UNIVERSIDADE POSITIVO CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO PLATAFORMA INTERATIVA DE AUXÍLIO NA REABILITAÇÃO PÓS-CIRÚRGICA DO JOELHO

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1 UNIVERSIDADE POSITIVO CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO PLATAFORMA INTERATIVA DE AUXÍLIO NA REABILITAÇÃO PÓS-CIRÚRGICA DO JOELHO CURITIBA 2011

2 MICHAEL ANTONIO THIAGO WIEZBICKI PLATAFORMA INTERATIVA DE AUXÍLIO NA REABILITAÇÃO PÓS-CIRÚRGICA DO JOELHO Monografia apresentada junto ao Curso de Engenharia da Computação da Universidade Positivo, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro da Computação. Orientador: Prof. Dr. Alessandro Brawerman COMISSÃO EXAMINADORA: Prof. Dr. Alessandro Brawerman Prof. Msc. Ederson Cichaczewski Prof. Msc. Valfredo Pilla Junior CURITIBA 2011 I

3 UNIVERSIDADE POSITIVO Reitor: Prof. José Pio Martins Vice-Reitor: Prof. Arno Antonio Gnoatto Pró-Reitor de Graduação: Prof. Renato Casagrande Diretor Acadêmico: Prof. Marcos José Tozzi Coordenador do Curso de Engenharia da Computação: Prof. Leandro de Souza II

4 AGRADECIMENTOS Aos nossos pais, pelo apoio e motivação nos momentos de incerteza, realização ou nas tardes horas da noite de muita persistência. Ao nosso orientador por acreditar na ideia, e por ajudar a reconhecer melhorias que foram feitas para o sucesso do trabalho. Aos amigos e colegas, por sugestões na compra de materiais, auxílio e apoio nas horas de dificuldades. III

5 RESUMO Pessoas que passam por cirurgias no joelho tendem a passar por sessões exaustivas de exercícios repetitivos e dolorosos. Os movimentos isotônicos, onde há simplesmente trabalho físico, são executados na maioria das vezes em maca, sendo necessário permanecer imóvel, exercitando sequencialmente o membro inferior. Este trabalho apresenta uma plataforma embarcada e portátil, com o objetivo de fornecer entretenimento enquanto o paciente passa pelas sessões de fisioterapia, usando como base, uma joelheira rígida, que captura informações da amplitude dos movimentos do joelho (flexão/extensão) e perna (abdução/flexão). Os dados são enviados a um computador que apresenta jogos interativos, simples que possibilitam a execução de movimentos contínuos da perna enquanto o usuário joga. É apresentada no computador uma interface que propicia a geração de relatórios de desempenho para o fisioterapeuta, tornando possível a análise de evolução do usuário, em relação à amplitude inicial e final no intervalo de sessões aplicadas. Os exercícios propostos são os principais utilizados em maca para reabilitação inicial, e propiciam aumento de tônus muscular, além de melhora do joelho, apresentam fortalecimento dos músculos inferiores da coxa e panturrilha. O computador mantém todas as informações obtidas em banco de dados para geração de relatório com histogramas por sessão, amplitude média por tempo e tendência de evolução. Toda a transmissão de dados é sem fio, com a finalidade de possibilitar e facilitar a movimentação livre e independente do usuário. São dispensados com o uso da plataforma, os goniômetros mecânicos onde o fisioterapeuta tem a percepção simplesmente visual da evolução do indivíduo. O projeto é validado através de testes de esforço e tempo de resposta, onde são comparados os movimentos executados com os movimentos que são coletados pela plataforma, através de gráficos e relatórios. Palavras-chave: Reabilitação interativa, biofeedback, joelheira para fisioterapia, goniômetro, sistema embarcado. IV

6 ABSTRACT People that suffer a knee surgery, tend pass through exhaustive sessions of painful and repetitive exercises. The isotonic movements, where there is a simply physical work, are executed mostly in litter, where it s necessary remains still, exercising sequentially the inferior member. It was developed an embedded and portable platform, engaged a rigid knee brace that captures information of amplitude of knee motion (flexion/extension) and leg (abduction/flexion). The data are sent to a computer that shows interactive games, simple that allow the execution of the continuous movement of the leg while the user plays. It s presented in the computer, an interface that provides make performance reports for the physiotherapist, making possible the analysis of the user evolution, in relation the initial and final amplitude in the range of the applied sessions. The proposed exercises are the main used in the litter for initial rehabilitation, and provide increasing the muscle tone, improving the knee and strengthening the muscles have lower thigh and calf. The computer keeps all the information in a database for making reports with histograms per session, average amplitude per time and evolution tendency. All the data transmission is wireless, in order to enable and facilitate the free and independent motion of the user. Are not needed with the platform, mechanic goniometers where the physiotherapist has simple visual perception of the evolution of the user. The project is validated through stress tests and time response, where are compared the executed movements with the data that are collected by the platform, through charts and reports. Key-words: Interactive rehabilitation, biofeedback, knee brace for physiotherapy, goniometer, embedded system. IV

7 LISTA DE FIGURAS E TABELAS FIGURA 1 PRINCIPAIS MÚSCULOS DA COXA QUE MOVIMENTAM ARTICULAÇÕES DO JOELHO... 3 FIGURA 2 TRÊS EIXOS POSSÍVEIS DE MOVIMENTAÇÃO DO QUADRIL - (KAPANDJI, A. L)... 4 FIGURA 3 APOIO SOBRE A MACA PARA A EXECUÇÃO DO EXERCÍCIO - (KAPANDJI, A. L)... 5 FIGURA 4 ÂNGULO MÁXIMO DE FLEXÃO DO JOELHO - (KAPANDJI, A. L)... 5 FIGURA 5 ÂNGULO MÁXIMO DE FLEXÃO DO QUADRIL- (KAPANDJI, A. L)... 6 FIGURA 6 - JOELHEIRA DESENVOLVIDA PELA EMPRESA (HUMANWARE, 2011)... 7 FIGURA 7 KIT DE ESTIMULAÇÃO COM ELETRODOS (CURRENT BODY, 2011)... 8 TABELA 1 - COMPARATIVO ENTRE PROJETOS RELACIONADOS... 9 FIGURA 8 ARQUITETURA BÁSICA E COMPONENTES USADOS FIGURA 9 - JOELHEIRA COM POTENCIÔMETRO FIGURA 10 QUANTIDADE DE PACIENTES E SUAS RESPECTIVAS IDADES FIGURA 11 QUANTIDADE DE PACIENTES E HORAS SEMANAIS DE EXERCÍCIOS DE FISIOTERAPIA FIGURA 12 NÚMERO DE PACIENTES ENTEDIADOS COM OS EXERCÍCIOS TRADICIONAIS FIGURA 13 NÚMERO DE PACIENTES QUE GOSTARIAM DE INTERATIVIDADE NOS EXERCÍCIOS FIGURA 14 FLUXO DE DADOS E FUNCIONAMENTO BÁSICO FIGURA 15 - EXEMPLO DE CÓDIGO PARA CONFIGURAÇÃO DO CONVERSOR AD FIGURA 16 - EXEMPLO DE CÓDIGO DE CONFIGURAÇÃO SERIAL PARA O ATMEGA328P FIGURA 17 ALGORITMO DE CALIBRAÇÃO PARA O JOGO ARKANOID FIGURA 18 CÓDIGO DE CALIBRAÇÃO ARKANOID FIGURA 19 ALGORITMO PARA CALIBRAÇÃO NO JOGO DO ALVO FIGURA 20 - PRINCIPAIS CAMADAS DO XNA FRAMEWORK (MICROSOFT, 2011) FIGURA 22 - INÍCIO PADRÃO DOS JOGOS FIGURA 23 - PARÂMETROS DA PORTA SERIAL FIGURA 24 COMUNICAÇÃO SERIAL FIGURA 25 TELA DO JOGO ALVO FIGURA 26 - FLUXOGRAMA JOGO DO ALVO FIGURA 27 JOGO ARKANOID FIGURA 28 - FLUXOGRAMA DO JOGO ARKANOID FIGURA 30 DIAGRAMA DE CLASSES JOGOS FIGURA 31 MODELO ENTIDADE-RELACIONAMENTO TABELA 2 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO FIGURA 32 VESTINDO A JOELHEIRA FIGURA 33 TEMPO DE VIDA DA BATERIA DA PLATAFORMA EM MINUTOS FIGURA 35 - HISTOGRAMA POR SESSÃO DE FLEXÃO E EXTENSÃO FIGURA 37 HISTOGRAMA AO LONGO DE SESSÕES DE ABDUÇÃO TABELA 3 - CUSTOS FIGURA 39 - CONEXÃO DO MICROCONTROLADOR ATMEGA 328P FIGURA 40 - COMPONENTE DE TRANSMISSÃOXBEE E PINOS UTILIZADOS FIGURA 43 PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO DESENVOLVIDA PARA O PROJETO FIGURA 44 PLACA EM COBRE (JÁ CORROÍDA) FIGURA 45 SOLDAGEM DOS COMPONENTES EM PLACA FIGURA 46 MONTAGEM EM CAIXA FIGURA 47 JOELHEIRA CONCLUÍDA FIGURA 48 SOMA DE RIEMANN FIGURA 49 FLUXOGRAMA DE RIEMANN VI

