UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ELECTRÓNICO PARA EL MANEJO DE UNA INTERFAZ MIOELÉCTRICA.
Por: Dixi Beatriz González Cruz
INFORME FINAL DE CURSOS EN COOPERACIÓN TÉCNICA Y DESARROLLO SOCIAL Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico
Sartenejas, Abril de 2010
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ELECTRÓNICO PARA EL MANEJO DE UNA INTERFAZ MIOELÉCTRICA.
Por: Dixi Beatriz González Cruz
Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Prof. Ricardo Silva Tutor Industrial: Ing. Juan José Garate Pirela
INFORME FINAL DE CURSOS EN COOPERACIÓN TÉCNICA Y DESARROLLO SOCIAL Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico
Sartenejas, abril de 2010
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ELECTRÓNICO PARA EL MANEJO DE UNA INTERFAZ MIOELÉCTRICA.
Por: Dixi Beatriz González Cruz
Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Prof. Ricardo Silva Tutor Industrial: Ing. Juan José Garate Pirela
INFORME FINAL DE CURSOS EN COOPERACIÓN TÉCNICA Y DESARROLLO SOCIAL Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico
Sartenejas, abril de 2010
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DISEÑO DE UN DISPOSITIVO ELECTRÓNICO PARA EL MANEJO DE UNA INTERFAZ MIOELÉCTRICA. INFORME FINAL DE CURSOS EN COOPERACIÓN TÉCNICA Y DESARROLLLO SOCIAL Realizado Por: Dixi Beatriz González Cruz, Carnet 03-35970 Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Prof. Ricardo Silva Tutor Industrial: Ing. Juan José Garate Pirela
RESUMEN El presente trabajo de pasantía está enmarcado en el concepto de vanguardia que suponen los proyectos de bioingeniería y en respuesta a los requerimientos exigidos por la Unidad de Gestión en Tecnologías de Salud (UGTS), foco activo y proactivo de bioingeniería en Venezuela, plantea la realización del diseño de un dispositivo electrónico que funcione como interfaz mioeléctrica promoviendo alternativas en lo que se refiere al campo de prótesis y proyecciones del nexo humano-máquina en general. El diseño se dividió en cinco bloques de desarrollo: Adquisición, Amplificación, Filtrado, Rectificación y Procesamiento. Según las pautas determinadas en cada uno de los bloques y con el apoyo del Sierra Wave Unit, que es un equipo avanzado y certificado por la Comisión Internacional Electrotécnica (IEC, por sus siglas en inglés International Electrotechnical Comision) se realizaron pruebas en ambientes virtuales y reales que permitieron la recepción satisfactoria de señales del músculo o señales EMG (entrada del dispositivo) y con éstas arrojar nuevas señales: envolvente, cuadrada y triangular (salida del dispositivo) que pueden ser utilizadas para controlar otras aplicaciones.
PALABRAS CLAVES: Bioingeniería, Dispositivo electrónico, EMG, Sierra Wave Unit, Interfaz mioeléctrica. Aprobado con mención: __X_____ Sartenejas, Abril de 2010 iv
DEDICATORIA A todos los que creen en la sensibilidad de los ingenieros y que a través de proyectos engendrados en la ciencia late un corazón que busca mejorar, con las herramientas que posee, la calidad de vida de todos los seres sintientes. A todos los que creen que aun siendo novatos podemos contribuir con el desarrollo de la bioingeniería en nuestro país Dedico la culminación de este trabajo a todos los que me apoyaron incondicionalmente y creyeron siempre en mí, a mi familia, en especial a Dizzy Cruz de González: mi madre y mi amiga, que siempre a nutrido en mí la serenidad y el amor incondicional por aquello que nos llena y a mi padre José Luis González que desde muy temprana edad me inculcó el valor del trabajo, la exigencia y la pasión por lo que se hace. A mis hermanas, porque sé que lo están esperando, porque siempre creen en mí, porque quiero ser motivo de impulso y de inspiración para que más allá de los obstáculos logren todos tus sueños y metas, así como ustedes fueron clave para mí durante la culminación de la carrera. Dedico hoy este trabajo a quien me ha dedicado mucho tiempo, paciencia y cariño, en la universidad y en la calle, a quien me enseñó el significado de la frase “sobreponerse a uno mismo”, a mi roomie , Durly Padilla. Te quiero Mucho. A mis amigos, mis compañeros, con los que pude aprender mil maneras de vivir la carrera y la vida y encontrar el estímulo para levantarnos cuando fuera necesario. En especial a mi compañero de mil laboratorios y amigo Angel Gruber, a Eliana Iannece, Barbara Rodríguez y a Andrés Terán –el gocho-. Me sigue pareciendo mentira que seamos de la misma especie. Sin ustedes la carrera hubiese sido un plano de mil circuitos y muchos ‘trasnochos’ solitarios nada más. Los quiero mucho.
