Cada vez mais os dispositivos eletrônicos que interfaceiam com o corpo humano se tornam disponíveis, não apenas para as aplicações médicas, como também com aplicações comuns que incluem vestíveis, monitoramento de atividade física, segurança, controle remoto e muito mais. Isso significa que cada vez mais a eletrônica interfaceia com o corpo humano, exigindo do projetista um conhecimento adicional que é saber com que tipo de sinais devem trabalhar. Neste artigo tratamos justamente disso.
O corpo humano é um meio condutor de características específicas que devem ser conhecidas por todos que fazem projetos de dispositivos que devem Interfacear com ele e mesmo pelas pessoas que apenas trabalham com eles tais como médicos, fisioterapeutas, etc. O corpo humano pode ser considerado uma solução iônica, cheia de dispositivos que geram potenciais elétricos fixos ou ainda que produzem sinais elétricos de características especiais.
Como tratar com esses sinais exige um conhecimento muito grande do modo como são gerados, como se comportam e como podemos medi-los, captá-los para uso em dispositivos externos ou como podemos interferir neles gerando sinais externos de controle.
É claro que um bom conhecimento de anatomia e de fisiologia humana seria muito importante para complementar o que vamos analisar. No entanto, vamos procurar ser bastante didático em nossas explicações, permitindo que mesmo os que não sejam profissionais do ramo entendam.
Íons positivos e negativos
Quando um composto iônico, por exemplo, o cloreto de sódio (NaCl) se decompõe ao ser dissolvido em água, o cloro se separa do sódio formando íons positivos (Na+) e negativos (Cl-).
Esses íons podem servir de portadores de cargas, ou seja, transportar correntes elétricas, e se estiverem separados por uma barreira isolante, por exemplo, podem manifestar uma tensão entre eles. É o principio de funcionamento das baterias.
No corpo humano temos principalmente átomos como sódio, cloro, potássio que podem facilmente perder ou ganhar elétrons e quando estão num meio líquido como é o nosso corpo podem servir de portadores de carga transportando correntes elétricas ou ainda manifestando tensões entre determinados pontos, funcionando como pequenos geradores.
Assim, quando analisamos a presença de cargas e correntes em nosso corpo nos deparamos com dois tipos de cargas responsáveis por dois tipos de potenciais elétricos ou bio-potenciais que analisamos a seguir.
Podemos dizer que o corpo humano se comporta como uma verdadeira usina química, gerando sinais que podem ter diversas finalidades.
Os tipos de bio-potenciais
Para entender os potenciais que encontramos em nosso corpo, começamos justamente pelo nosso sistema nervoso. Este sistema é o responsável pela troca de informações entre as diversas partes de nosso corpo operando com dois tipos de potenciais.
As células de nosso sistema nervoso ou neurônios usam pulsos elétricos para se comunicar e assim formar uma poderosa rede que opera com sinais cuja complexidade vai muito além de simples impulsos, conforme veremos mais adiante. Na figura 1 temos a estrutura de uma célula nervosa comum.
Proteínas em forma de bastão na membrana da célula formam um canal de íons. Algumas delas formam um canal de disparo enquanto outras um canal de repouso. Abrir ou fechar os canais dependerá do íon que está ligado a eles.
Assim íons positivos (sódio) e íons negativos (potássio) mantém um equilíbrio de tal forma que os íons de sódio são bombeados para fora enquanto os de potássio para dentro.
Na condição de repouso todas as portas ou gates estão fechadas e assim existe uma concentração maior de potássio e menor de sódio dentro da célula e ao contrário fora. O sódio é então bombeado para dentro da célula e o potássio para fora da membrana. Com isso é mantido um equilíbrio que gera uma diferença de potencial constante, conforme mostra a figura 2.
Numa segunda etapa, uma troca constante de íons passa a ocorrer ao longo do axônio; Os íons de sódio entram na célula criando uma polarização positiva interna e negativa externa. Neste momento, a porta de sódio é fechada e a de potássio aberta. O lado externa fica negativo e o de dentro positivo. A figura 3 mostra o que ocorre.
Este processo propaga-se ao longo do axônio transmitindo assim a informação.
Este sem dúvida é o principal sinal elétrico que se utiliza em diversos tipos de análise do corpo humano. Na figura 4 temos um gráfico que mostra a intensidade dos sinais gerados.
Observe que a amplitude deste sinal é de 100 mV tipicamente, variando entre -70 mV e +30 mV. Um ponto interessante a ser notado é que se trata de uma propagação elétrica devido a trocas químicas (íons). Isso torna o sinal lento, em relação ao que esperamos de uma comunicação elétrica.
