SISTEMA VIBROTÁTIL PARA AUXILIAR DEFICIENTES AUDITIVOS NO APRENDIZADO DA VOCALIZAÇÃO

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1 UNIVERSIDADE POSITIVO NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO CRETAN PIRES DE OLIVEIRA RAFAEL PUSTILNICK SISTEMA VIBROTÁTIL PARA AUXILIAR DEFICIENTES AUDITIVOS NO APRENDIZADO DA VOCALIZAÇÃO Trabalho de Conclusão de Curso Prof. José Carlos da Cunha Orientador Curitiba, novembro de 2009.

2 UNIVERSIDADE POSITIVO Reitor: Prof. Oriovisto Guimarães Vice-Reitor: Prof. José Pio Martins Pró-Reitor de Graduação: Prof. Renato Casagrande Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas: Prof. Marcos José Tozzi Coordenador do Curso de Engenharia da Computação: Prof. Edson Pedro Ferlin

3 TERMO DE APROVAÇÃO Cretan Pires de Oliveira Rafael Pustilnick SISTEMA VIBROTÁTIL PARA AUXILIAR DEFICIENTES AUDITIVOS NO APRENDIZADO DA VOCALIZAÇÃO Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação da Universidade Positivo, pela seguinte banca examinadora: Prof. José Carlos da Cunha (Orientador) Prof. Marcelo Mickosz Gonçalves Prof. Edson Pedro Ferlin Curitiba, dezembro 2009.

4 AGRADECIMENTOS Durante o curso de graduação somos motivados pelos desafios, enfrentamos dificuldades inimagináveis, conhecemos pessoas importantes em nossa trajetória e somos incentivados principalmente pela família e amigos. Agradecemos muito nossos pais pelo amor, carinho, apoio e pelo esforço para que pudéssemos realizar um curso de graduação, por nos ouvirem em momentos difíceis e por incentivarem sempre a seguir em frente. Aos amigos destinamos um carinho e amor especial por nos ajudarem a realizar um sonho e por acreditarem no nosso potencial, em especial ao Eduardo Sentone e Rodrigo Villaverde que tanto contribuíram para que fosse possível a execução desse trabalho. À esposa Andressa Bonetto e à noiva Rebeca Jakobson, pelo amor e carinho inestimável, pela imensa paciência, por sempre nos apoiarem nos momentos de dificuldade e alegria e nos incentivando nos mais necessários. À Janaina Pires de Oliveira, que sem sua ajuda seria impossível a conclusão dessa empreitada árdua. Aos colegas de profissão em que nos espelhamos para sermos cada vez melhores como pessoas e profissionais. Aos professores que tanto ouviram, ensinaram e mostraram como viver como engenheiro, em especial ao José Carlos da Cunha, professor orientador que incansavelmente luta para melhorarmos continuamente e a Maurício Perreto, professor que sempre e com muita boa vontade e bom humor, tanto ajudou no processo de implementação do projeto, dedicando seu tempo e conhecimento.

5 SUMÁRIO RESUMO... 8 ABSTRACT... 9 INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Percepção sensorial e neurociência Sistema auditivo Tipos de deficiência auditiva Pele Mecanorreceptores Resposta sensorial à estimulação da pele Neurociência Neuroplasticidade Recursos Tecnológicos Filtro passa baixa FFT IMPLEMENTAÇÃO Especificação técnica FFT Tactores Conversor analógico digital Microprocessador dspic Amplificador Operacional Filtro Passa Baixa Amplificador de Ganho ½ Grampeador de Sinal Somador de sinal Gerador de Onda Senoidal Ponte de Wien dspic Potenciômetro Digital Seguidor de tensão Ganho de Corrente Implementação do Firmware TESTE E VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS DO SISTEMA CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 37

6 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS Hz V A PA Amp. Op Vpp A/D FFT db kg mm cm m ml mg L DSP Av F mw SPI Hertz Volt Ampér Potencial de Ação Amplificador Operacional Tensão Pico-a-Pico Analógico-Digital Fast Fourier Transform Decibél Kilograma Milímetro Centímetro Metros Mililítros Miligramas Litros Digital Signal Processor Ganho de tensão diferencial Frequência MiliWatt Serial Peripheral Interface

7 LISTA DE FIGURAS Figura 1.2.1: Etapas do sistema auditivo Figura 1.2.2: Audiograma Figura 1.3.1:Estrutura da pele Figura : Componentes funcionais dos neurônios motores e dos neurônios sensoriais Figura 2.5.1: Amplificador de entrada Figura 2.6.1: Frequências da voz humana Figura 2.6.2: Filtro passa baixa 8ª ordem 2300Hz Figura 2.7.1: Amplificador de ganho ½ Figura 2.8.1: Grampeador de sinal Figura 2.9.1: Somador de sinal Figura : Gerador de onda senoidal ponte de Wien Figura : Esquemático do módulo dspic Figura : Potenciômetro digital, seguidor de tensão e ganho de corrente Figura : Fluxograma do circuito do sistema Figura 3.1: Imagens de topo, mostrando a correta posição da mão Figura 3.2: Imagem perspectiva do projeto... 35

