Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
SISTEMA DE ADQUISICIO%, RECEPCIO% Y
E%VIO DE SEÑALES
ELECTROMIOGRÁFICAS (EMG)
Por:
ROCÍO ARIAS GARCÍA
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
JULIO del 2010
SISTEMA DE ADQUISICIO%, RECEPCIO% Y
E%VIO DE SEÑALES
ELECTROMIOGRÁFICAS (EMG)
Por:
ROCÍO ARIAS GARCÍA
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Peter B. Zeledón Méndez
Profesor Guía
_________________________________
Ing. Jorge Badilla Pérez
Profesor lector
_________________________________
Ing. Moisés Salazar Parrales
Profesor lector
ii
DEDICATORIA
A mis papás: Rodrigo Arias Camacho y Vilma García Camacho
Por el apoyo incondicional que me han dado durante toda mi vida. Gracias por brindarme
todas las facilidades posibles para alcanzar esta meta. Son mi motivación para luchar cada
día y el reflejo de que el esfuerzo y la honestidad si triunfan en esta vida. Lo que más les
agradezco es el gran amor que me dan día a día en la hermosa familia de la que soy parte.
Los amo muchísimo.
A mi novio: José Francisco Chaves Zárate
En el 2006 juntos emprendimos esta meta de convertirnos en ingenieros, y hoy día lo
hemos logrado. Gracias por ser parte de esta etapa de mi vida y por tantos ratitos de
felicidad. Gracias por estar conmigo y por inspirarme a ser una mejor persona. Te amo hoy
y siempre.
“Ubi est thesaurus tuus,ibi est cor tuum”
iii
RECO%OCIMIE%TOS
Al Ing. Peter B Zeledón Méndez, mi profesor tutor, por su comprensión, paciencia y
confianza a lo largo del semestre.
Al Ing. Jorge Badilla Pérez por haber aceptado ser lector de este Proyecto.
Al Ing. Moisés Salazar Parrales por haber aceptado ser lector de este Proyecto.
Al Ing. Jaime Cascante, por las facilidades brindadas.
Al Ing. Aramis Pérez Mora, por las lecciones dadas.
A Xinia María Cerdas Quesada, por su disposición a colaborarme siempre.
iv
Í%DICE GE%ERAL
Í%DICE DE FIGURAS .................................................................. vii
%OME%CLATURA ........................................................................ ix
RESUME% ........................................................................................ x
CAPÍTULO 1: Introducción ........................................................... 1
1.1
Objetivos........................................................................................... 2
1.1.1 Objetivo general ................................................................................................... 2
1.1.2 Objetivos específicos ............................................................................................ 2
1.2 Metodología ............................................................................................. 3
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico ................................................... 4
2.1 Fisiología .................................................................................................. 4
2.1.1 Extensión y flexión de músculos ......................................................................... 4
2.1.1.1 Articulación de la Mandíbula .............................................................................. 4
2.1.1.2Movimientos de la Columna Vertebral ................................................................ 4
2.1.1.3 Articulación de la Cabeza con el Cuello ............................................................ 5
2.1.1.4 Cinturón del Miembro Superior ........................................................................ 6
2.1.1.5 Articulación del Hombro ..................................................................................... 6
2.1.1.6 Articulación del Codo .......................................................................................... 7
2.1.1.7 Articulaciones de la Mano .................................................................................... 7
2.1.1.8 Articulaciones de los Dedos de la Mano .............................................................. 7
2.1.1.9 Articulación de la Cadera .................................................................................... 8
2.1.1.10 Articulación de la Rodilla................................................................................... 8
2.1.1.11 Movimientos del Pie ........................................................................................... 9
2.1.1.12 Articulaciones de los Dedos del Pie .................................................................. 9
2.1.2 Transmisión neuromuscular-sinapsis mioneurales ......................................... 9
2.1.3 Conceptos de contracción muscular ................................................................. 10
2.1.4 Contracción en el músculo esquelético............................................................. 10
2.1.5 Contracción del músculo cardíaco ................................................................... 11
2.1.6 Contracción en el músculo liso ......................................................................... 12
2.1.7 Proceso de una contracción muscular............................................................. 13
v
2.1.8 Potencia crítica de un músculo ....................................................................... 14
2.2 Registro de la actividad eléctrica por medio de EMG ......................... 15
2.2.1 La señal eléctrica durante el reposo muscular. ............................................... 15
2.2.2 La señal eléctrica durante la contracción voluntaria. .................................... 15
2.2.3 La señal eléctrica durante la contracción muscular máxima ........................ 16
2.3 El sistema nervioso ................................................................................ 17
2.3.1 Sistema nervioso: Generalidades ...................................................................... 17
2.3.2 La médula centro de operaciones ..................................................................... 18
2.3.3 Los receptores que provocan dolor .................................................................. 19
2.3.4 Química neuromuscular .................................................................................... 20
CAPÍTULO 3: Acondicionamiento de la señal electromiográfica
.......................................................................................................... 21
3.1 Captación de la Señal Electromiográfica ............................................. 22
3.1.1 Tipos de Electrodos ............................................................................................ 24
3.1.2 Distancia entre electrodos ................................................................................. 25
3.1.3 Posicionamiento de los electrodos ................................................................... 25
3.2 Implementaciones necesarias ................................................................ 28
3.2.1 Primera Implementación. ................................................................................. 28
3.2.1.1 Amplificación ...................................................................................................... 28
3.2.1.2 Filtrado ................................................................................................................ 29
3.3 Implementaciones realizadas ................................................................ 35
3.4 Procesamiento de la información obtenida ......................................... 39
3.4.1 Conversor Análogo-Digital. .............................................................................. 39
3.4.2 Extracción de características y reconocimiento de patrones. ........................ 39
3.4.2.1 Aproximación Paramétrica ................................................................................ 40
3.4.2.2 Aproximación no paramétrica ........................................................................... 42
CAPÍTULO 4: Software AcqKnowledge ..................................... 44
CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones ....................... 50
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................ 52
A%EXOS .......................................................................................... 55
vi
Í%DICE DE FIGURAS
Capítulo 2
Figura 2 1 Estructura motoneurona ...................................................................................... 10
Figura 2 2 Contracción del músculo esquelético .................................................................. 11
Figura 2 3 Músculo cardíaco ................................................................................................ 12
Figura 2 4 Tejido Muscular Liso .......................................................................................... 13
Figura 2 5 Músculos del cuerpo humano .............................................................................. 14
Figura 2 6 Contracción muscular .......................................................................................... 16
Capítulo 3
Figura 3 1Acondicionamiento Señal Electromiográfica ....................................................... 21
Figura 3 2 Microelectrodo .................................................................................................... 23
Figura 3 3 Electrodo superficial............................................................................................ 23
Figura 3 4 Colocación de electrodos en el cuerpo parte trasera ........................................... 26
Figura 3 5 Colocación de electrodos en el cuerpo parte frontal ........................................... 26
Figura 3 6 Electrodos desechables ........................................................................................ 27
Figura 3 7 Conexión LM741 ................................................................................................ 28
Figura 3 8 Circuito de Amplificación ................................................................................... 29
Figura 3 9 Diagrama de conexión del NTE858M................................................................. 29
Figura 3 10 Topología del filtro a utilizar............................................................................. 31
Figura 3 11 Diagrama esquemático del filtro pasa alto ........................................................ 32
Figura 3 12 Diagrama de Bode para el filtro pasa alto ......................................................... 32
Figura 3 13 Diagrama esquemático filtro pasa bajo ............................................................. 33
Figura 3 14 Diagrama de Bode para filtro pasa alto ............................................................. 34
Figura 3 15 Circuito final ...................................................................................................... 34
Figura 3 16 Diagrama de Bode del circuito final .................................................................. 35
Figura 3 17 Circuito implementado en protoboard ............................................................... 36
Figura 3 18 Salida en frecuencia del circuito implementado ................................................ 36
Figura 3 19 Circuito final utilizando PBC Design de TINA ................................................ 37
Figura 3 20 Vista #1 en 3D del circuito final ....................................................................... 37
Figura 3 21 Vista #2 en 3D del circuito final ....................................................................... 38
Figura 3 22 Señal EMG típica durante una contracción muscular ....................................... 39
Figura 3 23 Diagrama de Bloques Filtro FIR ....................................................................... 41
Capítulo 4
Figura 4 1 Software y Hardware BIOPAC Systems Inc....................................................... 44
Figura 4 2 Señales obtenidas mediante el software Acq Knowledge ................................... 45
vii
Figura 4 3 Frecuencia de los datos EMG .............................................................................. 46
Figura 4 4 Electrodos incorporados ...................................................................................... 46
Figura 4 5 Señales obtenidas mediante electrodos ............................................................... 47
Figura 4 6 Integrado de la señal EMG .................................................................................. 48
Figura 4 7 Raíz cuadrada de la señal EMG .......................................................................... 48
Figura 4 8 Análisis de la señal EMG en frecuencia .............................................................. 49
viii
%OME%CLATURA
A/D Análogo-Digital
AR Autoregresivo (Autoregressive)
ARMA Autoregresivo Media Móvil (Autoregressive Moving Average)
ATP Adenosil Trifosfato
EMG Señales Electromiográficas
FMC Frecuencia de contracción máxima
MA Media Móvil (Moving Average)
PSD Densidad del espectro de potencia
PUM Potencial de Unidad Motora
SENIAM Electromiografía de superficie para la evaluación no invasiva de los Músculos
(Surface ElectroMyoGraphy for the Non-Invasive Assessment of Muscles)
ix
RESUME%
En el presente proyecto se da la incursión en el campo de la salud, que se vale de la
Ingeniería Eléctrica como complemento importante para dar un diagnóstico, es por ello que
la captación de señales electromiográficas (EMG) provenientes de los músculos que están
asociadas cualitativamente con el tipo de movimiento producido, son parte de esta temática
en boga actualmente. El interés del análisis de señales EMG radica en su utilidad para los
diagnósticos clínicos de patologías vinculados con la actividad neuromuscular.