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AGRADECIMIENTOS A mis padres, pues, obviamente, nada de esto estaría pasando sin el apoyo de ustedes. A mi familia pues es allí donde formé parte fundamental de quien soy ahora, en especial tengo que agradecer a la Sra. Justina, por haberse ocupado y ocuparse, tantas veces de mí, porque siempre cree y confía en mí, porque –a su manera- es una barra infinita de cariño. Agradezco a un personaje utópico formado por profesores, compañeros, trabajadoras sociales, obreros y jardineros, llamado Universidad Simón Bolívar, que me albergó a mí y a muchos otros estudiantes del interior para que nos sintiéramos cómodos, tranquilos, seguros y lográramos volvernos profesionales sinceros y de alta competencia para enaltecer a nuestro país. Al Prof. Ricardo Silva, por ser mi tutor Académico y ser quien nutrió en mí la curiosidad por la bioingeniería y la intención de crear en un país donde muchos han perdido la fe. A Zhayda Sierra y Suzanne Armengol por sus orientaciones, su humor, su motivación y su bienvenida, a Carlos Valero y Juan Garate, por sus valiosos concejos. A todo el equipo de la UGTS. A la Sra. Margarita Bello y la familia Escobar Delgado, por todo su apoyo durante la carrera y permitirme ser parte de su familia. A Neisa y Elkis por sus concejos y simpatía y por hacer de la Coordinación de Ing. Electrónica un ente fluído para los estudiantes. A Durly Padilla mil gracias, por siempre estar allí. A Angel Gruber por luchar juntos en esta exigente Alma Mater. A ambos por ser mis compañeros “pasantes” de la UGTS y contagiarme y contagiarnos de ganas por ser mejores personas y mejores estudiantes terminando esta etapa.
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ÍNDICE GENERAL RESUMEN...................................................................................................................................................................iv DEDICATORIA ...........................................................................................................................................................v AGRADECIMIENTOS ..............................................................................................................................................vi ÍNDICE GENERAL.................................................................................................................................................. vii ÍNDICE DE TABLAS................................................................................................................................................xi ÍNDICE DE FIGURAS............................................................................................................................................. xii LISTA DE ABREVIATURAS Y TÉRMINOS........................................................................................................xv INTRODUCCIÓN........................................................................................................................................................1 CAPÍTULO 1: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.........................................................................................4 1.1 ANTECEDENTES ....................................................................................................................................................4 1.2 JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................................................................5 1.3 OBJETIVO GENERAL .............................................................................................................................................6 1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................................................................................6 1.5 ALCANCE Y LIMITACIONES:..................................................................................................................................7 1.5.1 Alcance.........................................................................................................................................................7 1.5.2 Limitaciones.................................................................................................................................................7
CAPÍTULO 2: ENTORNO EMPRESARIAL ...........................................................................................................9 2.1 LA EMPRESA.........................................................................................................................................................9 2.2 RESEÑA HISTÓRICA ..............................................................................................................................................9 2.3 MISIÓN ...............................................................................................................................................................10 2.4 VISIÓN ................................................................................................................................................................10 2.5 OBJETIVOS Y PRINCIPIOS ....................................................................................................................................10 2.5.1 Objetivos....................................................................................................................................................10 2.5.2 Principios : ................................................................................................................................................11
2.6 LOGROS ..............................................................................................................................................................11
CAPÍTULO 3: MARCO TEÓRICO: FUNDAMENTOS DE COMUNICACIONES..........................................13 3.1 SEÑAL.................................................................................................................................................................13 3.1.1 Principales características de las señales .................................................................................................13
3.2 SEÑALES ESTACIONARIAS ...................................................................................................................................13 3.3 SEÑALES CONTINUAS ..........................................................................................................................................14 3.4 SEÑALES DISCRETAS ...........................................................................................................................................16
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3.5 RUIDO EN UNA SEÑAL .........................................................................................................................................17 3.5.1 Tipos de ruidos...........................................................................................................................................17
3.6 ATENUACIÓN ......................................................................................................................................................19 3.7 AMPLIFICACIÓN ..................................................................................................................................................20 3.8 FILTROS ..............................................................................................................................................................20 3.8.1 Filtro Butterworth......................................................................................................................................20