8 LISTA DE TABELAS Tabela 1.3.1: Mecanoreceptores e suas faixas de sensibilidade... 18

9 RESUMO Este projeto tem como objetivo prover o deficiente auditivo com uma alternativa de ferramenta para o aprendizado da vocalização e para a compreensão da informação sonora. A deficiência auditiva é classificada segundo uma escala de sons de acordo com a percepção do indivíduo e tem variações entre leve, moderada, severa e profunda; das quais, para leve e moderada, existem inúmeras possibilidades de reabilitação disponíveis no mercado, como aparelhos auditivos externos. Para severa e profunda existe a opção de implante coclear, no entanto o resultado desse método varia para cada caso e não se aplica a todas as formas de deficiência, tampouco propicia o aprendizado da vocalização ou a interpretação da informação sonora por si só. De qualquer maneira, há uma parcela da população portadora de deficiência auditiva que não se enquadra nos requisitos das alternativas existentes, sendo este estudo voltado justamente para eles. Buscou-se uma forma de processar informações sonoras matematicamente para que estas pudessem ser interpretadas e aplicadas no controle de um dispositivo que transmitisse tais informações de maneira alternativa à original. Para tanto usou-se o método de cálculo de FFT (Fast Fourier Transform) no sinal de áudio discretizado para obtenção dos componentes de frequência do sinal de entrada no quadro de tempo analisado. A resposta da FFT é o ponto de partida para o cálculo dos valores de controle dos dispositivos de atuação que transmitirão a informação. Cada valor do conjunto de resultados da FFT representa um intervalo de frequência referente à forma como o sinal foi adquirido. A partir desses valores definiu-se cinco regiões de frequência e, para cada região, é extraído um valor que será usado no cálculo de controle de potenciômetros digitais, responsáveis por controlar o sinal dos tactores. Como alternativa, optou-se pelo sentido do tato como meio de transmissão da informação gerada pelo sistema. Escolheu-se o vibrotátil como dispositivo de atuação pela facilidade de controle e segurança para o usuário. Utilizou-se cinco tactores, cada um representando uma região de frequência gerada a partir do resultado da FFT. O conjunto de atuação dos tactores representa o sinal de áudio de entrada de modo a permitir ao usuário sua interpretação. Nesse sentido o projeto concluiu-se de maneira satisfatória, possibilitando sua aplicação prática a partir do desenvolvimento, por profissionais das áreas afins, de uma metodologia adequada ao ensino da vocalização e interpretação da fala. Palavras-chave: Sistema vibrotátil. Vocalização. Deficiência Auditiva. Tactor.

10 ABSTRACT This project aims to provide the deaf with an alternative tool for vocalization learning and spoken information understanding. Hearing impairment is classified through a range of sounds according to the individual's perception and varies between mild, moderate, severe and deep, and there are numerous opportunities for rehabilitation available for mild to moderate, such as external hearing aids. For severe and deep there is the option of a cochlear implant, but the result of this method varies for each case and does not apply to all forms of disability, nor conducive to the learning of vocalization or the interpretation of sound information by itself. Either way, there is a portion of the population with hearing loss that does not meet the requirements of the alternatives, as this study is focused just for them. We sought a way to process auditory information mathematically so that they could be interpreted and applied in the control of a device to convey information such as alternatives to the original. For this we used the FFT (Fast Fourier Transform) calculation method in the audio signal discretized to obtain the frequency components of the input signal in the time frame examined. The response of the FFT is the starting point for the calculation of the control actuation devices that transmit the information. Each value of the FFT result is a frequency range on the way the signal was acquired. From these values we defined five regions of frequency and for each region a value is extracted to be used in calculating control digital potentiometers, which are responsible for controlling the sign of the tactors. Alternatively, we opted for the sense of touch as a means of transmission of information generated by the system. Was chosen as the vibrotactile device performance for ease of control and security for the user. We used five tactors, each representing a region of frequency generated from the output of the FFT. The set of actions of the tactors is the audio signal input to enable the user interpretation. In this sense the project was concluded satisfactorily, enabling practical application from the development of professionals from related fields, a suitable methodology for the teaching of vocalization and interpretation of speech. Key words: Vibrotactile System. Vocalization. Hearing impairment. Tactor.

11 INTRODUÇÃO Constatamos a realidade da profissão de engenheiro da computação no desenvolvimento desse projeto; a necessidade constante de buscar informações em especialidades de outras áreas e, a partir dessas pesquisas adquirir o conhecimento necessário para solução do problema proposto. Por este prisma, abordaremos temas como audição, tato e neurociência, além de temas técnicos concernentes ao desenvolvimento da tecnologia que propomos. Para este projeto partimos do pressuposto de que existe uma parcela da população de deficientes auditivos que, por diversos motivos, não possui uma alternativa de cura, tratamento ou compensação de seu problema, fazendo-se necessário o desenvolvimento de uma alternativa viável para esses indivíduos. Neste intuito, trataremos da fisiologia do ouvido, tipos e características de deficiências auditivas para melhor compreender a delimitação do usuário final. A partir da proposta de substituir o som por informação vibrotátil, faz-se necessário o estudo da estrutura da pele e da forma com que são percebidos os estímulos. Referindo-se à resposta de aprendizagem e a adaptação dos usuários, relacionando e processando a transformação das informações, faz-se necessário uma pesquisa sobre a capacidade de interpretar uma nova fonte de informação, disso trata a neurociência e a neuroplasticidade. Alem dos aspectos fisiológicos, é necessário pesquisas sobre tecnologias que serão úteis no desenvolvimento do projeto, como FFT e filtros de sinal.

