Electromiografo_Barreda - anteproyecto Protesis robótica

Electromiógrafo
Alumno: Barreda Luis Eduardo *
Director: Ing. Esteban Lucio González
Dpto. de Electrónica, Septiembre 2005, * [email protected]
Resumen—— En el presente trabajo se describe el
desarrollo y construcción de un electromiógrafo, cuya función es
adquirir las señales eléctricas provenientes de las diferentes
unidades motoras de un músculo y mostrarlas en un ordenador
personal. El sistema está destinado a rehabilitar pacientes que
tengan una enfermedad o deficiencia motora.
Para su implementación se ha desarrollado una placa
adquisidora de dos canales de entrada compatible con el bus ISA
de la PC. Cada uno de los canales esta compuesto por un
amplificador de instrumentación (INA114) de alta impedancia de
entrada y elevado rechazo a modo común, específicamente
diseñados para amplificar biopotenciales. Una interfase permite
la comunicación del instrumento con el usuario mediante un
ordenador. El hardware del sistema esta dividido en dos
secciones. La primera, analógica, se ocupa del filtrado,
amplificación y medición de la señal de entrada. La segunda,
digital, se ocupa del direccionamiento de la placa (con tecnología
TTL) y la conversión analógica-digital (conversor ADC804 CMOS
de 8 bits).
El sistema se utilizó para implementar la técnica terapeutica
llamada Biofeedback. Su principio básico consiste en que si al
individuo se le da información sobre el nivel de actividad de un
proceso biológico y los cambios en el mismo, la persona podrá
aprender a regular esta actividad. En este caso la actividad
miográfica fue procesada y mostrada a través de una interfase
gráfica desarrollada en Visual Basic 6.0. Asimismo se proveyó de
una base de datos de Access, de gran utilidad para el profesional a
cargo del estudio para almacenar datos y evolución del paciente.
Los resultados fueron similares a los obtenidos mediante otro
instrumento profesional (Biopac MP100). Se comprobó que con
una realimentación visual adecuada el usuario puede controlar su
actividad muscular.
Palabras clave—Biofeedback, electromiografía, INA, EMG,
ruido, filtrado, adquisición.
I. INTRODUCCIÓN
L
a Técnica de Biofeedback (BFB) mediante EMG se viene
aplicando específicamente en personas que han sufrido
atrofias musculares o disminución de la capacidad de
contracción muscular como producto de una enfermedad o
accidente, que obligan al paciente a tener inmovilizada la zona
comprometida
El instrumento desarrollado capta las señales provenientes
de los músculos del paciente por medio de electrodos
localizados en la zona comprometida, mientras el paciente
regula de manera consciente o voluntaria la contracción o
relajación de los grupos musculares a través de los indicadores
visuales que posee el equipo. Las señales provenientes de los
electrodos de la zona muscular afectada, son integradas y
graficadas en forma proporcional a los niveles de contracción
y relajación del músculo, de manera que cuando el músculo
está tenso la gráfica se eleva y cuando el paciente relaja el
músculo, la misma desciende.
Utilizando un mecanismo subconsciente, el paciente
aprende a controlar los niveles de la gráfica y de esta
manera se entrena para ir aumentando gradualmente la
intensidad de las contracciones.
II. CARACTERÍSTICAS DEL INSTRUMENTO
Se exponen en la tabla 1 las especificaciones del
sistema desarollado.
TABLA I
CARACTERÍSTICAS DEL INSTRUMENTO.
Canales analógicos de entrada
Resolución del conversor A/D
Impedancia de entrada
CMRR
Ganancia
Filtro Notch
Filtro Pasa Bajos
Filtro Pasa Altos
Comunicación con PC
Transferencia de datos
2 ( ampliable a 8)
8 Bits
6 Gohms (diferencial)
120 db (mínimo)
Variable (1, 2, 8 y 16)
50 Hz
fc = 1,3 Khz
fc = 5 Hz
Bus ISA
Modo encuesta
Todos los instrumentos que permiten aplicar la técnica del
Biofeedback tienen tres componentes fundamentales: un
transductor, una unidad de procesamiento y un dispositivo de
salida. El transductor detecta el cambio en el parámetro que
esta siendo medido, en este caso una señal eléctrica
producida por un proceso fisiológico, la despolarización de
fibras musculares previa a su contracción. Los transductores
encargados de recoger esta señal biológica se llaman
electrodos cuya función es convertir el flujo iónico en
corriente eléctrica. Los electrodos se adhieren a la piel del
paciente sobre el músculo.