8 LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ADC Ω A V ms Hz RISC IDE PCI IEEE Mux Xbee USART Analogic/Digital Converter Ohm Amper Volt Milisegundos Hertz Reduced Instruction Set Computer Integrated Development Environment Placa de Circuito Impresso Institute of Electrical and Electronics Engineers Multiplexador Dispositivo transmissor que utiliza o protocolo ZigBee Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter VIII

9 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA MÚSCULOS DA COXA QUE MOVIMENTAM ARTICULAÇÕES DO JOELHO MOVIMENTOS UTILIZADOS NOS EXERCÍCIOS TECNOLOGIAS UTILIZADAS TRABALHOS RELACIONADOS ESPECIFICAÇÃO E PROJETO VISÃO GERAL PESQUISA DE CAMPO HARDWARE ARQUITETURA DA PLATAFORMA DE HARDWARE FIRMWARE DO MICROCONTROLADOR CONFIGURANDO O ADC CONFIGURANDO A TRANSMISSÃO SERIAL ALGORITMO PARA CALIBRAÇÃO DA FLEXÃO/EXTENSÃO DO JOELHO ALGORITMO PARA CALIBRAÇÃO DA ABDUÇÃO/EXTENSÃO DA PERNA SOFTWARE DESCRIÇÃO DO SOFTWARE ARQUITETURA DO SOFTWARE INICIALIZAÇÃO DOS JOGOS COMUNICAÇÃO SERIAL JOGOS ALVO ARKANOID DIAGRAMA DE CLASSES E ENTIDADE RELACIONAMENTO X

10 4 TESTES USANDO O EQUIPAMENTO AUTONOMIA DO SISTEMA (TEMPO DE UTILIZAÇÃO) RELATÓRIOS DE PROGRESSO CUSTOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS ANEXOS DIAGRAMAS DE PINOS E CONEXÕES LISTA DE COMPONENTES E MÓDULOS NECESSÁRIOS LISTA DE RECURSOS DE LABORATÓRIO NECESSÁRIOS PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO RECURSOS, BIBLIOTECAS NECESSÁRIOS PARA A CONSTRUÇÃO DO SOFTWARE REQUISITOS PARA EXECUÇÃO E USO DO SOFTWARE JOELHEIRA CONCLUÍDA IMPLEMENTAÇÕES FUTURAS X

11 1 1 INTRODUÇÃO A fisioterapia tem o papel de corrigir danos motores ou evitar qualquer complicação ou piora no quadro da doença, permitindo ao indivíduo voltar a realizar tarefas simples do cotidiano, tornando-o independente (TEIXEIRA et al, 2000). No entanto, o tratamento e recuperação de pessoas com patologias que interferem em suas funções motoras podem estender-se entre meses e anos. Estes exercícios necessitam de um acompanhamento frequente de um profissional, exigindo um grande esforço. Desde a idade antiga até o início do período medieval, os exercícios eram utilizados constantemente na recuperação motora. As percepções iniciais da vantagem do uso de exercícios de reabilitação datam a partir das civilizações romanas e gregas (GUIMARÃES et al, 2003). Na idade média, a desvalorização do corpo humano coloca em segundo plano a Fisioterapia, priorizando o valor da alma, ou seja, caráter religioso. Somente com o início da época renascentista, onde a beleza do corpo da mulher e do homem é utilizada em obras de arte, com pinturas e esculturas, surge como subárea da ginástica, a cinesioterapia com o objetivo de manutenção da saúde e correção de deformidades (GUIMARÃES et al, 2003). Nos tempos de Revolução Industrial nota-se um aumento na quantidade de doenças relacionadas ao trabalho, ocasionadas por longos períodos de exposição em ambientes inadequados, insalubres e sujos, o que contribuiu com a prática de exercícios como método de cura. Porém, foi após a I Guerra Mundial, com altos índices de mutilações, doenças e alterações em organismo, que a cinesioterapia obteve destaque e utilização em pacientes vítimas pósguerra (CRUZ et al, 2003). Exercícios e atividades de fortalecimento muscular têm um papel indispensável na reabilitação. Uma modalidade do tratamento fisioterápico é o tratamento ativo, neste módulo de terapia está a cinesioterapia, que literalmente quer dizer terapia do movimento (do grego kínesis, movimento e therapeia, terapia), isto é, o tratamento de doenças motoras através do movimento do corpo ou da região/membro afetada. A cinesioterapia é dividida em três grupos: exercícios isométricos (contração de músculos sem causar movimento), exercícios isocinéticos (exercícios de movimento com alguma pressão muscular) e os exercícios isotônicos, estes envolvem puramente o trabalho físico, dinamicamente exercitando os músculos e regulando a função motora, envolvendo uma alternância rítmica entre contração e relaxamento. (BIASOL et al, 2007).

12 2 O tratamento e a recuperação é um processo de aprendizagem para o paciente, sendo necessário conhecer o próprio corpo e suas limitações. Para que o processo completo de recuperação tenha um resultado satisfatório, ou seja, o indivíduo tenha realmente recuperado ou melhorado os movimentos antes perdidos, deve-se haver determinação ao longo de todo o período de reabilitação com fisioterapia. Para isso as atividades realizadas durante o tratamento não podem ser resumidas em uma simples visita à clínica, mas devem estimular a interação com o paciente, onde sejam conhecidos seus progressos e objetivos. Os problemas enfrentados na aplicação da cinesioterapia, onde há o acompanhamento da evolução de pacientes ao longo do tratamento, exigem uma solução diferenciada, removendo as barreiras da falta de estímulo, da complexidade de visualização de resultados e de avaliação não estatística dos dados obtidos. De maneira a auxiliar o profissional fisioterapeuta a coletar dados de desempenho e evolução do paciente, aplicando a cinesioterapia, este trabalho apresenta uma plataforma a ser aplicada na recuperação dos movimentos de flexão e extensão do joelho, que foram alterados pós-cirurgia. O indivíduo que está sobre tratamento, é estimulado a executar movimentos lentos e repetitivos, não exigindo força, apenas leve coordenação motora. A intenção é obter resultados com a terapia de forma que a plataforma atue como meio principal de interação usuário-computador, deste modo a interatividade adotada pelo sistema faz o papel estimulante em relação à pessoa que está fazendo a atividade designada. O objetivo de desenvolvimento deste trabalho é construir um sistema integrado de hardware e software, que seja portátil, de fácil uso, que o fisioterapeuta possa usá-lo em seus pacientes no auxílio do tratamento de recuperação pós-cirúrgica do joelho através do uso de jogos simples. Esperase que com o uso de jogos o paciente possa desfrutar de um melhor aproveitamento das sessões de fisioterapia, executando os exercícios com maior facilidade e motivação, tornando essa tarefa muito menos monótona. O restante dessa monografia traz no Capítulo 2, a fundamentação teórica, que relaciona aspectos físicos de músculos utilizados nos exercícios e tecnologias utilizadas. No Capítulo 3, é descrita a construção do projeto, no quarto capítulo são apresentados testes e são feitas validações do projeto e questões de custo e usabilidade e resultados obtidos.