12 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 1.1 Percepção sensorial e neurociência O ser humano possui cinco sentidos principais para perceber a realidade à sua volta e para comunicar-se: visão, audição, olfato, paladar e tato. Estes sentidos conferem a possibilidade de receber mensagens e funcionam como transmissores de estímulos a serem interpretados pelo cérebro, segundo a especificação de cada um. Lent (2001) diz: A percepção começa quando uma forma qualquer de energia incide sobre as interfaces entre o corpo e o ambiente, sejam Elas externas ou internas. Nessas interfaces se localizam células especiais capazes de traduzir a linguagem do ambiente para a linguagem do sistema nervoso: os receptores sensoriais. São eles que definem o que comumente chamamos de sentidos: visão, audição, sensibilidade corporal, olfação e gustação. Mas nosso cérebro é capaz de sentir muito mais consciente e inconscientemente do que esses cinco sentidos clássicos permitem supor. Ele detecta alterações sutis da posição do corpo quando nem nos damos conta disso, mudanças sutis da pressão, composição e temperatura do sangue que jamais chegam à nossa consciência, imperceptíveis movimentos viscerais. Os receptores são específicos, isto é, especializados na detecção de certas formas de energia: energia mecânica (mecanorreceptores), luminosa (fotorreceptores), térmica (termorreceptores) e química (quimiorreceptores). Isso porque apresentam, em sua membrana plasmática, proteínas capazes de absorver seletivamente uma única forma de energia. Cada tipo, além disso, subdivide-se em subtipos ainda mais específicos: há mecanorreceptores que detectam sons, há os que detectam estímulos sobre a pele, há os que detectam alongamento dos músculos e vários outros. A perda, ou deficiência, de qualquer dessas funções sensoriais acarreta em dificuldade da interpretação e da comunicação com o mundo à sua volta. No caso da perda ou deficiência auditiva há a inviabilidade de controle da vocalização por falta de um parâmetro de retorno (audição), impossibilitando que o deficiente se expresse de maneira inteligível, gerando-se a barreira da linguagem oral. 1.2 Sistema auditivo O ouvido humano é divido em (REDONDO, CARVALHO, 2001):

13 Ouvido externo: é a porta de entrada do som; composto pelo pavilhão auricular e pelo canal auditivo. Nesse canal, certas glândulas produzem cera para proteger o ouvido. Ouvido médio: transmite as vibrações sonoras para o ouvido interno através da membrana timpânica, em contato com o ouvido interno e três ossos minúsculos, chamados martelo, bigorna e estribo, assim chamados pela similaridade em forma com estes objetos. Ouvido interno: é onde está localizado a cóclea, em forma de caracol, que é a parte mais importante do ouvido, responsável pela percepção auditiva. Os sons recebidos na cóclea são transformados em impulsos elétricos e, através do nervo auditivo, conduzidos ao cérebro, onde são interpretados. Vejamos o processo auditivo na Figura 1.2.1: Figura 1.2.1: Etapas do sistema auditivo (FRANÇA, 2008)

14 O sistema auditivo tem como objetivo converter as alterações na pressão do ar, associadas às ondas sonoras, em atividade neural transmitida para o cérebro (BEAR et al, 2002). Os neurônios da cóclea formam um mapa dos tons que codificam as frequências em um som. Esses mapas estão em todo o sistema auditivo. As mesmas células cocleares podem codificar a frequência e amplitude variando em tensão. A detecção da localização de um som é uma função dos neurônios na oliva superior e corpo trapezoide do tronco encefálico. Esses neurônios realizam essa função computando as diferenças na altura e no tempo de chegada de um som aos dois ouvidos. A compreensão do significado é realizada pela comparação de padrões que é feita pelos neurônios corticais (KOLB; WHISHAW, 2002 apud FRANÇA, 2008). Tal compreensão é afetada pela sensibilidade do sistema auditivo, que é classificada de acordo com os níveis de audição. Considera-se, em geral, que a audição normal corresponde à habilidade para detecção de sons até 20 db N.A. (decibéis, nível de audição). Qualquer diminuição desta habilidade é considerada uma deficiência, classificada de acordo com o nível de diminuição da sensibilidade auditiva (DEFICIÊNCIA AUDITIVA, 2008): Perda leve: capacidade de ouvir entre 20 e 40 db. Perda moderada: capacidade de ouvir entre 40 e 60 db. Perda severa: capacidade de ouvir entre 60 e 80 db. Perda profunda: capacidade de ouvir somente acima de 90 db, ou a incapacidade total de ouvir. Vejamos, na Figura 1.2.2, exemplos de sons cotidianos e os níveis sonoros em que se encontram:

15 Figura 1.2.2: Audiograma (PHONAK, 2009) Tipos de deficiência auditiva As deficiências auditivas têm diversas origens, como infecções do ouvido médio (otite média) ou outras enfermidades, lesões traumáticas, processo de envelhecimento, e mesmo causas genéticas ou perinatais. Dependo da origem verifica-se que gera um tipo específico de deficiência, sendo (TIPOS DE DEFICIÊNCIA, 2008): Deficiência Auditiva Condutiva: Qualquer interferência na transmissão do som desde o conduto auditivo externo até a orelha interna (cóclea). Deficiência Auditiva Sensório-neural: Ocorre quando há uma impossibilidade de recepção do som por lesão das células ciliadas da cóclea ou do nervo auditivo. Deficiência Auditiva Mista: Ocorre quando há uma alteração na condução do som até o órgão terminal sensorial associada à lesão do órgão sensorial ou do nervo auditivo.

