CPGEI (Mestrado): Eduardo Mussoi Esser

Design and development of an electronic system for the selective stimulation and simultaneous measurement of the skin impedance

Resumo: A estimulação da pele por corrente elétrica estimula alguns dos nervos periféricos e fibras do corpo humano, causando diversas reações tais como o aumento da produção de suor. Além disso, a análise dessas reações pode ser usada para diagnosticar doenças como diabetes. No entanto, grande parte dos aparelhos de estimulação elétrica comerciais utilizam sinais de onda quadrada. Esses sinais não são ideais uma vez que estimulam não somente as glândulas desejadas (fibras C), mas também as fibras A-delta do corpo, responsáveis pela sensação rápida de dor. Neste contexto, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema eletrônico para controlar a estimulação elétrica da pele humana. O objetivo do sistema é tornar possível o teste diferentes padrões de pulsos de corrente elétrica, a fim de obter a forma ideal para maximizar os efeitos desejados com um mínimo de dor. Como resultado do projeto tem-se o desenvolvimento de um dispositivo eletrônico microcontrolado que gera pulsos elétricos baseados em sinais pré-programados recebidos de um PC via USB. Além disso, o sistema é capaz de medir o valor da impedância da pele durante a estimulação elétrica, o que pode complementar o processo de diagnóstico. Os resultados dos testes realizados com o sistema mostraram que a intensidade da dor durante a estimulação pode ser minimizada de acordo com a forma do pulso, não alterando a amplitude e a energia do sinal. Além disso, uma pequena diferença na impedância da pele foi observada quando diferentes formas de onda foram aplicadas.

Palavras-Chave: Estimulação elétrica da pele, medição da impedância da pele, geração e aquisição de sinais e de sistemas de diagnóstico.

Abstract: It has been found that the stimulation of the skin by electric current stimulates some of the peripheral nerves and fibers of the human body, causing several reactions such as the increase of sweat production. Moreover the analyses of such reactions can be used to diagnose some diseases, for example diabetes. Nevertheless, most of the electrical stimulation devices, which use mostly square wave signals, are not optimal since they stimulate not only the desired glands (C-fiber) but also the Aδ-fibers of the body, responsible for the fast pain sensation. In this context, this work presents the development of a microcontroller based electronic system for controlling the electrical stimulation of human skin. The objective of the system was to make it possible to test different patterns of electric current pulses, in order to obtain the ideal shape for maximizing the desired stimulation effects with minimal pain. The result of the project was an electronic device that generates electrical pulses based on pre-programmed signals, which are received through a USB interface from a PC. Moreover the system was able to measure the skin impedance value during the electrical stimulation, complementing the diagnosis. The results of the tests carried out with the system showed that the pain intensity during the stimulation could be minimized according to the pulse shape not changing the amplitude and energy of the signal. Moreover a slight difference in the skin impedance was observed when different shapes were applied.

Keywords: Electrical Skin Stimulation, Skin Impedance Measurement, Signal Generation and Acquisition, Biomedical Diagnosis Systems