SISTEMA DE ELECTROMIOGRAFIA PARA EVALUACION DE LA ACTIVIDAD
MUSCULAR
I. INTRODUCCION
A lo largo de los aos, la electromiografa se ha venido
utilizando para el registro de la actividad elctrica en msculos
superficiales en protocolos clnicos. En la actualidad se realizan
estudios de la marcha, que es el estudio bsicamente del movimiento
del cuerpo humano, con el objetivo de rehabilitar algunas funciones
motoras daadas por afecciones neurolgicas. En estos estudios se
utilizan varias tcnicas para el anlisis de la marcha; por ejemplo,
la electromiografa (EMG).
Mediante un sistema de electromiografa, se puede determinar la
actividad muscular. Esto permite evaluar el trabajo coordinado de
determinados grupos musculares durante el ciclo ya que consiste en
el registro mediante electrodos de los potenciales elctricos o
evocados, que se producen en el musculo esqueltico cuando este se
activa. Por otro lado, sirve para evaluar el estado de los nervios
que controlan la musculatura y permite detectar con suma precisin
el grado de comprensin o de sufrimiento de los nervios; adems ayuda
a medir la velocidad de voltaje, y el ruido elctrico del musculo o
del nervio estableciendo con esto un diagnstico mdico.
En el paper seleccionado que es Sistema de Electromiografa del
cual nos basaremos, se habla sobre el desarrollo y construccin de
un sistema electromigrafo con cuya finalidad es obtener seales
elctricas de cada uno de los msculos del cuerpo humano. El presente
trabajo se divide en varias etapas distribuidas de la siguiente
manera: Adquisicin de la seal EMG, Amplificacin y filtrado de la
seal EMG y Digitalizacin, adquisicin y almacenamiento de la seal
EMG.
El propsito de ste documento el desarrollar y construir un
sistema que sea capaz de adquirir las seales electromiogrficas que
se generan durante la actividad muscular mediante el uso de
electrodos de superficie.
II. OBJETIVOS
1. Objetivo principalDesarrollar y construir un sistema para la
evaluacin muscular mediante electrodos de superficie.
2. Objetivos secundarios Analizar e interpretar las seales
elctricas obtenidas de los distintos msculos a estudiar. Disear los
circuitos de acondicionamiento adecuado de la seal
electromiogrfica. Hacer los clculos correspondientes en el diseo y
determinar los correctos dispositivos para un adecuado circuito.
Simular los diseos de los circuitos para tener un correcto
funcionamiento. Disear la interfaz amigable y fcil de usar para la
visualizacin de los datos obtenidos.
III. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO
Son muchas las razones por las cuales se debe abordar este tipo
de investigacin; Una de ellas es que las bioseales, constituyen un
campo cientfico muy interesante que involucra la fisiologa y la
psicologa, ms aun la tcnica de bioretroalimentacion, en la cual se
utiliza la electrnica para detectar y ampliar las actividades
corporales internas, que generalmente son demasiado sutiles para el
ser humano. Una vez que se est en capacidad de observar estas
actividades es posible tratar de modificarlas es decir ensear al
cuerpo a producir los resultados que el individuo desea
(bioretroalimentacion). Otra es que la EMG es una extensin y
profundizacin de diagnstico clnico neurolgico, como es ms sensible,
permite descubrir alteraciones subclnicas o insospechadas; al ser
cuantitativa permite determinar el tipo y grado de lesin
neurolgica. La cuarta razn. Por ltimo, las construcciones de
equipos biomdicos dan soluciones y soporte tecnolgicos a la
industria biomdica; dicho soporte va desde la elaboracin de
laboratorios estndares para la enseanza de las ciencias, hasta
altas aplicaciones cientficas en la medicin de parmetros de la
fisiologa humana como son la funcin pulmonar, presin sangunea,
conduccin nerviosa, actividad electrodrmica, etc. En s, son
mltiples las aplicaciones y soluciones que brindan a la
instrumentacin.
IV. APLICACIONES
En la actualidad, en el mbito mundial, existen muchas
aplicaciones en el uso de la electromiografa, por ejemplo, se usa
clnicamente para detectar algunas enfermedades neuronales y
neuromusculares. Cuando existen patologas neuromusculares se
muestran cambios en el anlisis de la seal electromiogrfica. A
partir de la seal obtenida mediante los electrodos, se puede
observar una seal elctrica anmala, la cual es indicador de que
existe una patologa, pudindose realizar tambin un anlisis
cuantitativo.
