Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10451/22291
Título: Embedded platform for electrical neural stimulation
Autor: Melo, Francisco Pargana de
Orientador: Constandinou, Timothy
Salvador, Ricardo
Palavras-chave: Estimulação neuronal
Estudo de estratégias de estimulação
Sistema para configuração de estimulação elétrica
MATLAB GUI
Microcontrolador KL26Z
Placa de estimulação
Teses de mestrado - 2015
Data de Defesa: 2015
Resumo: Atualmente, o número de tecnologias baseadas em neuro-estimulação está em crescimento, crescimento este que é promovido pelo facto de a neuro-estimulação ser uma área de investigação de elevado interesse devido às várias áreas de possível aplicação, tais como a terapia e tratamento, reabilitação e próteses. Na área da terapia e tratamentos, a possível aplicação da neuro-estimulação está relacionada com a neuro-regulação de órgãos do corpo humano, aplicação que tem sido vista já no campo dos distúrbios do sistema nervoso, tais como a doença de Parkinson e a epilepsia, no tratamento de dor crónica, no controlo do funcionamento cardíaco {no qual se insere uma das tecnologias mais conhecidas, o pacemaker { e está ainda a ser investigada para o controlo da libertação de insulina e a absorção renal de sais. Na área da reabilitação, a aplicação da neuro-estimulação tem sido vista em casos de lesões na medula espinal onde a utilização da técnica de estimulação eléctrica funcional, ou FES de Funcional Electrical Stimulation, resultou na recuperação de algumas funções motoras e de controlo de certos órgãos. Relativamente à área das próteses, a neuro-estimulação tem um papel muito importante principalmente no desenvolvimento de próteses funcionais, permitindo que estas próteses não só reajam a informação vinda do sistema de nervoso, realizando os movimentos desejados pelo utilizador, como também forneçam informação ao mesmo, permitindo assim que haja um mecanismo de feedback da prótese, aumentando assim a restituição que esta pode dar ao seu utilizador, tanto a nível funcional como emocional. Uma das mais conhecidas próteses que recorrem à neuro-estimulação é o implante coclear que permite uma recuperação parcial da capacidade auditiva recorrendo para isso a um conjunto de microfones no ouvido externo que deteta o som e o transmite à unidade de processamento que por sua vez transforma o som em impulsos eléctricos que são direccionados para eléctrodos no interior da cóclea e que irão estimular os nervos auditivos. A neuro-estimulação é então um procedimento baseado na estimulação de células excitáveis, como os neurónios, recorrendo para isso à utilização de eléctrodos, com o objectivo de iniciar ou inibir um potencial de acção. Esta possibilidade de iniciar um estímulo nervoso através de estímulos externos deve-se ao facto da activação e propagação de um sinal neural ser um fenómeno eletroquímico. Este fator torna possível o desenvolvimento de tecnologias que resultem numa maior, ou menor, recetividade da célula a um estímulo através da promoção de alterações do meio em que estão inseridas as células excitáveis ou de propriedades da membrana das mesmas. O desenvolvimento de tecnologias que recorram à neuro-estimulação está dependente de um estudo profundo dos tipos e estratégias de estimulação de forma a obter a estratégia que seja mais eficaz, segura e eficiente, sendo que esta varia de situação para situação, dependendo de fatores como o local de aplicação e mesmo o resultado que se espera do estímulo. Por estes motivos têm de ser realizados estudos comparativos válidos entre estratégias de estimulação e, para um estudo deste tipo ser valido, os vários estudos devem ser feitos nas mesmas condições com distâncias temporais preferencialmente curtas. Assim sendo, no âmbito da neuro-estimulação recorrendo a estímulos eléctricos, criou-se a necessidade de desenvolver sistemas que permitissem uma mais rápida variação dos parâmetros de estimulação comparativamente à montagem experimental clássica. De forma a cumprir estes requisitos, vários sistemas de rápida configuração de parâmetros tem vindo a ser propostos. O projeto relatado nesta Tese de Mestrado, desenvolvido durante um estágio de seis meses no Centre for Bio-Inspired Technologies, Imperial College London, apresenta-se então como uma plataforma de neuro-estimulação eléctrica para a realização de estudos comparativos tendo em vista a optimização da estratégia de estimulação, com o objectivo de ser uma versão melhorada dos sistemas já disponíveis. Esta plataforma é composta por três principais componentes: uma interface utilizador-sistema, que permite ao utilizador configurar a estimulação como pretende controlando características como o tipo de onda, a amplitude, a duração, a frequência, entre outros; um microcontrolador e uma placa de estimulação, em que o primeiro controla o segundo de acordo com o que foi configurado pelo utilizador sendo que a placa têm a responsabilidade de gerar e aplicar um estímulo eléctrico. O principal objetivo deste projeto era então desenvolver uma plataforma de neuro-estimulação eléctrica capaz de gerar e aplicar uma estimulação eléctrica bipolar com capacidade de equilíbrio de cargas, podendo fazê-lo através de quatro canais de estimulação. Ao mesmo tempo era objetivo que esta