16 Deficiência Auditiva Central: Este tipo de deficiência auditiva não é, necessariamente, acompanhado de diminuição da sensitividade auditiva, mas manifesta-se por diferentes graus de dificuldade na compreensão das informações sonoras. Decorre de alterações nos mecanismos de processamento da informação sonora no tronco cerebral Sistema Nervoso Central. Além da detecção do tipo de deficiência, a potencialidade de reabilitação, ou adaptação, de pessoas com deficiência auditiva depende de alguns fatores, como por exemplo a idade do indivíduo e o tempo decorrido desde a deficiência. A partir desses parâmetros define-se o método de reabilitação desse paciente. 1.3 Pele A pele é o maior órgão do corpo, com superfície total que ultrapassa 1,5 m² embora seja pouco espessa entre 0,5 mm nas pálpebras e cerca de 4 a 5 mm nas palmas e plantas. Seu peso global, incluindo a hipoderme, chega a representar de 16 a 18% do peso corporal. Assim, para um indivíduo adulto com 75 Kg, o peso da pele ultrapassa os 12 Kg (PELE, 1998). A resistência à rotura é muito elevada: suporta uma tração superior a 1 Kg/cm². Simultaneamente revela capacidade considerável de distensão cerca de 10 a 15% das suas dimensões, na pele do adulto. Possui uma vascularização extremamente rica: em cada cm² de superfície cutânea existem mais de 0,5 m de vasos. O débito circulatório médio global da pele foi calculado em 500 ml/minuto. Caracteriza-se, ainda, por elevada capacidade de eliminar suor; mediante estímulo térmico elevado, em período curto, perde entre 2 a 3 mg/cm²/minuto, em situações extremas, a eliminação total de suor pode atingir 10 L/dia (PELE, 1998). É um órgão estratificado constituído por epiderme e derme e hipoderme. A epiderme é formada pelas células epiteliais (ceratinócitos), onde reside uma das principais defesas do órgão contra a penetração de produtos exteriores. Integradas na epiderme encontram-se ainda os melanócitos (responsáveis pela cor da pele), as células de Langerhans (constituem a primeira linha de identificação imunitária das substâncias que franqueiam a epiderme) e células sensoriais denominadas células de Merkel (PELE, 1998).

17 A derme, camada localizada entre a epiderme e a hipoderme, é responsável pela resistência e elasticidade da pele. É constituída por tecido conjuntivo (fibras colágenas e elásticas envoltas por substância fundamental), vasos sanguíneos e linfáticos, nervos e terminações nervosas. Os folículos pilossebáceos e glândulas sudoríparas, originadas na epiderme, também localizam-se na derme. A faixa na qual a epiderme e a derme se unem é chamada de junção dermoepidérmica. Nesta área, a epiderme se projeta em forma de dedos na direção da derme, formando as cristas epidérmicas. Estas aumentam a superfície de contato entre as 2 camadas, facilitando a nutrição das células epidérmicas pelos vasos sanguíneos da derme (PELE, 1998). A hipoderme, também chamada de tecido celular subcutâneo, é a porção mais profunda da pele. É composta por feixes de tecido conjuntivo que envolvem células gordurosas (adipócitos) e formam lobos de gordura. Sua estrutura fornece proteção contra traumas físicos, além de ser um depósito de calorias (PELE NORMAL, 2009). A pele é o mais antigo e sensível dos órgãos e o primeiro meio de comunicação do homem; formada no primeiro período da gestação, onde já possui o sentido do tato. Esse é o primeiro sentido desenvolvido e o principal da pele (MONTAGU, 1988). O tato é percebido por diversos tipos de receptores sensoriais com características específicas de funcionamento, e é capaz de distinguir diferentes formas de informação, como calor, pressão, dor, textura, etc. (CUNHA et al., 2009) Mecanorreceptores Embora pressão, vibração e estiramento possam ser classificados como sensações distintas, são detectados pela mesma classe de receptores táteis, os mecanorreceptores. Há pelo menos seis tipos de mecanorreceptores (RECEPTORES, 2009): Terminações nervosas livres: são os receptores sensoriais mais numerosos, encontrados com densidade variável em todas as áreas da pele, inclusive na córnea do olho; e podem detectar pressão e dor. Corpúsculo de Meissner: é um receptor tátil. Possui uma terminação nervosa encapsulada que estimula uma grande fibra nervosa sensitiva mielinizada. No interior da cápsula existem muitas circunvalações de filamentos nervosos