Se diseña un sistema de adquisición, recepción y envío de de señales
electromiográficas, mediante lo aprendido en el curso de Electrónica 2 y las investigaciones
realizadas acerca del tema.
Se estudió la manera de captar la señal proveniente de los músculos mediante
electrodos (invasivos o no invasivos) Se realizó un circuito de acondicionamientos basado
en amplificadores operacionales, y filtros activos, para limitarlas frecuencias a estudiar, y
se investiga sobre el procesamiento de datos una vez que se pasa la etapa de
acondicionamiento de la señal.
Se analizó un Software de BIOPAC que tiene aplicación en la captación de Señales
Electromiográficas, y el modo de funcionamiento del software. Se familiarizó con los
comandos a utilizar.
x
CAPÍTULO 1: Introducción
Los antecedentes históricos del registro de actividad eléctrica se remontan a
mediados del siglo XVII, cuando el médico y científico italiano Francesco Redi, demostró
la existencia de un músculo especializado capaz de generar electricidad en el pez raya. En
1773 John Walsh reportó la generación de electricidad por la musculatura de la anguila.
En 1786 Luigi Galvani realizó sus famosos experimentos en una máquina
electrostática acoplada a ranas y llegó a la conclusión de la existencia de electricidad en la
musculatura de los organismos vivos.
Guillaume BA Duchenne en el siglo XIX realizó el primer trabajo sobre la dinámica y
función del músculo, construyó un equipo de estimulación neuromuscular, en sus
comienzos con fines terapéuticos, después investigativos y diagnósticos.
Erlanger J y Spencer Gasser H amplificaron señales eléctricas, estimulando una fibra
nerviosa en un osciloscopio de rayos catódicos y recibieron el premio Nobel de medicina y
fisiología en 1944.
La electromiografía convencional fue introducida por Adrián y Bronk en 1929. Uno
de los primeros reportes clínicos del estudio de enfermedades neurológicas con este método
lo realizó Weddel en 1944.
Las señales electromiográficas son señales eléctricas producidas por los músculos
durante una contracción muscular, son generadas por el intercambio de iones a través de las
membranas de las fibras musculares.
El estudio de la electromiografía se concentra en la actividad eléctrica presente en el
músculo estriado en estado de reposo y durante la contracción muscular, o sea, el registro
de las variaciones de voltaje producidas por las fibras musculares como expresión de la
despolarización de sus membranas.
Las EMG pueden ser medidas utilizando elementos conductivos o electrodos sobre la
superficie de la piel, o de manera invasiva sobre el músculo utilizando agujas. El primer
método es el más utilizado porque conlleva menores riegos y representa mayor comodidad
al paciente.
La amplitud de las señales EMG varía desde los µV hasta un bajo rango de mV
(menor de 10mV). La amplitud, y las propiedades de las señales EMG tanto en el dominio
del tiempo como en la frecuencia dependen de factores tales como:
•
El tiempo y la intensidad de la contracción muscular.
1
2
•
•
•
•
La distancia entre el electrodo y la zona de actividad muscular.
Las propiedades de la piel (por ejemplo el espesor de la piel y tejido adiposo).
Las propiedades del electrodo y el amplificador.
La calidad del contacto entre la piel y el electrodo.
Generalmente estas señales vienen contaminadas con ruido de diversas naturalezas tales
como: ruido proveniente de equipos eléctricos, medio ambiente, así como de factores
determinísticos, movimiento artificial y estabilidad de la señal. Debido a esto, el reconocimiento,
procesamiento, clasificación y descomposición de dichas señales se hace con el fin de obtener
unas características más claras que permitan análisis más exigentes.
El interés del análisis de señales EMG radica en su utilidad para los diagnósticos clínicos
de patologías vinculados con la actividad neuromuscular.
1.1Objetivos
1.1.1 Objetivo general
Diseñar un sistema de adquisición, recepción y envío de de señales electromiográficas
(EMG).
1.1.2 Objetivos específicos
•
Estudiar sobre señales electromiográficas
movimientos de extensión y flexión.
•
Desarrollar un sistema de acondicionamiento de señales electromiográficas:
(fisiología), en lo referente a
o Captación de la señal electromiográfica.
o Acondicionamiento de la señal (filtrado
amplificación).
o Convertidor Analógico-Digital.
•
Estudiar el desarrollo de un electroestimulador muscular:
o
o
o
o
Procesamiento de información
Convertidor Analógico-Digital.
Acondicionamiento de la señal (amplificación).
Envío de la señal electromiográfica.
y
3
•
Investigar sobre software existentes para el análisis de señales electromiográficas.
1.2 Metodología
Para la realización del proyecto la metodología a emplear es tipo investigativa, se
pretende indagar sobre el tema en libros, artículos de revistas de carácter físico-médico,
internet, proyectos de investigación, etc.
La información se va a recopilar y una vez que se abarquen los temas de interés y se
aclaren las dudas existentes, se procede a elaborar un informe en el cual se desarrollen los
objetivos uno a uno.
Se implementan los circuitos resultantes en una protoboard y se prueban en el
Laboratorio Eléctrico de la Escuela, y se observan y analizan los resultados obtenidos.
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico
2.1 Fisiología
2.1.1 Extensión y flexión de músculos
Este par de acciones se produce alrededor de un eje transversal a través de una
articulación. La flexión de músculos es el movimiento de una articulación que disminuye el
ángulo entre dos segmentos corporales adyacentes. Mientras que en la extensión de
músculos se aumenta el ángulo entre los segmentos corporales.
2.1.1.1 Articulación de la Mandíbula
•
Descenso de la mandíbula: se efectúa por los músculos milohioideo, geniohioideo y
vientre anterior digástrico. Este movimiento sólo es posible durante la fijación del
hueso hioideo por los músculos situados más abajo del mismo: músculos
esternohioideo, esternotiroideo, tirohioideo y omohioideo.
•
Elevación de la mandíbula: se efectúa por los músculos masetero, temporal y
pterigoideo medial.
•
Desplazamiento de la mandíbula hacia delante: se efectúa durante la contracción
bilateral del estrato superficial del músculo masetero y los músculos pterigoideos
medial y lateral.
•
Desplazamiento de la mandíbula hacia atrás y su regreso al lugar: se efectúa por el
estrato superficial del músculo temporal y el músculo milohioideo.
•
Desplazamientos laterales: se efectúan por el estrato superficial del músculo
masetero y los músculos pterigoideos medial y lateral del lado opuesto al
movimiento.
•
Regreso de la mandíbula de la posición lateral al lugar: se efectúa mediante los
fascículos posteriores del músculo temporal del lado opuesto.
2.1.1.2Movimientos de la Columna Vertebral
•
Extensión: musculatura autóctona del dorso en su totalidad y en ambos lados,
incluyendo al músculo esplenio de la cabeza y del cuello y al trapecio.
4
5
•
Flexión: esternocleidomastoideo, escalenos, largo del cuello, recto del abdomen, los
dos oblicuos abdominales, externo e interno, el psoas mayor. Todos los músculos
citados se contraen en ambos lados.
•
Inclinación lateral (derecha e izquierda): se efectúa por los mismos músculos que
realizan la flexión y la extensión, cuando dichos músculos se contraen solamente en
el lado donde tiene lugar la inclinación. A su acción coopera la contracción, también
unilateral, de los elevadores de las costillas, los intertransversos y el cuadrado
lumbar.
•
Torsión (rotación hacia la derecha o hacia la izquierda): se realiza por los músculos
que actúan unilateralmente. En la región cervical, los fascículos oblicuos superiores
e inferiores del largo del cuello, los fascículos oblicuos del erector espinal, el
oblicuo interno del abdomen del lado donde tiene lugar la rotación, y el oblicuo
externo del abdomen del otro lado.
2.1.1.3 Articulación de la Cabeza con el Cuello
•
Extensión (inclinación de la cabeza hacia atrás): el trapecio (estando fijo el cinturón
del miembro superior), los fascículos superiores de los músculos profundos del
dorso que se insertan en el cráneo (esplenio, dorsal largo, semiespinoso, los rectos
posteriores, mayor y menor, de la cabeza, el oblicuo superior de la cabeza. La
extensión de la cabeza se efectúa por ambos esternocleidomastoideos; sin embargo,
ellos flexionan la porción cervical de la columna vertebral.
•
La flexión (inclinación de la cabeza hacia delante) se realiza por: el recto anterior de
la cabeza, recto lateral de la cabeza, recto largo de la cabeza, y los anteriores del
cuello. Tanto la flexión como la extensión es verificada por los músculos citados,
cuando ellos se contraen en ambos lados.
