Sistema de aquisição de dados para FES-Cycling

Abstract

A Lesão Medular (LM) é uma condição neurológica caracterizada pela interrupção parcial ou total das vias nervosas, resultando em perda funcional permanente e irreversível abaixo do nível da lesão. Além das limitações motoras, indivíduos com LM apresentam complicações secundárias, como atrofia muscular, redução da capacidade cardiovascular e alterações metabólicas decorrentes da imobilização. Nesse cenário, a Estimulação Elétrica Neuromuscular (EENM) tem se destacado como uma estratégia de reabilitação eficaz, promovendo contrações musculares artificiais por meio de impulsos elétricos aplicados sobre grupos musculares específicos. Dentre suas aplicações, destaca-se o FES-Cycling, uma modalidade terapêutica que integra a EENM a um cicloergômetro ou triciclo adaptado. Essa técnica utiliza a estimulação sincronizada para gerar o movimento cíclico de pedalada, recrutando funcionalmente os músculos dos membros inferiores. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema embarcado para utilização de FES-Cycling com controle em malha fechada, integrando sensores para aquisição precisa do ângulo do pedivela e sincronização da estimulação muscular. A arquitetura proposta utiliza um sensor de orientação absoluta BNO055, um encoder rotativo em quadratura e um encoder óptico, combinados aos microcontroladores ESP32 e ESP32-C3 Mini para aquisição e processamento dos dados em tempo real. Foram realizados testes experimentais com voluntários hígidos e com lesão medular, tanto em ambiente controlado quanto em condições externas. O sistema demonstrou desempenho satisfatório na detecção angular e na sincronização dos estímulos elétricos, comprovando sua viabilidade para aplicações de reabilitação acessíveis e personalizadas.

Spinal Cord Injury (SCI) is a neurological condition characterized by the partial or total interruption of neural pathways, resulting in permanent and irreversible functional loss below the level of injury. In addition to motor limitations, individuals with SCI present secondary complications, such as muscular atrophy, reduced cardiovascular capacity, and metabolic changes resulting from immobilization. In this context, Neuromuscular Electrical Stimulation (NMES) has emerged as an effective rehabilitation strategy, promoting artificial muscle contractions through electrical impulses applied to specific muscle groups. Among its applications, FES-Cycling stands out as a therapeutic modality that integrates NMES with a cycle ergometer or an adapted tricycle. This technique uses synchronized stimulation to generate the cyclic pedaling motion, functionally recruiting the lower limb muscles. This work presents the development of an embedded system for FES-Cycling with closed-loop control, integrating sensors for precise acquisition of the crank angle and synchronization of muscle stimulation. The proposed architecture utilizes a BNO055 absolute orientation sensor, a quadrature rotary encoder, and an optical encoder, combined with ESP32 and ESP32-C3 Mini microcontrollers for real-time data acquisition and processing. Experimental tests were conducted with healthy volunteers and individuals with spinal cord injury, both in a controlled environment and in outdoor conditions. The system demonstrated satisfactory performance in angular detection and synchronization of electrical stimuli, proving its viability for accessible and personalized rehabilitation applications.