construção da pelve, os fêmures dirigem-se inferior, medial e anteriormente, convergindo para os
joelhos e formando com as tíbias um ângulo obtuso, conforme se pode ver na figura 3
[DANGELO & FATTINI, 2000].
Tíbia e fíbula são dois ossos longos, fortemente unidos, os quais, com a membrana
interóssea distendida entre eles, formam o esqueleto da perna. A tíbia é medial e mais robusta
que a fíbula, articulando-se com o fêmur pela sua extremidade proximal. Distalmente, entretanto,
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ambos os ossos articulam-se com o tálus embora a tíbia seja a responsável direta pela
transmissão do peso aquele osso [DANGELO & FATTINI, 2000].
Figura 3 – O ângulo obtuso formado pelo fêmur e tíbia
FONTE: adaptada [DANGELO & FATTINI, 2000].
6.7. Teoria de Hardware
Nesta seção serão descritas as bases necessárias para o desenvolvimento do hardware do
sistema: aspectos físicos, dispositivos de instrumentação eletrônica, dispositivos computacionais
e linguagens de programação que foram empregadas no desenvolvimento do projeto. A figura 4
mostra o diagrama em blocos simplificado do sistema desenvolvido.
ACELERÔMETROS
AQUISIÇÃO
MICROCONTROLADOR
PROCESSAMENTO
SOFTWARE PARA DESCARGA DAS
MEDIÇÕES, DADOS DO PACIENTE E
PLOTAGEM DE GRÁFICO
INTERAÇÃO E VIZUALIZAÇÃO
COMUNICAÇÃOSERIAL
COM O PC
Figura 4 – Diagrama em blocos simplificado do sistema desenvolvido
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6.7.1. Transdutor
Um transdutor é um dispositivo que transforma um tipo de energia noutro tipo de energia,
utilizando para isso um elemento sensor que recebe os dados e os transforma. O transdutor é um
sistema completo que produz um sinal elétrico de saída proporcional a grandeza sendo medida.
O sensor, entretanto, é apenas a parte sensitiva do transdutor [WERNECK, 1996]. Por exemplo,
o sensor pode transduzir informação não elétrica (velocidade, posição, temperatura, pH) em
informação elétrica (corrente, tensão, resistência).
6.7.2. Acelerômetros
Acelerômetro é um instrumento para medir aceleração. Com base na segunda lei de
Newton[HALLIDAY, 1996], é possível construirmos vários tipos de acelerômetros. Seu
princípio de funcionamento se baseia no movimento.
Acelerômetros são transdutores utilizados para medição de choques ou vibrações
mecânicas. Pode-se determinar a aceleração também a partir do conhecimento da posição,
processando o sinal para obtenção da segunda derivada. O uso de diferenciadores analógicos,
entretanto, exige muitos cuidados não somente em relação às tensões de offset dos
amplificadores operacionais, como também com relação ao ruído inerente ao transdutor de
posição ou de velocidade [WERNECK, 1996].
Transdutores de aceleração têm relativo baixo custo e simples utilização, sendo
largamente utilizados para medir ou monitorar vibrações e também impactos em estruturas e
máquinas. Devido ao movimento oscilatório de máquinas, estruturas ou eixos, aliado a própria
massa desses sistemas, é gerada uma força inercial ou “força destrutiva” que pode provocar
deformações muitas vezes irreversíveis.
Vibração e choque podem ser expressos em termos de deslocamento, velocidade ou
aceleração, sendo esta última mais freqüentemente utilizada devido à facilidade com que pode
ser relacionada à massa através da lei de Newton:
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F = m x a
onde:
F é a força gerada na estrutura de massa m devido à aceleração a.
Na necessidade de medir aceleração devido a vibrações senoidais, sempre devemos nos
preocupar com a resposta de freqüência dos acelerômetros que é, basicamente, a análise do
comportamento de um sistema (geralmente eletro/eletrônico) quanto ao seu ganho numa certa
faixa de freqüência (ou em alguns casos, velocidade angular)[WIKIPÉDIA, 2007].
São produzidos atualmente modelos muito sofisticados de acelerômetros. Sua aplicação
em larga escala na indústria automotiva promoveu a redução do preço e popularização da
tecnologia.
6.7.3. Acelerômetros Piezoelétricos
Transdutor elaborado a partir de cristais naturais denominados cristais "piezoelétricos"
[WERNECK, 1996]. Estes convertem energia elétrica em energia mecânica na relação de 1:1
(um sinal elétrico para um sinal mecânico). Os elementos piezoelétrícos têm a propriedade de
produzir uma tensão elétrica em determinado eixo quando comprimidos em outro. Se aplicarmos
um sinal elétrico no eixo elétrico, ele vai produzir um alongamento mecânico no eixo mecânico.