La electromiografa tambin puede ser usada en otras aplicaciones,
por ejemplo, la electromiografa de superficie permite estudiar la
actividad muscular en actividades dinmicas, siendo aplicable al
anlisis biomecnico, estudios de fatiga muscular, rendimiento
deportivo y por otro lado tambin se puede usar en rehabilitacin y
en el control y mantenimiento de prtesis mioelctricas. En la
biomecnica, la electromiografa tambin ayuda en el anlisis de una
determinada accin, por ejemplo, facilita tareas como definir la
participacin de los msculos en un determinado gesto o poder
observar la activacin muscular de un determinado segmento debido a
la motivacin de otro segmento muscular. El estudio de la fatiga
muscular es muy importante en reas como medicina del deporte,
medicina laboral y en ergonoma. Se manifiesta como una reduccin en
la capacidad de mantener un mismo nivel de fuerza en una contraccin
sostenida o como la incapacidad de poder ejercer un nivel de fuerza
inicial en contracciones intermitentes, y adems presenta cambios en
la actividad elctrica muscular, lo que produce un cambio observable
en la seal electromiogrfica censada. De esta manera se puede
establecer si se presenta o no un proceso de fatiga, observar cmo
va evolucionando en el tiempo y analizar su comportamiento frente a
diferentes situaciones.La electromiografa tambin se puede utilizar
en el deporte, como es el caso de su aplicacin en la evaluacin del
rendimiento deportivo. Para realizar una accin de manera eficaz, se
debe utilizar de manera correcta el trabajo muscular con el fin de
economizar el esfuerzo y prevenir lesiones. Durante el proceso de
entrenamiento de un deportista se puede hacer un seguimiento y
determinar ciertos aspectos a mejorar. A partir del anlisis de las
frecuencias de las seales electromiogrficas que se obtienen, se
puede mejorar la ejecucin de una tarea, en trminos de activacin
muscular y/o en trminos de fatiga muscular. En los ltimos aos, la
electromiografa tambin se est usando en el campo del deporte en
aplicaciones como la valoracin del tipo de fibras y en la
caracterizacin muscular.Por otro lado, la electromiografa se usa
tambin en procesos de rehabilitacin y en el control de prtesis
mioelctricas. En lo que se refiere a los procesos de rehabilitacin,
la electromiografa brinda datos de importancia en relacin con el
diagnstico y evolucin de las lesiones. Se usa esencialmente para
llevar un registro de la actividad muscular durante la
rehabilitacin, de esta manera se puede saber cmo van evolucionando
las lesiones y de acuerdo a cmo va la evolucin se puede optar por
seguir usando el mismo tratamiento de rehabilitacin o cambiar de
tratamiento para obtener una mejor evolucin de la lesin. En lo que
se refiere al control de prtesis mioelctricas, las seales
electromiogrficas superficiales (EMGS) son fuente de informacin
apropiada para el control de dichos dispositivos. Una prtesis
mioelctrica es un sistema accionado por servomotores, los cuales
son manejados a partir de seales electromiogrficas recogidas de la
parte del cuerpo en donde se coloca la prtesis, mediante el uso de
electrodos. Las razones para usar seales electromiogrficas obedece
a diferentes aspectos, como por ejemplo la facilidad para
recolectar las muestras, el respeto por la integridad de la persona
que usa la prtesis y la fcil remocin para efectos de calibracin y
mantenimiento. Como se ha podido observar, la electromiografa tiene
una gran variedad de aplicaciones, de las cuales solo se han
mencionado algunas. Con el paso de los aos, la electromiografa
tambin se ha desarrollado en los pases sudamericanos, donde se han
realizado estudios referidos al anlisis de la actividad muscular de
diferentes msculos mediante el uso de electromigrafos. Por ejemplo,
en Colombia se han realizado estudios referidos al anlisis de las
seales electromiogrficas para el control de una prtesis de mano,
influencia de fatiga muscular en las seales electromiogrficas. En
Argentina existen centros neurolgicos en donde se usa la
electromiografa en el desarrollo de estudios de fibra nica, el cual
es el mtodo electrofisiolgico ms sensible para la deteccin de
defectos en la transmisin neuromuscular, tales como la miastenia
gravis, el botulismo, entre otros. En Per, se usa la
electromiografa en algunas clnicas e institutos neurolgicos para
uso clnico, por ejemplo en la especialidad de neurofisiologa, con
el fin de estudiar el funcionamiento de los nervios y msculos del
paciente.