•
La inclinación lateral de la cabeza (derecha o izquierda) se lleva a cabo por los
mismos músculos que realizan la extensión y la flexión, al contraerse
unilateralmente, y también por los músculos recto lateral de la cabeza y dorsal
largo.
•
La rotación de la cabeza (hacia la derecha e izquierda) es realizada por los
siguientes músculos: oblicuos externo e interno de la cabeza, el fascículo oblicuo
superior del largo del cuello, el esplenio y el esternocleidomastoideo. La rotación se
verifica por la contracción unilateral de los músculos citados.
6
2.1.1.4 Cinturón del Miembro Superior
•
Desplazamiento hacia arriba (de la clavícula y la escápula): fascículos superiores
del trapecio, elevador de la escápula y, en parte el romboideo. El descenso (de la
clavícula y la escápula) transcurre principalmente bajo la influencia del peso, con la
cooperación de la contracción de los fascículos inferiores del serrato anterior y las
fibras inferiores del trapecio, y también por la contracción del pectoral menor y
subclavio.
•
Desplazamiento hacia delante: serrato anterior, pectoral menor y pectoral mayor
(por intermedio del húmero).
•
Desplazamiento hacia atrás (de la clavícula y la escápula): romboideo, segmento
medio del trapecio y dorsal ancho (por intermedio del húmero). La rotación de la
escápula, que tiene lugar corrientemente al final del movimiento hacia arriba, se
efectúa por los fascículos inferiores del serrato anterior (que atraen al ángulo
inferior de la escápula en sentido lateral), y las fibras superiores del trapecio (que
atraen a la escápula hacia arriba y adentro). El movimiento inverso es realizado por
el romboideo, conjuntamente con el pectoral menor.
2.1.1.5 Articulación del Hombro
•
Flexión (movimiento hacia delante): segmento anterior del deltoideo, segmento
clavicular del pectoral mayor, coracobraquial, bíceps braquial.
•
Extensión (movimiento hacia atrás): segmento posterior del deltoideo, dorsal ancho
y redondo mayor. Ya que estos dos últimos músculos provocan además la rotación
hacia adentro del brazo, para contrarrestar esa acción se contraen aún más los
infraespinoso y redondo menor.
•
Abducción: deltoideo y supraespinoso.
•
Aducción: pectoral mayor, dorsal ancho y redondo mayor. Para contrarrestar la
rotación medial conjunta, participan los músculos infraespinoso y redondo menor.
•
Rotación medial: subescapular, pectoral mayor, dorsal ancho y redondo mayor.
•
Rotación lateral: infraespinoso y redondo menor.
7
2.1.1.6 Articulación del Codo
•
Flexión: bíceps braquial, braquial, braquiorradial, pronador redondo.
•
Extensión: tríceps braquial y ancóneo.
•
Pronación: pronador redondo y pronador cuadrado.
•
Supinación: supinador corto y bíceps braquial. También participa en ello el
braquiorradial, que coloca al antebrazo en una posición intermedia entre la
pronación y la supinación.
2.1.1.7 Articulaciones de la Mano
•
Flexión palmar de la mano: palmar largo, flexor ulnar del carpo, y también el flexor
radial del carpo, los flexores de los dedos, superficial y profundo, y el flexor largo
del pulgar.
•
Flexión dorsal de la mano: extensor radial, largo y breve, extensor ulnar del carpo y
también todos los extensores de los dedos.
•
Aducción de la mano (flexión ulnar): extensor ulnar del carpo y flexor ulnar del
carpo, actuando conjuntamente.
•
Abducción de la mano (flexión radial): extensores radiales, largo y breve y palmar
largo, en su contracción conjunta.
2.1.1.8 Articulaciones de los Dedos de la Mano
•
Flexión de cuatro dedos (excluido el pulgar): flexor de los dedos superficial y
profundo. Además, la falange proximal es flexionada por los lumbricales y los
interóseos. En la flexión del dedo meñique participa el flexor breve del meñique.
•
Extensión de cuatro dedos: extensor común de los dedos; para los dedos índice y
meñique existen además los extensores propios: extensor del índice y extensor del
meñique.
•
Abducción de los dedos (separación): interóseos dorsales.
•
Aducción de los dedos (acercamiento hacia el dedo medio): interóseos palmares.
8
•
Flexión del dedo pulgar: flexor largo del pulgar y flexor breve del pulgar.
•
Extensión del dedo pulgar: extensor largo del pulgar y extensor breve del pulgar.
•
Abducción del dedo pulgar: abductor largo del pulgar y abductor breve del pulgar.
•
Aducción del dedo pulgar: aductor del pulgar.
•
Oposición del dedo pulgar: oponente del pulgar.
2.1.1.9 Articulación de la Cadera
•
Flexión hacia delante (antefíexión): iliopsoas, recto femoral, tensor de la fascia lata,
sartorio y pectíneo.
•
Extensión (retroflexión): glúteo máximo, bíceps crural, semitendinoso,
semimembranoso, aductor mayor, así como los demás músculos que llegan a la
región del trocánter mayor por detrás (piriforme y otros).
•
Abducción: glúteo medio y glúteo mínimo.
•
Aducción: todos los músculos aductores, junto con el grácil y el pectíneo.
•
Rotación medial: los fascículos anteriores de los glúteos, medial y mínimo.
•
Rotación lateral: iliopsoas (en parte), glúteo máximo, los fascículos posteriores de
los glúteos medial y mínimo, piriforme, obturador interno con los gemelos,
cuadrado femoral y obturador externo.
2.1.1.10 Articulación de la Rodilla
•
Extensión: cuadríceps femoral.
•
Flexión: semitendinoso, semimembranoso, bíceps femoral, poplíteo, y también el
sartorio, el grácil y el gastrocnemio (estando fija la pierna por abajo).
•
Rotación medial: semitendinoso, semimembranoso, poplíteo, sartorio, grácil y la
cabeza medial del gastrocnemio.
•
Rotación lateral: bíceps temporal y la cabeza externa del gastrocnemio.
9
2.1.1.11 Movimientos del Pie
•
Flexión plantar del pie: tríceps sural, flexor largo de los dedos, tibial posterior,
flexor del dedo grueso, y peroneos largo y breve.
•
Flexión dorsal del pie: tibial anterior, extensor común de los dedos, extensor largo
del dedo gordo, peroneo tercero.
•
Pronación del pie (rotación medial) y abducción: peroneo largo, peroneo breve y
peroneo tercero.
•
Supinación del pie (rotación lateral) y aducción: tibial anterior, tibial posterior,
extensor del dedo grueso y, en parte, el tríceps sural.
2.1.1.12 Articulaciones de los Dedos del Pie
•
Flexión de los dedos: flexor largo de los dedos y flexor breve de los dedos. El dedo
grueso posee sus flexores: flexor del dedo grueso y flexor breve del dedo grueso.
•
Extensión de los dedos: extensor largo de los dedos y extensor breve de los dedos.
El dedo grueso tiene además el extensor largo del dedo grueso, largo y breve.
2.1.2 Transmisión neuromuscular-sinapsis mioneurales
La sinapsis es el proceso esencial en la comunicación neuronal y constituye el
lenguaje básico del sistema nervioso. Conducen el impulso nervioso sólo en una dirección,
desde el terminal pre-sináptico se envían señales que deben ser captadas por el terminal
post-sináptico. Existen dos tipos de sinapsis, eléctricas y químicas que difieren en su
estructura y en la forma en que transmiten el impulso nervioso.
La sinapsis mioneural se da entre el nervio y el músculo esquelético. Este músculo es
estriado, voluntario y rodea al esqueleto. A la neurona que interviene en este proceso se le
denomina motoneurona, es aquella neurona que va a conectar con el músculo esquelético.
La motoneurona es una neurona mielínica. El axón de la motoneurona va acercándose
al músculo, cuando contacta con el músculo el axón pierde una vaina de mielina y se divide
en múltiples botones terminales, estos botones siempre contendrán como neurotransmisor
la acetilcolina Los botones terminales se introducen a modo de invaginaciones por el
interior del músculo esquelético. Es una estructura muy desarrollada.
10
Figura 2 1 Estructura motoneurona [16]
También existe el músculo cardíaco y estriado, pero en ellos son dos los
neurotransmisores los que intervienen en el proceso (acetilcolina y catecolamina), en este
caso las conexiones nerviosas no están tan definidas como en el músculo esquelético.
2.1.3 Conceptos de contracción muscular
•
•
•
•
Simple: ocurre cuando al músculo le llega un solo potencial de acción y como
consecuencia produce una contracción-relajación (sacudida muscular)
Tetánica: sucede cuando al músculo le llega un tren de potenciales de acción, como
consecuencia hay una contracción mantenida. En el movimiento hay un código de
frecuencias de potenciales de acción con sus pausas para que eso sea ordenado.
Isométrica: ocurre cuando existe una contracción muscular pero esa contracción no
existe la completa aproximación de los extremos del músculo
Isotónica: supone la contracción con total aproximación de los músculos.
2.1.4 Contracción en el músculo esquelético
La motoneurona conduce el potencial reacción, este llega a la zona final de la neurona
presináptica y produce la apertura de canales de calcio, induce a la exocitosis y siempre
saldrán moléculas de acetilcolina, la acetilcolina sale a la hendidura sináptica y es recogida
por las placas motoras e interacciona produciendo un potencial en placa.