O cristal comum de quartzo (dióxido de silício) apresenta essa propriedade. Atualmente são
criados em fornos com temperatura e pressão controlados, onde se obtém uma pureza
indispensável na precisão dos transdutores atuais. Algumas cerâmicas, como o titânio de bário,
também apresentam propriedades piezoelétricas, desde que submetidas a um tratamento
termoelétrico durante o processo de fusão, estes são usados mais comumente como geradores de
ultra-som devido à alta freqüência de ressonância mecânica aliada à alta eficiência mecânica
[WERNECK, 1996].
No acelerômetro em corte da figura 5, é possível visualizar o cristal de um lado apoiado
no corpo do transdutor e de outro fixado à massa (também conhecida como massa sísmica).
Qualquer aceleração sofrida pelo transdutor obrigará a massa a apertar ou alongar o cristal, que
produzirá um sinal elétrico proporcional à força gerada na massa. Apenas a componente de
aceleração paralela ao eixo do transdutor é que produzirá o efeito piezoelétrico, as outras
componentes no plano perpendicular ao corpo do transdutor serão ignoradas. Na necessidade de
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medir acelerações nos três eixos coordenados, utilizamos um transdutor tri axial que contém três
cristais independentes perpendiculares entre si e fornece três tensões independentes de saída
[WERNECK, 1996].
Figura 5 – Acelerômetro piezelétrico
FONTE: adaptada [WERNECK, 1996].
Podemos considerar o cristal piezoelétrico como uma fonte de tensão ou como uma fonte
de carga.. Na figura 6 temos o circuito equivalente do cristal. Em (A), vemos um gerador de
carga de impedância interna infinita em paralelo com a capacitância total do cristal (Ca)
[WERNECK, 1996].
A tensão de saída eo é dada por :
eo = qa/Ca
onde:
qa = carga em coulombs fornecida pelo cristal por unidade de aceleração (sensitividade)
em pC/G.
Em (B) temos o circuito equivalente em forma de fonte de tensão, onde a impedância de
saída é infinita, obrigando a utilização de um circuito amplificador de altíssima impedância de
entrada.
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Figura 6 – Circuitos equivalentes de um acelerômetro piezoelétrico.
FONTE: adaptada [WERNECK, 1996].
Como a impedância de saída é puramente capacitiva, utilizamos um amplificador de
carga (charge amplifier) com impedância de entrada puramente capacitiva e de grande valor.
Algumas das características dos acelerômetros comerciais estão apresentadas na Tabela I
abaixo :
TABELA I - Características dos sensores de aceleração
Característica Unidade Valor mínimo e máximo
Sensibilidade (carga) pC / G 0,1 - 100
Sensibilidade (tensão) mV / G 2 – 100
Capacitância mV / G 200 – 8000
Resposta de freqüência pF 0,1 – 10 k
Freqüência natural de ressonância Hz 25 k – 100 k
Vibração máxima G 1250
Máximo choque Gpp 2000
Coeficiente de temperatura % / ºC 0,06
Temperatura de trabalho ºC -50 a 176
Resolução G 0,01 – 0,4
Linearidade % de fundo de escala ± 1
Resistência de saída Ohms 5 x 10e11
Peso Gramas 15
FONTE: WERNECK(1996).
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6.7.4. Aspectos Físicos
O estudo da física é de fundamental importância na precisão das informações que serão
obtidas na utilização do goniômetro. Conceitos de aceleração, velocidade, posição, deslocamento
e distancia serão abordados a seguir, auxiliando na compreensão das grandezas físicas
envolvidas neste projeto.
6.7.4.1. Vetor Posição
A localização de uma partícula, em relação à origem de um sistema de coordenadas, é
dada pelo vetor posição r que, na notação de vetores unitários se escreve:
r = xi + yj + zk
onde:
xi, yj e zk são as componentes vetoriais e x, y e z são as componentes escalares do vetor posição
r. Um vetor posição também pode ser determinado pelo seu modulo e um ou mais ângulos para
orientação.
6.7.4.2. Deslocamento
Se o movimento de uma partícula é representado pela variação do seu vetor posição de r1
para r2, então seu deslocamento ∆r é:
∆r = r2 – r1
6.7.4.3. Velocidade Média
Se uma partícula se desloca durante um intervalo de tempo ∆t, sua velocidade média v é :
v = ∆r / ∆t
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6.7.4.4. Velocidade
Quando ∆t na equação anterior, tende para 0, o limite de v é chamado de velocidade
instantânea :
v = dr / dt
que pode ser representada na notação de vetores unitários como :
v = vxi + vyj + vzk
onde:
vx = dx /dt
vy = dy / dt
vz = dz / dt.
Quando a posição de uma partícula em movimento é representada num sistema de
coordenadas, v é sempre tangente à curva que representa a trajetória da partícula.