La unidad de procesamiento contiene circuitos eléctricos
que amplifican, filtran y digitalizan la señal adquirida.
La indicación del esfuerzo puede tomar diferentes formas,
visual, auditiva o ambas. En este caso se utilizó la pantalla de
la computadora como display para graficar la intensidad del
esfuerzo a lo largo del tiempo. La indicación debe poder
cambiar instantáneamente en respuesta al esfuerzo para dar al
paciente una inmediata información acerca de su actividad.
A continuación se da una breve descripción de los bloques
que componen el instrumento:
La figura 1 muestra el diagrama en bloques del
instrumento:
1
- Número de canales de entrada
El número de canales de entrada depende
directamente
del multiplexor que se halla empleado.
INA 114
Sumador
LOC 110
En nuestro caso, se utilizó un multiplexor analógico
Notch
de ocho canales de entrada (4051), de los cuales
MX
PGA
P.Bajos
P.Altos
solo se utilizan dos. Sin embargo, la flexibilidad de
(8 x 1)
Paciente
diseño de la placa adquisidora permite que
INA 114
Sumador
LOC 110
posteriores canales sean implementados y
ensamblados al instrumento sin mayores
Reg. Sel
Reg. Sel
complicaciones.
Canal
Ganancia
- Filtrado
Se implementan tres tipos diferentes de filtros con
ISA D0 - D7
Latch
el objetivo de eliminar el ruido de línea y de limitar
en banda la señal de entrada:
1
3
Filtro Notch: Su función es atenuar la frecuencia de
2
IOW
línea (50/60Hz) que es la responsable de los
1
3
Conv
D0 - D7
artefactos mas significativos.
2
A/D
Decodificador
Hab
Filtro
Pasa bajos: Este filtro de banda plana
(4 x 16)
Lógica de
(Butterworth
de segundo orden) tiene como función
Control
limitar las señales de entrada de frecuencia mayor a
1,3KHz.
A0....A3
A4....A9
AEN IOR
D0....D7
Bu s ISA
Filtro Pasa altos: Este filtro de banda plana
(Butterworth de segundo orden) tiene como función
Fig. 1: Diagrama en bloques
limitar las señales de entrada con valores de continua.
La figura 2 muestra la respuesta de los tres filtros
- Amplificador de entrada
conectados en cascada:
La señal generada por una gran unidad motora tiene una
amplitud de 0 volt (en reposo, es decir, cuando no existe
contracción muscular) y 250 microvolt durante la contracción.
Debido a que las señales mioeléctricas son de bajo valor,
ruidos o artefactos como el ruido ambiente o en mayor medida
el ruido de línea (50hz/60hz) pueden provocar una falsa
interpretación de los resultados. Por lo tanto, el amplificador de
la unidad de procesamiento necesita ser no solo lo
suficientemente sensible como para detectar y amplificar las
pequeñas señales sino que también debe discriminar los ruidos
o artefactos de manera de visualizar solo actividad
electromiográfica. Los amplificadores diferenciales permiten
rechazar gran parte del ruido externo. El INA 114 es un
Fig. 2: Respuesta de los filtros
amplificador que cumple con esas características y está
especialmente construido para propósitos de instrumentación
- Control de ganancia
médica. A su vez permite variar el factor de amplificación con
Como se vio anteriormente, una característica de estos
la modificación de un juego de resistencias.
instrumentos es la posibilidad de amplificar señales
- Sumador
pequeñas. Para ello se implementó un circuito analógico
A la señal de salida del amplificador de entrada es necesario
(llave analógica 4066) controlado por la PC capaz de variar
sumarle un valor de continua debido a que la etapa siguiente
la ganancia entre cuatro niveles.