18 terminais. Esses receptores são responsáveis pela capacidade de reconhecer exatamente qual o ponto do corpo foi tocado e a textura dos objetos que tocaram. Esses corpúsculos possuem adaptação rápida; são encontrados nas pontas dos dedos, lábios e áreas que são muito sensíveis, mesmo à mais leve estimulação tátil. Discos de Merkel: conhecidos como receptores de extremidades dilatadas. Diferem dos corpúsculos de Meissner, pois, primeiramente transmitem um sinal forte parcialmente adaptável e, em seguida, um sinal contínuo mais fraco, que se adapta lentamente. Acredita-se que sinalizem o toque contínuo de objetos contra a pele. Encontrados nas áreas não pilosas da pele (glabra) e também, em menor número nas partes pilosas do corpo. Órgãos terminais de pelo: adaptam-se facilmente, detectando principalmente movimentos de objetos na superfície do corpo que desloca os pelos. São emaranhados em torno da base de cada pelo na superfície corporal. Órgãos terminais de Ruffini: são terminações nervosas, multirramificadas, encapsuladas que se localizam na pele e nos tecidos mais profundos, bem como nas cápsulas articulares. Adaptam-se muito pouco, sinalizando a pressão e tato contínuo aplicados à pele, ou o movimento em torno da articulação onde estão localizados. Corpúsculos de Pacini: localizam-se na pele e nos tecidos mais profundos. Como seus receptores adaptam-se em frações de segundo, esses corpúsculos são estimulados apenas por movimentos muito rápidos dos tecidos. São importantes para detectar a vibração ou outras alterações rápidas do estado mecânico dos tecidos. Conforme ilustrado pela Figura 1.3.1, a anatomia de cada tipo de mecanorreceptor é desenvolvida pelo organismo para identificar uma forma específica de estímulo:

19 Figura 1.3.1:Estrutura da pele (BEAR, 2002). Para cada mecanorreceptor e para cada tipo de estímulo, há características específicas, conforme exibido na Tabela a seguir: Tabela 1.3.1: Mecanoreceptores e suas faixas de sensibilidade (CUNHA et al., 2009) Resposta sensorial à estimulação da pele A resposta dos receptores, chamados de geradores de potencial, inicia o processo de sensibilização com um impulso nervoso, chamado de potencial de ação (PA), que viaja através dos axônios até a coluna espinhal, onde ocorrem sinapses com outras células nervosa, que se encarregam de enviar essas informações ao sistema nervoso

20 central (REILLY, 1992 apud CUNHA et al., 2009). O caminho percorrido desde a região do estímulo até o cérebro pode variar de poucos centímetros até mais de um metro, como no caso de um estímulo gerado nas extremidades de nossos membros. A Figura mostra esses dois mecanismos de resposta motora e sensorial: Figura : Componentes funcionais dos neurônios motores e dos neurônios sensoriais (REILLY, 1992, apud CUNHA et al., 2009). 1.4 Neurociência Todos os dias, pessoas que experienciaram uma lesão encefálica ou medular, defeitos congênitos e doenças neurológicas se veem obrigadas a conviver com seus efeitos. Até mesmo tarefas aparentemente simples ou cotidianas, como sentar, andar, vestir-se, lembrar de um nome, falar, podem representar desafios incríveis. A fisioterapia e a terapia ocupacional desempenham papel crucial na ajuda às pessoas para que possam recuperar a capacidade de funcionar de forma tão independente quanto for possível. Segundo Lundy-Ekman (2000), o planejamento do tratamento fisioterápico e da terapia ocupacional, bem como o modo de conduzir cada caso individual depende de nossa compreensão do sistema nervoso e da continuidade da pesquisa. A pesquisa

21 científica rigorosa sobre o funcionamento neural, chamada neurociência, é relativamente recente, começando no fim do século XIX (LUNDY-EKMAN, 2000). A neurociência é o estudo do sistema nervoso; sua estrutura, seu desenvolvimento, funcionamento, evolução, relação com o comportamento e com a mente, e também suas alterações (NEUROCIÊNCIA, 2007). Pode ser dividida em cinco grandes disciplinas neurocientíficas. A neurociência molecular tem como objeto de estudo as diversas moléculas de importância funcional do sistema nervoso; pode ser também chamada de neuroquímica ou neurobiologia molecular. A neurociência celular aborda as células que formam o sistema nervoso, sua estrutura e sua função; pode ser chamada também de neurocitologia ou neurobiologia celular. A neurociência sistêmica considera populações de células nervosas situadas em diversas regiões do sistema nervoso que constituem sistemas funcionais como o visual, o auditivo, o motor etc.; quando apresenta uma abordagem mais morfológica é chamada neuro-histologia ou neuroanatomia, e quando lida com aspectos funcionais é chamada neurofisiologia. A neurociência comportamental dedica-se a estudar as estruturas neurais que produzem comportamentos e outros fenômenos psicológicos como o sono, os comportamentos sexuais, os comportamentos emocionais etc. é às vezes conhecida também como psicofisiologia ou psicobiologia. Finalmente, a neurociência cognitiva trata das capacidades mentais mais complexas, geralmente típicas do homem, como a linguagem, a autoconsciência, a memória etc. pode ser também chamada de neuropsicologia (LENT, 2001) Neuroplasticidade Os estudos da neurociência levaram a um maior entendimento da neuroplasticidade, que é a capacidade dinâmica do cérebro adaptar-se e reestruturar-se em função de novas exigências ambientais ou das limitações funcionais impostas por lesões (HAASE, LACERDA, 2004). As células do sistema nervoso são dotadas de plasticidade. Embora os neurônios maduros não sejam capazes de se dividir e replicar, o sistema nervoso central é capaz de apresentar alto grau de neuroplasticidade e, portanto, os neurônios podem transformar, de modo permanente ou pelo menos prolongado, a sua função e a sua forma, em