6.7.4.5. Aceleração Média
Se a velocidade de uma partícula varia de v1 para v2, no intervalo de tempo ∆t, sua
aceleração média, neste intervalo de tempo, é :
a = v2 – v1 / ∆t
6.7.4.6. Aceleração
Na equação da velocidade média, quando ∆t tende para 0, o limite de 0 a é chamado de
aceleração instantânea,
a = dv / dt
- 15 -
na notação de vetores unitários,
a = axi + ayj + azk
onde:
ax = dvx / dt
ay = dvy / dt
az = dvz / dt
Quando a é constante, as componentes de a, v e r, na direção de qualquer eixo, podem ser
tratadas como no movimento unidimensional [HALLIDAY, 1996].
No tópico a seguir será abordado o interfaceamento serial, importante dispositivo de
comunicação utilizado no projeto.
6.7.5. Interface Serial
Através da necessidade de comunicar equipamentos a grande distancia, foi criada a
transmissão serial [BJARNE, 2000].
A interface serial ou porta serial, também conhecida como RS-232 é uma porta de
comunicação utilizada para conectar modems, mouses, algumas impressoras e outros
equipamentos de hardware. Na interface serial, os bits são transferidos em fila, ou seja, um bit de
dados de cada vez.
Para que vários sistemas se comuniquem, foi criado um código binário para cada
caractere, de tal forma que exista compatibilidade. Atualmente usa-se o código ASCII (American
Standard Code for Interchange of Information), neste código, cada caractere possui seu
correspondente em binário, incluindo-se vários caracteres de controle e sinais especiais.
Existem duas formas de comunicação serial RS232 que serão apresentadas a seguir: o
modo síncrono e o modo assíncrono.
- 16 -
6.7.5.1. Modo Síncrono
Modo que necessita de um sincronismo entre dois sistemas em comunicação, este
sincronismo é gerado por um conjunto de bits, denominados bits de sincronismo, que ao serem
recebidos pelo elemento receptor, ajustam seu relógio (clock) interno para receberem um
conjunto de bits referentes aos dados. Logo após o último bit de dado, o transmissor envia um
conjunto de bits chamado bits de parada, que ao serem detectados pelo receptor informam que
acabaram os bits de dados. Estes bits de parada podem ou não conter informações a respeito dos
bits transmitidos, para permitir ao receptor confirmar o recebimento correto dos bits.
6.7.5.2. Modo Assincrono
Não existe, neste modo, a necessidade de gerar sincronismo. Cada caractere é transmitido
individualmente e, para cada caractere transmitido (bit a bit), existem bits de inicio de
transmissão (start bit) e bits de fim de transmissão (stop bit).
O start bit é reconhecido pela transição do nível presente na linha de 1 para 0. Neste
instante o clock interno do sistema efetua uma varredura de linha de tempos em tempos para
detectar o nível da mesma, nível que será associado a cada bit de forma conveniente. Ao
reconhecer o sétimo bit, o sistema fica esperando o stop bit, que é a transição de 0 para 1, ou a
permanência em nível 1, se já estava em 1.
Neste ponto, o sistema entra em repouso e fica na espera de um novo start bit, para iniciar
a recepção de um novo caractere.
Neste modo de transmissão, deve-se garantir que o transmissor e o receptor operem com
a mesma taxa de transmissão e recepção.
Existem basicamente três maneiras de se interligar dispositivos digitais, apresentados a
seguir : simplex, half duplex e full-duplex.
- 17 -
6.7.5.3. Modo Simplex
O modo simplex de interligação de dispositivos possui um elemento que apenas transmite
e outro que apenas recebe, temos como exemplos: os terminais de dados e impressoras.
6.7.5.4. Modo Half-Duplex
O modo half-duplex ou semi-duplex, permite que os elementos recebam e transmitam
dados, embora as duas operações não ocorram simultaneamente.
6.7.5.5. Modo Full-Duplex
No modo full duplex, os dois sistemas podem transmitir e receber dados
simultaneamente.
6.8. Linguagem de Programação C
C é uma linguagem de programação estruturada e padronizada criada na década de 1970
por Dennis Ritchie e Ken Thompson para ser usada no sistema operacional UNIX. Desde então
se espalhou por muitos outros sistemas operativos, e tornou-se uma das linguagens de
programação mais usadas.
A linguagem C tem como ponto-forte a sua eficiência sendo a linguagem de programação
de preferência para o desenvolvimento de software de sistemas, apesar de também ser usada para
desenvolver aplicações. É também muito usada no ensino de ciências da computação, mesmo
não tendo sido projetada para estudantes e apresentando algumas dificuldades no seu uso. Outra
característica importante da linguagem C é sua proximidade a linguagem de máquina, que
permite que um projetista seja capaz de fazer algumas previsões de como o software irá se
comportar ao executar.
Muitas linguagens de programação foram influenciadas pelo C, sendo que a mais
utilizada atualmente é o C++, que por sua vez foi uma das inspirações para a linguagem Java.
- 18 -
C é uma linguagem de programação relativamente minimalista que opera bem próximo
do hardware, sendo mais semelhante à linguagem assembly do que as restantes linguagens.
