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CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico
CHAMADA MCTI-SECIS/CNPq Nº 84/2013 –TECNOLOGIAASSISTIVA
PROJETO :
Interface Cérebro-Máquina como tecnologia assistiva
Prof. Carlos Julio Tierra Criollo, D.Sc. (Coordenador)
Programa de Engenharia Biomédica – Instituto Luiz Alberto Coimbra (Coppe) – UFRJ
e-mail: [email protected]
Fone: (21) 2562-8601
Profa. Cláudia Domingues Vargas
Instituto de Biofisica Carlos Chagas Filho da UFRJ
Laboratório de neurociências e reabilitação do Instituto de Neurologia Deolindo Couto
da UFRJ.
e-mail: [email protected]
Profa. Ana Paula Fontana
Serviço de Fisioterapia do Hospital Universitário Clementino Fraga Filho
e-mail: [email protected]
Rio de Janeiro, 08 de novembro de 2013
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]
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Sumário
Resumo ................................................................................................... 3
a) Qualificação do principal problema a ser elaborado ............................ 4
b) Objetivos ............................................................................................ 10
c) Metas ................................................................................................. 11
d) Metodologia ....................................................................................... 12
Aplicações: O Acidente Vascular encefálico (AVE) ............................ 14
Aplicações: Lesão de plexo braquial .................................................. 15
e) Orçamento detalhado ........................................................................ 16
f) Principais contribuições científicas, tecnológicas ou de inovação ...... 17
g) Cronograma físico-financeiro ............................................................. 18
h) Identificação de todos os núcleos de pesquisa e demais participantes
do projeto ......................................................................................................... 18
i) Indicadores de acompanhamento .................................................... 19
j) Indicação de aderência social: instituições, entidades e associações de
pessoas com deficiência ou mobilidade reduzida ............................................ 20 k) Disponibilidade efetiva de infra-estrutura e de apoio técnico para o
desenvolvimento do projeto.............................................................................. 21
l) Estimativa dos recursos financeiros de outras fontes que serão
aportados pelos eventuais agentes públicos e privados parceiros; .................. 22
m) Comprovantes de patentes, depósitos de pedido de patente e
produtos e serviços tecnológicos ..................................................................... 22
n) Referências (instituição, coordenador, contatos institucionais) ......... 23 Referencias Bibliográficas ..................................................................... 24
Anexo 1 .................................................................................................. 27
Anexo 2 .................................................................................................. 31
Anexo 3 .................................................................................................. 34
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Resumo
O projeto tem como objetivo principal formar um grupo emergente para a
pesquisa científica e desenvolvimento de tecnologias assistivas entre oPrograma de Engenharia Biomédica/Coppe/UFRJ, o Instituto de Biofísica
Carlos Chagas Filho/UFRJ, o Instituto de Neurologia Deolindo Couto – UFRJ; e
o Serviço de Fisioterapia do Hospital Universitário Clementino Fraga Filho. O
objetivo específico é proporcionar o desenvolvimento científico e tecnológico
associados à tecnologia interface cérebro maquina (ICM) de baixo custo que
possa ser replicada, com vistas a atender as necessidades, capacidades e
limitações de pacientes com avulsão de plexo braquial e com sequelas de
acidentes vascular cerebral.
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a) Qualificação do principal problema a ser elaborado
No Brasil, segundo o Censo IBGE/2010, 45 milhões de pessoas são
portadoras de algum tipo de deficiência física, mental ou sensorial. Tecnologiaassistiva, na forma como é definida pelo Comitê de Ajudas Técnicas - CAT é
“uma área do conhecimento, de característica interdisciplinar, que engloba
produtos, recursos, metodologias, estratégias, práticas e serviços que
objetivam promover a funcionalidade, relacionada à atividade e participação de
pessoas com deficiência, incapacidades ou mobilidade reduzida, visando sua
autonomia, independência, qualidade de vida e inclusão social”.
Entre as maneiras de se implementar tecnologia assistiva está a ideia de
se transformar pensamento em ação, que tem sido explorada nos últimos 40
anos. O desenvolvimento a passos agigantados da tecnologia de
semicondutores, neurotecnologia e neurociência tem impulsionado, na última
década o interesse de pesquisadores do mundo inteiro no desenvolvimento de
interfaces cérebro-máquina (ICM) ou interfaces cérebro computador (ICC).
As ICCs não requerem atividade muscular, mas sim cerebral. Os sistemas
baseados nesta técnica têm sido utilizados para auxiliar pacientes com perda
de função motora ou sensorial, causados por algum tipo de doença, como
esclerose lateral amiotrófica, esclerose múltipla, distrofia muscular, algum dano
causado na medula espinhal e no cérebro após acidente vascular encefálico.
Apesar das ICM e ICC não serem capazes de fornecer um caminho alternativo
(compensação anatômica) ou restaurar lesões ao estado normal, elas podem
ajudar no restabelecimento da perda da função. Algumas ICC’s têm sido
desenvolvidas para auxilio do movimento (ZUMSTEG, 2005; LAUER et al.,
1999; SHENOY et al., 2003; PFURTSCHELLER et al., 2003) e outras para
gerar textos a partir das ondas cerebrais (HINTERBERGER et. al., 2003, 2005;
SCHERER, 2004; BIRBAUMER ET. AL., 2000). A interface cérebro-máquina
http://portal.mj.gov.br/corde/http://portal.mj.gov.br/corde/
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(ICM) permite que uma pessoa possa controlar um dispositivo como um teclado
de um computador, uma cadeira de rodas, ou até mesmo uma prótese.