V. Especificaciones y/o Alcances
La presente trabajo tiene los siguientes: Se utilizarn
electrodos de superficie y no electrodos de aguja o invasivos. El
equipo contar con 6 canales. Las seales electromiogrficas obtenidas
sern visualizadas en una escala temporal, para lo cual se diseara
una interfaz PC amigable. Las seales obtenidas de los canales sern
visualizadas de manera simultnea. La alimentacin del equipo ser
mediante la conexin a la red elctrica, a 220V. El equipo estar
orientado como una herramienta para el estudio de las seales
electromiogrficas generadas en las extremidades. El equipo ser
porttil, es decir, ser ligero, maniobrable y sus dimensiones sern
pequeas, sin embargo, para la visualizacin de las seales obtenidas
se tendr que contar con una PC ya que utilizaremos un software que
requiere de un dispositivo extra.
VI. Marco Terico
6.1. Msculos La electromiografa (EMG) es el estudio de los
potenciales elctricos generados por los msculos durante el
movimiento o la contraccin. Es una de las principales tcnicas para
adquirir informacin del cuerpo. En el cuerpo humano existe una gran
cantidad de msculos, aproximadamente 650, los cuales hacen posible
el movimiento del cuerpo por medio de la contraccin. En el cuerpo
humano se pueden encontrar dos tipos msculos: el msculo liso y el
msculo esqueltico. Los msculos lisos o involuntarios estn presentes
en el aparato reproductor, excretor, en los vasos sanguneos y en
otros rganos internos. Estos msculos se contraen a causa de un
estmulo mediado por el sistema nervioso autnomo. En el caso del
msculo esqueltico o tambin conocido como msculo voluntario la
contraccin se produce como respuesta a cambios ambientales a causa
de la mediacin del sistema nervioso central. En la siguiente figura
se puede apreciar como un estmulo en la superficie de la piel se
transmite por medio de una fibra nerviosa al sistema nervioso
central, y luego una clula nerviosa motora enva un estmulo a travs
de sus fibras para generar la contraccin del msculo. A este proceso
se le conoce como acto reflejo, en cual se asegura una respuesta
inmediata realizando una accin protectora.
Figura 6.1Acto Reflejo
6.2. Contraccin muscular La contraccin muscular es el resultado
del acortamiento de las clulas, el cual se realiza por medio del
estrechamiento activo de los filamentos de actina y miosina. Cada
sarcmero es capaz de tener contraccin independiente. Cuando varios
sarcmeros se encuentran juntos, producen la contraccin del msculo
como un todo.
Durante la contraccin muscular, los filamentos de actina se
contraen hacia adentro, entre los filamentos de miosina y cuando
esto ocurre, se produce la contraccin muscular. La contraccin
muscular se podra resumir en las siguientes etapas o pasos
secuenciales: 1. Un impulso nervioso viaja a travs de una neurona
motora y llega a la unin entre esta y el msculo, luego la neurona
libera un compuesto llamado acetilcolina, el cual es un
neurotransmisor que posibilita el paso de un impulso nervioso desde
las terminales arborescentes del axn al rgano efector una vez que
ha sido activada por la enzima acetilcolinesterasa y al tiempo el
exceso de acetilcolina es degradado por otra enzima llamada
colinesterasa. 2. La acetilcolina se difunde a travs de la unin
entre la neurona y la fibra muscular y se combina con receptores en
la superficie de la fibra muscular. 3. Como resultado de esto, el
sarcolema, que es la membrana celular, sufre un cambio elctrico
denominado despolarizacin. La despolarizacin es nica en las clulas
musculares no estando confinada a la membrana celular ya que viaja
hacia el interior de ella a travs de los tbulos T, generando un
impulso elctrico el cual es denominado potencial de accin, que se
distribuye en el sarcolema. 4. Este potencial elctrico se
distribuye por medio de los tbulos T estimula la abertura de los
canales proteicos en el retculo sarcoplsmico, permitiendo as la
salida de iones de calcio y su flujo hacia el sarcoplasma, lo cual
posibilita la contraccin muscular.
Figura 6.2 Contraccin Muscular
6.3. Electrodos La bioelectricidad es un fenmeno natural que
ocurre debido a que los organismos estn compuestos de iones
positivos y negativos en distintas cantidades y concentraciones.