Certamente, C é por vezes referida como uma "assembly portátil". O código C pode ser
compilado para ser rodado em quase todos os computadores e sistemas operacionais. O C é
tipicamente chamada de uma linguagem de baixo nível ou de nível médio, indicando assim o
quanto perto ela opera com o hardware. Essa propriedade não foi acidental: a linguagem C foi
criada com um objetivo em mente: facilitar a criação de programas extensos com menos erros
recorrendo ao paradigma da programação algorítmica ou procedimental, mas sem nunca
sobrecarregar o autor do compilador de C, cujo trabalho complica-se ao ter de realizar as
características complexas da linguagem.
Para este fim, a linguagem C possui as seguintes características:
- Uma linguagem nuclear extremamente simples, com funcionalidades não-essenciais,
tais como funções matemáticas ou manuseamento de ficheiros (arquivos), fornecida por um
conjunto de bibliotecas de rotinas padronizadas;
- A focalização no paradigma de programação procedimental;
- Um sistema de tipos simples que evita várias operações que não fazem sentido;
- Uso de uma linguagem de pré-processamento, o pré-processador de C, para tarefas tais
como a definição de macros e a inclusão de múltiplos ficheiros de código fonte;
- Um acesso de baixo-nível à memória do computador, através do uso de ponteiros;
- Parâmetros que são sempre passados por valor para as funções e nunca por referência (É
possível simular a passagem por referência com o uso de ponteiros);
- Definição do alcance lexical de variáveis;
- Estruturas de variáveis, (structs), que permitem que dados relacionados sejam
combinados e manipulados como um todo.
Apesar da lista de características úteis que o C não possui ser longa, isso não tem sido um
impedimento à sua aceitação, pois isso permite que novos compiladores C sejam escritos
rapidamente para novas plataformas, e também permite que o programador permaneça sempre
em controle do que o programa está por fazer. Isto é o que por várias vezes permite o código C
correr de uma forma mais eficiente que muitas outras linguagens. Tipicamente, só código de
assembly "afinado à mão" é que corre mais rapidamente, pois possui um controle completo da
máquina, mas avanços na área de compiladores juntamente com uma nova complexidade nos
processadores modernos permitiram que a diferença tenha sido rapidamente eliminada. Uma
conseqüência da aceitação geral da linguagem C é que freqüentemente os compiladores,
- 19 -
bibliotecas e até intérpretes de outras linguagens de nível maior sejam eles próprios
implementados em C.
7. ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE
A pesquisa teórica descrita anteriormente foi a base para a escolha do hardware utilizado
no projeto. Este capítulo tem por finalidade listar os componentes que foram utilizados e
descrever suas características.
O hardware do sistema (conforme diagrama em blocos da figura 7) está composto,
basicamente, na parte da aquisição por acelerômetros que fazem a aquisição dos sinais referentes
aos movimentos dos membros nas três dimensões espaciais, um microcontrolador para fazer o
processamento dos dados dos sensores e um dispositivo de interfaceamento serial onde são
transferidos os dados das medições para o PC. Dentro do hardware ainda existem outros
componentes de instrumentação, detalhados nos diagramas esquemáticos do projeto e na lista de
materiais.
ACELERÔMETROS
ADXL202E
ADXL202E
AQUISIÇÃO
MICROCONTROLADOR
MSC1211Y5
PROCESSAMENTO
INTERFACEAMENTO SERIAL
MAX232
TRANSFERÊNCIA DE DADOS
SOFTWARE PARA DESCARGA DAS
MEDIÇÕES, DADOS DO PACIENTE E PLOTAGEM DE
GRÁFICO
PC
INTERAÇÃO E VIZUALIZAÇÃO
Figura 7 – Diagrama em blocos do hardware do sistema
- 20 -
7.1. Microcontroladores 8051
O Intel 8051 faz parte de uma popular família de microcontroladores de 8 bits lançada
pela Intel em 1977. É conhecido por sua facilidade de programação, em linguagem assembly
graças ao seu poderoso conjunto de instruções. É tido como o microcontrolador mais popular do
mundo, pois existem milhares de aplicações para o mesmo, e existem pelo menos dois mil
fabricantes produzindo variantes e clones do modelo. Atualmente possui diversos modelos
clones sendo produzidos por empresas diversas à Intel. Por ser um microcontrolador CISC,
oferece um conjunto de instruções muito vasto que permite executar desde um simples programa
que faz piscar um LED até um programa de controle de acesso controlado por rede O 8051
possui uma memória ROM que faz parte da arquitetura interna do chip, na qual será armazenado
exclusivamente o programa que a CPU executará não os dados, pois esses serão gravados em
outra memória (RAM), que pode ser interna ou externa. A memória ROM tem a característica de
poder ser gravada apenas uma vez, em geral, na fábrica. Este fato inviabiliza que os projetistas
utilizem o 8051 em sua bancada. Para realizar projetos, normalmente utiliza-se o 8031 que não
possui esta memória interna de programa (ROM), somente a de dados (RAM). Neste caso o
programa é gravado numa memória externa muito conhecida e barata chamada EPROM e a
gravação são feitas por um equipamento também popular, chamado gravador de EPROM. Além
disso, pode-se utilizar uma RAM estática com excelente resultado, pois com ela, é possível criar
o programa num computador pessoal e enviá-lo ao microcontrolador através de um cabo serial,
sem a necessidade de qualquer outro equipamento auxiliar. Enfim, se o leitor compreender o
funcionamento básico do 8031, estará formando conhecimento para operar todos os membros
desta família, sejam do fabricante original ou dos clones [SICA, 2006].