CAPÍTULO 4: MARCO TEÓRICO: FUNDAMENTOS DE ELECTROFISIOLOGÍA....................................22 4.1 ELECTROFISIOLOGÍA...........................................................................................................................................22 4.2 REGISTRO ELECTROFISIOLÓGICO........................................................................................................................23 4.3 VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN ELECTROFISIOLÓGICA........................................................................................24 4.4 MÚSCULO ESQUELÉTICO .....................................................................................................................................24 4.5 CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES DEL MÚSCULO ...............................................................................................26 4.5.1 Excitabilidad..............................................................................................................................................26 4.5.2 Elasticidad .................................................................................................................................................26 4.5.3 Extensibilidad ............................................................................................................................................26 4.5.4 Plasticidad .................................................................................................................................................26 4.5.5 Contractibilidad.........................................................................................................................................27
4.6 ELECTROMIOGRAFÍA ..........................................................................................................................................27 4.7 POTENCIAL DE UNIDAD MOTORA .......................................................................................................................29 4.8 SEÑAL ELECTROMIOGRAFICA (EMG).................................................................................................................32 4.8.1 Características de la señal EMG ...............................................................................................................32
4.9 TIPOS DE ELECTRODOS:......................................................................................................................................33 4.9.1 Electromiografía convencional (electrodo concéntrico): ..........................................................................33 4.9.2 Electromiografía cuantitativa:...................................................................................................................33 4.9.3 Electromiografía de Fibra Simple (EMGFS): ...........................................................................................34 4.9.4 Macro EMG:..............................................................................................................................................34 4.9.5 EMG de superficie y estudio del espectro de frecuencias:.........................................................................34
4.10 EXTRACCIÓN DE CARACTERÍSTICAS Y RECONOCIMIENTO DE PATRONES...........................................................36 4.11 APROXIMACIÓN TEMPORAL..............................................................................................................................36 4.11.1 Valor Medio Absoluto ..............................................................................................................................37 4.11.2 Cruces por cero........................................................................................................................................37 4.11.3 Cambio de pendiente................................................................................................................................37 4.11.4 Longitud de la onda .................................................................................................................................38
4.12 MODELO AR ( AUTOREGRESIVE M ODEL O MODELO AUTOREGRESIVO) .............................................................38 4.13 APROXIMACIÓN ESPECTRAL. ............................................................................................................................38 4.13.1 Periodograma ..........................................................................................................................................39 4.13.2 Espectrograma.........................................................................................................................................39
4.14 APROXIMACIÓN CON WAVELET PACKETS ........................................................................................................40
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CAPÍTULO 5: INGENIERÍA CONCEPTUAL ......................................................................................................42 5.1 INTERFACES DISPONIBLES ..................................................................................................................................42 5.2 NUEVOS EQUIPOS ...............................................................................................................................................43 5.2.1 Componentes Principales ..........................................................................................................................43
5.2.1.1 Tareas Destacadas ........................................................................................................................................................ 45 5.2.1.2 Características .............................................................................................................................................................. 45 5.2.2 Principios Básicos para trabajar con Señales EMG en el Sierra Wave...................................................46 5.2.3 Manipulando la información que provee el SW.........................................................................................49
CAPÍTULO 6: INGENIERÍA BÁSICA...................................................................................................................51 6.1 BLOQUE I: ADQUISICIÓN ....................................................................................................................................52 6.1.1 Selección del grupo muscular....................................................................................................................52 6.1.2 Criterios de adquisición.............................................................................................................................52
6.1.2.1 Ubicación de los electrodos......................................................................................................................................... 52 6.1.3 Acondicionamiento de EMG’s recibidas por los electrodos......................................................................53
6.2 BLOQUE II: AMPLIFICACIÓN ...............................................................................................................................55 6.2.1 Requerimientos ..........................................................................................................................................55 6.2.2 Propuestas para el amplificador................................................................................................................56
6.2.2.1 Propuesta N°1: Amplificador de instrumentación de 3 Operacionales con seguidores de voltaje ........................ 56 6.2.2.2 Propuesta N°2: Amplificador diferencial de 3 Operacionales (3 etapas)................................................................ 58 6.2.2.3 Propuesta N° 3: Amplificador de instrumentación integrado ..................................................................................59 6.2.3 Propuesta final...........................................................................................................................................60
