The Electrical Functional Stimulation (EFS) allows the direct connection between man
and machine through electrical signals. The last years growth in EFS is possible because of the
new technological resources that make it feasible. Restoring someone s vision or hearing, even
parcially, is one among several contribution that EFS may contribute to human s well-being.
However the interface between the electrical circuits and the tissue is sensitive to several factors.
Among several effects that may damage the tissue and electrode in EFS we can find those
caused by the electrical stimuli, this may harm the application. This work presents contributions
regarding electrical circuits topologies for safety stimuli in EFS. It is essential to ensure proper
electrical charge balance and a small residual voltage on the tissue-electrode interface. For
each of these problems one proposal is presented, both share circuit blocks. The blocks to
control intensity and polarity of stimuli are designed to avoid the integration of high voltage
devices. The current mode stimuli is generated using an ultra-low power charge redistribution
Digital to Analog Converter (DAC) for stimulus intensity definition. This DAC architecture
even simplifies the feedback mechanism that is obtained directly from measurement circuit.
The technic that uses only low voltage devices to measure electrodes current is presented, it
is suitable to implement the charge balance control in an integrated circuit. This measurement
technique is insensitive to capacitors mismatch and to the current measurement absolute ratio.
That control is possible through the a simplified feedback path that joins the controller and
the measurement in an efficient way acting directly in the DAC. The proposed residual voltage
control technique requires only passive elements to be added to the circuit, that suggest a lower
power consumption. The charge redistribution DAC keeps residual voltage information stored,
in order to compensate it in next stimulation cycles. The stimulation cycle polarity is explored,
alternated cathodic and anodic-first cycles are used in order to reduce the charge imbalance and
residual voltage. Both proposals are presented and validated with electrical simulation, known
metrics are used and the performance is equivalent to state-of-art in literature. / A estimulação elétrica funcional(EFS) faz a interface direta entre o homem e a máquina,
por meio de sinais elétricos. A viabilidade advinda de novas tecnologias justifica o seu crescimento
nos últimos anos. Restaurar a visão ou a audição, mesmo que parcialmente, são duas das
inúmeras contribuições que pode proporcionar para o bem estar do ser humano. No entanto,
a interface entre o circuito elétrico e o tecido é sensível a diversos fatores. Entre os diversos
fenômenos que podem ocasionar danos ao tecido e ao eletrodo na interface de EFS estão os
causados pelo estímulo elétrico usado, e isso pode inviabilizar a aplicação. Neste sentido, este
trabalho apresenta contribuições relacionadas à topologia de circuitos para segurança na geração
do estímulo em EFS. O correto balanceamento de carga elétrica e a diminuição da tensão
residual, na interface entre o tecido e o eletrodo, são indispensáveis. Uma técnica é propostas
para a solução de cada um desses problemas, ambas compartilham blocos de circuito comuns. O
controle da intensidade e da polaridade de estimulação são concebidos para evitar a necessidade
de dispositivos de alta tensão. A geração de estímulos em modo corrente utiliza um Conversor
Digital para Analógico (DAC) do tipo redistribuição de carga de ultra baixo consumo de energia
para o controle da intensidade dos pulsos. Esse conversor ainda simplifica a realimentação, que
é derivada diretamente do circuito de medição. Como solução para viabilizar a implementação
em circuito integrado de controle do desbalanço de carga, uma técnica de medição usando
somente dispositivos de baixa tensão é apresentada. Essa técnica é tolerante ao descasamento
entre capacitores utilizados e à variação no ganho do circuito de medição de corrente. O controle
é possível por meio de um laço de realimentação simplificado, que une medição e controle
de forma eficiente e atua direto no DAC. A técnica proposta para controle da tensão residual
nos eletrodos requer somente adição de elementos passivos ao circuito, sugerindo a redução do
consumo de energia. O DAC tipo redistribuição de carga é usado para armazenar a informação
da tensão residual e a compensação no ciclo seguinte. A fase dos ciclos de estimulaçãotambém
é explorada, ciclos com fases alternadas são usados visando redução no desbalanço de carga e
tensão residual. As duas propostas são apresentadas e validadas por meio da simulação elétrica,
métricas conhecidas são utilizadas e o desempenho observado é equivalente ao estado da arte.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/5453 |
| Date | 12 June 2015 |
| Creators | Teixeira, Lucas |
| Contributors | Prior, Cesar Augusto, Aita, André Luiz, Sousa, Fernando Rangel de |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Informática, UFSM, BR, Ciência da Computação |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 100300000007, 400, 300, 300, 300, 300, 4202459d-9e85-4914-96c7-3a417b460e8e, 88adf14e-28bf-4e4d-a89a-7b841b4cf84d, bc0ae3f7-e39a-4e78-8286-b299d644e484, 16e69111-cd0d-439d-9944-d7a57cc7224d |
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