As ICMs se baseiam no monitoramento da atividade cerebral, que pode
ser efetivado por vários métodos: eletroencefalografia (EEG); eletrocorticografia
(ECoG); magnetoencefalografia (MEG); tomografia por emissão de pósitron
(PET); imagem de ressonância magnética funcional (fMRI) e imageamento
óptico. Relativamente ao EEG, os métodos de MEG, PET, fMRI e imageamento
óptico dão bons resultados e têm boa resolução espacial (Krepki 2004,
Wolpaw, Bierbaumer e Heetderks, et al. 2000). Porém, estes métodos são
muito dispendiosos, pesados (não portáteis), desconfortáveis para o usuário e
exigem técnicos especializados para a operação dos equipamentos. Alémdisso, PET, fMRI e imageamento óptico, que dependem do fluxo sanguíneo,
têm longas constantes de tempo, e por isto são inadequados a uma
comunicação rápida (Wolpaw, Bierbaumer e McFarland, et al. 2002). O método
de EEG é o mais usado em aplicações de ICM por ser o menos oneroso, exigir
uma baixa demanda técnica, é não invasivo e apresenta alta resolução
temporal, ou seja, os dados são disponibilizados rapidamente (Vialatte,
Maurice, et al. 2010). Entretanto, este método apresenta desvantagens, comobaixa relação sinal-ruído (RSR) e baixa resolução espacial.
As ICMs baseadas em EEG podem ser divididas em dois grandes
grupos: ICMs com estimulação externa e ICMs sem estimulação externa
(Dornhege 2006). As primeiras usam uma forma de estímulo externo
(estimulação sensorial) que pode eliciar o Potencial Evocado (PE) e nas
segundas o sujeito deve aprender a controlar estados mentais, por exemplo, a
imaginação de movimentos (tarefa cognitiva). A ICM com base no EEG pode utilizar vários tipos de sinais
eletrofisiológicos cerebrais como: potencial cortical lento (relacionado à
imaginação de movimentos), a sincronização e dessincronização do ritmo mu e
beta (imagética motora) e o potencial evocado visual em regime permanente
(PEVRP). ICC com o eletro-oculograma (EOG) também tem sido utilizada.
A seguir apresenta-se um resumo da tecnologia desenvolvida em ICM
por integrantes da equipe do projeto proposto.
Tese de doutorado intitulada “Magnitude Quadrática da Coerência na
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Detecção da Imaginação do Movimento para Aplicação em Interface Cérebro-
Máquina”, Sady Antonio dos Santos Filho. O trabalho visou o desenvolvimento
de algoritmos que permitam a detecção do potencial relacionado a eventos
relacionado à IM em sinais de EEG, com o menor número de trechos
(imaginações do movimento) possível, para aplicações práticas em uma ICM. A
técnica da magnitude quadrática da coerência (MSC), aplicada ao EEG da IM
do dedo indicador da mão esquerda, foi capaz de detectar respostas
principalmente nos eletrodos da região central (C3, Cz e C4), na banda delta
(0,3 a 1 Hz). Utilizando 40 trechos (M = 40), a probabilidade de detecção (PD)
foi de 58,8%, para o EEG do eletrodo Cz, com uma taxa de falsos alarmes
= 5%. A aplicação da versão da MSC que utiliza sinais de vários eletrodos
(MMSC) possibilitou a detecção do PRE com uma PD = 70%, para o mesmo
número de trechos (M=40). Com M = 10, a PD foi de aproximadamente 18%,
para ambas as técnicas. A aplicação do filtro espacial que utiliza o operador
Laplaciano bidimensional, nos eletrodos da região central (Cz, C4, C2 e C1),
proporcionou a melhora da relação sinal-ruído do EEG, resultando na detecção
do PRE da IM, pela MMSC, com uma PD de 99,8% para M = 40 e 34,83% para
M = 10. Este procedimento tornou possível a detecção do PRE, pela MSC
simples, com a execução de apenas uma IM com uma PD de 52,2%. Assim
sendo, a MSC, associada à técnica da DF, apresenta-se como uma ferramenta
promissora, para a detecção de padrões da IM, tornando viável a sua utilização
em aplicações de ICM’s, principalmente em tecnologias assistivas para
reabilitação. Deve-se indicar que está tese foi indicada como a melhor tese de
doutorado defendida em 2010 no Programa de Pós-graduação em Engenharia
Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais. Orientador: Carlos
JulioTierraCriollo; Co-orientador: Antônio Maurício Ferreira Leite Miranda deSá.
Tese de doutorado intitulada “PRÁTICA MENTAL ORIENTADA A
TAREFAS FUNCIONAIS NA RECUPERAÇÃO DE INDIVÍDUOS COM
ACIDENTE VASCULAR ENCEFÁLICO”,Clarissa Cardoso dos Santos Couto
Paz. A prática mental (PM) foi utilizada como uma estratégica cognitiva para
favorecer a aquisição de tarefas motoras e a performance funcional de
indivíduos com sequelas de Acidente Vascular Encefálico (AVE). A propostadeste estudo foi avaliar o quanto um programa individualizado de PM orientada
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a tarefas específicas funcionais, quando adicionado à fisioterapia convencional
(FTC), promoveu aprendizado motor de atividades de vida diária (AVD) em
indivíduos com sequelas crônicas de AVE (13 ± 6.5 meses de início de AVE).
Nove indivíduos com comprometimento leve a moderado participaram deste
estudo, sendo utilizado o desenho de estudo A1-B-A2. As fases A1 e A2
incluíram um mês de FT convencional e a fase B a adição de PM à FT. A motor
activity log (MAL-Brasil) foi usada para avaliar a quantidade de uso (AOU) e a
qualidade do movimento (QOM) do membro superior parético em funções
diárias; o questionário de imaginação motora versão revisada (MIQ-RS) foi
usado para avaliar as habilidades visual e cinestésica de imaginação motora, o
teste de destreza manual Minnesota para avaliar destreza manual e a
velocidade da marcha para avaliar mobilidade. Após a fase A1, não foram
observadas mudanças para nenhuma das medidas avaliadas. Entretanto, após
a fase B, aumentos significativos foram observados para os escores de ambas
as sub-escalas da MAL (p
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la a uma pessoa, e devolvê-la para a mesa. A posição da pessoa foi rastreada
e acompanhada pelo robô com a ajuda de um sensor, fornecendo controle de
malha fechada no nível da interação humano-robô. O robô provou a sua
capacidade para assistir o usuário na tarefa de servir uma bebida. Os
resultados obtidos mostraram que o desenvolvimento de ICMs e seu contínuo
aperfeiçoamento podem levar, em um futuro próximo a aplicações clínicas e
comerciais para suporte e assistência de pessoas com deficiências motoras.