22 resposta à ação do ambiente externo. A plasticidade é maior durante o desenvolvimento, e declina gradativamente, sem se extinguir, na vida adulta. Há várias formas de plasticidade, como a regeneração, a plasticidade axônica, a sináptica, a dendrítica e a somática. A plasticidade regenerativa consiste no recrescimento de axônios lesados; é forte no sistema nervoso periférico, facilitada pelas células não neurais que compõem o microambiente dos tecidos do corpo, porém no sistema nervoso central a regeneração é bloqueada pelas células de glia que produzem a mielina. A neuroplasticidade pode ter valor compensatório, mas nem sempre isso ocorre, porque as transformações neuronais que respondem ao ambiente nem sempre restauram funções perdidas. Ao contrário, às vezes produzem funções mal-adaptativas ou patológicas (LENT, 2001). O conhecimento dos mecanismos da neuroplasticidade e de vários processos patológicos levou, subsequentemente, ao desenvolvimento de novos procedimentos terapêuticos para os pacientes em distúrbios neurológicos. Por meio destes estudos descobriu-se a possibilidade de utilizar tecnologia assistiva através da computação e da eletrônica para aumentar a inclusão social de muitos deficientes; como é o caso dos deficientes auditivos, tema deste projeto, que tem por intenção suprir a ausência de um sentido (audição) com sentido tátil, transformando os sinais sonoros em estímulos táteis possibilitando que, com treinamento, o portador de necessidades especiais interprete mensagens sonoras. 1.5 Recursos Tecnológicos Dentre todos os recursos tecnológicos utilizados neste projeto, os que apresentam maior relevância e um estudo mais detalhado para sua aplicação e entendimento é o filtro passa baixa e a FFT. Os outros recursos dispostos nesse projeto partiram de aplicações práticas, não carecendo um estudo aprofundado de sua concepção e aplicabilidade.

23 1.5.1 Filtro passa baixa O filtro passa baixa é um circuito que atenua as frequências acima da frequência de corte, isso ocorre pois a reatância capacitiva e a impedância gerada pelos resistores depende da frequência do sinal, fazendo que dependa da montagem do filtro e dos valores dos componentes para que seja definido a frequência de corte do circuito (ALEXANDER; SADIKU, 2003) FFT O cálculo da FFT (Fast Fourier Transform, em português Transformada Rápida de Fourier) se dá a partir de um sinal discretizado no domínio do tempo em um conjunto de valores representando esse sinal no domínio da frequência, ou seja, apresenta a amplitude de cada região de frequência, permitindo que sejam analisadas as frequências componentes do sinal. As regiões de frequência calculadas pela FFT são definidas pela razão entre taxa de amostragem e número de elementos da amostra. O resultado da FFT é um conjunto de valores com mesmo número de elementos dos utilizados no cálculo, e cada um desses valores do resultado representa uma média das amplitudes das frequências contidas em cada intervalo (HAYKIN; VEEN, 1999).

24 IMPLEMENTAÇÃO 2.1 Especificação técnica FFT A taxa de amostragem utilizada no sistema é 4600Hz com 128 amostras, portanto cada região de frequência do resultado do cálculo da FFT é de aproximadamente de 36Hz. O grupo de elementos gerados pelo cálculo da FFT com informações relevantes é a primeira metade do conjunto de elementos, pois no processo de cálculo é gerado um espelhamento dos elementos na segunda metade do conjunto em relação com a primeira, resultando em um conjunto de 64 valores válidos para análise. O cálculo da FFT no dspic é o resultado de três funções de cálculo das bibliotecas do compilador C30 da Microchip. A primeira função utilizada é a FFTComplexIP que calcula a FFT propriamente dita, a seguinte função é a BitReverseComplex que reordena os dados previamente embaralhados no cálculo da função anterior e, por fim é utilizado a função SquareMagnitudeCplx que converte os valores do formato complexo em um conjunto de números reais (HAYKIN; VEEN, 1999). 2.2 Tactores O dispositivo vibrotátil, também conhecido como tactor, transforma um sinal alternado em vibração. Os tactores utilizados no projeto são transdutores para estimulação da pele cujo modelo é VBW32 da empresa Audiological Engineering Corporation. Esses tactores possuem sua frequência de atuação ótima à 250Hz, que coincide com a frequência de maior sensibilidade dos mecanorreceptores da pele. Esse tactor tem seu melhor desempenho quando estimulado com sinal do tipo senoidal; com funcionamento similar ao de um solenoide ou um alto-falante, movimenta o eixo conforme a corrente elétrica presente em sua bobina. Esse deslocamento depende da amplitude do sinal aplicado. Os sinais positivos deslocam o núcleo para um sentido enquanto os negativos o deslocam para o sentido contrário, gerando assim uma vibração na frequência do sinal aplicado.