13 3 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste capítulo são apresentados os movimentos que são utilizados nos exercícios propostos, a sua importância, e quais músculos estão envolvidos no processo relacionado. 2.1 MÚSCULOS DA COXA QUE MOVIMENTAM ARTICULAÇÕES DO JOELHO Os músculos relacionados a movimentação do joelho tem origem na coxa e são divididos de acordo com posição e função em dois grupos: músculos extensores anteriores e músculos flexores posteriores (GRAAFF, 1942). Os músculos anteriores são o sartório e o quadríceps femoral, o primeiro que é o músculo mais longo do corpo humano, age nas articulações do quadril e do joelho para flexionar e rodar lateralmente o quadril. O segundo, que é o nome dado aos quatro músculos que o formam: reto femoral, vasto lateral, vasto medial e vasto intermediário, atuam na extensão do joelho, no movimento conhecido de chute de futebol. (GRAAFF, 1942). Os músculos posteriores, conhecidos como músculos do jarrete que são: bíceps femoral, semitendíneo e semimembranáceo, atuam de forma inversa, complementando o movimento dos músculos extensores (GRAAFF, 1942). A Figura 1, mostra a visão frontal e traseira da coxa para melhor visualização dos músculos envolvidos. Figura 1 Principais músculos da coxa que movimentam articulações do joelho (NEOPAGE, 2011)

14 4 2.2 MOVIMENTOS UTILIZADOS NOS EXERCÍCIOS Os movimentos que são coletados pelo usuário da plataforma são baseados em deslocamentos do quadril e joelho, conforme a Figura 2, onde é possível notar três eixos possíveis de movimentação (x,y,z). O uso do movimento do quadril está relacionado com a musculatura envolvida, a qual apresenta ligação direta com o joelho, possuindo enervações e fibras interligadas. Sua excitação é fundamental para que o processo de reabilitação seja completo e o usuário receba a resposta adequada. Figura 2 Três eixos possíveis de movimentação do quadril - (Kapandji, A. L) Para que os exercícios utilizados sejam padronizados e que haja um critério que quantifique o grau de fidelidade dos resultados obtidos na plataforma, foi estabelecido um protocolo para mensuração das sessões executadas. O protocolo estabelece, conforme a Figura 3, que todos os exercícios devem ser executados em maca, sem contato do pé com o chão. A joelheira deve ser vestida de modo que a haste fique paralela ao eixo da perna, tendo como forma de regulagem, o aparecimento do osso patelar sobre o orifício de liberdade de movimentação do artefato.

15 5 Figura 3 Apoio sobre a maca para a execução do exercício - (Kapandji, A. L) O primeiro movimento é o de flexão e extensão do joelho, descrito na Figura 4, conforme Kapanji, este movimento é o principal no processo de reabilitação do usuário. Tendo a extensão máxima um ângulo de 0º e a flexão máxima em torno de 160 a 175º na qual o calcanhar toca as nádegas, sendo que este depende do condicionamento muscular, idade e saúde do usuário (KAPANJI et al, 2000) Figura 4 Ângulo máximo de flexão do joelho - (Kapandji, A. L) Na capacidade de flexão do quadril (Figura 5), há um grau de liberdade de 90º, este movimento é descrito como a angulação máxima obtida entre o afastamento reto de uma coxa com a outra.

16 6 Figura 5 Ângulo máximo de flexão do quadril- (Kapandji, A. L) Para cada um desses exercícios é proposto um jogo diferente, de maneira a explorar ao máximo o exercício sem desmotivar o paciente. 2.3 TECNOLOGIAS UTILIZADAS Para desenvolvimento do trabalho, são utilizadas as tecnologias abaixo: Microcontroladores RISC AVR, Atmel de 8 bits; Transmissores e receptores sem fio ZigBee (IEEE ); Acelerômetros analógicos de três eixos, Free Scale; Sensor resistivo linear; Comunicação RS-232; Biblioteca Microsoft XNA, para desenhos gráficos e programação para jogos; Linguagem C# para o software; Linguagem C, para o microcontrolador;

17 7 2.4 TRABALHOS RELACIONADOS São apresentados trabalhos relativos a mesma área com propósitos semelhantes ou que tiveram o mesmo princípio de construção MEKA (Mechatronic device for Knee Analysis) MEKA Dispositivo Mecatrônico para Análise do Joelho é fabricado e desenvolvido pela empresa HUMANWARE em conjunto com a Spin Off da Scuola Superiore Sant Anna (Pisa, Itália). É atualmente validada pela Rizzoli Orthopedic Institute of Bologna, para análise dos movimentos do joelho (HUMANWARE, 2011). É um dispositivo ergonômico e leve, que pode ser usado nas principais atividades físicas, capaz de medir os principais ângulos fisiológicos do joelho, com dois graus de liberdade, a flexão/extensão e abdução/adução. A Figura 8 ilustra este equipamento descrito. É composto de: Módulo de transmissão sem fio para o computador; Interface vestida com dois sensores; Um software para análise de dados e visualização Figura 6 - Joelheira desenvolvida pela empresa (HUMANWARE, 2011)

18 KNEEHAB (COMPLETE KNEE REHABILITATION) KNEEHAB, desenvolvido pela empresa Current Body, é um dispositivo construído com a finalidade de auxiliar na reabilitação por lesão do joelho. O princípio de funcionamento desse equipamento é por EMS, ou seja, por estimulação elétrica do quadríceps por via de pulsos enviados ao nervo motor (CURRENT BODY, 2011). É garantida, segundo o fabricante, com o uso do equipamento, a aceleração do processo de reabilitação do joelho devido ao aumento de tônus muscular adiantado do quadríceps (CURRENT BODY, 2011). Figura 7 KIT de estimulação com eletrodos (CURRENT BODY, 2011)

19 9 Comparativo PIARPCJ MEKA KNEEHAB Captura de movimentos Mecânica Mecânica Não Tratamento Sim Não Eletroterapia Análise Sim Sim Não Biofeedback Sim Sim Não Tabela 1 - Comparativo entre projetos relacionados A Tabela 1 descreve os comparativos entre os projetos relacionados e o projeto construído, no que tange os itens presentes em cada um.

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21 11 3 ESPECIFICAÇÃO E PROJETO Para elaboração do projeto e obtenção dos resultados desejados conforme a ideia inicial, são descritas as etapas de construção da plataforma. 3.1 VISÃO GERAL A Figura 6, descreve a arquitetura básica utilizada no projeto e os itens que foram usados na sua construção. Figura 8 Arquitetura básica e componentes usados. Para desenvolvimento do projeto é utilizado um potenciômetro linear de 10 kω, para coletar angulação de flexão e extensão da musculatura do joelho. O uso de um sensor resistivo para essa finalidade é a facilidade e simplicidade de construção do dispositivo em questão, bastando uma ponte de Wheatstone para acoplamento. O acelerômetro Freescale MMA7260Q é adotado por apresentar sensibilidade de 800 mv/g ajustável em 1,5g, 2g, 4g e 6g se tornando ideal para possível mudança de sensibilidade e ajuste necessário. Possui consumo

22 12 de apenas 500 µa, o que é ideal para a aplicação que funcionará com bateria (FREESCALE, 2011). A série AVR ATMEGA da Atmel possuem uma arquitetura RISC Harvard de 8 bits modificada, possuindo alto desempenho de processamento e amplamente utilizada em projetos profissionais nas indústrias automotivas, automação e que exigem alta confiabilidade e segurança (ATMEL, 2011). Características: Operação entre 1,5 e 5,5 V. Facilita a integração com o módulo ZigBee, acelerômetro e giroscópio que funciona somente a 3,3V; 10 MIPS a 10 MHz, característica de um RISC; 131 instruções; Facilidade e bom desempenho de programação em linguagem C, na IDE AVR Studio da Atmel, propiciando assim economia de tempo no desenvolvimento do firmware; 32 kb de memória flash para programa, possibilitando longos códigos; Interface serial USART interna; Conversor analógico-digital 10 bits com 6 canais, dispensando assim o uso de ADs separados para o projeto; Encapsulamento DIP 28 pinos. Facilita a construção de placas. Custo baixo, R$ 15,00 por componente, sendo seu preço acessível relativo a microcontroladores concorrentes. O protocolo ZigBee, que está definido na IEEE , é uma especificação de transmissão de dados sem fio direcionada à ambientes industriais e em dispositivos eletrônicos, que foca na baixa potência e no custo menor de implementação. Pode alcançar até 70 metros de distância em ambientes abertos e utilizando freqüências não licenciadas para a transmissão, geralmente 2,4 GHz. A escolha dos módulos XBee do fabricante Maxstream, leva em consideração a implementação da pilha ZigBee internamente do componente, a comunicação USART serial para facilidade de comunicação com o microcontrolador, facilitando a complexidade do projeto (DIGI, 2011). Para comunicação com o computador é utilizado um conversor serial- RS232, o MAX 232 da Texas Instruments, que é de baixo custo e amplamente mais utilizado (TEXAS, 2011).