Espera-se que o desenvolvimento da tecnologia na robótica traga interações
mais profundas com o ser humano, visando soluções intuitivas, confortáveis,
seguras e funcionais. Orientador: Carlos Julio Tierra Criollo; Co-orientação:
Bruno Vilhena Adorno.
As ICMs com imaginação de movimentos (IM) em aplicação práticas
como tecnologia assistiva ainda está nos seus primórdios. Por outro lado, ICMs
baseadas em Potencial Evocado Visual em Regime Permanente (PEVRP) têm
se destacado por apresentar relativamente alta relação sinal ruído (RSR) e
atingir altas Taxas de Transferência de Informação (TTI) (Cheng, et al. 2002).
Além disso, outras características do PEVRP têm favorecido a construção de
ICMs tais como: ser observado na maioria da população, depender
minimamente da atividade cognitiva, facilidade na extração de características e
ser mais imune a ruídos (Lalor, et al. 2005).
Tese de doutorado intitulado “Estudo do potencial evocado visual em
regime permanente baseado em LED para interface cérebro máquina”, Marcos
Antonio da Silva Pinto. Neste trabalho desenvolveu-se um estimulador visual
digital, portátil, baseado em Diodo Emissor de Luz (LED), capaz de gerar
estímulos estáveis e precisos para PEVRP em aplicações de ICM. Os
parâmetros da estimulação frequência, intensidade, cor e dimensão foramavaliados. Os resultados mostraram maior relação sinal-ruído do PEVRP para
frequências de estimulação de 5 a 9 Hz e 25 a 30 Hz, intensidades em torno de
15 cd/m², cor branca e dimensão de 2,86° de ângulo visual. Quatro técnicas de
detecção objetiva do PEVRP (Teste Espectral F - SFT, Medida de Sincronismo
de Fase - PSM, Magnitude Quadrática da Coerência - MSC e Magnitude
Quadrática da Coerência Múltipla - MMSC) foram avaliadas. Os resultados
indicaram que o detector MMSC é o mais adequado para aplicações práticasdeICM por apresentar as maiores taxas (em torno de 90%) e os menores tempos
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de detecção (em torno de 2 s). Orientador: Carlos JulioTierraCriollo; Co-
orientação: Jerome Baron. Com base nestes resultados os alunos de iniciação
científica (orientador) Felipe Galinkin da Gama e Cerqueira Victor Cesar de
Carvalho Braga implementaram uma ICM wireless “Visio- joystick” em tempo
real. Depósito de Pedido de Patente (em anexo) junto ao Instituto Nacional de
Propriedade Industrial (INPI) foi realizado do estimulador visual com LEDs para
aplicações em ICMs. Os achados poderão contribuir para tornar as ICMs mais
rápidas e factíveis para uso cotidiano. Atualmente esta ICM está sendo
aplicada ao controle de uma cadeira de rodas na dissertação de mestrado do
discente Alexandre Tannusno Programa de Pós-graduação em Engenharia
Elétrica (PGEE)/UFMG junto com o Prof. Danilo Melges.
ICM com base no Eletro-oculograma (EOG) também foi desenvolvida
por integrantes do grupo. Neste tipo utiliza-se o potencial gerado pelo
movimento ocular. A vantagem é sua alta relação sinal-ruído e sua detecção
rápida (menos de 1 segundo), porém a sua desvantagem são seus poucos
graus de liberdade (dois), que permitiria ter somente 4 comandos. Assim,
nossa hipótese é que ICMs que utilizem o PEVRP e o EOG em conjunto devem
ser mais eficientes e mais rápidas para ap licações em “tempo real” de
tecnologias assistivas.
Deve-se ressaltar que todos esses trabalhos foram desenvolvidos com
equipamentos de EEG comerciais nacionais ou importados que não permitem
aplicações a grande escala seja pelo seu custo, seja pelo consumo de
potência, seja pelo seu tamanho, seja pela sua não versatilidade. Assim, será
necessário desenvolver um sistema de EEG prático, versátil, portátil, de baixo
consumo e baixo custo. Um sistema de registro de 8 canais para EEG com
estas características está sendo desenvolvido na dissertação de mestrado deRenato Zanetti do PPGEE da UFMG (da qual sou co-orientador) junto ao Prof.
Danilo Melges. Este sistema também está sendo estudado na dissertação de
Mauricio Ferrari do PPGEE-UFRJ (da qual sou orientador) para um projeto de
tecnologia assistiva financiado pela FINEP no edital CHAMADA PÚBLICA
MCT/FINEP - Ação Transversal - TECNOLOGIA ASSISTIVA –01/2010, do qual
fui coordenador até outubro de 2012 (data da minha mudança para a UFRJ) e
continuo como membro da equipe.Os resultados obtidos em nossas pesquisas até o momento mostram
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que ICMs com base no EEG são práticas para aplicações em tecnologias
assistiva nas linhas temáticas: MACRO 1- Auxílios para a vida diária e vida
prática, junto a iteração humano robô pode-se implementar ICMs para auxílio
na alimentação, em necessidades pessoais como escovar os dentes e cabelos,
abrir portas, trazer e levar objetos; MACRO 3- Recursos de acessibilidade ao
computador, ICMs com o PEVRP e EOG de baixo custo podem ser utilizados
como dispositivos de entrada ao computador para serem utilizados como
mouse ou teclados; MACRO 4 - Sistemas de controle de ambiente, ICMs com o
PEVRP e EOG de baixo custo podem ser utilizadas em domótica na gestão de
recursos habitacionais ou de escritório como ligar, desligar e ajustar aparelhos
eletro-eletrônicos como a luz, o som, televisores, ventiladores, executar a
abertura e fechamento de portas e janelas, receber e fazer chamadas
telefônicas, acionar sistemas de segurança; e MACRO 8 - Auxílios de
mobilidade, ICMs com o PEVRP e EOG junto ao conceito de veículos
autônomos podem servir para o comando de cadeiras de rodas.
Este projeto tem como objetivo desenvolver tecnologia assistiva com
base em ICMs para pacientes vítimas de traumas lesões centrais e periféricas
do sistema nervoso. Esperamos que o desenvolvimento dessas novas
metodologias tragam benefícios diretos à sociedade, auxiliando na execução
de atividades da vida diária e no tratamento desses pacientes, possibilitando a
implementação de estratégias de reabilitação mais eficientes no tratamento de
padrões comportamentais anormais induzidos por estas lesões.