25 Especificações técnicas do tactor: Resistência da bobina - 32Ω; Frequência de atuação ótima 250 Hz, 100Hz a 800Hz a níveis reduzidos; Consumo potência 200mW a um Duty Cicle de 100%. 2.3 Conversor analógico digital O conversor A/D (analógico para digital) é o periférico responsável pela discretização do sinal de áudio de entrada, gerando a partir da tensão aplicada a sua entrada um valor proporcional, relativo à precisão do mesmo. O conversor A/D no projeto está configurado para operação com precisão de 10bits e taxa de amostragem de 4600Hz. Tal taxa de amostragem é definida pelo teorema de Nyquist (ALEXANDER; SADIKU, 2003), que diz que a taxa de amostragem de um sinal deve ser no mínimo duas vezes a frequência de interesse quando o sinal está livre de ruídos. 2.4 Microprocessador dspic O dspic é um microprocessador de 16-bit que oferece uma boa capacidade de processamento, um sofisticado e flexível controle de interrupção, uma vasta opção de periféricos analógicos e digitais, controle de consumo de energia, controle de clock (relógio de máquina) flexível, proteção de sob-tensão, watchdog timer (monitor de continuidade de execução da aplicação), code security (proteção contra leitura do firmware gravado no dspic), emulação e debugação do código em tempo real, fluxo de dados comparáveis ao de DSP (em português, Processador Digital de Sinais) (MICROCHIP, 2009). 2.5 Amplificador Operacional O amplificador operacional é um dispositivo largamente utilizado no projeto, por ser um componente utilizado em muitas aplicações na instrumentação eletrônica, é imprescindível na construção de sistemas de processamento de sinais (CATHEY, 2002).

26 No projeto os amplificadores são utilizados em amplificadores de sinal, grampeadores de sinal, somadores de sinal e geradores de onda senoidal. Dentre os módulos que utilizam amplificadores operacionais desenvolvidos no projeto está o amplificador de entrada, com objetivo de controlar a amplitude do sinal de áudio para níveis que se adéquem a necessidade do sistema. A Figura mostra como se deu a implementação de tal módulo: Figura 2.5.1: Amplificador de entrada 2.6 Filtro Passa Baixa Outro módulo que faz uso de amplificadores operacionais é o filtro passa baixa chebyshev de 8ª ordem com frequência de corte de 2300Hz, responsável por atenuar as componentes de frequência que comprometem o ideal funcionamento do projeto, como ruídos e frequências sem interesse de análise. A frequência de corte foi definida pelo intervalo de frequência utilizada pela fala humana em condições normais de conversação. Esse intervalo de frequência pode se alterar em condições especiais como canto lírico por exemplo (ALEXANDER; SADIKU, 2003). Esse intervalo é demonstrado na Figura 2.6.1:

27 Figura 2.6.1: Frequencias da voz humana (FREQUÊNCIAS DA VOZ, 2009) A implementação desse módulo se dá como ilustrado na Figura 2.6.2: Figura 2.6.2: Filtro passa baixa 8ª ordem 2300Hz 2.7 Amplificador de Ganho ½ Outro amplificador de sinal utilizado é um amplificador de ganho ½ que, como o nome sugere, divide a amplitude do sinal pela metade como parte do processo de

28 adequação para posterior processamento (CATHEY, 2002). Sua implementação é ilustrada na Figura 2.7.1: Figura 2.7.1: Amplificador de ganho ½ 2.8 Grampeador de Sinal Dentre os módulos que utilizam amplificadores operacionais está o grampeador de sinal, com objetivo de introduzir uma componente contínua de sinal (CATHEY, 2002). A implementação é ilustrada na Figura 2.8.1: Figura 2.8.1: Grampeador de sinal

29 2.9 Somador de sinal O somador de sinal é a ultima etapa de controle do sinal de entrada para sua discretização no dspic e tem o objetivo de somar o sinal proveniente do amplificador de ganho ½ ao sinal do grampeador de sinal, gerando assim um sinal com amplitudes que variam de 5 a 0 volts (CATHEY, 2002). Sua implementação é demonstrada na Figura 2.9.1: Figura 2.9.1: Somador de sinal 2.10 Gerador de Onda Senoidal Ponte de Wien O gerador de onda senoidal implementado foi baseado no exemplo chamado de ponte de Wien e fornece o sinal a ser enviado aos tactores para estimulação. Este sinal possui amplitude de 10vpp e uma frequência de 250Hz (ALEXANDER; SADIKU, 2003). A implementação desse módulo é mostrada na Figura :