Para registrar los biopotenciales es necesario contar con un
elemento que haga interface entre el cuerpo y el equipo de medida,
este elemento es conocido como electrodo. Los electrodos hacen una
transferencia inica del tejido vivo del cuerpo hacia un dispositivo
electrnico, el cual se encarga de procesarla para posteriormente
obtener informacin til de la medicin. Los electrodos son usados en
la adquisicin de diferentes seales biolgicas, entre las cuales las
ms estudiadas y registradas son las electromiogrficas,
electrocardiogrficas y las electroencefalogrficas. Para la obtencin
y registro de estas seales, se usa por lo general dos tipos de
electrodos: los electrodos superficiales y los electrodos invasivos
o de aguja.
6.3.1. Tipos de electrodos Dentro de los tipos de electrodos, se
pueden encontrar 3 grandes grupos: los electrodos de superficie,
los electrodos de aguja y los microelectrodos. En la presente
investigacin se utilizarn electrodos de superficie, por lo tanto,
el estudio estar enfocado en este tipo de electrodos. Los
electrodos de superficie son colocados en la superficie de la piel
y son capaces de tomar registros poblacionales de la actividad
bioelctricas. Con la aplicacin de este tipo de electrodos no se ve
implicada la integridad de la piel del paciente y pueden ser usados
para realizar el registro y diagnstico a corto plazo como en la
aplicacin de un electrocardiograma o tambin se usan para el
registro a largo plazo como ocurre al realizar un monitoreo
cardiaco. El electrodo bsico de placa de metal consiste en un
conductor metlico en contacto con la piel mediante una fina capa de
un gel electroltico entre el metal y la piel con el fin de
establecer este contacto. Dentro de los electrodos de superficie
comnmente usados, se encuentran dos tipos de electrodos: los
electrodos secos y los electrodos de gel. a) Los electrodos secos
se usan principalmente en aplicaciones en donde la geometra o el
tamao de los electrodos no permiten el uso de gel. Los electrodos
en barras o el arreglo de electrodos son ejemplos de electrodos
secos, los cuales pueden estar hechos de aluminio, acero inoxidable
o titanio. Con los electrodos secos, es comn tener el circuito de
pre-amplificacin en el lugar de los electrodos, esto se debe en
parte a la alta impedancia electrodo piel asociada con los
electrodos secos. b) Los electrodos de gel utilizan un gel
electroltico como una interface qumica entre la piel y la parte
metlica del electrodo. Las reacciones qumicas, oxidativas y
reductivas, se llevarn a cabo en la regin de contacto de la
superficie del metal y el gel. Plata Cloruro de plata (Ag-AgCl) es
el compuesto ms comn utilizado en la parte metlica de los
electrodos de gel. La capa de AgCl permite que la corriente
producida por el msculo pase con mayor facilidad a travs de la unin
entre el electrolito y el electrodo. Esto introduce menor ruido
elctrico en la medicin, en comparacin con equivalente electrodos de
metal, por ejemplo Ag. Por este motivo, los electrodos hechos de
Ag-AgCl son usados en ms del 80% de las aplicaciones de EMG
superficial. Los electrodos de gel pueden ser desechables o
reutilizables. Los electrodos desechables son los ms comunes, dado
que son ms ligeros. Se pueden encontrar electrodos desechables de
diferentes formas y tamaos, y los materiales que componen el parche
y la forma del gel conductor vara entre los fabricantes. Con la
aplicacin adecuada, los electrodos desechables minimizan el riesgo
del desplazamiento del electrodo, incluso durante movimientos
rpidos. Una de las condiciones deseables en un electrodo, es que no
sea polarizado, esto significa que el potencial en el electrodo no
debe de variar considerablemente cada vez que la corriente pase a
travs de l; el electrodo de plata cloruro de plata (Ag/AgCl) ha
demostrado tener los estndares adecuados para lograr esta
caracterstica; adems, la interfaz piel-plata o piel-Ag/AgCl tiene
la mayor impedancia resistiva en el dominio de la frecuencia en
EMG.
6.4. Posicionamiento de los electrodos Existen diversos factores
que deben ser tomados en cuenta en lo referente al posicionamiento
de los electrodos con el fin de obtener una mejor seal
electromiogrfica. a) Localizacin y orientacin de los electrodos: el
electrodo debe ser colocado entre un punto motor y la insercin de
del tendn o entre dos puntos motores, y a lo largo de la lnea media
longitudinal el msculo. El eje longitudinal del electrodo, el cual
pasa entre las dos superficies de deteccin, debe estar alineado de
forma paralela a la longitud de las fibras musculares. En la figura
se muestra una representacin de la localizacin del electrodo.