As instituições, que trabalham para pessoas com deficiência ou com
mobilidade reduzida, participantes do projeto são (a) o Instituto de Neurologia
Deolindo Couto da UFRJ, onde as ICMs serão desenvolvidas para o auxilio e
reabilitação de pacientes com limitações de movimento devido a lesões doplexo braquial (LPB); e (b) o Serviço de Fisioterapia do Hospital Universitário
Clementino Fraga Filho da UFRJ, onde as ICMs serão desenvolvidas para o
auxilio de pacientes após Acidente Vascular Encefálico (AVE).
b) Objetivos
1) Proporcionar o desenvolvimento científico e tecnolgico associados
tecnologia interface cerebro maquina (ICM) de baixo custo que possaser replicada, com vistas a atender as necessidades, capacidades e
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limitações de pacientes com avulsão de plexo braquial e com sequelas
de acidentes vascular cerebral.
2) Avaliar e qualificar científica e tecnologicamente produtos, serviços e
metodologias de ICM existentes a fim de garantir a sua segurança,
confiabilidade e efetividade, de acordo com as necessidades,
capacidades e limitações dos pacientes.
3) Formar uma massa crítica de jovens cientistas dedicados ao
desenvolvimento de ICM em projetos científicos focados em reabilitação.
4) Otimizar a utilização de recursos tecnológicos e de recursos humanos
especializados na aquisição e análise de sinais biológicos e de técnicas
modernas de ICM.
5) Formar um grupo emergente para a pesquisa científica e
desenvolvimento de tecnologias assistivas entre o PEB/Coppe/UFRJ; o
Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho/UFRJ, o Instituto de
Neurologia Deolindo Couto – UFRJ; e o Serviço de Fisioterapia do
Hospital Universitário Clementino Fraga Filho.
c) Metas
Meta 1 – Construção de um Sistema de aquisição de sinais de EEG e EOG
embarcado versátil e de baixo custo para aplicações em interface cérebro
máquina (ICM).
Meta 2 – Construção do estimulador visual com base em LEDs de baixo custo.
Meta 3 – Implementação dos algoritmos de processamento de sinais para o
reconhecimento de padrões no EEG relacionados a eventos, cognitivos ou
sensoriais em LabView.
Meta 4 – Interface gráfica amigável para fácil iteração humano-computador.
Meta 5 – Integração do manipulador robótico com a ICM.
Meta 6 – Aplicação do robô em pacientes com lesão do plexo braquial (LPB)
Meta 7 - Aplicação do robô em pacientes após acidente vascular encefálico
(AVE).
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Meta 8 – Construção de um exoesqueleto para movimento do cotovelo para
LPB
Meta 9 – Construção de um exoesqueleto para abertura da mão em AVE
Meta 10 – Integração da ICM com os exoesqueletos.
Meta 11 – Uso das tecnologias em pacientes LPB
Meta 12 - Uso das tecnologias em pacientes AVE
Meta 13 - Solicitação de patentes, publicações em eventos e periódicos
científicos.
Em anexo segue tabela com os cronogramas físico e financeiros
d) Metodologia
As metodologias utilizadas para o desenvolvimento de ICMs com base
no EEG ou EOG podem ser diferentes, mas o objetivo sempre é conseguir
identificar padrões em sinais de eletroencefalograma (EEG) e utilizá-los para o
acionamento de dispositivos externos por meio de atuadores. A ICM a ser
implementada terá a concepção modular para versatilidade em várias
aplicações e será dividida em quatro módulos: (i) o módulo de amplificação e
registro digital de biopotencial cerebral; (ii) o módulo de estimulação visual por
LEDs; (iii) o módulo de processamento de sinais; e (iV) o módulo
correspondente ao atuador da ICM.
O módulo de amplificação e aquisição do EEG e EOG responderá pelo
condicionamento do sinal EEG e pelo pré-processamento em tempo real de
modo sincronizado com o módulo de estimulação visual quando necessário.
Este módulo terá como base o ADS1299 que é um circuito integrado de
bioamplificadores microeletrônicos de ponta. Como características relevantes o
ADS1299 tem baixo consumo (menor que 100 mW), baixo ruído (menor que
2 uV), alta impedância de entrada (maior que 100 Mohms), alta rejeição de
modo comum (maior que 100 dB), multicanal com aquisição simultânea de 8
canais (sem multiplexação), ganho configurável, banda de frequência
configurável, além de ter incorporado um conversor análogo-digital (A/D) de 24
bits e frequência de amostragem configurável, com comunicação serial SPI.
Deverá contar ainda com sistema de sincronização (trigger) para acoplamento
com o estimulador visual. O sistema obedecerá às normas de segurançaelétrica da série ABNT NBR IEC 60601. Deve-se ressaltar que já temos um
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protótipo deste módulo em teste para aplicações no potencial evocado visual e
auditivo. Uma interface gráfica computador-usuário será implementada no
ambiente LabView. A interface gráfica deverá ser amigável com sistema de
janelas para visualização dos sinais adquiridos, proporcionar a impedância
entre eletrodos e o couro cabeludo, escolha das técnicas de processamento de
sinais, protocolo da ICM assim como a visualização das respostas aos
atuadores da ICM.
O módulo de estimulação visual a ser utilizado é o sistema de 12 canais
desenvolvido por integrantes do grupo, do qual foi solicitado a patente (em
anexo), com base em LEDs brancos com controle de luminância, frequência de
estimulação para cada LED. O estimulador deverá ser construído conforme as
normas de Prescrições particulares para Segurança de eletromiógrafos e
equipamentos de potencial evocado ABNT NBR IEC 60601-2-40.
O módulo de processamento de sinais implementará técnicas de
extração de características e classificadores/detectores para identificar
diferentes padrões no EEG (e o EOG) relacionados a uma tarefa cognitiva ou
sensorial, os quais serão utilizados como comandos aos atuadores da ICM.
Este mdulo será implementado no LabView para aplicações em “tempo real”.