En la segunda neurona habrá una apertura de los canales de sodio para poder llevarse a
cabo la despolarización de la fibra nerviosa. Si se alcanza el punto crítico de disparo se
generará un potencial de acción.
11
Figura 2 2 Contracción del músculo esquelético [16]
El potencial de acción viajará por las fibras musculares esqueléticas, una vez en las
cisternas terminales liberarán el calcio, este calcio liberado interaccionará con las proteínas
contráctiles del músculo (actina y miosina) y se producirá un acortamiento de los extremos
terminales, lo que supondrá la contracción muscular, para esta se requiere la presencia de
ATP (Adenosil Trifosfato) a este proceso se le denomina acoplamiento excitacióncontracción
2.1.5 Contracción del músculo cardíaco
El músculo cardíaco es un músculo estriado, en su sinápsis intervienen dos
neurotransmisores (acetilcolina y catecolamina), es un músculo involuntario. El potencial
de reposo en la fibra cardiaca es bastante estable, aproximadamente sobre -80 mV, es
mantenido.
Si se estimula la fibra se generará un potencial de acción porque es una célula
excitable. El potencial de acción tiene una mayor amplitud, de unos 200 msg. Las
permeabilidades que intervendrían en el corazón son:
•
•
•
Despolarización del Na
Meseta de Ca
Hiperpolarización del K
12
El corazón tiene su propio sistema automático marcapasos, tiene capacidad para
generar aisladamente impulsos (automatismo cardíaco). Las zonas marcapasos son en nodo
sinusal y el auriculoventricular, ellos solos pueden generar impulsos propios.
Figura 2 3 Músculo cardíaco [16]
2.1.6 Contracción en el músculo liso
El músculo liso se encuentra principalmente en las vísceras internas como el aparato
digestivo, el útero, los uréteres, etc. Es liso porque en su anatomía no hay fibras
transversales. Está regulado por terminaciones nerviosas que contienen la acetilcolina y
catecolamina.
El potencial de reposo del músculo liso es bastante inestable, está despolarizado,
alrededor de -50 mV y por tanto al estar más despolarizado tiene tendencia a generar
contracciones espontáneas.
13
Figura 2 4 Tejido Muscular Liso [16]
2.1.7 Proceso de una contracción muscular
La contracción muscular se produce de la siguiente manera: Cuando un impulso
nervioso viaja a través de una neurona motora y llega a la unión entre esta y el músculo, la
primera libera un compuesto llamado acetilcolina una vez que ha sido activada por la
enzima acetilcolinesterasa y al tiempo el exceso de acetilcolina es degradado por otra
enzima llamada colinesterasa.
La acetilcolina se difunde a través de la unión (fisura mioneural) entre la neurona y la
fibra muscular y se combina con receptores en la superficie de esta última. En respuesta a
esto, el sarcolema (membrana celular) sufre un cambio eléctrico llamado despolarización.
La despolarización es única en las células musculares no estando confinada a la
membrana celular ya que también viaja hacia el interior de ella a lo largo de los túbulos T,
iniciando un impulso eléctrico que se distribuye en el sarcolema, el cual se conoce como
potencial de acción.
El impulso eléctrico se distribuye a través de los túbulos T y estimula la abertura de
los canales proteicos en el retículo sarcoplásmico, permitiendo la salida de iones de calcio
(Ca2+) y su flujo hacia el sarcoplasma lo cual posibilita la contracción muscular. El
relajamiento de los músculos se lleva a cabo cuando el calcio se bombea de nuevo hacia el
retículo sarcoplásmico.
14
Figura 2 5 Músculos del cuerpo humano [14]
2.1.8 Potencia crítica de un músculo
La potencia crítica de un músculo, representa el régimen de funcionamiento en unas
condiciones tales que pueda ser mantenida durante varias horas, esto es, a la máxima fuerza
que un músculo puede ejercer durante un tiempo indefinido, sin expresar fatiga, tanto que por
encima de ese comportamiento se llega al agotamiento local.
La frecuencia máxima de contracción (FMC) sólo se puede mantener durante unos
segundos; el 50% FMC un minuto aproximadamente; el 15% FMC, 10 minutos o incluso
varias horas. El requerimiento sucesivo, por estimulación repetida, termina por una caída del
nivel de contracción, perdiendo altura la onda de contracción, con una fase de relajación más
prolongada e imperfecta.
15
2.2 Registro de la actividad eléctrica por medio de EMG
2.2.1 La señal eléctrica durante el reposo muscular.
En un músculo normal en estado de reposo no se registra ninguna actividad
eléctrica, después de la inserción de la aguja electromiográfica es perceptible una rápida
actividad eléctrica en forma de ruido de placa debido a la irritación de las fibras
musculares, esta actividad suele durar escasos milisegundos. Los potenciales de placa
motora desaparecen al variar la posición del electrodo.
Dentro de la actividad eléctrica patológica registrada en estado de reposo, se tienen
los potenciales de denervación de fibras musculares, las fibrilaciones y las ondas positivas
de denervación que son descargas espontáneas de una fibra muscular.
La actividad de denervación es característica de los procesos neurógenos, donde se
afectan primariamente las estructuras nerviosas, aunque pueden observarse en algunas
miopatías sobre todo de tipo inflamatorio.
2.2.2 La señal eléctrica durante la contracción voluntaria.
Cuando se produce la contracción muscular, la aguja electromiográfica registra un
potencial resultante de la sumación temporal y espacial de la actividad de las fibras
musculares de la unidad motora, es el potencial de unidad motora. Las características del
potencial de unidad motora, dependen de la posición del electrodo dentro del músculo, del
número, tamaño e inervación de las fibras musculares componentes, del diámetro del axón
motor que las inerva, grosor de su capa mielínica, velocidad de conducción y su umbral de
despolarización.
El potencial de unidad motora (PUM) se caracteriza por varios parámetros, entre
ellos, la duración del potencial de unidad motora, que refleja el número de fibras
musculares de la unidad motora aunque no en su totalidad, sus parámetros no varían mucho
con la distancia del electrodo a las fibras musculares, se forma por el aporte de las fibras
musculares que se encuentran a 2,5 mm del electrodo de registro. La amplitud del potencial
de unidad motora está determinada por las fibras musculares que se encuentran a 0,5 mm de
la aguja. El área del potencial de unidad motora se forma por el aporte de las fibras
musculares que se encuentran a 2 mm del electrodo.
16
Figura 2 6 Contracción muscular [14]
2.2.3 La señal eléctrica durante la contracción muscular máxima
Durante la contracción muscular máxima se superponen todos los potenciales de
diferentes unidades motoras que descargan a diferentes frecuencias y se observa en la
pantalla del equipo electromiográfico un patrón por interferencia. La Asociación
Americana de Electro diagnóstico lo define como completo en un músculo normal y
reducido, muy reducido o de oscilaciones simples en condiciones patológicas. El patrón
interferencial depende de 2 procesos fundamentales, la activación y el reclutamiento. Los
patrones de reclutamiento se caracterizan objetivamente por la frecuencia de reclutamiento,
que es la frecuencia de descarga de cualquier unidad motora aislada cuando la próxima
unidad motora es reclutada y por el índice de reclutamiento, que es la relación entre la
frecuencia de reclutamiento y el número de unidades motoras activas.
17
2.3 El sistema nervioso
2.3.1 Sistema nervioso: Generalidades
El cuerpo humano no sería más que un fardo amorfo de órganos, huesos y músculos
si el sistema nervioso no le prestara la chispa que lo tensa. Los nervios ordenan a los
músculos que han de estar relajados o contraídos, avisan de los olores, ruidos e impresiones
que se están percibiendo; desencadenan el llanto el estornudo o el bostezo. Como un
autentico sistema telegráfico, los nervios pasan los informes del mundo exterior, o del
interior del cuerpo, hasta la médula espinal y el cerebro, donde este perfecto conmutador se
ocupa de emitir órdenes que los mismos nervios se encargaran de transmitir de vuelta y
ejecutar. Los mensajes van y vienen por esa especie de red electrificada que son las fibras
nerviosas.
Las neuronas son tan especializadas que no se pueden reproducir por sí mismas. La
mayor parte de ellas, en número de 10.000 a 20.000 millones, están en el cerebro. Del
sistema nervioso central (cerebro y médula espinal) parten numerosas fibras; otras llegan a
él. Las fibras son haces más o menos compactos que se entrecruzan y se mantienen juntos
por un tejido conjuntivo. Una variedad de estas fibras, las sensitivas, son las llamadas
aferentes, encargadas de llevar los estímulos hasta el cerebro y la médula; otras son las
motoras o eferentes, que envían las ordenes a los músculos para la correspondiente
respuesta.
Las células nerviosas que regulan la actividad de las fibras sensitivas están en la parte
exterior de la médula espinal; las células matrices de los nervios motores están dentro de la
sustancia cerebral y de la médula.
Las sensibles neuronas tienen terminaciones de finísimos latiguillos que, como las
ramas de los árboles, se desarrollan en distintas direcciones. Al final de algunas de estas
ramificaciones se encuentran pequeños mecanismos sensibles, los receptores, cada uno de
los cuales suele estar especializado en una sola sensación: luz, dolor, frío, presión, dilación,
etc. Los receptores del dolor solo reaccionan ante fuertes estímulos. Nuestra sensibilidad es
mayor en la lengua y en la yema de los dedos que en otras partes del cuerpo menos
decisivas. El cerebro concede mayor importancia a unos receptores que a otros.