Características principais do 8051:
- 3 Portas de I/O bidirecionais endereçáveis por bit
- 1 Canal serial UART com interrupção e 3 modos de operação
- 2 Timers/Contadores de 8/16 bit com 4 modos de operação cada um
- 5 Entradas de interrupção com arquitetura nesting
- 128+128 bytes de memória RAM interna, sendo apenas 128 bytes de uso geral
- 8 Kbytes de memória PROM interna (desabilitáveis)
- Até 64Kbytes de memória RAM externa (não compartilhada)
- Até 64Kbytes de memória ROM externa (não compartilhada)
- Pino de saida de oscilador de meia onda (1/4 do clock)
- Clock de 1 a 12Mhz
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- 4 bancos de registradores
- Arquitetura CISC
Existem versões que incorporam funções diversas como:
- geradores [PWM]
- portas seriais [USART]
- portas seriais de alta velocidade [SPI]
- memória [flash] interna de 8 a 64Kbytes, memória RAM interna de 1 a 4Kbytes
- memória interna regravável em sistema ([ISP])
- sistemas de alta velocidade (x2 e 1-Clock Cycle)
- chip interno para a reprodução de sons em formato MP3 (Vide: [Atmel] [8952SND1A])
- conversores A/D e D/A
7.2. Microcontrolador MSC1211Y5
O microcontrolador utilizado no projeto foi o modelo MSC1211Y5 [TEXAS, 2004],
baseado na arquitetura 8051 [INTEL, 1980], devido as seguintes características:
- 32 KB de memória flash, que podem ser particionados de acordo com a aplicação que se
destina;
- Conversores ADC e DAC;
- Acumulador de 32 bits;
- Duas portas de comunicação serial;
- Watch dog timer interno;
- Alguns registradores adicionais ao 8051 padrão;
- Interface de comunicação para barramento SPI;
- Programação de velocidade de acessos a memória externa, significando a possibilidade
de sincronizar acessos externos com algum dispositivo que se deseja comunicar, memórias
externas, por exemplo;
- Para diminuir o consumo de energia, tem a vantagem adicional de se poder habilitar ou
não os componentes que são internos a esse chip (ADC, DAC, etc.)
- 22 -
7.3. Sensor de Aceleração (Acelerômetro) ADXL202E
Foi utilizado no projeto o acelerômetro ADXL202E [ANALOG, 2003], devido as suas
características de baixo custo, baixa potência, e de possuir dois eixos com saída digital.
O ADXL202E mede em uma escala de -2.0g a +2.0g as acelerações dinâmicas (ex:
vibraçoes) e estáticas (ex: gravidade). As saídas são tensões analógicas ou sinais digitais em que
o duty cycle; que é o tempo de duração da onda e o tempo que leva até aparecer um novo pulso
do acelerômetro (Analog Devices, 2004); é proporcional a aceleração. O duty cycle de saída
pode ser diretamente medido por um contador de um microcontrolador, sem a necessidade de um
conversor A/D. O período pode ser ajustado de 0.5ms a 10 ms por um único resistor (RSET),
presente nas figuras 8 e 9. O nível típico de ruído é de 200µgvHz, possibilitando sinais abaixo de
2 mg (com largura de banda de 60 Hz) serem medidos.
A largura de banda do acelerômetro é definida com capacitores Cx e Cy nos pinos XFILT
e YFILT da figura 8. E uma saída analógica pode ser reconstruída filtrando a saída do duty cycle.
Figura 8 - Diagrama Funcional em blocos do acelerômetro ADXL202E
FONTE: adaptada [Analog Devices,2004).
- 23 -
Figura 9 – Pinagem do acelerômetro ADXL202E
FONTE: adaptada de Analog Devices, 2004].
7.4. Funções do Hardware
O hardware tem as funções de aquisição das medições através dos acelerômetros,
processamento destes sinais pelo microcontrolador onde, com base em fundamentos de física
(aceleração e velocidade) e matemática (funções diferenciais, derivadas e integrais) as medições
são processadas e transformadas em dados angulares. Através da comunicação com a porta
serial, os dados coletados são transportados para análise no PC.
8. PROJETO DO HARDWARE
Neste tópico serão abordadas as questões relativas ao projeto do hardware, com a
apresentação de fluxogramas, diagramas, sinais de controle, componentes, e tudo que for
pertinente ao desenvolvimento do projeto.