Figura 6.3 Posicionamiento del electrodo
b) No colocarlos en o cerca del tendn del msculo: como las
fibras musculares se aproximan a las fibras de los tendones, las
fibras musculares se vuelven ms delgadas y menos en nmero,
reduciendo la amplitud de la seal EMG. Adems en esta regin la
dimensin fsica del msculo se reduce considerablemente, lo que hace
difcil localizar correctamente los electrodos y hace que la
deteccin de la seal sea susceptible al crosstalk debido a la
posible proximidad de los msculos agonistas.
c) No colocarlos en los bordes exteriores de los msculos: en
esta regin, el electrodo es sensible a la deteccin de
interferencias de seales de los msculos adyacentes. Para algunas
aplicaciones, las seales de interferencia pueden ser
indeseables.
6.5. La seal electromiogrfica Las seales electromiogrficas son
aquellas seales elctricas producidas durante la contraccin y
relajacin de un msculo. En el estudio de las seales
electromiogrficas, en especial durante la deteccin y registro de la
seal EMG, existen dos principales fuentes de preocupacin que
influyen en la fidelidad de la seal. La primera de ellas es la
relacin seal a ruido y la otra es la distorsin de la seal, lo que
significa que la contribucin relativa de cualquier componente de
frecuencia de la seal no debe ser alterada.Est establecido que la
amplitud de la seal EMG no tiene un patrn definido, es decir, es al
azar, y puede ser representado mediante una funcin de distribucin
Gaussiana. La amplitud de las seales EMG varan entre 0 y 10 mV y
estas pueden tener hasta una frecuencia de 10kHz. Existen muchos
estudios en relacin al rango de frecuencia en que se debe estudiar
la seal EMG, de modo que dentro de este rango se pueda obtener la
mayor cantidad de energa del potencial. Las seales tiles son
aquellas cuya energa est por encima del nivel de ruido elctrico. En
la figura se muestra el espectro de una seal electromiogrfica en un
rango de frecuencia de 0 a 500 Hz.
Figura 6.4 Seal Electromiogrfica (EMG)
Para obtener un registro confiable de la seal EMG es conveniente
obtener una seal que contenga la mxima cantidad de informacin
proveniente de la seal EMG y la mnima cantidad de contaminacin a
causa del ruido elctrico. Debido a esto, se debe obtener un mayor
SNR con la mnima distorsin de la seal EMG, por lo tanto, es
importante que cualquier dispositivo de deteccin o registro procese
la seal de manera lineal. Particularmente, la seal no debe ser
recortada, es decir, los picos de la seal EMG no deben ser
distorsionados ni filtrados innecesariamente.Figura 6.5 Diagrama de
bloques del EMG
Etapa de adquisicin de la seal EMG: Pre amplificacin: Las seales
generadas durante la contraccin muscular, por lo general varan
entre el rango de 0 y 10 mV, por lo que se necesitan amplificadores
que sean lo suficientemente sensibles para detectar y amplificar
las pequeas seales. Para esto se usarn amplificadores de
instrumentacin.
Etapa de amplificacin y filtrado de la seal EMG: Filtrado de la
seal: Se necesita obtener una seal limpia para un correcto anlisis,
por lo que se necesita filtrar la seal amplificada y limitar su
ancho de banda. El circuito se ve expuesto a ruido ambiental
procedente de dispositivos que emiten ruido a travs de ondas de 60
Hz, por lo que se debe usar un filtro que rechace exclusivamente el
ruido de 60 Hz y as obtener una seal pura de distorsiones. La seal
tambin est expuesta a otros tipos de ruido, como por ejemplo, ruido
inherente a los componentes electrnicos, ruido de artefactos en
movimiento, la inestabilidad de la seal y ruido debido a seales
ECG. Amplificacin: en esta etapa la seal ser amplificada con el fin
de estabilizar la seal filtrada y tambin obtener valores de
voltajes ms altos para que puedan ser convertidos posteriormente
por el ADC.
Etapa de digitalizacin, adquisicin, almacenamiento y
visualizacin de la seal EMG: Convertidor A/D: Se debe tener un
convertidor anlogo digital que posea una buena resolucin, no menor
a 8 bits, para que se obtenga posteriormente una seal fiable, para
lo cual requiere un microcontrolador que posea un ADC interno.
Microcontrolador: en esta etapa se usar un microcontrolador para
realizar la comunicacin con el ordenador, la cual se llevar a cabo
mediante USB. Visualizacin PC: Finalmente se desarrollar un
software mediante el cual se pueda visualizar las seales obtenidas
de la actividad muscular en una escala temporal.