Dentre os métodos a serem implementados estão: análise de componentes
independentes (ICA, Independent Component Analysis), análise de
componentes principais (PCA, Principal Component Analysis), filtros espaciais
como a derivação da fonte, potencial relacionado a evento, análise de
discriminante linear (LDA, Linear Discriminant Analysis), sincronização
(incremento de energia) e dessincronização (decremento de energia) de ritmos
cerebrais, técnicas de detecção objetiva de resposta cerebral como a
magnitude quadrática de coerência multivariada (MSC, Mean SquaredCoher ence) e outros métodos que permitem extrair informação em “tempo real”
das intenções de uma pessoa ou a resposta cerebral a estimulação visual em
regime permanente. Outros métodos que levam em consideração as não
linearidades e não estacionariedade do sinal de EEG, como a decomposição
de modo empírica de fase (Empirical Mode Decomposition Phase) ou métodos
Bayesianos também podem ser investigados e implementados. Integrantes do
grupo têm estudado por vários anos técnicas de processamento de sinaisaplicados ao EEG, EOG e interface cérebro-máquina.
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O módulo de atuador será inicialmente desenvolvido e aplicado para
interação humano-robô em (1) pacientes com avulsão do plexo braquial (APB)
e (2) após episódio de acidente vascular encefálico (AVE). Está etapa será
necessária para investigar os padrões cerebrais no EEG dos pacientes durante
tarefa cognitiva (como imaginação de movimento motor) ou a identificação do
potencial evocado visual em regime permanente durante estimulação visual.
Estes padrões servirão para comandar movimentos de flexão e extensão (para
APB) e preensão palmar (para AVE) a serem executados pelo robô. Os
resultados desta etapa servirão para o controle de exoesqueletos a serem
desenvolvidos para estas aplicações. Para isso é necessário um robô que
apresente segurança para iteração com humanos.
Apl icações: O Acid ent e Vasc ul ar encefálic o (AVE)
O Acidente vascular encefálico é a principal causa de incapacidade no
mundo, além de ser a quarta de maior mortalidade. Em sua grande maioria os
indivíduos que sofrem com episodio desta patologia ficam com sequelas para o
resto de suas vidas, principalmente no membro superior, em torno de 55% dos
casos, sendo a mão afetada em cerca de 60% destes casos. O membro
superior é um grande meio de interação entre os humanos e o mundo, sendo
considerada uma unidade de alcance e manipulação de objetos, assim a perda
de controle sobre esta unidade, qualquer que seja o segmento traz grande
déficit para o indivíduo no seu dia a dia. O índice de recuperação funcional
(geralmente parcial) é baixo (30%) e em sua grande maioria a avaliação da
recuperação é feita apenas por parâmetros de arco de movimento (ADM) e o
grau de força, sendo que nem sempre refletem o nível de destreza funcional da
mão. O robô permitirá uma avaliação continua das componentes cinemáticas
do movimento e da força exercida pela mão que poderão ser comparados com
a escala de Fugl-Meyer (Meneghetti, 2008 (de Cacho EWA, 2004 e Senkilo CH,
2005)). Torna-se de grande valia o desenvolvimento de técnicas assistivas que
visem minimizar as sequelas deixadas pelo AVE, seja para auxílio ou
reabilitação de movimentos da mão. Assim, neste projeto será desenvolvido um
exoesqueleto que servirá de auxilio de abertura da mão (sequela comum
devido ao aumento do tônus muscular da região flexora da mão) para facilitaros movimentos de preensão palmar. O exoesqueleto poderá ser utilizado em
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terapia e nas atividades diárias das pessoas após AVE. Os pacientes serão do
Serviço de Fisioterapia do Hospital Universitário Clementino Fraga Filho da
UFRJ. O exoesqueleto para mão será uma estrutura que atuará em paralelo
com os músculos extensores da mão. Este consistirá de uma estrutura externa
simulando a anatomia da mão (as articulações do sistema mecânico serão
posicionadas na mesma direção que as articulações anatômicas) o
acoplamento do motor elétrico (gerador de força) com a estrutura que irá
transferir a força gerada por ele, será feita através de músculos artificiais que
irão simular os tendões do sistema músculo esqueléticos da mão. Como
interface entre o exoesqueleto e a mão serão utilizados anéis ou um sistema de
velcro.
Apl icações: Lesão de pl exo braqu ial
As lesões mais comumente observadas em acidentes de trânsito são as
lesões ortopédicas, medulares cerebrais e neurológicas, sendo a mais comum
dentre as lesões neurologias (quase em sua totalidade) a de plexo braquial. As
principais consequências deste tipo de lesão são paralisia total ou parcial do
braço, ombro, mão cotovelo e antebraço, além de transtorno de sensibilidade e
dor. Sendo o braço um segmento de grande importância para a realização de
atividades da vida diária é necessário desenvolver tecnologia assistiva que
auxilia na realização destas atividades e na reabilitação para minimizar as
sequelas oriundas da lesão. Assim o desenvolvimento de um exoesqueleto
para movimentos de cotovelo (extensão e flexão) poderá evitar a atrofia
muscular, consequência da imobilidade do segmento, e trazer maior grau de
autonomia ao indivíduo. Assim, será construído um exoesqueleto robótico para
membro superior com base de atuadores denominados de “Músculos
Artificiais”: PAM’s (músculo pneumático artificial) ou SMA’s (Shape Memory
Alloys) controlados por ar comprimido e tensão elétrica, respectivamente. A
utilização destes atuadores justifica-se pela possibilidade de movimentos
semelhantes aos músculos humanos, ou seja, trata-se de atuadores lineares.
Os pacientes serão do Instituto de Neurologia Deolindo Couto da UFRJ. Como
forma de avaliar a eficiência dos sistemas desenvolvidos, serão feitos testes
clínicos por intermédio de medidas cinemáticas do movimento dos pacientescom avulsão de plexo braquial. Os movimentos serão gravados com um
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sistema de câmeras. Marcadores passivos reflexivos colocados em referências
anatômicas para detecção de distâncias e orientação em relação a fontes
externas. Serão calculadas as seguintes variáveis cinemáticas, em cada plano:
velocidade média, aceleração média, velocidade máxima, aceleração máxima e
amplitude de movimento máxima.