8.1. Componentes
Foram utilizados no projeto do hardware os seguintes componentes :
- Acelerômetros ADXL202E [ANALOG, 2003];
- Microcontrolador MSC1211Y5 [TEXAS, 2004];
- Modulo de comunicação serial MAX232;
- Reguladores de tensão;
- Cristal(clock) de 11.0592;
- Capacitores e resistores;
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- Cabo serial DB9;
- Bateria 9V.
8.2. Aquisição
O dispositivo de hardware que faz a aquisição das medições é composto por dois
acelerômetros ADXL202E [ANALOG, 2003] presos entre o joelho do paciente através de
velcros.
O acelerômetro tem a função de realizar as medições de ângulos articulares, com base na
aceleração instantânea. A partir da folha de dados do fabricante, o cálculo da aceleração
utilizando a saída PWM do ADXL202E, obedece a seguinte equação:
a = (T1 / T2 – 0,5) / 12,5%
onde:
a = aceleração (m/s²)
T1 é a variação do tempo em milisegundos para diferentes acelerações,
T2 é o tamanho total do ciclo em milisegundos (duty cycle do acelerômetro).
T2
T1
Figura 10 – Típica saída duty cycle
FONTE: adaptada de Analog Devices.(2004).
Além de definir o “duty cycle” é necessário calibrar a banda de passagem (bandwidth) do
sinal e a freqüência do sinal.
Para efeito de testes práticos e construção do circuito do acelerômetro, a freqüência do
sinal foi calibrada para 10Hz e o valor de T2 definido em 10 ms com base na equação (Analog
Devices, 2004) a seguir:
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T2 (s) = RSET(Ω ) / 125MΩ
obteve–se o valor do resistor RSET = 1.25MΩ.
Para obtenção das medidas angulares, à partir da folha de dados do ADXL202E, foi
extraída a seguinte equação:
A = ASIN (ax / 1 g)
onde:
A = ângulo em radianos
ASIN = Arcoseno
ax = aceleração (m/s²) no canal x do acelerômetro
8.3. Processamento
Inicialmente foram testados os componentes que compõe o microcontrolador
MSC1211Y5 [TEXAS, 2004], montado com base no esquemático apresentado na figura 11.
Figura 11 – Esquemático do microcontrolador
- 26 -
O microcontrolador, uma vez sincronizado com o acelerômetro faz a decodificação da
saída PWM do canal x.
A função do microcontrolador é contar os pulsos de saída PWM do acelerômetro e enviar
a variação do tempo em milisegundos para diferentes acelerações T2 para a interface serial a
cada dez amostras (valor médio definido em virtude da sensibilidade do acelerômetro). O
programa é basicamente um laço infinito que conta o tempo T1 (ver Figura 10 – Típica saída
duty cycle) para o cálculo da aceleração instantânea.
O programa, desenvolvido em C, para interpretação da aceleração para conversão em
medidas angulares foi embarcado no firmware do microcontrolador.
Para minimizar a interferência que a fonte tem sobre o sistema, foi utilizada no protótipo
uma bateria de 9V.
9. ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE
O software do projeto esta dividido em duas partes conforme o diagrama em blocos do
software da figura 12: firmware e softwares de interface gráfica com o usuário (Registro do
Paciente e Vizualização das Medições)
O firmware é responsável pela configuração do microcontrolador, o programa tem a
função de estabelecer a comunicação do PC com o microcontrolador, usando a interface serial.
FIRMWAREINTERFACE
SERIALPROCESSAMENTO
DOS DADOS
INTERFACE GRÁFICA
Figura 12 – Diagrama em blocos do software
- 27 -
O software de interface gráfica com o usuário faz a recepção dos dados possibilitando a
plotagem de gráficos e visualização de medições coletadas, bem como cadastro do paciente com
informações históricas do mesmo. Este software foi desenvolvido utilizando-se a linguagem C,
em ambiente de desenvolvimento Borland Builder®.
A comunicação do hardware com o software é feita através da interface serial do PC,
onde é realizada a transferência dos dados do protótipo.
10. PROJETO DO SOFTWARE
Na programação do firmware do microcontrolador MSC1211Y5 [Texas, 2004], escrita na
linguagem C, foi utilizado o software de compilação RIDE do fabricante Raisonance.
Para a programação/gravação do firmware foi utilizado o bootloader TI Downloader da
Texas Instruments, utilizando-se as configurações da figura 13 [Texas, 2004].
Figura 13 – Configuração para gravação do firmware do microcontrolador
- 28 -
10.1. Protótipos das Telas do Software
As principais funções do software de Registro do Paciente compreendem: a inclusão dos
dados do paciente e informações de seu histórico médico, conforme protótipo da tela de interface
da figura 14 e localização do paciente na base conforme a figura 15.
Figura 14 – Tela “Registro do Paciente”
Figura 15 – Tela “Pesquisa de Registro”
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O software de “Visualização das Medições” registra as amostras em um gráfico com as
medidas angulares coletadas, conforme protótipo da tela de interface da figura 16. Os últimos
registros são armazenados em arquivo na necessidade de recuperação dos dados.