Así como la telegrafía necesita de una corriente eléctrica exterior que le ponga en
funcionamiento, el sistema nervioso origina por si mismo esa corriente. Las neuronas,
como todos los tejidos animales y vegetales, contienen líquido dentro y fuera de ellas.
Ambos líquidos el intracelular y el extracelular, separados por una membrana de grasas y
proteínas, tienen diferentes concentraciones de iones, lo que origina el llamado potencial de
membrana.
El liquido intracelular tiene una alta concentración de iones de potasio, partículas
cargadas eléctricamente, y una baja concentración de iones de sodio. En el líquido
18
extracelular las concentraciones son opuestas. En situación de reposo el potencial de
membrana permanece fijo a unos 70mV y se dice que la membrana esta polarizada; el
interior tiene carga negativa y el exterior positiva.
Cuando el nervio conduce un impulso captado por los receptores, la membrana de la
neurona cambia momentáneamente sus propiedades en una determinada zona,
comportándose como si la hubieran perforado. Los dos líquidos la atraviesan y los
movimientos de los iones alteran el potencial de la membrana: el interior de la célula se
carga positivamente y el exterior negativamente, produciéndose una inversión de potencial
de la membrana. Cuando esto ocurre se establece una corriente eléctrica entre la zona
afectada de la célula y las zonas inmediatas propagándose velozmente.
La fuerza de los impulsos es siempre la misma; mediante la velocidad de los impulsos
el cerebro interpreta cada mensaje, sabe si debe responder con una reacción suave o
violenta. Según sus necesidades, las células pueden llegar a transmitir hasta a una velocidad
de trescientos kilómetros por hora. La velocidad depende del grosor de las fibras; cuanta
más gruesa más rápidamente efectúan la transmisión.
2.3.2 La médula centro de operaciones
Los impulsos van desde el receptor, a través de largas terminaciones de células, hasta
su centro, el ganglio espinal, al lado de la columna vertebral; de allí prosigue a la médula.
Las células nerviosas se extienden desde la punta de los dedos hasta la columna vertebral.
Cuando el impulso llega a la médula espinal, esta reacciona con un reflejo que ordena la
retirada del dedo. La respuesta refleja no sigue el mismo camino que el impulso nervioso,
pues las fibras nerviosas suelen ser de una sola dirección. El cerebro aun no ha recibido la
sensación de dolor cuando el acto reflejo se ha producido. Hará falta una fracción de
segundo para que la médula le informe y el llegue a la reflexión. El cerebro reconoce la
sensación gracias a su memoria almacenada por acontecimientos y sensaciones anteriores.
Los reflejos son más rápidos, vitales y primitivos que la reflexión, y en los animales
terrestres juegan un papel; importantísimo.
Naturalmente, también se realizan actos voluntarios: tomar un libro de la mesa y leerlo
no será normalmente un reflejo. Sin embargo, sabemos porque de repente se sienten tantos
deseos de leer. El grito de dolor y la retirada refleja del dedo responden a procesos
totalmente distintos; el primero se reconoce y provoca en el cerebro, el otro proviene de la
médula. Esto es evidente, también en el caso de las parálisis transversales. En ellas el
enlace entre el cerebro y las piernas está cortado. Si la médula se halla intacta hasta
determinada altura, las piernas reaccionaran a estímulos con movimientos reflejos, pero el
individuo no sentirá nada.
19
2.3.3 Los receptores que provocan dolor
Entre los diminutos receptores que se encuentran debajo de nuestra piel se encuentran
los corpúsculos de Messner y Paccini. Ellos provocan las sensaciones de presión y
aguijoneo y nos permiten dosificar (con exacta precisión) la fuerza con la cual podemos
manipular un objeto fácil sin llegar a romperlo. El dolor proviene de una exigencia intensa
de estos receptores, y si son estimulados en un mínimo grado pueden provocar placer. Ante
una agresión muy violenta se involucra el resto de los receptores que están a un nivel más
profundo bajo la piel. Se denominan terminaciones libres, y de aquí parten los mensajes
que convergen hacia el cerebro para desencadenar la percepción del dolor. Luego acuden
los reflejos y las reacciones de defensa.
Los corpúsculos de Messner miden entre cuarenta y doscientas milésimas de
milímetro. Están ubicados en la dermis. El corpúsculo de Paccini mide dos milímetros. Son
sensibles a la variación de presión y también están en la dermis. Registran dolor y placer.
Una vez sensibilizados los receptores ubicados en la piel, el influjo provocado por esa
sensación pasara por la red de transmisión de los nervios. Cada nervio está compuesto por
innumerables haces de fibras nerviosas que actúan como vehículos de información en un
solo sentido.
El mensaje emitido por los receptores se dirige hacia la médula espinal. Pero también
otras terminaciones libres más profundas, que puedan pertenecer al mismo nervio, llevaran
el mensaje, provocadas por esta recepción. Así entonces (como un reflejo motor) se
apartara la mano que recibió un golpe de calor muy fuerte al acercarla al fuego. Por lo tanto
el dolor ha jugado su rol de prevención. Las fibras del dolor (a diferencia de las fibras
nerviosas que transmiten el mensaje motor) tienen menos estrangulamientos y están
revestidas en menor cantidad de una sustancia denominada mielina. Las fibras nerviosas
tienen estrangulamientos distribuidos regularmente, que aceleran el mensaje. Las neuronas
de la médula espinal transmiten el mensaje doloroso proveniente de las fibras nerviosas.
Son los transmisores que permiten la continuación del mensaje desde la periferia hasta el
cerebro. Este sistema se asemeja al de los postes y los hilos telegráficos: comunican
información; sin embargo ellos no son sensibles. Estas células nerviosas medulares se
comunican entre ellas y todas aportan las estimulaciones recibidas por el cuerpo. Por la
irritación de un solo bulbo piloso existen tres retransmisores nerviosos: la primera neurona
está ubicada en el ganglio raquídeo, la segunda en la cornea posterior (parte dorsal de la
médula) y la tercera en el tálamo.
Gracias al cerebro, el dolor (simple percepción) se transforma en una sensación que
puede terminar en sufrimiento. Este se expresa con irritabilidad o cólera. Numerosas
estructuras participan en la elaboración de este complejo sentimiento. Así, a nivel del
tálamo (ubicado en la base del cerebro y último retransmisor antes de la llegada del
mensaje a la corteza sensitiva) existe una representación de todo nuestro cuerpo. Desde allí
la localización inmediata del punto doloroso y la toma de conciencia es simultánea. Puede
20
explicarse que en el instante en que se siente un daño en un dedo que fue apretado por una
puerta se lo retira inmediatamente (gracias a un reflejo defensivo) y al mismo tiempo se
gesticula emitiendo un grito de dolor. La comunicación entre las células nerviosas cuenta
con la ayuda de sustancias denominadas neurotransmisores que se evidencian al
microscopio por métodos de coloración radio isotópicas.
2.3.4 Química neuromuscular
El rendimiento de la fuerza se determina no solo por el tamaño de los músculos
implicados sino también por la capacidad del sistema nervioso para activar esos músculos.
Los músculos básicamente responsables de la máxima producción de fuerza en la dirección
pretendida del movimiento, llamados agonístas, deben activarse totalmente. Para que un
músculo agonista produzca su máxima fuerza posible, hay que reclutar y activar todas las
unidades motoras del músculo. Pero el máximo rendimiento en fuerza requiere más que el
reclutamiento de todas las unidades motoras, puede hacer que esa unidad funcione a
frecuencias distintas. La velocidad de frecuencia se refiere al número de impulsos nerviosos
por segundo recibidos por las fibras musculares de una unidad motora del nervio que las
enerva. Por lo tanto, un cambio en la tasa de enervación produce una variación notable en el
rendimiento de la fuerza de la unidad motora; un incremento en frecuencia causa un
aumento en la fuerza.
Un sistema nervioso con una frecuencia eficiente "encendido" unida a una sobrecarga
que recluta el mayor número de unidades motoras producirá un grado mayor de fuerza
muscular. Este estímulo a lo largo del tiempo causará la adaptación necesaria para producir
la hipertrofia muscular. Se sabe que la eficiencia del sistema nervioso es básica en la
fuerza que sus músculos pueden aplicar. Dentro de ciertos límites, una persona con
músculos más reducidos pero mejor sistema nervioso puede ser más fuerte que la persona
con atributos opuestos. También se sabe que una persona normal no puede ejercer
voluntariamente toda la fuerza potencial de sus músculos. Por lo tanto, un sistema
neuromuscular más eficiente resultaría en que los músculos engendrarían más fuerza de la
que están acostumbrados. [17]
CAPÍTULO 3: Acondicionamiento de la señal
electromiográfica
El acondicionamiento de la señal electriomiográfica para que funcione adecuadamente
debe seguir el siguiente proceso:
Figura 3 1Acondicionamiento Señal Electromiográfica [4]
La medición y la representación de las señales EMG de superficie dependen de las
propiedades de los electrodos y su interacción con la piel, el diseño del amplificador y la
conversión y subsecuente almacenamiento de la señal de formato análogo a digital (A/D).
La calidad de la señal EMG medida es usualmente descrita por la relación entre la
señal EMG medida y las contribuciones de ruido indeseadas por el ambiente. La meta es
maximizar la amplitud de la señal mientras se minimiza el ruido.