fosse pequena, de baixo custo, eficaz, eficiente, de fácil utilização proporcionando um maior leque de possibilidades de configuração comparativamente aos sistemas já desenvolvidos e que pudesse também ser facilmente recriado, alterado e, eventualmente, melhorado. Os resultados obtidos de testes realizados demonstraram que esta plataforma opera corretamente nos dois principais aspetos do seu funcionamento, nomeadamente a capacidade de gerar uma estimulação de acordo com todos os parâmetros tal como configurados pelo utilizador e a capacidade de cumprir os propósitos de equilíbrio de cargas após estimulação, em todos os tipos de ondas definidos. Existem no entanto ainda algumas limitações no funcionamento da plataforma. Estas limitações estão relacionadas com a amplitude máxima de estimulação que o sistema é capaz de aplicar, mais especialmente a amplitude máxima do output do DAC utilizado e também a amplitude máxima que o amplificador operacional escolhido consegue por no seu output; com a existência de algumas imprecisões temporais na aplicação do estímulo, resultantes do tempo de execução de algumas funções por parte do microcontrolador; com o consumo energético e ainda o facto de a ligação entre o computador e o microcontrolador ser feita através de um cabo USB, o que limita a mobilidade que se pode ter durante o trabalho experimental. Comparativamente a plataformas de estimulação eléctrica configuráveis existentes, o sistema aqui desenvolvido apresenta diversas vantagens. Para além de vantagens como baixo custo e facilidade de recriação, esta plataforma tem também um maior número de parâmetros da estimulação que o utilizador pode configurar e também permite uma estimulação através de quatro canais, de três formas diferentes: utilizando apenas um canal, utilizando mais do que um canal ao mesmo tempo ou ainda mais do que um canal de forma sequencial. No entanto, alguns dos sistemas já existentes não apresentam as limitações acima referidas e como tal os desafios futuros desta placa passam por ultrapassar essas limitações.
Nowadays, neuro stimulation technologies have grown to reach a wide range of applications including therapy and treatment, rehabilitation and prosthetics and its range continues to grow as it still represents an interesting area of research. Neurostimulation is based on stimulation of excitable cells, such as nerve cells, through the use of electrodes, with the purpose of achieving initiation or inhibition of an action potential. This interaction is possible due to the electrophysiological base of activation and propagation of a neural signal. This neural signal characteristic makes it possible to use external technologies to promote changes in the nerve cell membrane voltage potential or the environment surrounding it, which can lead to the initiation of a neural signal in the cell or simply to a higher, or lower, receptivity of the cell to a stimulus. The use of neuro stimulation technologies in referred areas and future possibility of use in other applications depends on research developments. An important point of this research is the stimulation strategy, more specifically, the characteristics that a stimulation pulse should have to optimize results towards the intended objective and minimize safety risks. The present thesis reports a project developed during an internship at the Centre for Bio-Inspired Technologies, Imperial College London which consists in designing and building a full system for the study of stimulation strategies. This full system includes a user interface in a computer, so that the user can choose the stimulus characteristics, such as waveform and amplitude, and define the intended strategy, such as repetition rate and inter-stimulus increasing or decreasing rate; and a microcontroller for control of stimulus application through a front-end stimulation-output circuit, which will be responsible for generation of programmed current-controlled stimulus. The measurement results verify that the main objectives of this project were accomplished, namely, the capacity to generate a stimulation that meets the parameters as configured by the user and the capacity to carry a charge-balanced stimulation in all the preset waveforms. However, some limitations were also found related namely with the maximum stimulation amplitude, the small time inaccuracy during stimulation, the power consumption and the fact that connection between the computer and microcontroller is done via USB, limiting the mobility of an experimental procedure using this system. The system developed here presents some advantages compared to existing systems, such as low cost, easy to build, higher number of parameters that can be configured and can apply stimulation through four channels and do it either with only one, with two or more at the same time or with two or more sequentially. However some of these existing systems do not present some of the limitations mentioned and the challenge on the future of this platform is to overcome these limitations.
Descrição: Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015
URI: http://hdl.handle.net/10451/22291
Designação: Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica
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