Figura 16 –Tela “Visualização das Medições”.
11. APLICABILIDADE / FUNCIONALIDADE DO SISTEMA
11.1. Procedimentos para as Medidas
Para se iniciar as medidas, devem ser feitas algumas observações:
- A região a ser avaliada deve estar descoberta ou assinalada previamente com acesso à
palpação dos pontos anatômicos utilizados para direcionar a colocação dos braços fixo e móvel
do goniômetro, com o mínimo de roupa possível.
- Recomenda-se a utilização do movimento passivo, ou seja, o indivíduo faz o movimento
e, nos ângulos finais, pode receber auxílio do avaliador.
- Explicar com clareza o movimento a ser executado pelo sujeito, ou ainda, demonstrar o
movimento.
- 30 -
- Alinhamento corporal mais próximo da postura anatômica. Se o alinhamento corporal
não estiver correto, qualquer compensação poderá falsear os resultados.
- Uma vez alinhado o corpo, o sujeito deve movimentar a articulação em toda a sua
amplitude, a fim de localizar por inspeção o eixo aproximado do movimento, muitas vezes com o
auxílio do avaliador.
- Para efeito de comparação, mesmo com um dos lados comprometidos por alguma
limitação, devem-se medir ambos os lados.
- As mudanças de posição devem ser programadas para não manipular o sujeito
excessivamente. Assim, devem-se tomar, sucessivamente, todas as medidas que forem em pé,
sentado, deitado em decúbito dorsal e ventral.
- Os dados devem ser registrados de forma cuidadosa e corretos, incluindo o nome do
avaliador, data e se foi utilizado o movimento passivo ou ativo.
- A confiabilidade das medidas aumenta quando o mesmo avaliador executa toda a
seqüência de medidas.
Alguns exemplos de medição com o uso do goniômetro podem ser vistos nas figuras 17 e
18. Na a figura 17 a posição deve ser em decúbito ventral com o joelho fletido ou em decúbito
dorsal com o joelho e quadril fletidos. O fulcro do goniômetro deve ficar sobre a articulação do
joelho com a haste (fixa) paralela à superfície lateral do fêmur dirigido para o trocanter maior e a
haste (móvel) paralela à face da fíbula dirigida para o maléolo lateral. Na figura 18 na posição
em pé, posição ortostática, com os pés unidos e paralelos, o goniômetro na mesma posição da
figura anterior [MOLINARI, 2000].
Figura 17 – Articulação do joelho – Movimento de flexão (0 – 140º)
FONTE: adaptada [MOLINARI, 2000].
- 31 -
Figura 18 – Articulação do joelho – Movimento de extensão (0 – 8º)
FONTE: adaptada [MOLINARI, 2000].
- 32 -
12. CRONOGRAMA DE DESENVOLVIMENTO
Datas Atividades
05/03/07 Entrega das propostas de projeto para avaliação do colegiado
02/04/07 Entrega das especificações técnicas do projeto aprovado
11/06/07 Entrega do projeto (monografia) e dos testes preliminares do mesmo.
06/08/07 Apresentação prévia da implementação do projeto especificado.
01/10/07 Apresentação do projeto implementado com qualificação para a fase final
29/10/07 Segunda apresentação do projeto implementado, para os que não o
fizeram no dia 01/10/06, com decréscimo da nota com qualificação para
a fase final.
05/11/07 Entrega da documentação completa em espiral para a banca
examinadora, em 3 vias, contendo a monografia, manual técnico, manual
do usuário e artigo científico.
26/11/07 à 30/11/07 Defesa formal dos projetos, com apresentação oral para a banca
examinadora.
10/12/07 Entrega da documentação completa, revisada e corrigida, encadernada no
padrão da biblioteca (capa dura) em duas vias, contendo a monografia,
manual técnico, manual do usuário e artigo científico.
Entrega do CD contendo, no formato WEB, todo o conteúdo dos
manuais.
13. ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO - ECONÔMICA
A estimativa de custos para o desenvolvimento do projeto considerou que alguns
componentes seriam adquiridos de forma gratuita junto a fabricantes de semicondutores, assim
como foram utilizados equipamentos, laboratório e softwares existentes na instituição. Também
foram consideradas as utilizações de versões freeware de softwares para o desenvolvimento do
firmware.
- 33 -
A Tabela II mostra os custos adicionais do projeto:
TABELA II – Custos do Projeto
DESCRIÇÃO CUSTO APROXIMADO (R$)
Componentes Eletrônicos 100,00
Outros acessórios (ANEXO B) 100,00
Horas Trabalhadas (160 Horas) 4800,00
Custo Total Aproximado (R$) 5000,00
14. ESPECIFICAÇÃO DA VALIDAÇÃO E TESTES
O ser humano apresenta características biomecânicas únicas e essas características
destacam-se ainda mais quando são comparados indivíduos da mesma espécie [MOLINARI,
2000].
