Sistema de aquisição e de processamento em tempo real - Parte 2

O software, que será escrito em VHDL, terá vários algoritmos embutidos, tais quais o de redes neurais (Multi layer preception usando backpropagation ou levenberg-marquardt), PCA (Principal Component Analysis), ICA (Independent Component Analysis), FFT (Fast Fourier Transform), além de muitos outros para análise de componentes de energia, bandas de frequência (delta, teta, alfa, beta, gama) etc.
Estou escrevendo tudo em Scilab, o único algoritmo que foi escrito até agora foi o de backpropagation, o de levenberg-marquardt ainda estou estudando para a sua possível realização ainda este mês. O mais difícil de implementar dos citados acima deve ser o ICA, ou mais especificamente o algoritmo FastICA, que ainda deve demorar um tempo para a sua concretização, caso eu não encontre ninguém que possa me ajudar.
Ainda há muito a ser preenchido nesse projeto, se alguém puder me dar alguma força, eu agradeço.

Sistema de aquisição e de processamento em tempo real - Parte 1

Olá, estou com uma idéia na cabeça e vou começar a relatar os passos do desenvolvimento deste projeto.

O objetivo do projeto é fazer um sistema de aquisição e de processamento com código e hardware abertos(ainda não posso comentar sobre o custo) para que seja usado por pesquisadores do Brasil (do mundo, talvez) que estudam o corpo humano, principalmente o cérebro através da eletroencefalografia, utilizando um FPGA (Field Programmable Gate Array, Matriz de Portas Programáveis em Campo) como processador em tempo-real e um robusto sistema de aquisição com um SNR (Signal-to-Noise Ratio, Razão Sinal-Ruído) o mais alto possível que se possa obter, também olhando para o fator custo-benefício em razão do poder aquisitivo baixo da maioria dos campos de pesquisa no Brasil.  

Baseado na parte do sistema eletrônica da tese do doutorado do pós-doutor Vinícius Rosa Cota [1], um canal do sistema de aquisição vai consistir de uma pré-amplificação para aumentar o SNR do sinal desejado, uma amplificação para adequar a amplitude do sinal que entrar no ADC (Analogic-Digital Converter, Conversor Analógico-Digital), uma filtragem com o objetivo de retirar as frequências indesejadas do sinal ou limitar a frequência do sinal para que seja a metade da taxa de amostragem do ADC (de acordo com o teorema de Nyquist), finalizando com um ADC que será usado na conversão do sinal em bits para que seja usado por um computador, microcontrolador ou um FPGA (este é o que desejo).

A parte de processamento de sinais será feita digitalmente em um FPGA, escrito em linguagem VHDL (VHSIC Hardware Description Language, Linguagem de descrição de hardware VHSIC) [2]. O uso do FPGA foi por podermos paralelizar o processamento, ou seja, podemos fazer várias ações ao mesmo tempo, otimizando, assim, o tempo gasto, além de podermos também otimizarmos os cálculos do jeito que nós queremos. Em um microcontrolador, nós estamos limitados pelos recursos de hardware e software que o fabricante nos impõe.
Em um post posterior, eu direi quais os prováveis componentes que eu usarei, além de comentar sobre o custo aproximado de um canal usando esses componentes.

Quem quiser ajudar, estou a disposição para ouvir as críticas e elogios, mas prefiro as críticas e que elas sejam construtivas.

Bibliografia

[1] Cota, VR 2007, "Hiperexcitabilidade e hipersincronismo em modelos animais de epilepsia - Aspectos Temporais do recrutamento de substratos neurais na ictogênese", pp 36-47;

[2] VHDL - http://pt.wikipedia.org/wiki/VHDL, acesso em 12/12/2009.

Epileptologia, o que é?

Epileptologia é o estudo das causas e consequências dos ataques epilépticos em seres humanos. No trabalho de doutorado de Vinícius Rosa Cota, entitulado "Hiperexcitabilidade e hipersincronismo em modelos animais de epilepsia - Aspectos Temporais do recrutamento de substratos neurais na ictogênese" (2007), ele analisa os modelos de animais de epilepsia (em ratos) em que se usa Pentilenotetrazol (PTZ) e Pilocarpina (PILO) como indutores de ataques epilépticos, cada um tendo suas próprias vantagens.