Visando a suavizar os movimentos nos exoesqueletos para mimetizar os
executados pelo corpo humano será aplicada a Lógica Fuzzy, a qual é baseada
na imprecisão de informações, levando em consideração graus de verdades
em sua lógica.
Dentro do desenvolvimento dos exoesqueletos existirá um foco em
tecnologia de baixo custo, fácil operação e fácil transporte, com o intuito de que
o paciente possa leva-lo para seu domicilio e fazer uso continuo do mesmo.
Os procedimentos a serem realizados nos pacientes serão submetidos à
aprovação do Comitê de Ética e os termos de consentimento deverão ser
assinados.
e) Orçamento detalhado
Bolsas
1 DTI B por 24 meses: 24xR$3000,00 = R$72.000,00
1 EXP A por 24 meses: 24xR$4000,00 = R$96.000,00
Total de bolsas = R$168.000,00
Equipamento importado
Sistema robótico que permita interação humano-robô: US$ 30.000
(dólares americanos)
*Total equipamento = R$ 72.000,00
Material consumo importado
Servos mecanismos, componentes eletrônicos, kits de desenvolvimento,
etc: US$5.000,00
*Total material consumo importado = R$12.000,00
Considerando a cotação de Um dólar por 2,4 reais + 18% de taxas de
importação.
Material consumo nacional
Fontes, baterias, componentes eletrônicos, eletrodos, pasta eletrolítica,capacetes, músculos artificiais, etc
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Total Material consumo nacional = R$9.500,00
Total material consumo = R$21.500,00
Total Despesas acessóriais (18% de taxa de importação) = R$15.120,00
Serviços de terceiros
Projeto e construção de placas de circuitos impressos; serviços de
pessoas para auxilio ao desenvolvimento do projeto.
Total Serviços terceiros = R$17.000,00
Diárias
10 diárias (R$320,00) no pais para participação em eventos científicos
nacionais, visitas científicas e técnicas de membros da equipe.
Total de diárias = R$3.200,00
Passagens
Passagens para participação de eventos científicos e reuniões técnicas
de membros da equipe
Total passagens = R$3.000,00
Total solicitado no projeto = R$299.820,00
Em anexo 1 os planos de trabalho dos bolsistas.
f) Principais contribuições científicas, tecnológicas ou de
inovação
A principal contribuição deste projeto será fundar um grupo
multidisciplinar emergente especializado em tecnologia assistiva com base em
interfaces cérebro-máquina na UFRJ de modo a multiplicar o seu uso para a
melhora da qualidade de vida das pessoas. O desenvolvimento dessas novas
metodologias assistivas envolve profissionais de diversas áreas, tais como:
biólogos, físicos, médicos, psicólogos, engenheiros, fisioterapeutas,
educadores físicos, engenheiros biomédicos, cientistas da computação.
Esperamos que este Centro fomente o surgimento de novas metodologias para
avanço na área de interface cérebro-maquina, assim como tecnologia assistiva
avançada no domínio da neurociência da reabilitação. Formaremos, nos
próximos dois anos, pelo menos 5 mestres e 5 doutores altamente qualificados
nesse domínio de conhecimentos. Consolidaremos um grupo interdisciplinar
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em pesquisa básico-clinica em reabilitação neurológica e tecnologia assistiva.
Os resultado destes trabalhos resultarão na publicação de patentes e artigos
em revistas de escopo internacional.
Procuraremos associar as experiências distintas da equipe proponente
aqui listada de modo a resolver, de maneira integrada, problemas técnicos e
conceituais no contexto de projetos científicos que envolvam o estudo de
tecnologia assistiva em reabilitação motora. Esperamos que, se demonstradas
eficientes na promoção de reabilitação, estas abordagens possam vir a ser
utilizadas de modo sistemático em protocolos do serviço Clínico dos serviços
de fisioterapia no INDC e no setor de fisioterapia. Em longo prazo, estes
protocolos poderão vir a ser incorporados as praticas terapêuticas de outros
serviços clínicos ao nível nacional e internacional.
g) Cronograma físico-financeiro
No primeiro semestre (janeiro a julho de 2014), faremos a aquisição dos
equipamentos para montagem dos sistemas de interface cérebro-maquina. No
Anexo 3 existe uma tabela detalhada com os cronogramas Físico e Financeiro.
h) Identificação de todos os núcleos de pesquisa e
demais participantes do projeto
PROGRAMA DE ENGENHARIA BIOMÉDICA (PEB) – Instituto Alberto
Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa em Engenharia (Coppe) – UFRJ –
Conceito 7 da CAPES
Carlos Julio Tierra Criollo (coordenador do projeto – CNPq2), Antonio
Fernando Catelli Infantosi (CNPq1A), Antônio Maurício Ferreira Leite Miranda
de Sá (CNPq1D), Mauricio Cagy (CNPq1D), Luciano Menegaldo (CNPq2),
Alexsandro de Souza Teixeira da Silva (mestrando), Helton Nazareno
Castanheira Sousa (IME - possível bolsista), Aluízio Netto (doutorando).
INSTITUTO DE NEUROLOGIA DEOLINDO COUTO - UFRJ
Jose Fernando Guedes Correa, Paulo Tavares, Jose Luiz Cavalcanti,
Jose Vicente Martins , Cristina Wiggs
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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS BIOLÓGICAS
(FISIOLOGIA) - UFRJ
Claudia Domingues Vargas (CNPq 2), Fatima Cristina Erthal Smith.
Colaboradores: Ghislain Saunier (UFPA), Thiago Lemos (UNISUAM) Anaelli
Nogueira (UFJF). Doutorandos: Maite Mello Russo, Eduardo Martins, Maria
Luiza Rangel. Mestrandos: Lidiane Souza, Bia Ramalho.
Apoio técnico: Jose Magalhães, Luiz Bernardino.