6.5.1. Etapa de adquisicin de la seal EMG
GERMAN
6.5.2. Etapa de amplificacin y filtrado de la seal EMG:
6.5.2.1. Filtrado de la seal EMG: Una de las partes ms
importantes de un acondicionador de seales es el filtrado, el cual
determinar el ancho de banda del circuito, para la seal de EMG se
tienen componentes relevantes solo entre 15Hz y 500Hz, por lo
tanto, el circuito solo debe dejar pasar las seales que se
encuentren en este rango.
Una vez que se ha obtenido la seal amplificada de la etapa de
pre-amplificacin, se debe proceder a filtrar la seal, para
delimitar su ancho de banda, el cual estar limitado entre los 20 y
500 Hz debido a que en este rango de frecuencias se encuentra la
mayor energa de la seal electromiogrfica. Por otro lado, tambin se
filtrar la seal a 60Hz para poder eliminar el ruido proveniente de
la red elctrica. Luego de la etapa de filtrado se pretende obtener
un ruido que este en el rango de los mV, especficamente que el
ruido sea menor a 5mV, ya que a una escala de visualizacin de
1V/divisin este ruido no ser apreciable para el posterior anlisis
de las seales electromiogrficas.
Entre las configuraciones de filtros ms conocidos, se encuentran
el filtro Butterworth, Chebyshev y Bessel. En la siguiente figura
se puede observar una comparacin entre la respuesta en frecuencia
de los filtros mencionados anteriormente.
Figura 6.6 Comparacin de la respuesta de los filtros
De lo anterior, se llega a la conclusin de usar filtros
Butterworth para el diseo de los filtros a utilizar debido a que
presenta una magnitud plana en la banda de paso en comparacin a los
otros filtros, y por otro lado, la pendiente con que desciende es
bastante aceptable.
Figura 6.7 Comparacin de los Opamps recomendados
En esta etapa el circuito ser alimentado por la fuente bipolar
de +/-15VDC generados en la etapa de alimentacin. Se utilizarn los
opamp TL074 basndose a que tiene un SLEW RATE y CMRR alto. Para el
diseo del filtro pasa banda que se necesita disear, se usarn dos
filtros de segundo orden en cascada, uno pasa altos y uno pasa
bajos, en la configuracin Sallen Key. El filtro Pasa Altos tendr
una frecuencia de corte de 20Hz y el filtro Pasa Bajos tendr una
frecuencia de corte de 500Hz.
Figura 6.8 Filtros segn el grado de orden
Se procede a disear el filtro Pasa Altos. En la figura 6.9 se
observa la configuracin de un filtro Pasa Altos de segundo orden
con alimentacin bipolar.
Figura 6.9 Filtro Pasa Altos de segundo orden en configuracin
Sallen Key
Se procede a disear el filtro Pasa Bajas. En la figura 6.10 se
observa la configuracin de un filtro Pasa Bajas de segundo orden
con alimentacin bipolar.
Figura 6.10 Filtro Pasa Bajas de segundo orden en configuracin
Sallen Key
En la figura 6.11 se muestra la respuesta del filtro Pasa Banda.
Se obtuvo al unir en cascada el Pasa Altos con el filtro Pasa
Bajas. Figura 6.11 Filtro Pasa Banda de segundo orden en
configuracin Sallen Key
Una vez diseado el filtro pasa banda, se procede con el diseo de
un filtro para filtrar el ruido a 60Hz debido a la red elctrica.
Para esto se har uso de un filtro Notch con frecuencia de corte
(fc) de 60 Hz. En la figura 6.12 se muestra la configuracin de un
filtro Notch.
Figura 6.12 Filtro Notch para la eliminacin de 60 HZ
6.5.2.2. Amplificacin de la seal EMG:
Luego de la etapa de filtrado, se podr obtener una seal bastante
limpia, y limitada en el rango de frecuencias que se desea. En esta
etapa, luego de haber amplificado la seal con una ganancia de 100
en la etapa de pre - amplificado, se obtendr a la entrada de esta
etapa una seal de -1 a 1V. Ahora se amplificar la seal hasta
obtener un valor que est entre los -2.5V y los 2.5V para luego
mediante un sumador obtener una seal que est en el rango de 0 a 5V,
y as finalmente obtener la seal acondicionada para ser transmitida
al ADC. En la figura 6.13 se muestra un esquema de lo que se
realizar en esta etapa. Figura 6.13 Diagrama de flujo de la
amplificacin
En esta etapa se usara el Opamp TL074, los cuales sern
alimentados por la fuente bipolar +/-15VDC. Para el amplificador se
usar un opamp en configuracin no inversora con una ganancia de
2.5.