23 13 Figura 9 - Joelheira com potenciômetro A plataforma desenvolvida utiliza uma joelheira com haste ligada em um sensor resistivo para coletar o movimento de flexão e extensão do joelho (Figura 7). Para coletar movimentos de adução e extensão do quadril, são acoplados dois giroscópios e um acelerômetro sob o tornozelo do usuário, com a finalidade de medir os ângulos máximos de extensão do quadril com o joelho estendido. Para unificar as informações, o usuário dispõe além da joelheira, um pequeno módulo de processamento e transmissão de 20 x 20 x 10 cm, que está preso ao tornozelo. A finalidade do módulo é servir de terminal para os fios elétricos que saem da joelheira, tratar as informações dos movimentos e transmití-las sem fio para o computador. A justificativa de utilizar transmissores sem fio para o computador é proporcionar ao usuário maior liberdade de movimento, podendo este estar acomodado em uma cadeira, maca ou qualquer outra superfície que seja conveniente para o fisioterapeuta. Na outra extremidade, há um módulo receptor de informações, este coleta os dados enviados e encaminhá-los para o computador utilizar na aplicação. O computador tem um software de simulação que recebe os dados dos movimentos coletados pelos sensores de posicionamento e possibilita ao usuário escolher um jogo virtual de interação simples, após a seleção do jogo há um sistema de calibração para que haja um ajuste de acordo com o quadro físico do usuário. O fisioterapeuta pode selecionar no software o nome do usuário, o tipo da sessão de exercícios (tempo, velocidade, períodos, etc).

24 14 A partir do momento que o jogo é iniciado, paralelamente são gravados ao longo do tempo dados do desempenho do usuário, como velocidade de resposta dos movimentos, número de acertos e erros. São gerados gráficos ao longo do tempo com a evolução do usuário nos parâmetros que serão medidos. O fisioterapeuta pode acompanhar o usuário ao longo do tratamento, comparar gráficos de desempenho, mostrar médias, desvios padrões e estabilização de desempenho. Todas as características mencionadas anteriormente que o software faz, não implicam em curar ou diagnosticar o usuário, simplesmente auxiliam o trabalho do profissional fisioterapeuta a obter uma visão mais precisa do tratamento adotado. 3.2 PESQUISA DE CAMPO Durante o mês de abril, em parceria com o Instituto do Joelho e do Ombro, de Curitiba (ERNLUND L.,Av. Silva Jardim, 2455), foi realizado um questionário com a finalidade de verificar a aceitação do usuário quanto a idéia do uso da interatividade associada com exercícios na forma de reabilitação. Foram conseguidas 11 amostras. Foram feitas as perguntas abaixo e os dados obtidos são: 1) Qual a sua idade? Quantidade de pacientes Figura 10 Quantidade de pacientes e suas respectivas idades 2) Quantas horas semanais de exercícios você executa?

25 ou mais Número de horas de exercícios Figura 11 Quantidade de pacientes e o número de horas semanais de exercícios de fisioterapia 3) Os exercícios que executa são entediantes? Sim Não Pacientes Figura 12 Número de pacientes entediados com os exercícios tradicionais 4) Se fosse disponibilizada uma forma interativa para execução dos exercícios, em formato de jogos, por exemplo, acredita que a fisioterapia seria mais interessante?

26 Sim Não Pacientes Figura 13 Número de pacientes que gostariam de interatividade nos exercícios Note que segundo o gráfico da Figura 12, 8 dos 11 pacientes entrevistados acham seus exercícios entediantes. Está é uma das razões para desenvolvimento deste projeto. Com base nas perguntas feitas para os pacientes da clínica de fisioterapia, a maioria executa até 3 horas semanais de exercícios físicos e diz que os exercícios que executam são entediantes. Com o aproveitamento dessa resposta dada, é questionada se seria interessante a idéia de utilizar jogos para fazer exercícios, sendo que a mesma teve uma aceitação de aproximadamente 63 %. Tendo como base as respostas desse questionário, é encontrada mais uma motivação e interesse para execução desse trabalho. 3.3 HARDWARE São descritos os respectivos módulos de hardware utilizados para a construção da plataforma e o firmware necessário para seu funcionamento. Os diagramas de conexão e componentes utilizados ARQUITETURA DA PLATAFORMA DE HARDWARE É acoplada à joelheira um potenciômetro com três eixos, estes presos ao tornozelo e a coxa, com a finalidade de apresentar variação de resistência ao movimento sofrido pela extensão e flexão do joelho. Para coleta e

27 17 tratamento do sinal obtido são usadas pontes de Wheatstone, com a finalidade de divisor de tensão e equilíbrio em resposta do potenciômetro. Para coleta do movimento de adução e extensão do quadril é utilizado um acelerômetro, fixado sobre pequena placa de cobre no tornozelo do usuário. Este sensor de posição fornece em nível analógico o nível de tensão que corresponde diretamente a taxa de variação do movimento que está sendo coletado, nesse caso inclinação. A Figura 14 contém o diagrama de blocos da arquitetura que é implementada, com seus respectivos módulos de interação e sentido, descrevendo o fluxo em que seguirá a informação até chegar ao computador. Os fios, que alimentam os sensores e que trazem as informações dos mesmos, são conectados diretamente à unidade de transmissão, que é uma caixa fechada presa ao tornozelo do paciente com dimensão de 20 x 20 x 10 cm. Nessa unidade fechada estão presentes sobre a placa de circuito impresso (PCI), o microcontrolador AVR ATMEGA 328p (Atmel, 2011) e o módulo de transmissão XBee (Digi, 2011). No que diz respeito ao microcontrolador, este recebe os sinais dos sensores injetados diretamente, pois o mesmo possui um conversor AD interno. Após a leitura, tratamento e cálculo do das informações coletadas, o microcontrolador comunica-se com o módulo XBee via protocolo USART Serial, enviando texto puro, byte a byte, cada caractere e número que indica estado e posição de cada sensor acoplado ao joelho e tornozelo. Ao receber os dados o módulo sem fio repete a informação e envia ao outro módulo receptor de forma transparente tudo o que recebeu pela interface serial. O módulo receptor da outra ponta está ligado em outro microcontrolador do mesmo modelo ao anterior. Ambos estão sob uma placa de circuito impresso sob a bancada da mesa que estará com o computador. Existe uma ligação física via cabo serial entre o microcontrolador, MAX 232 e computador, com a finalidade de enviar dados finalmente ao computador que foram recebidos em outra ponta.

28 18 ACELERÔMETRO POTENCIÔMETRO AC OUT AC OUT CONVERSOR A/D DATA BUS AVR 1 RS-232 ZIGBEE AR AVR 2 RS-232 ZIGBEE RS-232 PC Figura 14 Fluxo de dados e funcionamento básico FIRMWARE DO MICROCONTROLADOR A construção do firmware é feita em Linguagem C, para uso em microcontroladores ATMEL da linha AVR, com o uso da IDE AVRStudio 4.0 (ATMEL, 2011). São necessárias configurações dos registradores para que a os conversores A/D funcionem. Para que configuração da transmissão serial possa funcionar no microcontrolador em questão, são necessárias as configurações de no mínimo três registradores (UCSRB,UCSRC e UBRR) e mais um especial que serve para capturar os dados que estão no barramento (UDR) (ATMEL, 2011).