Asumiendo que el diseño del amplificador y el proceso de conversión A/D están por
encima de los estándares aceptables, la relación entre la señal y el ruido está determinada
casi exclusivamente por los electrodos, y más específicamente, las propiedades del
electrodo y el contacto con la piel.
21
22
3.1 Captación de la Señal Electromiográfica
Las señales bioeléctricas se miden mediante dispositivos llamados electrodos, los
cuales se encargan de convertir las corrientes de tipo iónico producido por la distribución
de potencial generada en el interior del tejido vivo en corrientes de tipo eléctrico que
pueden ser medidas y acondicionado para su posterior análisis y tratamiento.
Los electrodos son elementos esenciales para la medicina porque proporcionan una
interfase entre el cuerpo humano y los aparatos médicos de medida. El electrodo está
formado por una superficie metálica y un electrolito en contacto con la piel. Por lo tanto,
existen dos transiciones en el camino de la señal bioeléctrica entre el interior del cuerpo y el
sistema de medida. La primera es el contacto entre la piel y el electrolito. En el caso de
electrodos esofágicos el electrolito es la mucosa que recubre el epitelio de la pared
esofágica. La segunda es el contacto entre el electrolito y la parte metálica del electrodo. La
presencia de estas interfaces provocará un intercambio iónico con la consiguiente aparición
de un potencial de electrodo.
En la medición de fenómenos bioeléctricos se utilizan una amplia gama de electrodos
que se pueden clasificar en tres grupos:
•
Microelectrodos: se utilizan para medir biopotenciales cerca o dentro de una célula.
Son dispositivos de vidrio o de ciertos tipos de metal, o de sus aleaciones (oro,
platino, platino-iridio), que permiten registrar en la inmediata vecindad de una
neurona su actividad eléctrica. Cuando los dispositivos son de vidrio y tienen una
punta tan fina, que no es posible verla bajo el microscopio óptico (diámetro externo
inferior a 0.01 nm), se les define como ultramicroelectrodos y con ellos se puede
penetrar las células sin peligro de dañarlas mecánicamente. Si estos microelectrodos
se ubican en un sistema de soporte adecuado y se les llena con un medio conductor
eléctrico (solución salina de alta concentración iónica) y se les conecta al
osciloscopio de rayos catódicos a través de un medio adecuado de amplificación, es
posible conocer las características eléctricas de las neuronas en reposo y durante su
actividad.
23
Figura 3 2 Microelectrodo [10]
•
Electrodos de Aguja: utilizados para atravesar la piel y registrar potenciales en una
región local del cerebro o de un músculo específico. En la electromiografía de aguja
se utilizan 2 tipos de electrodos fundamentalmente, el electrodo monopolar que
tiene una superficie de registro de forma cónica de aproximadamente 0,25 mm², y el
electrodo concéntrico que tiene una superficie de registro de forma helicoidal de
0,07 mm². El electrodo concéntrico que es el más usado en la práctica asistencial, es
una aguja aislada a lo largo de su longitud, con excepción de la punta, la cual es
insertada dentro de la masa muscular que registra la diferencia de potencial entre el
cuerpo de la aguja y la punta desnuda del alambre.
•
Electrodos superficiales: se utilizan para medir potenciales en la superficie de la
piel.
Figura 3 3 Electrodo superficial [5]
24
Los aspectos más importantes con respecto a los sensores son: el tipo de electrodo, la
distancia entre electrodos, y la ubicación de los electrodos.
3.1.1 Tipos de Electrodos
Se utilizan comúnmente dos tipos de electrodos de superficie:
•
Electrodos secos en contacto directo con la piel: Los electrodos secos son
principalmente utilizados en aplicaciones donde la geometría o tamaño del electrodo
no permite gel. Electrodos en barra, y arreglos de electrodos son ejemplos de
electrodos secos. Con los electrodos secos es común tener un circuito
preamplificador cerca al electrodo, debido a la gran impedancia entre la piel y el
electrodo asociada a los electrodos secos. Debido a que los electrodos secos son
más pesados (típicamente > 20g) que los electrodos con gel (típicamente < 1g), es
más difícil mantener la fijación del electrodo a la piel comparado con los electrodos
con gel.
•
Electrodos con gel utilizando un gel electrolítico como interface química entre la
piel y la parte metálica del electrodo: Los electrodos con gel utilizan un gel
electrolítico como interface química entre la piel y la parte metálica del electrodo.
Las reacciones químicas de oxidación y reducción toman lugar en la región de
contacto entre la superficie metálica y el gel. El compuesto plata – cloruro de plata
(Ag − AgCl) es el más común para la parte metálica de los electrodos con gel. La
capa de cloruro de plata permite que la corriente emitida por el músculo pase más
libremente a través de la juntura entre el gel electrolítico y el electrodo. Esto
introduce menos ruido eléctrico en la medida comparado con los equivalentes
electrodos metálicos (Ag). Debido a esto, los electrodos de Ag − AgCl son usados
en más del 80% de las aplicaciones de EMG de superficie.
Los electrodos con gel pueden ser tanto desechables como reusables. Los electrodos
desechables son los más comunes puesto que son más livianos y porque vienen en una gran
variedad de formas y tamaños. Con la aplicación apropiada, los electrodos desechables
minimizan el riesgo de un desplazamiento del electrodo durante inclusive movimientos
rápidos.
25
3.1.2 Distancia entre electrodos
La distancia entre electrodos como se define como la distancia entre centros de las áreas de
conductividad de estos.
Con respecto a la distancia entre electrodos, la normatividad SENIAM recomienda que:
•
Los electrodos bipolares EMG de superficie tengan una distancia entre electrodos
de entre 20mm y 30mm.
•
Cuando los electrodos bipolares están siendo aplicados sobre músculos
relativamente pequeños, la distancia entre electrodos no debe superar 1/4 de la
longitud de la fibra muscular. De esta forma se evitan los efectos debidos a tendones
y terminaciones de las fibras musculares.
3.1.3 Posicionamiento de los electrodos
La señales electromiográficas dan una muestra de la actividad eléctrica en los
músculos durante una contracción. Sin embargo, estas señales están altamente relacionadas
con la posición del electrodo sobre el músculo de interés.
Debido a esto, es necesario que la ubicación de los electrodos sea consistente en
sesiones consecutivas de estudio y sobre diferentes pacientes. Para determinar la ubicación
de los electrodos es recomendado utilizar la normatividad correspondiente donde se
encuentran sugerencias para la ubicación de los electrodos sobre 27 zonas musculares
distintas.
26
Figura 3 4 Colocación de electrodos en el cuerpo parte trasera [11]
Figura 3 5 Colocación de electrodos en el cuerpo parte frontal [11]
27
El objetivo al ubicar los electrodos es conseguir una ubicación estable donde se
pueda obtener una buena señal electromiográfica. Los electrodos se pueden ubicar sobre la
superficie de la piel de manera longitudinal, o transversal.
Figura 3 6 Electrodos desechables [12]
•
•
Longitudinal: la recomendación SENIAM es ubicar el electrodo bipolar en la zona
media del músculo, esto es, entre la terminación de la neurona motora que envía el
impulso eléctrico al músculo (aproximadamente línea media del músculo) y el
tendón distal[12]
Transversal: la recomendación SENIAM es ubicar el electrodo bipolar sobre la zona
media del músculo, de tal forma que la línea que une los electrodos, sea paralela con
el eje longitudinal del músculo [12]
Debido a la magnitud de las señales electromiográficas (menores de 10mV) y a otros
factores como el ruido ambiental, es necesario realizar una etapa de acondicionamiento de
estas señales antes de procesarlas.
El rango donde se concentra la mayor cantidad de energía de las señales EMG es
alrededor de los 60Hz. Debido a esto se utilizará amplificadores de instrumentación con un
alto rechazo en modo común (CMRR > 120dB) con lo cual se eliminará en gran parte este
ruido.
También se utilizará un filtro pasaalto con frecuencia de corte en 15 HZ para eliminar
señales que no son de interés y también es necesario un filtro pasabajo con frecuencia de
corte en 450 Hz para eliminar frecuencias superiores que no se requieren.
28
3.2 Implementaciones necesarias
3.2.1 Primera Implementación.
Se realiza una amplificación de forma diferencial para eliminar ruido ambiental y otros
ruidos en modo común debidos a otros músculos. El rango útil de medida se encuentra
desde los 10 y 20Hz (filtro pasa alto) hasta los 500 y 1000Hz (filtro pasa bajo).
El filtro pasa alto es necesario para eliminar artifacts (ruido proveniente de músculos
aledaños, y otros movimientos musculares), así como potenciales de re polarización de los
músculos que tienen componentes de baja frecuencia (típicamente < 10Hz).
El filtro pasa bajo es necesario para eliminar componentes de alta frecuencia y evitar
posibles aliasing.
3.2.1.1 Amplificación
Para la etapa de amplificación se utilizaron amplificadores de instrumentación
LM741. El LM741 de Fair Child Semiconductor que tienen un alto rechazo en modo
común (CMRR = 90dB) y una alta impedancia de entrada. Se utilizó amplificación
diferencial para eliminar los potenciales comunes a ambos electrodos.
Figura 3 7 Conexión LM741 [13]
En la figura se observa el diagrama esquemático del circuito de amplificación que
se implementó.