El voltaje que se sumar a la seal, se obtendr a partir de la
fuente de -15V que alimenta a los Opamp. Para obtener +2.5V se usar
una configuracin inversora con una ganancia de 1/6. En la figura
6.14 se muestra la configuracin inversora de un Opamp.
Figura 6.14 Configuracin inversora de un Opamp
Una vez que se tienen ambos voltajes se sumarn mediante un
sumador inversor cuya configuracin se muestra en la figura
6.15.
Figura 6.15 Configuracin sumador de un Opamp
Finalmente se utilizara un amplificador inversor para obtener la
salida que se requiere para la digitalizacin.
Figura 6.16 Etapa de amplificacin
6.5.3. Etapa de digitalizacin, adquisicin, almacenamiento y
visualizacin de la seal EMG:
6.5.3.1 Conversin Anloga - Digital y adquisicin de datos
Laconversin anloga digital y adquisicin se logra mediante un
dispositivo electrnico que nos permite transformar unaseal continua
en el tiempo (analgica), en una representacin digital muestreada a
una velocidad fija (expresada en nmeros binarios).Un convertidor
A/D acepta seales en un rango especifico de voltaje de acuerdo a
sus especificaciones tcnicas, el cual es subdivido en un numero de
niveles discretos llamados pasos, este nmero est dado por la frmula
2n-1, en donde n es el nmero de bits del convertidor A/D. El
proceso de digitalizacin consta de varios pasos: muestreo,
retencin, cuantificacin y codificacin. El muestreo, es la etapa en
la que se toman muestras de la seal continua; la velocidad de
muestreo depende de un reloj interno y recibe el nombre de
frecuencia de muestreo. La etapa de retencin se encarga de mantener
el valor de la muestra el tiempo suficiente para que pueda ser
procesado. El proceso de cuantificacin consiste en medir el valor
del voltaje recibido y asignarle un nico valor de salida.
Finalmente la etapa de codificacin consiste en traducir el valor
cuantificado a un valor binario. Para el diseo de las etapas de
digitalizacin y comunicacin con la PC, se pretende usar un
microcontrolador que sea capaz de realizar ambas etapas, de manera
que se simplifique el diseo del sistema. A continuacin se
presentarn los principales requerimientos con los que debe cumplir
el microcontrolador que ser elegido posteriormente. - Convertidor
anlogo digital interno. - Conversor anlogo digital de 8 canales. -
Resolucin mayor o igual a 8 bits. ()- Sea capaz de comunicarse con
la PC mediante comunicacin serial, Bluetooth.- Frecuencia segn
teorema de Nyquist (ms del doble de la frecuencia de corte)
Para este trabajo se design dsPic por cumplir los requerimientos
establecidos. El lenguaje de programacin que se utilizar es el
C.
6.5.3.2 Almacenamiento y visualizacin de la seal EMG
Teniendo la seal digitalizada del convertidor anlogo digital, la
cual es enviada a travs de la comunicacin serial o Bluetooth a una
computadora, y utilizando el software MATLAB para la programacin de
cuatro etapas: Adquisicin (seal digitalizada), lectura, escritura y
almacenamiento
VII. SIMULACIONES
7.1. Etapa de adquisicin de la seal EMG
GERMAN7.2. Etapa de amplificacin y filtrado de la seal EMG:
Filtrado de la seal EMG:
Calculo de los valores de los dispositivos electrnicos a
utilizar para el filtro Pasa Altos:
Elegimos los valores de los condensadores:
Figura 7.1 Filtro Pasa Altos con los valores obtenidos
Calculo de los valores de los dispositivos electrnicos a
utilizar para el filtro Pasa Bajas:
Elegimos los valores de los condensadores:
Figura 7.2 Filtro Pasa Bajas con los valores obtenidos
En la figura 7.3 se muestra la respuesta del filtro Pasa Banda.
Se puede observar de la grfica, que la frecuencia de corte del pasa
altos es aproximadamente de 20Hz y en el pasa bajo es de
aproximadamente 550Hz, lo cual se encuentra dentro del rango que se
desea obtener. Se obtuvo al unir en cascada el Pasa Altos con el
filtro Pasa Bajas.