29 CONFIGURANDO O ADC O código abaixo (Figura 15), mostra como são feitas as configurações dos registradores para que seja obtida uma taxa de amostragem de 67,5 khz. O registrador ADCSRA recebe os bits de configuração de amostragem superescalar 128, ou seja, com um clock de 8 MHz, que seja utilizado no microcontrolador, há 67,5 khz de taxa de amostragem (ATMEL, 2011). O registrador ADMUX têm o bit REFS0 para indicar que utiliza uma referência externa sobre o pino AVCC do microcontrolador, este, conforme a Figura 10, esta conectado à alimentação de 3.3V para que haja melhor resolução dos 10 bits disponíveis para conversão analógica/digital dos sensores para o controlador, diminuindo assim a tensão de fundo de escala (ATMEL, 2011). O bit ADLAR é ativado para que ocorra um deslocamento binário dos 10 bits do ADC, truncando 2 bits de baixa significância para uma leitura de 1 byte seja feita por um único registrador (ATMEL, 2011). O bit ADFR é habilitado para que o AVR possa executar leituras de conversão ADC automaticamente sem requisições externas do usuário (ATMEL, 2011). Em seguida o bit ADEN será ligado no registrador ADCSRA para que o sistema de conversão analógico/digital do microcontrolador seja habilitado após todos os registradores serem configurados (ATMEL, 2011). É acionado o uso da interrupção com o bit ADIE. A função sei() ativa o sistema global de interrupções, o bit ADSC inicia o sistema de conversões instantaneamente (ATMEL, 2011). Todo o acionamento das interrupções ocasiona na execução automática da função ISR(), que conterá as variáveis que somam as informações e enviam via comunicação serial para o computador (ATMEL, 2011). ADCSRA = (1 << ADPS2) (1 << ADPS1) (1 << ADPS0); ADMUX = (1 << REFS0); ADMUX = (1 << ADLAR); ADCSRA = (1 << ADFR); ADCSRA = (1 << ADEN); ADCSRA = (1 << ADIE); sei(); ADCSRA = (1 << ADSC); ISR(ADC_vect)

30 20 { //interupção } Figura 15 - Exemplo de código para configuração do conversor AD CONFIGURANDO A TRANSMISSÃO SERIAL Primeiramente faz-se necessário que os bits RXEN e TXEN sejam habilitados no registrador UCSRB para que haja transmissão em modo full duplex (ATMEL, 2011). São ativados em seguida os bits URSEL, UCSZ0 e UCSZ1 no registrador UCSRC para que o tamanho dos dados transmitidos seja de 8 bits, facilitando o controle via caracter da informação (ATMEL, 2011). Para definição do baudrate a ser trabalhado, que é de 9600, a definição BAUD_PRESCALE, é dada pela fórmula: BAUD_PRESCALE = (((F_CPU / (USART_BAUDRATE * 16UL))) - 1) Após a obtenção desse dado, que pode chegar a 16 bits, é necessária a divisão em duas partes de 8 bits e colocar cada parte no registrador de byte alto e de byte baixo (ATMEL, 2011). O exemplo de codificação em C para o microcontrolador com eco de informação recebida pode ser encontrado abaixo: UCSRB = (1 << RXEN) (1 << TXEN); UCSRC = (1 << URSEL) (1 << UCSZ0) (1 << UCSZ1); UBRRH = (BAUD_PRESCALE >> 8); UBRRL = BAUD_PRESCALE; for (;;) { while ((UCSRA & (1 << RXC)) == 0) {}; ReceivedByte = UDR; while ((UCSRA & (1 << UDRE)) == 0) {}; UDR = ReceivedByte;

31 21 } Figura 16 - Exemplo de código de configuração serial para o ATMEGA328p ALGORITMO PARA CALIBRAÇÃO DA FLEXÃO/EXTENSÃO DO JOELHO A Figura 17 mostra o algoritmo de calibração, usado no jogo Arkanoid, que é descrito nesse mesmo capítulo, na sessão Software, necessário para alinhamento adequado do usuário com a angulação em 0º. i=0 i < 128 SIM Amostragem Não i++ Soma Média Transmissão Figura 17 Algoritmo de calibração para o jogo Arkanoid São coletadas 128 amostras quando o usuário do equipamento apresentar uma flexão de 0, fazendo a média para subtração futura em cada amostragem que implique na movimentação do jogo. A Figura 18 resume o processo de amostragem descrito.

32 22 intcaliark(void) { ADMUX &= 0b ; ADMUX = 0b ; for(i=0,pm=0;i<128;i++) { sdch(); while((adcsra & ( 1 << ADIF )) ==0) {} pm += ADCH; } pm = pm >> 7; mux = 0; } return 0; Figura 18 Código de calibração Arkanoid O registrador ADMUX seleciona o terceiro canal do AD para captar o dado vindo do potenciômetro que serve para multiplexarmos o único ADC presente no microcontrolador em 8 entradas distintas ALGORITMO PARA CALIBRAÇÃO DA ABDUÇÃO/EXTENSÃO DA PERNA Na Figura 19 é mostrado o algoritmo de calibração, usado no jogo Alvo, que também será descrito nesse mesmo capítulo, na sessão Software, necessário para alinhamento adequado do usuário com a angulação em 0º. intcalitarget(void) { int before; ADMUX &= 0b ; ADMUX = 0b ; for(i=0,pm=0;i<128;i++) { sdch(); while((adcsra & ( 1 << ADIF )) ==0) {}

33 23 } pm += ADCH; pm = pm >> 7; before = pm; mux = 0; } futura. return 0; Figura 19 Algoritmo para calibração no jogo do Alvo Em seguida é feita a média de 128 amostras, para normalização 3.4 SOFTWARE Nessa sessão é descrito o processo de construção do software no computador para a elaboração dos jogos, tratamento dos dados, desenho de gráficos, análise e geração de relatórios DESCRIÇÃO DO SOFTWARE A plataforma de desenvolvimento do software é o Microsoft Visual Studio É uma IDE de desenvolvimento dedicada ao.net Framework 4.0, que suporta uma série de linguagens de programação entre elas o Visual Basic.NET, Visual C++, e C# (C Sharp), sendo uma poderosa ferramenta de desenvolvimento, de fácil uso e permite ao desenvolvedor mais praticidade e rapidez (MICROSOFT, 2011). A linguagem de programação escolhida para o desenvolvimento do software é o C# (C Sharp). C# é uma linguagem de programação orientada a objetos, fortemente tipada, desenvolvida pela Microsoft como parte da plataforma.net Framework. Sua sintaxe orientada a objetos é baseada no C++, e inclui influências do Java (MICROSOFT, 2011). O Microsoft.NET Framework 4.0 é um vasto conjunto de bibliotecas unificadas desenvolvido pela Microsoft. Ele visa uma plataforma única de desenvolvimento e execução de sistemas e aplicações. Todo código gerado para.net pode ser executado em qualquer dispositivo que possua o.net Framework instalado (MICROSOFT, 2011).

34 24 O sistema de Banco de Dados que será utilizado é o MySQL (MYSQL, 2011). MySQL é um sistema de gerenciamento de banco de dados (SGBD) que utiliza a linguagem SQL como interface. É um software livre, baseado na GPL (General PublicLicence), é um Banco de Dados amplamente usado e um dos mais populares do mundo (MICROSOFT, 2011). Características principais do MySQL: Portabilidade (suporta qualquer plataforma atual); Compatibilidade (existem drivers ODBC, JDBC,.NET, etc.); Controle Transacional; Triggers. A interface gráfica do usuário com o computador é feita através do Microsoft XNA framework que serve para o desenvolvimento de jogos para PC com Microsoft Windows (MICROSOFT, 2011). O XNA é uma plataforma de desenvolvimento, formada pelos seguintes componentes: XNA Game Studio: IDE de desenvolvimento baseado no Microsoft Visual Studio; XNA Framework: Conjunto de classes necessárias para a execução de um jogo XNA; XNA Content Pipeline: componente de gerencia de conteúdo e artefatos do projeto. Como imagem (JPG, PNG, BMP, etc.), modelos 3D (.X,.FBX, etc.). O diagrama mostrado na Figura 20 ilustra as principais camadas do XNA Framework. O nível mais baixo é a plataforma de APIs nativas onde o XNA Framework é construído. O Núcleo é a primeira camada propriamente dita do XNA Framework, é ele que fornece as funcionalidades das APIs da Plataforma de forma gerenciada. As extensões têm a finalidade de facilitar o trabalho do desenvolvedor. Ele é responsável pelo gerenciamento de janelas, inicialização do DirectX e otimização de conteúdos.

35 25 Figura 20 - Principais Camadas do XNA Framework (MICROSOFT, 2011) ARQUITETURA DO SOFTWARE O software recebe a informação do hardware via porta serial, essa informação corresponde a um controle para algum objeto na interface gráfica. O software recebe constantemente informações, e além de interagir com os objetos do jogo, têm a função de analisar e armazenar informações referentes aos movimentos do paciente. Como mostra a Figura 21. O fluxograma desta figura mostra a alocação de recursos iniciais do software na qual é necessário para o início da sessão, a escolha do paciente, a seleção do jogo e o comando de início. Após essa sequência ser estabelecida, a comunicação serial é iniciada, os recursos são alocados e dá-se o início ao processamento gráfico para exibição do jogo proposto na tela.