Enquanto que o sinal enviado por um interruptor acionado até uma lâmpada se propaga na velocidade da luz, os sinais elétricos nos neurônios são lentos. Isso explica o tempo de reação.
Entre o instante em que tocamos um corpo quente e a informação é transmitida ao cérebro e o tempo que o cérebro leva para reagir e enviar o comando de tirarmos a mão ocorre um tempo de 0,1 segundo, o que é muito se comparado com um circuito.
Mas, mesmo num circuito a velocidade de movimentação as cargas é muito menor em relação a onda de sinal transmitida. Há uma diferença que já analisamos em outros artigos detalhadamente.
Mas indo além, quando disparado ou excitado o neurônio não emite um único pulso com estas características. O funcionamento de um neurônio é muito mais complexo, podendo ser dito que ele opera com um elemento “PWM” e não uma simples porta lógica.
O entrelaçamento dos neurônios no nosso cérebro e em muitos outros pontos faz com que os sinais sejam complexos, o que dificulta bastante os tipos de interfaceamento que podemos elaborar. Figura 5
É interessante observar que os neurônios se adaptam ao tipo de estímulo que recebem e que os dispara produzindo sinais que mudam de padrão. Por exemplo, um sinal muito forte os inibe e muito fraco não os dispara. A faixa em que ocorre o disparo muda com a frequência dos estímulos. Por exemplo, muitos estímulos que inibem fazem com que ele passe a responder cada vez menos aos sinais de maior intensidade e a resposta muda.
Estudamos justamente este comportamento do neurônio quando fizemos pesquisa na Escola Paulista de Medicina (anos 70) quando procurávamos desenvolver um neurônio artificial eletrônico.
Interligando neurônios com propriedades adaptativas seria possível construir uma estrutura capaz de aprender, como a Tartaruga de Grey Walter de que já tratamos em outro artigo (MA104) e também na presença de misteriosas interações quânticas como se descobriu recentemente (PN043).
Assim, muito mais do que ligar eletrodos nas pessoas para captar os sinais ou pulsos externamente, a sua interpretação é extremamente complexa. Ainda não temos condições, por exemplo, de “ler o pensamento” baseados nos sinais captados a partir do cérebro.
Mas, mesmo assim, alguns tipos de sinais podem ser considerados consistentes para análise de comportamentos de nossos órgãos internos e mesmo diagnósticos, principalmente os que dependem do estímulos dos neurônios, caso do cérebro, do coração, etc.
Isso leva ao que denominados bio-sinais permanentes em contrapartida aos bio-sinais induzidos.
Dois tipos de bio-sinais
Considerando o que vimos, podemos dizer que encontramos em nosso corpo diversos sinais que se enquadram em duas grandes categorias. Os bio- sinais permanentes e os bio-sinais induzidos.
Os bio sinais permanentes são aqueles que se manifestam sem nenhuma ação externa. São inerentes ao próprio funcionamento do nosso organismo.
Podemos citar os sinais gerados pelo coração, pelo cérebro, pelos músculos,
Por outro lado temos os sinais que são induzidos, gerados quando uma excitação externa ocorre. Estes sinais normalmente são de curta duração, mas são usados em diversas aplicações médicas. Podemos usar estímulos de curta duração para verificar a reação de músculos, por exemplo.
Podemos ainda fazer uma classificação dos sinais de acordo com a sua natureza dinâmica, o que nos leva também a encontrar dois tipos de sinais.
Temos os sinais considerados estáticos que são aqueles que não mudam ou mudam muito lentamente ao longo do tempo como, por exemplo, a pressão sanguínea, a temperatura do corpo a resistência elétrica da pele. Os sinais dinâmicos são aqueles que apresentam variações rápidas de frequência, forma de onda ou intensidade.
E, é claro, para a eletrônica temos ainda uma classificação adicional que nos dirá que tipo de sensor e circuito devemos usar para sua análise. Esta classificação leva em consideração sua origem e natureza. Temos então.
- Sinais elétricos como os que permitem elaborar aparelhos que levantam o encefalograma (EEG), eletrocardiograma (ECG), etc.
- Sinais bio-mecânicos como os movimentos gerados pela respiração que permitem levantar o mecanorespirograma.
- Sinais bio-térmicos – como a temperatura do corpo e de órgãos específicos
- Sinais bio-magnéticos como os usados para analisar a atividade muscular , denominados MMG ou Mecanomiograma.
- Sinais bio-magnéticos que são usados na atividade de neurônios no cérebro também conhecidos como MMG (magnetomiografia). Eles se baseiam no fato de que a atividade elétrica com a movimentação de cargas nos neurônios produz campos magnéticos que podem ser detectados e analisados.
- Bio-sinais ópticos como os usados no fotopletismografia que registras as variações de volume da parte analisada do corpo ou membro que ocorre devido a fenômenos circulatórios. Esta técnica detecta problemas circulatórios.