Figura 7.3 Filtro Pasa Bajas con los valores obtenidos
Luego se obtuvo una grfica del filtro pasa banda en la siguiente
figura 7.4.
Figura 7.4 Grafica de un Filtro Pasa Bandas
Calculo de los valores de los dispositivos electrnicos a
utilizar para el filtro Notch:
Elegimos los valores de los condensadores:
Figura 7.6 Filtro Notch con los valores obtenidos
Figura 7.7 Grafica del Filtro Notch con los valores
obtenidos
Figura 7.8 Grafica de la etapa de filtrado con los valores
obtenidos
Amplificacin de la seal EMG:
Para el amplificador se usar un opamp en configuracin no
inversora con una ganancia de 2.5. Se sabe que
Para obtener +2.5V se usar una configuracin inversora con una
ganancia de 1/6.
Una vez que se tienen ambos voltajes se sumarn mediante un
sumador inversor.
Entonces, dado que las resistencias no afectan en gran manera,
se elegir:
Seguidamente, ya que te tendr el voltaje entre 0 y -5V, se usar
un amplificador inversor de ganancia 1 con el fin de obtener la
seal entre 0 y 5V.
Figura 7.9 Grafica de la etapa de amplificacin con los valores
obtenidos
7.3. Etapa de digitalizacin, adquisicin, almacenamiento y
visualizacin de la seal EMG:
HECTOR
VIII. RESULTADOS
IX. CONCLUSIONES Y/O RECOMENDACIONES
En el presente trabajo se logr desarrollar y probar en simulacin
las etapas del sistema capaz de evaluar la actividad muscular
mediante el uso de electrodos de superficie. Asimismo, se logr
analizar e interpretar las seales obtenidas durante la contraccin
de estos msculos.
El circuito de acondicionamiento anlogo desarrollado en este
trabajo, la etapa de amplificacin, filtrado y amplificacin y
acondicionamiento, mostr ser adecuado para las seales EMG medidas.
Se pudo observar que el ruido fue reducido de las seales de inters,
aproximadamente 1mV, logrando obtener seales con una relacin seal a
ruido de aproximadamente 72dB, de manera que puedan ser analizadas
y tratadas posteriormente.
En el futuro, se pueden implementar filtros que sean de mayor
orden o filtros digitales, con el fin de filtrar la seal lo ms que
se pueda y obtener una seal que contenga menor ruido, es decir, que
posea una relacin seal a ruido (SNR) mayor a la obtenida en este
trabajo.
En la digitalizacin de las seales, se pueden usar conversores
anlogos digitales (ADC) que posean una mayor resolucin y a la vez
realicen la conversin a mayores velocidades, con el fin de obtener
una cantidad mayor de puntos de informacin de las seales EMG.
En lo que respecta al software desarrollado, se pude desarrollar
otro tipo de interfaz, de manera que este sea capaz de obtener una
mayor cantidad de capturas por segundo, con el fin de perder menos
informacin con relacin a las seales EMG obtenidas.
Los electrodos de superficie, tanto los bipolares como el de
referencia, deben ser siempre posicionados siguiendo las pautas
brindadas por el SENIAM, de lo contrario podran presentarse
problemas al momento de adquirir las seales bioelctricas y de esta
manera el sistema podra no funcionar de la mejor manera.
Usar siempre un gel electroltico entre el electrodo de
superficie y la piel para que la conduccin de las seales sea mayor
y se pueda visualizar las seales bioelctricas con una mejor
calidad.
X. BIBLIOGRAFIA
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Herrera Esther. Desarrollo histrico y fundamentos tericos de la
electromiografa como medio diagnstico. Rev Cubana Med Milit
[Online] 2006 [citado 03 Setiembre 2011]; 35(4) Disponible en URL:
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en el deporte. Apunts Med Esport [Online]. 2010 [citado 03
Setiembre 2011]; 45(165):127-136. Disponible en URL:
http://www.apunts.org/watermark/ctl_servlet?_f=10&pident_articulo=13151509&pident_usuario=0&pident_revista=278&fichero=278v45n166a13151509pdf001.pdf&ty=70&
accion=L&origen=apunts&web=www.apunts.org&lan=es
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Influencia de la fatiga muscular en la seal electromiogrfica de
msculos estimulados elctricamente. Rev EIA [Online] 2007 Junio
[citado 05 Setiembre 2011] Nmero 7, p. 111-119. Disponible en: URL:
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XI. INTERACCION
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