29
Figura 3 8 Circuito de Amplificación [12]
3.2.1.2 Filtrado
Para el diseño del filtro pasa-banda se pueden utilizar dos filtros Chebyshev de
segundo orden en cascada, con el circuito integrado NTE858M que tiene dos
amplificadores operacionales de propósito general.
Figura 3 9 Diagrama de conexión del %TE858M [13]
Se utiliza configuración Sallen Key, se produce un circuito de dos polos usando dos
resistencias, dos capacitores, y un amplificador. La topología Sallen Key presenta alta
tolerancia para los componentes.
Se utilizan las siguientes ecuaciones, para hallar los valores de los componentes:
(1)
30
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
Los valores obtenidos de los componentes, se disponen de la siguiente manera en el filtro
a utilizar, se puede observar el esquemático en la figura 3.10
31
Figura 3 10 Topología del filtro a utilizar [12]
•
Filtro pasa alto: Se diseña un filtro Chebyshev pasa alto con topología Sallen - Key
de segundo orden, con frecuencia de corte en 15Hz y ganancia 2.
Se toma un valor de capacitancia de 100nF y se despeja el valor de las
resistencias R
(13)
Se obtiene un valor de 106kΩ, sin embargo de debe de utilizar un valor comercial
de 121kΩ. Se fija una ganancia de 2, por lo que R4 y R3 deben ser de la misma magnitud, se
escoge un valor diez veces menor al de la resistencia R, por tanto el valor de R3 y R4 es de
1,24kΩ.
32
Figura 3 11 Diagrama esquemático del filtro pasa alto
Se obtiene la siguiente respuesta en frecuencia, se observa el Bode obtenido de
esta etapa implementada. El resultado nos da una ganancia de 6dB, y una frecuencia de
corte cercana a los 15Hz para los que se diseñó. También muestra el comportamiento de un
típico filtro pasa altos.
Figura 3 12 Diagrama de Bode para el filtro pasa alto
33
•
Filtro pasa bajo: Se diseñó un filtro Chebyshev pasa bajo con topología Sallen - Key
de segundo orden, con frecuencia de corte en 650Hz y ganancia pequeña.
Se toma un valor de capacitancia de 10nF y se despeja el valor de las
resistencias R
(14)
Se obtiene un valor de 24,5kΩ, sin embargo de debe de utilizar un valor comercial
de 30,1kΩ. Se fija una ganancia de 2, por lo que R4 y R3 deben ser de la misma magnitud,
se escoge un valor tres veces menor al de la resistencia R, por tanto el valor de R3 y R4 es
de 10,7 kΩ.
Figura 3 13 Diagrama esquemático filtro pasa bajo
Se obtiene la siguiente respuesta en frecuencia, se observa el Bode obtenido de esta
etapa implementada. El resultado nos da una ganancia de 6dB, y una frecuencia de corte
cercana a los 650Hz para los que se diseñó. También muestra el comportamiento de un
típico filtro pasa bajos.
34
T 100.00
Gain (dB)
0.00
-100.00
-200.00
10
100
1k
10k
100k
1M
10k
100k
1M
Frequency (Hz)
0.00
Phase [deg]
-50.00
-100.00
-150.00
-200.00
10
100
1k
Frequency (Hz)
Figura 3 14 Diagrama de Bode para filtro pasa alto
El circuito final se implementa en el software TINA, sólo utilizando la parte de
filtrado, y no la inicial de amplificación de la señal, ya que al simular no se tienen
problemas de ruido y demás que se presentan en la práctica.
Figura 3 15 Circuito final
35
Se obtiene el siguiente Bode para la señal de salida, usando 12mV, el cual es el
voltaje máximo del rango que oscilan las señales electromiográficas.
T 100.00
Gain (dB)
0.00
-100.00
-200.00
100m
1
10
100
1k
10k
100k
1M
1k
10k
100k
1M
Frequency (Hz)
200.00
Phase [deg]
100.00
0.00
-100.00
-200.00
100m
1
10
100
Frequency (Hz)
Figura 3 16 Diagrama de Bode del circuito final
3.3 Implementaciones realizadas
Se procedió a implementar el circuito (etapa de amplificación y filtrado) en una
protoboard, utilizando los componentes calculados.
36
Figura 3 17 Circuito implementado en protoboard
Se probó el funcionamiento del circuito en el Laboratorio Eléctrico de la Escuela,
bajo la supervisión del profesor Jaime Cascante, y se obtuvo la siguiente FFT de la señal de
salida, se utilizó la FFT para obtener rápidamente el espectro de la señal a partir de la señal
temporal de entrada. En lugar de los electrodos, y la señal de un músculo del cuerpo, se
utilizó una señal cercana a los 12mV, con una frecuencia de 60Hz.
Figura 3 18 Salida en frecuencia del circuito implementado
Al observar la FFT de la salida se comprueba que las señales EMG tienen una
frecuencia que oscila entre 50 y 150 Hz, por lo cual el sistema de acondicionamiento de la
señal funciona, y puede ser pasado a una tarjeta.
37
Para pasarlo a una tarjeta primero se utiliza el PCB design de TINA, se obtiene la
siguiente ubicación de los componentes:
Figura 3 19 Circuito final utilizando PBC Design de TI%A
Esta aplicación permite ver el circuito en 3D, desde diversos ángulos, se agregan dos
vistas obtenidas.
Figura 3 20 Vista #1 en 3D del circuito final
38
Figura 3 21 Vista #2 en 3D del circuito final
39
3.4 Procesamiento de la información obtenida
3.4.1 Conversor Análogo-Digital.
Se necesita un conversor análogo-digital para proceder con la implementación para
pasar los datos obtenidos a binario. Se recomienda utilizar un conversor análogo-digital de
aproximaciones sucesivas ya que es el más usado, su tiempo de conversión es mucho más
corto que los demás y no depende del valor de la entrada analógica.
Se prevé utilizar una frecuencia de muestreo de 1kHz, ya que según el teorema de
Nyquist, la frecuencia de muestreo mínima requerida para realizar una grabación digital de
calidad, debe ser igual al doble de la frecuencia de audio de la señal analógica que se
pretenda digitalizar y grabar.
3.4.2 Extracción de características y reconocimiento de patrones.
La extracción de características es un paso importante en el proceso de reconocimiento
de patrones. En el caso de las señales EMG, un patrón está representado por una señal x (t)
en el dominio del tiempo.
Figura 3 22 Señal EMG típica durante una contracción muscular [12]
40
Se pueden considerar generalmente dos métodos para la extracción de
características: aproximación paramétrica y no paramétrica.
3.4.2.1 Aproximación Paramétrica
Se tienen métodos como el AR (autoregresive model), MA (moving average) y ARMA.
Modelo AR (Autoregresive Model)
El modelo AR se encuentra definido como:
(15)
Donde x(n) es la señal EMG, ai son los coeficientes, P denota el orden del modelo, y
e(n) un término de error.
También puede ser definido como:
(16)
Donde A(z) tiene los coeficientes normalizados del modelo. [12]
Este modelo es igual al de un filtro FIR, por lo que tanto los coeficientes de este
modelo como los de un filtro FIR del mismo orden son iguales.
Los filtros digitales de Respuesta Finita Impulsiva o filtros FIR por sus siglas en
ingles Finite Impulse Response, se trata de un tipo de filtros digitales en el que, como su
nombre indica, si la entrada es una señal impulso la salida tendrá un número finito de
términos no nulos. La estructura de señal a la salida del filtro se basa solamente en la
combinación lineal de las entradas actuales y anteriores.
Se muestra el diagrama en bloques de la estructura básica del filtro FIR, para una
cantidad de 12 coeficientes.
41
Figura 3 23 Diagrama de Bloques Filtro FIR [8]
Modelo MA (Moving Average Model)
La notación MA(q) se refiere a un modelo de media móvil de orden q.
(17)
Donde θ1, ..., θq son los parámetros del modelo y εt, εt-1,... son, de nuevo, los términos de
error.
Un modelo de medias móviles é esencialmente un filtro de respuesta finita al impulso
FIR, con cierta interpretación adicional.
Modelo ARMA (Moving Average Autoregresive Model)
La notación ARMA(p, q) se refiere a un modelo con p términos auto regresivos y q
términos de media móvil. Este modelo combina los modelos AR e MA,
(18)
42
3.4.2.2 Aproximación no paramétrica
Se utilizan generalmente dos métodos: aproximación temporal y aproximación espectral.
Aproximación Temporal
El comportamiento de una señal en el dominio del tiempo puede entregar
características significativas que dan una idea del comportamiento frecuencial de la señal y
de su intensidad, analizando los siguientes valores:
•
Valor Medio Absoluto Un estimado del valor medio absoluto de la señal x en el
segmento i de N muestras está dado por:
(19)
•
Cruces por cero: Una idea de la frecuencia de una señal puede ser obtenida a partir
del número de veces que la señal pasa por cero. Un umbral ε debe ser definido para
reducir los cruces por cero por consecuencia del ruido. Dadas dos muestras
consecutivas xk y xk+1 se incrementa el conteo de cruces por cero si:
xk > 0 y xk+1 < 0
(20)
ó
xk < 0 y xk+1 > 0
(21)
|xk − xk+1| ≥ ε
(22)
y
•
Cambio de pendiente: Otra característica que puede dar idea del contenido de
frecuencia de una señal puede ser el número de veces que cambia la pendiente de
una señal. De nuevo, es recomendable seleccionar un umbral para reducir los
cambios de pendiente inducidos por el ruido. Dadas tres muestras consecutivas
xk−1, xk y xk+1, el cambio de pendiente es incrementado si:
xk > xk−1 y xk > xk+1
(23)
xk < xk−1 y xk > xk+1
(24)
|xk − xk−1| ≥ ε ó |xk − xk+1| ≥ ε
(25)
ó
y
43
•
Longitud de la onda: Una característica que provee información acerca de la
complejidad de una señal en un segmento, está definida por la longitud de la onda.