- Bio-sinais acústicos – por exemplo no fonocardiograma em que se registra o funcionamento do coração a partir dos sons que ele emite.
- Bio-sinais químicos, como os que ocorrem na secreção de certas substâncias. Podemos citar o suor que pode afetar a condutividade da pela nas condições de estresse. A figura 6 dá uma ideia de alguns sinais que podem ser encontrados no corpo humano e seu uso na medicina.
O fato que deve ser ressaltado é que esses sinais, se bem que até há pouco tempo eram usados apenas pela medicina em diagnóstico hoje, com a evolução da tecnologia, e com o aparecimento de muitos equipamentos que interfaceiam com o organismo humano, eles encontram outras aplicações importantes.
Além disso, temos de considerar que, da mesma forma que o organismo gera sinais, como ele é condutor, apresenta sensibilidade a sinais externos. Assim, podemos citar o próprio choque elétrico.
Sinais externos podem estimular os nervos causando desde a simples sensação de formigamento ou ainda a excitação até a dor, paralisia de órgãos ou a morte. No cérebro podem induzir sons, imagens e comportamento os mais diversos.
Um uso desses sinais gerados externamente ou por dispositivos que não pertence ao organismo é o marca-passo cardíaco. Outro seria o implante de chips que corrigem o mal de Parkinson através de estímulos elétricos no cérebro. Temos ainda a inibição da dor como no caso do TENS (Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation – veja artigo MA008).
Aplicações não médicas
Mas, levando em conta ainda que o organismo humano tanto pode gerar sinais como receber sinais, podemos pensar numa infinidade de aplicações que vão além de simplesmente detectar o que há de errado dentro de nós ou corrigir eventuais problemas que tenhamos no funcionamento de nossos órgãos.
Com o desenvolvimento da tecnologia e a possibilidade de termos sensores extremamente eficientes para diversos tipos de grandezas físicas, ou ainda chips que podem ser implantados tanto recebendo sinais internos como gerando sinais de estímulos, uma infinidade de aplicações não médicas, mas que envolvem o interfaceamento de nosso corpo com o mundo exterior pode ser imaginada.
A biônica é apenas a ponta do iceberg. Temos uma boa quantidade de artigos explorando suas possibilidade na nossa seção de Meio Ambiente e Saúde (Artigos com a Sigla MA) e até livros e vídeos sobre o assunto.
Podemos aproveitar os sinais e a sensibilidade do corpo humano para criar projetos nas áreas de:
- Monitoramento de atividade física (fitness)
- Alimentação e saúde
- Condicionamento e percepção (psicologia)
- Estresse
- Segurança e biometria
- Bem estar e Interação com o meio ambiente
- Casa inteligente e IoT
Apesar de já vermos uma enorme quantidade de novos produtos no mercado, ainda existe muito a ser explorado.
O que o projetista precisa saber, entretanto, é como trabalhar com esses sinais, tanto levando-os ao corpo humano como extraindo-os e para isso algumas informações importantes devem ser consideradas. O corpo humano é um meio hostil para qualquer tipo de dispositivo externo e, além disso, se tentarmos colocar alguma coisa dentro dele existe o problema da rejeição.
Interferências, ruídos, efeitos galvânicos e muito mais podem ocorrer exigindo do projetista um cuidado muito grande principalmente com o modo como o interfaceamento é feito e também com a eventual influência que seu equipamento pode ter no próprio funcionamento do organismo.
Sensores de resistência em contato com a pele, por exemplo, podem ter um efeito galvânico. O metal forma com o meio condutor que representa a pele forma um meio que gera um potencial galvânico circulando entre eles uma corrente que tem um efeito de eletrólise.
O resultado disso é a corrosão do eletrodo, a formação de substâncias nocivas ao organismo que acabam por matar as células no local. Este é o efeito que ocorre quando um metal é atacado ao ser enterrado, uma barra de terra, por exemplo.
Lembramos ainda que os sensores, dependendo do tipo apresentam características que devem ser levadas em conta nas suas aplicações como a inércia (um sensor de temperatura demora certo tempo para equilibrar sua temperatura com a do corpo que deve medir), capacidade térmica (um sensor de temperatura troca calor com o corpo do qual mede a temperatura, afetando-a, precisão e muito mais que deve ser levado em conta pelo projetista.
Enfim, trabalhar com o corpo humano não é tão simples e o que vimos neste artigo é apenas uma parte do que o leitor deve saber. Na segunda parte do artigo (MA126) iremos adiante, analisamos de uma forma mais completa alguns sinais importantes do corpo humano que podem ser trabalhados e também alguns tipos de estímulos que podemos usar.