Cota, também nesse trabalho, constrói um sistema de aquisição de dados eletroencefalográficos para ratos, que consiste de um sistema robusto que até um leigo pode usar facilmente, com uma inovadora amplificação diferencial na cabeça do rato que permitiu sinais com maior SNR (Signal to Noise Ratio, Razão Sinal-Ruído), e um estimulador elétrico que inova na parte da manipulação da amplitude da corrente, podendo esses dois aparelhos serem usados com maior abrangência do que encontrada nos aparelhos das bibliografias anteriores ao trabalho de Cota. Em relação aos aparelhos comerciais , os dispositivos de Cota conseguem se sair muito bem e até melhores em alguns aspectos.

Nos ratos do modelo PTZ, as crises mínimas e máximas, inerentes desse modelo, eram facilmente reconhecidas, assim como o início eletrográfico (início do ataque epiléptico), além do mais o ataque é isolado, ocorrendo apenas quando se aplica a dose. Os ataques induzidos pelo modelo PILO são mais parecidos com a epilepsia humana do lobo temporal, tendo como vantagens a recorrência aleatória das crises e a alteração morfológica e eletrofisiológica no circuito hipocampal, observada na ELT (Epilepsia de Lobo Temporal) humana.

Um achado do trabalho de Cota, em relação ao estimulador elétrico, está no algoritmo de aplicação dos pulso no cérebro. Em vez de aplicar pulsos periodicamente, o que poderia aumentar ainda mais o sincronismo que a epilepsia provoca nos ataques, ele aplica pulsos de uma forma pseudo-aleatória, usando um algoritmo simples de implementar. A aplicação de pulsos não-periódicos aumenta a tolerância do rato em relação aos ataques, ou seja, uma dose maior é necessária para que o animal vá a ter alguma crise.

Há muito mais coisas a se falar deste trabalho, mas não falarei neste momento.

Só para constar, Vinícius Rosa Cota fez o pós-doutorado (2009) sobre a ligação da memória com o sono no recentemente construído, mas importantíssimo, Instituto Internacional de Neurociências de Natal (IINN), o qual tem em um de seus idealizadores o renomado cientisa Miguel Nicolelis.

Neurologia e engenharia, hã?

Eu também me perguntei isso no início desse semestre, mas eu pude ver que o cérebro é a engenhoca, a máquina, mais perfeita que há. E eu não falo isso porque eu estudo engenharia, mas é porque a coisa é tão complexa, e ao mesmo tempo tão compacta, que fica difícil de nos sustentarmos sãos nesse emanharado de neurônios, sinapses e otras cositas màs que preenche nosso crânio.

O que me motivou a criar esse blog e o que me motivará a continuá-lo é o estudar, o pesquisar, do cérebro, que nos faz conhecer a nós mesmos e o que podemos fazer para melhorar a qualidade de vida das pessoas que sofrem de algum mal no cérebro.

Nessa primeira postagem, não posso deixar de falar do doutor Miguel Nicolelis, com suas pesquisas sobre a interface cérebro-máquina, parkinson, sono e memória, etc. Também há outros brilhantes pesquisadores tais quais o pós-doutor Sidarta Ribeiro, que pesquisa o sono e sua relação com os sonhos e as memórias, e o pós-doutor Vinícius Rosa Cota, que, na leitura de seu doutorado e no envio de e-mails, me ajudou a iniciar e a gostar da neuroengenharia, principalmente da área da epileptologia, no que consiste uma parte de seu ótimo doutorado. Há muitos outros pesquisadores desconhecidos que esperam pelo dia em que uma de suas pesquisas mudará, se não o mundo, a visão de outros pesquisadores e da sociedade.

E para não deixar de falar de mim, o meu interessa fica na epileptologia, doenças neurodegenerativas (mal de parkinson, alzheimer) e no sono relacionado com a memória. Pelo menos essas são as partes que eu quero pesquisar, como eu faço engenharia eletrônica na POLI - UPE deve ser meio "porreta" conseguir alguma coisa com um dos professores de medicina que pesquisam em alguma dessa áreas na UPE ou UFPE, espero que algum me atenda, espero que esse assunto seja mais debatido em pernambuco e seja levado à sociedade para que ela possa usufruir de todo esse estudo.

Espero ter deixado boa impressão, fiquem bem.