36 26 Figura 21 - Fluxograma de funcionamento do software de simulação INICIALIZAÇÃO DOS JOGOS O fluxograma apresentado na Figura 22, ilustra a interface básica de início de todos os jogos. No primeiro momento são manualmente configurados os parâmetros de cada jogo, ou seja, ao escolher um jogo o usuário tem uma tela com vários parâmetros a serem configurados, como por exemplo, o tempo de duração de movimentos, velocidades, etc. Após a configuração dos parâmetros é iniciado a Comunicação Serial. O software recebe uma informação dizendo se há ou não comunicação, não existindo comunicação, é mostrada uma mensagem de erro, havendo comunicação, é iniciada a leitura dos dados da serial, e a execução do jogo escolhido. No início padrão dos jogos, o processo repete-se e consiste em configuração de transmissão, seguido de checagem de início de porta serial e

37 27 após isso são calibrados os jogos em processo estático, para captura do ângulo inicial. Após a finalização da calibração os jogos estão preparados para serem iniciados. Inicio Configura parâmetros do jogo Inicia Comunicação Serial Existe comunicação Não Mensagem de Erro Sim Inicia Calibração Atualiza ângulos Recebe dados da serial Inserido ângulo máximo aparente Inserido ângulo mínimo aparente Executa jogo Figura 22 - Início Padrão dos Jogos Todo o processo descrito acima ocorre de forma manual e é relacionado às configurações inseridas pelo fisioterapeuta COMUNICAÇÃO SERIAL O fluxograma mostrado na Figura 23, detalha a comunicação serial,que utilizará a biblioteca System.IO.Ports do Microsoft.NET Framework (MICROSOFT, 2011). Primeiramente é criada um objeto da classe SerialPort da System.IO.Ports, a classe SerialPort recebe parâmetros como, nome da porta,

38 28 Bound Rate (Taxa de transmissão), paridade, timeout de escrita e leitura, e etc. Estes parâmetros são mostrados na Figura 23, na linguagem C# (lê-se C- Sharp) abaixo: SerialPortmySerialPort = new SerialPort("COM1"); myserialport.baudrate = 9600; myserialport.parity = Parity.None; myserialport.stopbits = StopBits.One; myserialport.databits = 8; myserialport.handshake = Handshake.None; Figura 23 - Parâmetros da porta Serial. Em seguida é verificado se a porta pode ser aberta para comunicação com o método SerialPort.Open(), caso seja verificado erro uma exceção ocorre e o usuário é informado através de uma mensagem na tela. Recebida a informação, um método para separar os dados é iniciado. Esse método vai receber o byte que veio de forma serial como parâmetro, na qual será decomposto. Os três primeiros bits indicam qual é o movimento, e os outros cinco qual é a extensão do movimento. O processo explicado é mostrado em formato de fluxograma conforme a Figura 24.

39 29 Inicio Configurações da Serial Porta esta pronta para leitura Não Erro Sim Recebe dados da serial Separa os dados Envia os dados para o Jogo Figura 24 Comunicação Serial JOGOS Foram propostos 2 jogos, Arkanoid e Alvo. O primeiro com o objetivo de exercitar os músculos de quadríceps no movimento de flexão e extensão do joelho. O segundo com o objetivo de exercitar o músculo sartório no movimento de extensão e abdução da perna. São descritos os jogos construídos para a execução dos exercícios propostos ALVO Conforme a Figura 26, consiste em uma tela com um alvo na parte superior e uma mira embaixo. Subindo a perna, o usuário deve alinhar a mira com o alvo. O usuário deve manter a perna erguida o maior tempo possível, quando a mira sair do alvo o software armazena no banco de dados o tempo que a mira ficou no alvo.

40 30 Figura 25 Tela do jogo Alvo No início do jogo a mira está na parte debaixo da tela e o alvo estará na parte superior da tela do jogo, quando o jogador alinhar a mira com o alvo o tempo irá começar a contar enquanto a mira estiver no alvo o evento fica habilitado incrementando uma variável a cada um segundo. Para fins somente visuais, a cada cinco segundo que a mira estiver no alvo é realizado um disparo. O funcionamento do jogo, descrito na Figura 25, pode ser resumido em: - Início de um tempo global de expiração da sessão pré-configurada. - Com o acelerômetro verifica-se a inclinação da perna é proporcional à aceleração disposta pelo sensor. Se sim, outro contador é iniciado por um tempo padrão de 5 segundos em que o usuário consegue manter a perna estendida com a mira no alvo. Se o tempo é atingido, o índice +1 é computado para a sessão e gravada em banco de dados, caso contrário, o contador de tempo é reiniciado.

41 31 Inicio Tempo para acabar a sessão Contador de tempo da sessão Mostra ângulo da perna Mira chegou ao alvo Não Sim Atualiza posição da mira Recebe dados da serial Não Conta Tempo Mostra tempo da mira no alvo Saiu do alvo Sim Armazena tempo Acabou tempo da sessão Sim Fim Figura 26 - Fluxograma Jogo Do Alvo Este é um importante exercício para fortalecer os músculos da coxa, descritos no Capítulo 2 (Fundamentação Teórica) já que o paciente após uma cirurgia do joelho fica muito tempo sem exercitá-los. O objetivo deste exercício é manter a perna erguida o máximo de tempo possível, baseando-se no princípio de que o músculo contraído por certo período de tempo, aumenta a elasticidade, logo aumenta a sua resistência (GRAAFF, 1942). O software armazena este tempo para que o fisioterapeuta

42 32 possa verificar o grau de resistência que o paciente adquiriu ao longo das sessões de exercícios ARKANOID O Arkanoid é um jogo simples, que consiste em uma esfera, blocos coloridos e uma raquete como mostram a Figura 27. O objetivo é a raquete rebater a esfera para ela se chocar com os blocos coloridos, o choque da esfera com um bloco faz o bloco sumir, até destruir todos os blocos. A raquete é controlada de acordo com os movimentos de flexão e extensão do joelho. Colisões com blocos e erros computarão pontos para análise, proporcionando dados para o processo estatístico. No contexto em que está inserido o trabalho, o movimento de flexão e extensão do joelho, movimentam a raquete que está no jogo de forma linear conforme a limitação do usuário estabelecida no momento de calibração para o jogo. Dado ao fato que há movimentação de forma contínua na tela, o usuário deve movimentar o joelho, flexionando-o ou não evitando que o mesmo atinja a face inferior da tela, sob penalidade de perda de pontos. Toda vez que o artefato é rebatido com sucesso, são computados pontos, que ao final da sessão estabelecida serão gravados para geração de relatórios. É adotado o critério de pontuação no jogo para a análise de recuperação do usuário da plataforma. Quanto mais pontos o usuário fizer durante as sessões que executou, significa que melhor está sua qualidade motora. Para critério de adaptação do exercício com o jogo, é possível selecionar diferentes níveis de velocidade do artefato, aumentando assim a dificuldade do jogo. Esse critério deve ser estabelecido pelo fisioterapeuta que está aplicando a sessão.

43 33 Figura 27 Jogo Arkanoid Após a calibração é iniciado o jogo Arkanoid, o fluxograma da Figura 28 detalha seu funcionamento básico. O fisioterapeuta seleciona o tempo que deve durar a sessão e sua velocidade. Após isso, o processo de calibragem de máxima e mínima extensão e flexão do joelho é iniciado. Em posso desses dados a plataforma se adapta com as características do usuário (limitações). É iniciado em então o jogo e o processo de verificação de colisões dos blocos até que o tempo determinado da sessão seja expirado. Logo após, todos os dados de flexão e extensão do joelho, que são designados pelo ângulo de flexão e extensão que o usuário consegue abrir, são gravados em banco de dados para a geração de relatórios.

44 34 Inicio Recebe tempo de duração da sessão Recebe os angulos minimo e maxímo da calibração Calcula ângulo Armazena Ângulo Não Bola destruiu bloco Sim Pontua Atualiza posição da raquete Recebe dados da serial Bola encostou no chão Sim Penalizado Acabou tempo da sessão Sim Fim Figura 28 - Fluxograma do jogo Arkanoid DIAGRAMA DE CLASSES E ENTIDADE RELACIONAMENTO O diagrama de classes é uma forma de representação que auxilia a compreensão de todas as entidades ou interfaces que estão envolvidas no projeto de forma gráfica (JONHSON et al, 2002). Na Figura 29, é mostrado o diagrama das classes das telas que foi utilizado como base para concepção do projeto. Todas as classes dependem da classe do MainForm, é através dela que são acessados todas as funcionalidades do software. Esta classe se comunica com as bibliotecas de classes do XNA e de gravação de dados.