30 Figura : Gerador de onda senoidal ponte de Wien 2.11 dspic O dspic 30F4011 foi utilizado por possuir capacidade de processamento e os periféricos necessários para a implementação do projeto, como interface de comunicação SPI e UART, dispensando a utilização de demais dispositivos para suprir estas necessidades. Outro fator relevante para escolha desse dispositivo foi possuir disponibilidade e recursos de desenvolvimento no mercado (MICROCHIP, 2009). Os recursos do dspic utilizados no projeto foram: Conversor analógico digital; Interface de comunicação SPI; Interface de comunicação UART; Saída digital de dados. Tais recursos estão ilustrados na Figura :

31 Figura : Esquemático do módulo dspic 2.12 Potenciômetro Digital Com a necessidade de controle do sinal aplicado nos tactores, fez-se necessário o uso de potenciômetros digitais para a realização dessa função, atuando como divisores resistivos e altera a amplitude do sinal de entrada de acordo com os dados de controle enviados ao dispositivo. A partir dessa necessidade, com a pesquisa realizada, optou-se pelo MCP41100 como potenciômetro digital do projeto, por sua simplicidade de funcionamento e características satisfatórias à realização da tarefa. O MCP41100 possui uma variação da resistência de 0Ω a 100kΩ dividida em 256 passos, gerando uma variação média de 392 Ω por passo. A comunicação entre MCP41100 e o dspic é feita através de uma porta serial SPI (Interface serial de periféricos), que consiste na transmissão dos dados de forma serial, em conjunto com sinal de relógio, permite a sincronização necessária para transmissão dos dados. Adicionalmente à transmissão de dados, pelo fato do sistema ser constituído de cinco potenciômetros digitais, faz-se necessário o controle de seleção do

32 dispositivo através de saídas digitais do processador. Essa implementação, assim como a etapa de seguidor de tensão e ganho de corrente, é mostrada na Figura : Figura : Potenciômetro digital, seguidor de tensão e ganho de corrente 2.13 Seguidor de tensão O seguidor de tensão tem como objetivo minimizar o consumo de corrente na saída do gerador de onda senoidal; caso contrário este deveria fornecer corrente suficiente para suprir a demanda de um total de dez transistores na etapa de ganho de corrente. Utilizando um seguidor de tensão para cada potenciômetro digital, o consumo de corrente é restringido para apenas dois transistores, e a corrente é fornecida agora pelo seguidor de tensão, não mais pelo gerador de onda senoidal. Dessa forma tem-se uma garantia de não sobrecarga no gerador de onda senoidal propiciando um correto funcionamento do mesmo. A implementação dessa etapa é exemplificada na Figura Ganho de Corrente O ganho de corrente faz-se necessário devido à demanda de corrente dos tactores. Por esse motivo, foi desenvolvido um amplificador de corrente com objetivo de fornecer na saída da etapa de ganho de corrente o sinal de entrada mas com capacidade de fornecer corrente suficiente para o correto funcionamento dos tactores. Foi utilizado transistores do tipo NPN e PNP, com configuração Darlington para

33 compreender a fase positiva e a fase negativa do sinal e fornecer a corrente necessária aos tactores. Essa implementação é mostrada na Figura Implementação do Firmware O firmware foi desenvolvido utilizando-se a IDE de desenvolvimento MPLAB da Microchip e o compilador utilizado em conjunto com a IDE é o C30, também da Microchip. O uso do compilador C30 se fez necessário pelo fato de possibilitar total manipulação dos parâmetros de controle dos periféricos, necessário para a correta discretização do sinal dentro da necessidade para os cálculos do projeto. Outro motivo para o uso do C30 é ele possuir as bibliotecas necessárias para o cálculo da FFT, recurso necessário para execução do projeto e pelo fato dessa biblioteca estar disponível pelo fabricante do dispositivo, torna maior a confiabilidade na resposta e estabilidade no processamento do sistema. A discretização do sinal é realizada utilizando uma taxa de amostragem (número de amostras por segundo) de 4600Hz, sendo o dobro da maior frequência presente no sinal após seu tratamento na etapa inicial do hardware. Essa taxa de amostragem é suportada pelo teorema de Nyquist para que não apresente inconsistências nos valores calculados. Outro ponto importante a ser definido é o número de amostras do sistema, que define a precisão nos resultados encontrados. No projeto foi utilizado 128 amostras, o que dá uma precisão suficiente para análise dos resultados. Depois de realizada a discretização das 128 amostras, esses valores são transformados em domínio complexo para possibilitar o cálculo nas bibliotecas disponíveis. As bibliotecas utilizadas foram respectivamente FFTComplexIP, BitReverseComplex e SquareMagnitudeCplx, todas necessárias para o cálculo da FFT, reordenação dos dados e conversão dos valores para os números reais. De posse do conjunto de dados retornados do cálculo da FFT, é realizada uma separação desse conjunto por região de frequência e calculado dentro de cara região separadamente os valores que serão enviados para controle do potenciômetro digital. Uma vez calculados os valores a serem utilizados nos potenciômetros digitais, estes são enviados pela porta SIP do dspic para seu respectivo potenciômetro, programando-o para adequar a amplitude do sinal gerado para estimulação dos tactores. Ao término dessa etapa o processo se reinicia, gerando a cada

34 intervalo de tempo uma nova configuração de estimulação dos tactores. As etapas de acontecimentos do circuito ocorrem conforme ilustrado na Figura : Figura : Fluxograma do circuito do sistema