Várias são as causas dessas alterações, cada um de nós apresenta alguma variação no eixo
de movimento das articulações e na rotação dos membros inferiores que podem ser temporários
ou definitivos. As alterações temporárias expressam-se durante as diversas fases do
desenvolvimento e as definitivas na vida adulta [MOLINARI, 2000].
Foram realizados testes com seres humanos em diferentes condições, utilizando-se como
parâmetro de comparação dos resultados informações coletados na literatura médica.
15. RESULTADOS
O objetivo do projeto foi desenvolver um sistema preso ao paciente entre a articulação da
perna ou do braço durante a sessão de fisioterapia com a captura em tempo real de medições da
amplitude do movimento das articulações.
A implementação do hardware foi testada inicialmente em protoboard, com os
dispositivos sendo testados de forma isolada.
- 34 -
Para evitar que ruídos provenientes da fonte de alimentação possam prejudicar o
funcionamento adequado do acelerômetro, utilizou-se um capacitor de 100nF para
desacoplamento recomendado pelo fabricante.
Para confiabilidade do sistema foi necessário criar uma variável no firmware que
armazena 10 amostras e envia para o PC a média destas amostras. Outra medida necessária para
minimizar possíveis erros é a necessidade de calibração dos acelerômetros antes do início da
avaliação na posição do paciente para um ângulo de aproximadamente 180º (figura 19).
Não foi utilizado no projeto um banco de dados para armazenar as informações dos
pacientes, estas informações são armazenadas em um arquivo tabulado do tipo “.dat” e podem
ser alteradas e recuperadas se necessário, funcionando como um arquivo de dados.
Os resultados dos testes foram satisfatórios, levando-se em consideração o erro
percentual obtido nas medições dos ângulos em torno de 5%, quando comparado aos valores
medidos através da utilização de um goniômetro convencional.
Não foi possível testar o protótipo em pacientes com lesões. Este fato, porém, não altera
em nada a confiabilidade do sistema, uma vez que foram testados diversos ângulos que simulam
possíveis traumas.As telas das figuras 19 à 24 mostram alguns valores de ângulos obtidos, em
diferentes situações.
- 35 -
Figura 19 – Posição do paciente para um ângulo de aproximadamente 180º
Figura 20 - Medições para um ângulo de aproximadamente 180º
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Figura 21 – Posição do paciente para um ângulo de aproximadamente 90º
Figura 22 - Medições para um ângulo de aproximadamente 90º
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Figura 23 – Posição do paciente para um ângulo inferior a 90º
Figura 24 - Medições para um ângulo inferior a 90º
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16. CONCLUSÕES
O projeto atendeu as expectativas estabelecidas em sua especificação inicial, um
dispositivo eficiente na medição de ângulos através do uso de acelerômetros, cumprindo os testes
de validação do projeto e atestando de maneira satisfatória seu funcionamento.
É notório que alguns elementos do projeto devem ser melhorados para tornar o mesmo
viável comercialmente: método de calibração mais eficiente, pequenos ajustes na medição de
ângulos e substituição de alguns componentes para minimizar o tamanho do protótipo (com o
uso de componentes SMD).
De uma forma geral, com a conclusão do primeiro protótipo funcional, observa-se que
este dispositivo pode ter grande utilidade, com uma boa eficiência, no objetivo que se propõe:
auxiliar médicos, fisioterapeutas e fisiologistas no diagnóstico e tratamento de lesões e melhoria
de desempenho de atletas e praticantes de atividades físicas.
- 39 -
17. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
MARQUES, Amelia Pasqual. Manual de Goniômetria, Editora Manole, 2002.
WERNECK, Marcelo Martins. Transdutores e Interfaces, Editora LTC, 1996.
MOLINARI, Bruno. Avaliação Médica e Física para Atletas e Praticantes de Atividades
Físicas, Editora Roca, 2000.
AMATUZZI, Marcos Martins. Joelho – Articulação Central dos Membros Inferiores, Editora
Roca, 2004.
DANGELO, José Geraldo. Anatomia Básica dos Sistemas Orgânicos com a descrição dos
ossos, junturas, músculos, vasos e nervos, Editora Atheneu, 2000.
SICA, Carlos. Sistemas Automáticos com Microcontroladores 8031/8051, Editora Novatec,
2006.
ALVES, William Pereira. C++ Builder 6 : Desenvolva aplicações para Windows, Editora
Érica, 2002.
HALLIDAY, David. RESNICK, Robert. WALKER, Jearl. Fundamentos de Física: Mecânica
– vol.1, Editora LTC, 1996
TOGAWA, Tatsuo, TAMURA, Toshiyo. Biomedical Transducers and Instruments, Editora
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BATISTA, LH, CAMARGO, PR, AIELLO, GV et al. Avaliação da amplitude articular do
joelho: correlação entre as medidas realizadas com o goniômetro universal e no
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18. ANEXOS