SERVIÇO DE FISIOTERAPIA DO HOSPITAL UNIVERSITÁRIO
CLEMENTINO FRAGA FILHO - UFRJ
Ana Paula Fontana
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA –
UFMG – Conceito 6 da CAPES
Danilo Melges, Fabricio Erazo (doutorando)
i) Indicadores de acompanhamento
O desenvolvimento do projeto da tecnologia assistiva com base em ICM
e exoesqueletos será acompanhado por meio dos seguintes indicadores
físicos:
1º - Construção do sistema de registro de EEG;
2º - Construção do estimulador visual com LED’s;
3º - Construção da ICM;
4º - Construção do Exoesqueleto para LPB;5º - Construção do Exoesqueleto para AVE;
6º - Integração ICM Robô;
7º - Integração com Exoesqueletos;
O impacto da tecnologia assistiva em pacientes será acompanhado
pelos seguintes indicadores:
1º - Ganho funcional: Avaliaçoes regulares serão realizadas visando
estabelecer indicadores de como a tecnologia assistiva auxiliou os pacientes
nas suas atividades de vida diária. Esses indicadores incluirão protocolos de
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avaliação longitudinal da sensibilidade, através dos Monofilamentos de
Simmes-Weinstein (estesiômetro), da propriocepção e da habilidade para
movimentar o membro em tarefas uniarticulares e multiarticulares, além de
tarefas funcionais utilizando os testes de Wolf, *Complete Minnesota Manual
Dexterity Test*e *Box and Block Test.*
2º- Qualidade de vida: Serão aplicados questionários validados
internacionalmente visando avaliar dor, ansiedade/depressão e qualidade de
vida dos pacientes antes do uso e com o uso de tecnologia assistiva. Estes
instrumentos serão lidos para os pacientes e preenchidos pelos pesquisadores,
no sentido de minimizar o impacto de possíveis dificuldades na compreensão
das questões e finalização da avaliação.
Após pesquisa no INPI não foram encontradas patentes com tecnologias
relacionadas a tecnologias assistivas com ICM e exoesqueletos, assim poder-
se-á solicitar patente. Outros indicadores serão as publicações e a formação de
mestres e doutores.
j) Indicação de aderência social: instituições, entidades e
associações de pessoas com deficiência ou mobilidadereduzida
O INDC é um órgão suplementar do Centro de Ciências da Saúde da
UFRJ, fundado em 1946 como local de desenvolvimento da neurociência da
UFRJ. Durante muitos anos foi um grande centro de pesquisa em Neurologia,
pioneiro em Neurocirurgia e em programas de Pós graduação, como uma das
primeiras Residências Médicas especializadas do país e de curso de formação
de Mestrado e de Doutorado aprovados pelo MEC. Faz parte atualmente do
Complexo Hospitalar da UFRJ, recém aprovado pelo Conselho Universitário.
Mantém programas de integração pesquisa-assistência em doenças crônicas
degenerativas do sistema nervoso, como miopatias, neurologia cognitiva e do
comportamento, epilepsias e doença do neurônio motor. É campo de atuação
de alunos de psicologia, fisioterapia e fonoaudiologia, com projetos de pesquisa
também associados ao Instituto de Psiquiatria da UFRJ (IPUB). Mantém uma
revista regular trimestral (Revista Brasileira de Neurologia), indexada ao Lilacs,
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distribuída gratuitamente como educação continuada para mais de 1200
neurologistas e bibliotecas de todo o país. Entre os seus objetivos institucionais
atuais, destaca-se o de aproveitar sua estrutura física para o desenvolvimento
de projetos multidisciplinares e multiprofissionais relacionados à neurociência
da reabilitação. O INDC é um dos únicos hospitais públicos no Rio de Janeiro
que realiza cirurgias de nervos periféricos e de plexos nervosos. Os pacientes
acometidos destas doenças serão os maiores beneficiados com o
desenvolvimento do Núcleo de tecnologia assistiva em Reabilitação.
O serviço de fisioterapia do HUCFF foi criado e regulamentado pela
Portaria nº 175, em 10 de outubro de 2000, com o intuito de prestar
atendimento fisioterapêutico especializado aos pacientes do HospitalUniversitário Clementino Fraga Filho em diversas áreas, tais como: fisioterapia
traumato-ortopédica funcional, pneumo-funcional, neuro-funcional,
reumatologia, entre outras. Além disso, no serviço os alunos de último ano de
fisioterapia têm a oportunidade de realizar estágios necessários a sua
formação acadêmica. O Serviço é hoje referencia em atendimento de pacientes
pós AVC.
k) Disponibilidade efetiva de infra-estrutura e de apoio
técnico para o desenvolvimento do projeto
Temos hoje, distribuída entre os integrantes da rede que constitui o
núcleo de pesquisa em neurociências da reabilitação, uma estrutura que inclui
salas de experiência para registros eletro-encefalográficos, fisiológicos e
comportamentais em humanos. Há montagens para registro do tempo de
reação, sistemas de registro de sinais biológicos tais como eletro-encefalografia, eletro-oculografia, eletromiografia, eletrocardiografia,
pletismografia e condutância da pele. Há também montagem para aquisição de
sinal posturografico através de plataformas de força. Dispõe-se ainda de
eletroencefalógrafos de 32 canais. Além disto, adquirimos recentemente um
sistema de estimulação magnética transcraniana (EMT) Magpro, e um sistema
de EEG alta densidade (128 canais, GEODESIC), para a realização dos
estudos psicofísicos e neurofisiológicos. Temos parceria com o CentroUniversitário Augusto Motta (UNISUAM), com o único Mestrado Acadêmico
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em Ciências da Reabilitação no estado do Rio de Janeiro, dispõe de
equipamentos para cinematografia, a análise dinâmica com acelerômetros,
células de carga e EMG. Temos hoje no laboratório um engenheiro eletrônico
contratado pela UFRJ responsável pela programação dos experimentos e um
técnico de nível superior em informática com bolsa de apoio técnico FAPERJ
que auxilia na montagem dos set ups experimentais e analise dos dados.