45 35 MainForm +IniciaSessao() +EncerraSessao() +EscolheJogo() +GravaNoBanco() Reports +EscolheUsuario() +EscolheTipoRelatorio() +GeraRelatorio() CadastroDeUsuario +SalvaUsuario() +ExcluiUsuario() ConfiguracaoSerial +Salva() -angulo Graficos +ExibeGrafico() Calibrador -maxangulo -minangulo +Calibra() Figura 29 Diagrama de classes - Tela A classe principal, MainForm, controla através do método IniciaSessao(), o início do contador de tempo da sessão que foi estabelecida, o método EncerraSessao(), faz o oposto. Após o início da sessão é necessário escolher o jogo para iniciar o protocolo corretamente e alocar recursos para coleta de dados no banco de dados. Toda a vez que a sessão é terminada, a função GravaNoBanco() é chamada automaticamente. Para a geração de relatórios, há a classe Reports, que com seus métodos para filtro em banco de dados são escolhidos os usuários da sessão executada, o tipo de relatório e geração do mesmo, propriamente dita. São apresentadas telas com respectivas classes para cadastro de usuários da plataforma e configuração feitas na porta Serial. Os gráficos que são exibidos em tela são unicamente tratados pelo método ExibeGráfico() da classe Gráficos. Os parâmetros de calibração da plataforma que variam de usuário para usuário são tratados pela classe Calibrador, seus atributos de ângulo e o método de calibração que coleta os dados de menor e maior movimentação possível do usuário. Na Figura 30, é mostrado o diagrama de classes da biblioteca dos jogos. A classe IniciaJogos gerencia os eventos dos jogos e é acessada pela tela principal, é dessa forma que é explicado o motivo de não ser possível acessar as classes do XNA de uma classe externa. Cada jogo (Alvo e Arkanoid), possui sua própria classe que na construção recebe os valores da classe Calibrador para os atributos anteriormente obtidos. Nelas são controlados o encerramento dos jogos e também o fim da comunicação serial com seus respectivos métodos.

46 36 IniciaJogos -maxcalibrado -mincalibrado +FechaJogo() +IniciaJogo() Alvo -maxcalibrado -MinCalibrado +Encerra() +FechaSerial() Arkanoid -maxcalibrado -mincalibrado +Encerra() +FechaSerial() Figura 30 Diagrama de Classes Jogos A Figura 31 ilustra o modelo de entidade relacionamento das tabelas do sistema. Existem três tabelas a do usuário, da sessão e o desempenho por sessão. Figura 31 Modelo Entidade-Relacionamento A abstração das classes acima em entidades, mostra como é a estrutura de banco de dados utilizada para a gravação de todos os dados da sessão e a possibilidade futura de geração de relatórios. 3.5 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO Para que haja a transmissão de dados coletados do paciente na qual está acoplado o microcontrolador e deve-se envia-los ao computador, é utilizada a comunicação serial direta USART para transmissão dos dados entre o microcontrolador conectado aos sensores para o módulo XBee e do XBee para o computador via interface RS-232. O XBee, que é um kit que utiliza o protocolo ZigBee, definido pela IEEE implementa o controle de fluxo de sinais transmitidos

47 37 automaticamente, tornando o processo de envio de dados transparente para o usuário que faz a sua interligação (DIGI, 2011). É utilizada a configuração de transmissão de 9600 bauds por segundo, não utilizando controle de paridade e utilizando somente um bit de parada. A comunicação funciona em modo full-duplex, ou seja, pode haver envio de recebimento dos dados ao mesmo tempo. O processo de comunicação cliente/servidor (Microcontrolador / PC) acontece da maneira abaixo: Cliente envia caracter c e depois x para ser reconhecido, espera receber um t e um x do servidor para poder fechar a autenticação. Após ocorrer a autenticação o cliente sempre envia um caracter c antes do caracterer com o dado propriamente dito e espera receber um t para confirmar o recebimento do dado e continuar a transmissão. Se não houver confirmação, ocorre uma retransmissão. Descrição do byte que contém os dados, conforme a tabela abaixo: I I I I I M M M Tabela 2 Protocolo de comunicação Bits(0..2) Indica qual é o movimento Varia de 0 a 7. Bits(3..7) O valor de incremento ou decremento do movimento Inteiro, varia de 0 a 31. Movimentos: 0 Extensão do joelho. 1 Flexão do joelho. 2 Adução positiva do quadril. 3 Adução negativa do quadril. 4 Extensão positiva do quadril. 5 Extensão negativa do quadril.

48 38 4 TESTES Após a construção do dispositivo foram feitos alguns testes de uso do equipamento e autonomia de funcionamento, com a finalidade de mostrar utilização qualidades do sistema 4.1 USANDO O EQUIPAMENTO O acoplamento do equipamento na perna foi executado de forma confortável e ergonômica, possibilitando a facilidade de movimentação do membro sem maiores esforços. É possível utilizar a joelheira para o acompanhamento do andar do usuário devido a presença do acelerômetro de três eixos. Figura 32 Vestindo a joelheira Conforme a Figura 32, o equipamento após construído, é colocado na perna do usuário. Devido a leveza do equipamento, os ângulos de movimentação são livres.

49 AUTONOMIA DO SISTEMA (TEMPO DE UTILIZAÇÃO) O tempo médio de duração da bateria para o funcionamento total do equipamento é de 4 horas consecutivas com sessões de 30 minutos cada. É possível deste modo, operar o equipamento durante 8 sessões de exercícios sem que haja a necessidade de manutenção Figura 33 Tempo de vida da bateria da plataforma em minutos Note que no gráfico da Figura 33, é ilustrada o percentual disponível de energia da bateria ao longo de 4 horas consecutivas de uso do equipamento ao longo dos minutos de sessões. A escala do gráfico é logarítmica por facilidade de desenho. No eixo das ordenadas é mostrado o percentual relativo ao decaimento da carga máxima da bateria ao longo do tempo em minutos (eixo das abscissas). Foram mensurados os níveis de tensão de três baterias normais (em funcionamento) com coletas de amostras de 10 em 10 minutos ao longo de 3 dias.

50 40 5 RELATÓRIOS DE PROGRESSO Os resultados são apresentados ao fisioterapeuta em forma de histogramas por sessão e ao longo de várias sessões. No gráfico da Figura 34 é apresentada a evolução de um paciente ao longo de algumas sessões de flexão e extensão durante o jogo Arkanoid. Para o movimento de extensão, verifica-se inicialmente que o usuário um pouco limitações, o ângulo de extensão do joelho aumenta de acordo com o passar das sessões. Figura 34 - Histograma ao longo de sessões de flexão e extensão Na Figura 35, são mostrados os dados referentes a uma sessão específica, onde são notadas várias amostras com baixo ângulo de movimentação, ou seja, a amplitude com que o usuário consegue realizar o movimento de flexão e extensão é pequena, indicando uma possível atrofia do músculo. Neste caso o paciente concentrou seus movimentos em pequenos ângulos, ou seja, as condições do jogo Arkanoid (flexão e extensão) necessitaram que o paciente realizasse mais movimentos de flexão.

51 41 Figura 35 - Histograma por sessão de flexão e extensão No gráfico da Figura 36, são mostrados os dados de uma sessão de movimentos de abdução durante o jogo do Alvo. Este é um importante exercício para fortalecer os músculos da coxa descritos no Capítulo 2, pois o paciente após uma cirurgia do joelho fica muito tempo sem exercitar estes músculos. O objetivo deste exercício é manter a perna erguida o máximo de tempo possível. Então o software armazena este tempo. O gráfico abaixo é um histograma de uma única sessão de abdução, logo, são mostrados quantos segundos o paciente manteve a perna arguida e com que frequência. Note que há uma frequência maior de resistência de 3 segundos ao longo de uma sessão. Deste modo esta interferirá com maior frequência na média da sessão. Figura 36 - Histograma por sessão de Abdução

52 42 No gráfico da Figura 37, é mostrada a evolução ao longo das sessões. Fica visível a gradual melhora do paciente. No início, ele mantêm a perna erguida durante poucos segundos, então ele gradualmente vai aumentando o tempo até manter uma regularidade. Figura 37 Histograma ao longo de sessões de Abdução Neste caso é vista a melhora do usuário ao longo das sessões praticadas com o dispositivo.