(Aislamiento Paciente-Instrumento) recorta los valores
- Conversor Analógico-Digital:
negativos de la señal. De otra manera se estaría perdiendo parte
El ADC804 es un conversor CMOS de 8 bits de
de la señal amplificada.
aproximaciones sucesivas. Está acondicionado de manera tal
-AislamientoPaciente-Instrumento
que pueda adquirir señales bipolares. La habilitación de
Para lograr un aislamiento entre el paciente y el instrumento
conversión la ejecuta el usuario por medio de la PC. La
de medición se dispone de un arreglo circuital basado en un
adquisición se efectúa en modo encuesta.
optoaislador lineal (LOC110). La finalidad del mismo es aislar
- Bus ISA:
eléctricamente al paciente de la línea de alimentación de modo
Se utiliza el Bus ISA de la PC. Solo son necesarios ocho
que lo proteja ante un eventual accidente o descarga que
bits para la trasmisión de datos. A su vez se hace uso de:
pudiera producirle daños.
Paciente
2
-Los valores de alimentación (+5 Volts, -5 Volts, +12 Volts, 12 Volts y tierra) para proveer a los dispositivos electrónicos de
la tensión necesaria para funcionar.
-Líneas de direcciones para direccionar la placa de adquisición.
-Línea IOR que en conjunto con el inicio de encuesta generan
la orden de habilitación para el conversor.
-Línea IOW, necesaria para escribir los registros de selección
de canal y ganancia.
-AEN, que participa en el direccionamiento de la placa.
- Lógica de control:
Esta compuesta por una serie de compuertas lógicas (AND,
OR y NEG) que cumplen la función de direccionamiento de la
placa.
-La utilización de gel conductor beneficia notablemente la
señal. En caso de utilizarse el mismo debe tenerse precaución
de no cortocircuitar los electrodos.
-Es útil en ocasiones pegar los cables al paciente con cinta
adhesiva para prevenir que el movimiento cause artefactos
que influyan sobre la medición.
Durante los estudios realizados se utilizaron electrodos
marca 3M con excelentes resultados.
III. REGISTRO DE LAS SEÑALES
La ubicación de los electrodos varía de acuerdo a cual sea el
músculo bajo estudio. De esta manera en el cuerpo humano se
pueden
medir
diferentes
grupos
musculares,
que
consecuentemente tendrán diferentes respuestas. En la Fig. 3 se
ve el posicionamiento de los electrodos sobre el músculo
Bíceps de un voluntario, en una sesión de medición de señales
electromiográficas (EMG ).
Fig. 4:Señal electromiográfica y su integración
Fig. 3:Ubicación de los electrodos
Cuando se desea registrar el potencial de un músculo, se
utilizan tres electrodos: dos son ubicados sobre la piel donde se
encuentra el músculo. Dichos electrodos recogen no solo la
señal muscular sino que también recogen el ruido ambiente. El
electrodo restante (masa de referencia) puede ser ubicado en
cualquier parte del cuerpo.
La resistencia de la piel es un factor importante que está
directamente relacionado con la conducción de la señal a través
de los electrodos. En consecuencia es necesario tomar una serie
precauciones al efectuar el registro. A continuación se brindan
algunas precauciones que resultan convenientes tomar para
obtener los mejores resultados:
-En caso de que el paciente tenga mucho vello en la zona de
interés, resulta conveniente afeitar el lugar donde los electrodos
van a ser colocados.
-La piel debe ser higienizada con un algodón con alcohol para
extraer el aceite depositado sobre la misma. Sin embargo no es
recomendable causar abrasión.
La figura 4 muestra dos gráficas directamente relacionadas
entre sí. La primera describe el comportamiento del músculo
Bíceps ante cuatro esfuerzos bien diferenciados en el tiempo.
La segunda es una integración de la señal electromiográfica
que permite observar la intensidad de los esfuerzos
realizados.