Contamos ainda com o apoio de um técnico de laboratório de nível médio. O
PEB/Coppe-UFRJ dispõe diferentes laboratórios com a estrutura física,
equipamentos e softwares para o desenvolvimento do projeto, como o
Laboratório de Processamento de Imagens e Sinais (LAPIS), coordenado pelo
Prof. Carlos Julio Tierra Criollo, e o Laboratório de Instrumentação Biomédica
(LIB).
l) Estimativa dos recursos financeiros de outras fontes
que serão aportados pelos eventuais agentes públicos e
privados parceiros;
Sob a coordenação de Claudia Vargas
FAPERJ Apoio a Hospitais Universitários E-26/110.526/2012- R$200.000,00
FAPERJ Bolsa de apoio técnico E 26/102.139/2011.
CNPq - 478537/2012-3 - Chamada Pública MCT/CNPq - N º 14/2012 -Universal 21.000,00
Com a participação de Claudia Vargas
CNPq (2012-2014), INTERAÇÃO ENTRE EMOÇÃO, ATENÇÃO E
AÇÃO, Coordenado pelo Prof. Ricardo Gattass.
MaClinC, coordenado pelo Prof. Jefferson Antonio Galves, IME/USP(2011-2013).
NeuroMat coordenado pelo Prof. Jefferson Antonio Galves, FAPESP
m) Comprovantes de patentes, depósitos de pedido de
patente e produtos e serviços tecnológicos
No anexo 2 está o documento de solicitação de patente do estimulador
visual
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n) Referências (instituição, coordenador, contatos
institucionais)
Carlos Julio Tierra Criollo
Professor Adjunto IV no Programa de Engenharia Biomédica/Coppe-
UFRJ, Chefe do Laboratório de Processamento de Imagens e Sinais (LAPIS).
e-mail: [email protected]
Telefone: (21) 2562-8601
Claudia D. Vargas
Professor Associado II no Instituto de Biofisica Carlos Chagas Filho da
UFRJ e chefe do laboratório de neurociências e reabilitação do Instituto de
Neurologia Deolindo Couto da UFRJ.
e-mail: [email protected]
Serviço de Fisioterapia do Hospital Universitário Clementino Fraga Filho
Profa. Ana Paula Fontana
e-mail: [email protected]
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]
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Anexo 1
PLANO DE TRABALHO do bolsista BTI -B - Desenvolvimento de
Exoesqueleto Robótico
OBJETIVO
Construir um exoesqueleto robótico mecânico microeletrônico
embarcado para utilização médica no tratamento de lesões do plexo braquial.
O Exoesqueleto Robótico será para membro superior considerando três
segmentos: Braço, antebraço e punho, acionado por comandos da atividade
elétrica cerebral (eletroencefalografia-EEG).
FERRAMENTAS
Manipuladores Robóticos para implementação de ICM (Interface cérebro
– máquina), microcontroladores para tecnologia embarcada no controle do
braço exoesqueleto robótico, com a utilização de músculos artificiais dos tipos
PMA’s (Músculos artificial pneumático) ou SMA’s (Shape Memory Alloy – Liga
de memória de forma) acionados por comandos extraídos do EEG.
ETAPAS DE EXECUÇÃO DO PROJETO
O desenvolvimento da pesquisa de implementação, terá a duração de 24
meses baseado nas seguintes etapas:Revisão de manipuladores robóticos – estudo da iteração humano-
robô, selecionar a tecnologia de robô mais adequada para aplicações com a
Interface Cérebro-Máquina. Familiarização e aprendizado da operação e
programação do robô a ser adquirido no projeto.
Desenvolvimento Teórico do Exoesqueleto - Pesquisa acadêmica
direcionada para o desenho da parte mecânica e eletrônica do Exoesqueleto
Robótico da ICM (interface cérebro-máquina).Seleção e compra de materiais - Busca e aquisição de materias que
posssibilitem implementações dos músculos artificiais e sistemas embarcados
para o controle do Exoesqueleto.
Montagem da estrutura mecânica do Exoesqueleto - Usinagem de
materias do Exoesqueleto para a estrutura mecânica.
Implementação do sistema embarcado de controle do Exoesqueleto
– Instalação eletrônica no Exoesqueleto e desenvolvimento de algorítimos decontrole
http://en.wikipedia.org/wiki/Shape_memory_alloyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Shape_memory_alloyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Shape_memory_alloyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Shape_memory_alloy
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Aquisição de sinais de sensores inerciais – Comparação da
cinemática do Exoesqueleto Robótico com dados da literatura, para avaliação
de desempenho.
Comissionamento do sistema - Trata-se da determinação das rotinas
para o funcionamento do sistema ICM com o Exoesqueleto.
Testes finais – Validação do produto final para utilização dos
equipamentos, tal como: criação de plano de manuteção, capacitação dos
operadores e previsão de atualização do sistema como um todo.
Publicações em congressos e periódicos
Criação de Patente
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PLANO DE TRABALHO Bolsista EXP A - Implementação da
Interface Cérebro-Máquina
OBJETIVO
Construir uma interface cérebro-máquina (ICM) com base na atividade
elétrica-cerebral (eletroencefalograma) para o controle de um robô para
iteração com humanos e exoesqueletos robóticos para utilização no tratamento
de lesões do plexo braquial e pacientes após episódio de AVE..
ETAPAS DE EXECUÇÃO DO PROJETO
Implementação do sistema de registro de EEG e EOG de 8 canais –
estudo do sistema de aquisição de EEG com base no ADS1299 em
desenvolvimento pelo nosso grupo. Construção do sistema de EEG para a
ICM.
Implementação do firmware do sistema de EEG - - estudo e
implementação do firmware para a aquisição dos sinais de EEG, pré-
processamento do EEG (filtragem, rejeição de artefatos) e comunicação com o
LabView.
Implementação do software para o processamento de sinais -
estudo e implementação em LabView das técnicas de extração de
características e classificação para o reconhecimento de padrões no EEG
relacionados a eventos cognitivos ou sensórias, os quais servirão de comando
para os atuadores.
Integração com o estimulador visual e atuadores – implementação
do firmware e software para integração com o robô e os exoesqueletos da ICM.
Teste da ICM – serão realizados testes do funcionamento da ICM com orobô.
Aplicações da ICM – a ICM será aplicada em pacientes com lesão do
plexo braquial e pacientes após acidente vascular encefálico.
Pedido de patente, publicações de artigos em eventos e periódicos
científicos.
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Anexo 2
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Anexo 3
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