53 43 6 CUSTOS São mostrados abaixo, todos os custos com materiais para o desenvolvimento completo do projeto: Material Preço (R$) Quantidade Preço Total (R$) 2acelerêmetros 33, ,54 2Xbee - Zigbee 30, ,25 Imposto Xbee e 2 FSR 155, ,00 2 MAX 232 5, ,00 Frete - Fedex 53, ,40 2 AVR ATMEGA328p 15, ,16 1potênciometro 15, ,00 10 x Cap1uF 0, ,00 Crystal 18,4320 MHz 3,00 1 3,00 Crystal 14,56 Mhz 2,00 1 2,00 Indutores e capacitore 6,00 1 6,00 Placas de cobre padrão 20, ,00 Soquetes, barra de pinos, osciladores 15, ,00 Capacitores, indutores, e resistores 25, ,00 Protobee 5V e USBXBEECON 149, ,00 Fluxo de solda 12, ,00 Papel Glossy 30 folhas 19, ,90 Patola 15, ,00 Baterias 3,00 2 6,00 Plugs, parafusos, borns, velcro, elastico 25, ,00 TOTAL 692,25 Tabela 3 - Custos O gasto total com componentes é de R$ 692,25, sendo que o maior gasto é com impostos e componentes importados.

54 44 7 CONCLUSÃO O uso de exercícios no processo de reabilitação é de extrema importância no período de tratamento de lesões no joelho. Conforme a própria história mostra, desde os períodos medievais essa prática obteve sucesso. A interatividade adotada na cinesioterapia em questão é fator motivante para a execução de exercícios com maior frequência, empenho e vontade. É importe ressaltar que métodos interativos em exercícios apresentam melhores resultados e são muito utilizados na atualidade. Foi desenvolvida uma plataforma completa que conta com auxílio da interatividade através de jogos, para auxiliar no processo de recuperação do joelho de forma mais rápida e menos entediante, conforme própria pesquisa, feita na sessão 3.2, com uma joelheira com sensores e um módulo transmissor. A joelheira mostrou-se prática, leve e de fácil uso. A liberdade de movimentos possibilita o uso do equipamento em atividades além das projetadas, como por exemplo, a análise dos movimentos de andar. Essa tarefa só é possível devido a presença do acelerômetro de 3 eixos que está presente no projeto. Foi possível desenvolver com facilidade novas versões de firmware para o microcontrolador e software para o computador com notável simplicidade e sem alterações de hardware, devido à quantidade de sensores usados e a versatilidade da biblioteca XNA, da Microsoft, respectivamente. Resultados são simulados, obtidos e gravados em banco de dados, possibilitando uma análise longa e duradoura de antigas sessões executadas. A plataforma possibilita ao profissional fisioterapeuta, que colocando com precisão e metodicamente o equipamento, obtenha dados precisos de angulações do paciente e sua evolução ao longo das sessões, tornando-se uma ferramenta muito útil e vantajosa, que sem via de dúvidas tornará a vida humana melhor. Os resultados obtidos tanto no teste de stress do equipamento quando na duração da bateria, mostram a possibilidade de uso do equipamento a longo prazo em várias sessões. É importante ressaltar que com os dados obtidos pela plataforma é possível gerar uma ampla diversidade de gráficos baseados em histogramas e temporais, na qual torna possível a análise de evolução do paciente ao longo do tratamento. Desta forma é possível verificar e chegar a conclusão do estado de evolução do usuário da plataforma de forma simples rápida, sem auxílio de fichas de acompanhamento.

55 É proposto como forma de implementação futura, a possibilidade de coletar dados de descolamento horizontal da perna com o uso do acelerômetro que a plataforma já possui. Deste modo a construção de mais jogos, em exercícios diferentes com maiores tipos de relatórios é viável e torna-se possível. 45

56 46 8 REFERÊNCIAS TEIXEIRA, Salmela L. F.;OLIVEIRA, E. S. G.;SANTANA EGS, Resende GP. Fortalecimento muscular e condicionamento físico em hemiplégicos. Acta fisiátrica. 2000; 2-3. Souza SRS, Oliveira CA, Mizuta NA, Santos MH, Moreira AP. Reabilitação Funcional para Membros Superiores pós Acidente vascular Encefálico. Ver. Fisioterapia Brasil 2003; 4(3) Santana JM, Santana Filho VJ, Cândido EA, Freire RF. Eletroestimulação Funcional no controle da espasticidade em Paciente Hemiparético. Senna-Fernandes V, França D, Cortez CM, Silva G, Pereira F. Acupuntura cinética: Tratamento sistemático do aparelho locomotor e neuromuscular da face por acupuntura associada à cinesioterapia. Ver. Fisioterapia Brasil 2003; 4(3) Guimarães LS, Cruz MC. Exercícios terapêuticos, a cinesioterapia como importante recurso da Fisioterapia. Lato & Sensu, Belém (1) Souza SRS, Oliveira CA, Mizuta NA, Santos MH, Moreira AP. ReabilitaçãoFuncional para Membros Superiores pós Acidente Vascular Encefálico.Rev Fisioterapia Brasil 2003;4(3): Biasol, Maria Cristina. Tratamento fisioterápico na terceira idade.rev Brasileira de FisioterapiaNovembro/2007; Gravina MER Lesões por esforços repetitivos: Uma reflexão sobre os aspectos psicossociais.saúde e Sociedade 11(2) 65-87, Kapandji, A. L Fisiologia Articular. Volume 2, 5ed. Editora Panamericana. Cap 1 2. Van De Graaff, Kent M. Anatomia Humana, Sensor, Ultra miniature size vibration gyrosensor - (disponível em 20/03/2011). MMA7260Q, XYZ Three-AxisLow g Acceleration Sensorhttp://www.freescale.com/files/sensors/doc/fact_sheet/MMA7260QFS.pdf (disponível em 20/03/2011). MEKA (Mechatronic device for Knee Analysis) - Humanware - (disponível 25/03/2011)

57 47 Standard 408 FSR - FSR(disponível em 20/03/2011). ATMEL AVR ATMEGA328pwww.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/8271S.pdf (disponível em 20/03/2011) ZigBeePhysicalLayer - (disponível em 20/03/2011) MICROSOFT VISUAL STUDIO (disponível em 21/03/2011). MICROSOFT XNA LIBRARYhttp://www.microsoft.com/downloads/en/details.aspx?FamilyID= d584-42d fcd9d3e82 (disponível em 21/03/2011). MYSQL (disponível em 21/03/2011). Microsoft XNA Framework Redistributable (disponível em 20/03/2011) ANATOMIA - - (disponível em 10/06/2011). AVR FREAKS - (disponível em 13/04/2011) BIOMECÂNICA - - (Disponível em 20/06/2011). KNEEHAB CURRENT BODY - (Disponível em 06/06/2011).

58 48 9 ANEXOS 9.1 DIAGRAMAS DE PINOS E CONEXÕES Figura 38 - Ponte de Wheatstone com o potenciômetro acoplado à joelheira Figura 39 - Conexão do microcontrolador ATMEGA 328p

59 49 Figura 40 - Componente de transmissãoxbee e pinos utilizados Figura 41 - Acelerômetro MMA7260 e conexões com o microcontrolador

60 50 Figura 42 - MAX232 e interligações com o microcontrolador e computador 9.2 LISTA DE COMPONENTES E MÓDULOS NECESSÁRIOS 1 acelerômetro Freescale MMA7260Q; 1 microcontroladoreatmel AVR ATMEGA328p; 2 módulos Maxstream XBee WRL Chip Antenna; 1 Driver RS-232 MAX232; 2 Conversores de tensão LM317T; 2 Cristais de quartzo de 10 MHz; 2 capacitores de 22pF; Resistores de 470, 1k, 5k e 10 k Ω; 1 Conversor USB-Serial; 1 Computador com interface USB; 2 baterias de 9V; 1 placa de cobre de 20 x 20 cm; Joelheira rígida fechada com haste; Cabos elétricos maleáveis; 1 potenciômetro

61 LISTA DE RECURSOS DE LABORATÓRIO NECESSÁRIOS Fonte de alimentação ajustável; Osciloscópio; Multímetro de mesa; Alicate de corte; Alicate de bico; Mesa lógica digital; Gravador USBasp para microcontrolador ATMEGA; 9.4 PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO Abaixo, todo o processo de montagem da placa do equipamento e todo o processo envolvido. Figura 43 Placa de circuito impresso desenvolvida para o projeto

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