Esto es simplemente el acumulado de la distancia entre dos muestras consecutivas
definidas como:
(26)
Asumiendo que el tiempo entre muestras es muy pequeño. El valor resultante da una
idea de la amplitud, frecuencia y duración de la onda en un solo valor.
Aproximación Espectral.
Las señales electromiográficas presentan un contenido espectral que puede dar una
idea del tipo de movimiento que se está realizando. Una forma tradicional para caracterizar
una señal x es a través de la función P (f) conocida como la densidad del espectro de
potencia (PSD).Se pueden utilizar dos métodos:
•
•
Periodograma
Espectrograma
44
CAPÍTULO 4: Software AcqKnowledge
En la búsqueda de la intefaz humano-máquina, se encontró el software
AcqKnowledge de BIOPAC Systems Inc que efectivamente simula el registro de datos de
una variedad de transductores y realiza todas las funciones.
Es un sistema de adquisición de datos completa y ampliable que funciona como una
pantalla, registrador, osciloscopio y X / Y plotter, que permite grabar, ver, guardar e
imprimir los datos. Incluye todo el hardware y software necesario para convertir cualquier
computadora en una estación de trabajo de adquisición de datos de gran alcance en concreto
diseñado para aplicaciones de ciencias de la vida.
Figura 4 1 Software y Hardware BIOPAC Systems Inc [7]
Todas las estaciones de trabajo incluyen: MP unidad de adquisición,
AcqKnowledge software y módulo Universal (no amplificados) que le permite conectar los
equipos existentes, tales como pre-amplificadores, electrodos, transductores, medidores de
flujo de sangre, placas de la fuerza, y los registradores de carta.
Se puede observar, una imagen de las señales que se pueden extraer, utilizando el
software y el hardware de BIOPAC, la tercera de arriba para abajo, es la señal de interés: la
señal electromiográfica.
45
Figura 4 2 Señales obtenidas mediante el software Acq Knowledge [7]
El Sistema MP ofrece muchas opciones para la grabación de la superficie, de agujas
y EMG alambre fino, registrar y analizar los datos de EMG para determinar el grado
general de los músculos y la fatiga de una variedad de partes del cuerpo, estimular el
músculo de contracción y registrar datos, registro faciales EMG para los estudios de
respuesta de sobresalto, combinar canales de grabación EMG con canales de otros datos
para mostrar la contracción muscular al mismo tiempo con otros eventos fisiológicos,
integrar y / o filtrar los datos en bruto EMG durante la grabación para su análisis inmediato,
correlacionar EMG actividad con datos de otras fuentes, tales como plataformas de fuerza,
goniómetros, y el equipo de análisis de movimiento.
Se puede utilizar el software para integrar AcqKnowledge automáticamente a la señal
de EMG y proporcionar un análisis detallado de la frecuencia de los datos EMG, como se
observa en la siguiente figura:
46
Figura 4 3 Frecuencia de los datos EMG [7]
Cuenta con electrodos activos y alambre fino EMG, la serie TSD150 de la interfaz
de electrodos activos con el módulo de interfaz de Alto Nivel HLT100C transductor. Los
electrodos TSD150 han incorporado en la amplificación, que permite al sujeto estar a una
mayor distancia del aparato de control.
El TSD150 grabará tanto en superficie como EMG alambre fino. Los
transductores se adaptan fácilmente a la grabación de alambre fino, desenroscando la
superficie del electrodo almohadillas y fijación de las abrazaderas de muelle (incluido con
cada TSD150).
Figura 4 4 Electrodos incorporados[7]
47
Al utilizar los electrodos, se puede obtener una señal como la siguiente:
Figura 4 5 Señales obtenidas mediante electrodos[7]
También se puede deducir el integrado del EMG que se define como el área bajo la
curva de la señal EMG rectificado, es decir, la integral matemática del valor absoluto de la
señal EMG. Cuando el valor absoluto de la señal se toma, el ruido hará que la integral tenga
un aumento constante. Se observa lo que se obtiene al utilizar dicha aplicación.
48
Figura 4 6 Integrado de la señal EMG[7]
Existe otra aplicación llamada “Root Mean Square EMG” (RMS EMG) que se
define como el tiempo de ventana valor RMS de la señal EMG. Al obtenerlo, se obtienen
formas de onda que son más fácilmente analizables que la señal EMG original debido al
ruido que contiene ésta.
Figura 4 7 Raíz cuadrada de la señal EMG[7]
49
Varias técnicas de dominio de la frecuencia se pueden utilizar para la reducción de
los datos de las señales EMG. Un análisis de las señales EMG en el dominio de la
frecuencia pueden proporcionar información útil sobre la naturaleza de los datos de EMG.
Los datos del espectro de frecuencia pueden ser usados para generar otros indicadores de
análisis de frecuencia de EMG. La señal EMG se divide en un número fijo de períodos de
tiempo, dentro de cada ventana, el espectro de potencia se calcula usando la transformación
de energía espectral de densidad. Para cada período de tiempo, las medidas siguientes se
extraen: mediana de la frecuencia, la frecuencia media, frecuencia máxima, potencia media,
y la de energía total.
Figura 4 8 Análisis de la señal EMG en frecuencia[7]
50
CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones
Finalizado el Proyecto Eléctrico “Sistema de Adquisición, recepción y envío de
señales electromiográficas, se muestran las conclusiones generales obtenidas del análisis
realizado, de las lecturas realizadas, y de los resultados prácticos obtenidos.
Conclusiones
Se estudió sobre fisiología, en lo referente a movimientos de extensión y flexión, y los
principales músculos, articulaciones del cuerpo humano, adquiriendo de esta manera una
concepción global de lo que sucede al realizar estas acciones.
Se investigó el modo en que se comporta una señal electromiográfica, al estar el
músculo en reposo, en contracción, y en contracción máxima y las variaciones de voltaje
que se producen en estos tres casos.
Se investigó los principales usos que se le da a un sistema de adquisición y recepción
de señales electromiográfica tales como la medición de los tiempos de activación del
músculo, estimación de la fuerza producida por el músculo y obtención del índice de fatiga
por medio de un análisis de espectro de frecuencias de la señal electromiográfica
Se cumplió con el objetivo de que en el preprocesamiento de señales EMG se
implementara las rutinas necesarias para la extracción del segmento de señal a analizar y se
estudió las aproximaciones paramétricas y no paramétricas para la extracción de datos que
se pueden emplear una vez obtenida la señal.
Se llevó a cabo la etapa de amplificación se utiliza para amplificar los diminutos
potenciales recogidos en el músculo de tal forma que puedan ser visualizados en la pantalla
de un osciloscopio.
Se observó que los potenciales electromiográficos presentan una banda de frecuencia
muy variable, el amplificador debe ser capaz de responder con fidelidad a señales
comprendidas entre los 40 y los 10.000 Hz y que la adquisición de señales EMG se ve
fuertemente afectada por el ruido de línea (60Hz).
Se implementó en una protoboard el circuito de acondicionamiento, se comprobó su
funcionamiento, y los problemas típicos que se presentan debido al ruido.
No se pudo probar el funcionamiento del Software de BIOPAC, debido a que no se
contaba con tal ni con los implementos que trae, solo se contó con la opción demo, por lo
que se describió las aplicaciones que se pueden realizar con él.
51
Finalizado el Proyecto Eléctrico “Sistema de Adquisición, recepción y envío de señales
electromiográficas, se muestran las recomendaciones generales obtenidas del análisis
realizado, de las lecturas realizadas, y de los resultados prácticos obtenidos.
Recomendaciones
Se deben establecer las posibles causas de ruido producidas por el ambiente en que se
trabaja y controlarlas, ya que ocasionan interferencia a la hora de adquirir la señal, esto para
lograr una mejor obtención de esta.
El lugar donde se realice la electromiografía debe ser un lugar aislado, con las mínimas
fuentes de movimiento, vibraciones, y con la prohibición de dispositivos como celulares
que interfieren en la rango de frecuencias en que se obtiene la señal electromiográfica.
Se recomienda trabajar la etapa de amplificación y filtrado con los valores de
componentes lo más cercanos posibles a los valores hallados teóricamente para garantizar
el valor de las frecuencias de corte con las que se debe trabajar.
Es necesario investigar los patrones de frecuencia relacionados con el tipo de análisis a
realizarle a la señal, para así poder dar tener una referencia con que comparar los resultados
obtenidos.
Estudiar los criterios necesarios para elegir cual tipo de aproximación es mejor a la
hora de el reconocimiento de parámetros de la señal electromiográfica, si la aproximación
paramétrica o la no paramétrica.
Utilizar para la captación de la señal electromiográfica electrodos de contacto con gel
electroquímico, debido a que según las lecturas realizadas, son la mejor opción a usar para
este proceso.
52
BIBLIOGRAFÍA
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