Nótese que el Software permite modificar tanto la base de
tiempo como el control de ganancia. De esta forma si se
quiere estudiar el comportamiento de un músculo de menor
tamaño solo hace falta amplificar la señal desde la PC. Sin
embargo, el nivel de ruido también se incrementará, y por tal
motivo queda a gusto del usuario el ajuste de los controles.
Para estudiar el músculo del antebrazo se posicionan los
electrodos según muestra la figura 5. El antebrazo es un
músculo de menor tamaño que el Bíceps por lo que es de
esperarse que la amplitud de la señal sea menor. Para
comparar con la figura 4 se dispuso la misma ganancia para
ambas mediciones.
Fig. 5:Posicionamiento de los electrodos en el antebrazo
3
En la figura 6 se pueden visualizar cinco esfuerzos de
diferente magnitud. Como puede observarse la amplitud de la
señal es menor en comparación con el músculo Bíceps (como
se había previsto).
estuvieron dispuestos a responder a mis consultas y me
orientaron en mi trabajo.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
Fig. 6:Señal electromiográfica del antebrazo
Se repitió el estudio en reiteradas oportunidades con
diferentes unidades motoras del cuerpo. Los resultados se
compararon con estudios similares realizados con el sistema de
adquisición de datos MP100 de Biopac [2] y se obtuvieron
respuestas similares.
CONCLUSIONES
De los resultados obtenidos se deducen las siguientes
conclusiones:
-Las señales bioeléctricas del ser humano suelen tener
amplitudes inferiores al ruido de 50Hz. Aún cuando se utilicen
amplificadores específicamente diseñados para minimizar este
ruido, el mismo igualmente es captado. Afortunadamente este
ruido puede ser filtrado, siempre y cuando no interese medir un
potencial bioeléctrico a esa frecuencia de 50 Hz.
-El Software desarrollado no solo provee la información
necesaria para llevar a cabo el estudio sino que también
suministra una base de datos que permite al profesional a cargo
del estudio familiarizarse con el paciente. Posteriores mejoras
permitirán desarrollar interfaces acordes a las necesidades del
paciente.
-El diseño modular permite detectar las fallas con certeza y
reemplazar los bloques dañados en caso de ser necesario.
-Se logró un costo sumamente reducido en comparación con
otros instrumentos existentes en el mercado.
-La amplificación de la señal es crítica. Una excesiva
amplificación de la señal en la etapa inicial (INA114) hace que
el amplificador de entrada sature debido al potencial de
continua que existe entre la piel y el electrodo.
-Con la finalidad de preservar la salud del paciente se
implemento un circuito capaz de aislarlo de aislarlo de la red de
220 V CA.
http://www.bionic.es/biopac.htm
Barea, Rafael. Universidad de Alcalá - Escuela Politécnica
http://www.depeca.uah.es/personal/barea/tesis/tesis_barea_pdf.zip
García García, Juan Carlos. Universidad de Alcalá - Escuela
Politécnica. ([email protected])
[4] Universidad de Alcalá – Departamento de Electrónica.
Sistemas de Acondicionamiento y
Adquisición de
Señales Bioeléctricas.
[5] Catherine A. Trombly and Jeannette Tries. Biofeedback
(Capítulo 32).
[6] Universidad de Alcalá – Departamento de Electrónica.
Introducción a los Conceptos Básicos de la
Instrumentación Biomédica.
[7] Universidad de Alcalá – Departamento de Electrónica.
Seguridad Eléctrica.
[8] Apuntes de la cátedra de Adquisición de Señales de la
Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de
Mar del Plata.
[9] Clinical Applications of Biofeedback (Capítulo 15).
[10] "Biofeedback": Apunte de la Facultad de Ciencias
Humanas de la Universidad Diego Portales.
[11] Burr Brown - Applications notes.
[12] Clare - Applications notes.
AGRADECIMIENTOS
Deseo expresar mi agradecimiento al los docentes del
Laboratorio de Comunicaciones de la Facultad de Ingeniería de
la Universidad Nacional de Mar del Plata que siempre
4