6.3 BLOQUE III: FILTRADO .......................................................................................................................................60 6.3.1 Ruidos e interferencias ..............................................................................................................................60 6.3.2 Propuestas de filtrado................................................................................................................................61
6.3.2.1 Propuesta N° 1: Pasa banda (Pasa alto+Pasa bajo). Primer Orden..........................................................................61 6.3.2.2. Propuesta N° 2: Pasa banda basado en OpAmp + Filtro Notch ............................................................................... 62 6.3.2.3 Propuesta N° 3: Pasa banda basado en Circuitos Integrados (CI) ........................................................................... 66 6.3.3 Propuesta final...........................................................................................................................................67
6.3 BLOQUE IV: PROCESAMIENTO ............................................................................................................................68
CAPÍTULO 7: INGENIERÍA DE DETALLES ......................................................................................................70 7.1 BLOQUE I: ADQUISICIÓN ....................................................................................................................................70 7.1.1 Selección de electrodos..............................................................................................................................70
7.1.1.1 Características principales ........................................................................................................................................... 71
7.2 BLOQUE II: AMPLIFICACIÓN ...............................................................................................................................72 7.2.1 Selección del Amplificador ........................................................................................................................72 7.2.2 Características principales del Amplificador ............................................................................................72 7.2.3 Diseño del montaje para el bloque de Amplificación ................................................................................73
7.3 BLOQUE III: FILTRADO .......................................................................................................................................74
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7.3.1 Selección del CI .........................................................................................................................................74 7.3.2 Características principales del CI .............................................................................................................75 7.3.3 Diseño del montaje para el bloque de Filtrado. ........................................................................................76
7.4 BLOQUE IV: RECTIFICACIÓN ..............................................................................................................................77 7.5 BLOQUE V: PROCESAMIENTO .............................................................................................................................77 7.5.1. Características principales del PIC..........................................................................................................77 7.5.2. El Seudocódigo .........................................................................................................................................79 7.5.3. Fase Inicial ...............................................................................................................................................79
7.5.3.1 Calibración del Mínimo ............................................................................................................................................... 79 7.5.3.2 Calibración del Máximo .............................................................................................................................................. 80 7.5.4. Desarrollo.................................................................................................................................................81 7.5.5. Simulación del Seudocódigo .....................................................................................................................81
CAPÍTULO 8: ANÁLISIS DE RESULTADOS ......................................................................................................84 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................................................................90 REFERENCIAS .........................................................................................................................................................93 APÉNDICES...............................................................................................................................................................95
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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 6.1 Parámetros guía para el diseño del filtro ....................................................................... 63 Tabla 6.2 Parámetros guía para el diseño del filtro G=10V/V ...................................................... 66 Tabla 7.1 Dimensiones en el electrodo 4040M[26] ...................................................................... 71 Tabla 7.2 Materiales en el electrodo 4040M[26] .......................................................................... 71 Tabla 7.3 Características eléctricas en el electrodo 4040M[26].................................................... 72 Tabla 7.4 Valores del par R G - G................................................................................................... 74 Tabla 7.5 Datos del TL084 [28] .................................................................................................... 76 Tabla 8.1 Valor promedio de los Parametros Medidos en la Aplicación...................................... 87
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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 3.1 Ruido blanco gaussiano. [ 8]........................................................................................ 17 Figura 3.2. Ruido Artefacto – EMG. [ 8] ...................................................................................... 18 Figura 3.3 Ruido respiratorio. [ 8]................................................................................................. 18 Figura 3.4. Ruido red eléctrica [ 8]............................................................................................... 19 Figura 3.5. Atenuación de una señal[ 5]........................................................................................ 19 Figura 3.6. Amplificación de una señal. [ 8] ................................................................................ 20 Figura 4.1. Bomba Sodio-Potasio . [10] ........................................................................................ 23 Figura 4.2 Anatomía del músculo estriado esquelético. [11] ........................................................ 25 Figura 4.3. Acoplamiento excitación contracción del músculo esquelético.................................. 27 Figura 4.4. Elecromiografía con aguja[13].................................................................................... 28 Figura 4.5. Fibrilación de Unidad Motora .[13] ............................................................................ 29 Figura 4.6. Onda de respuesta de una unidad motora[13]............................................................. 30 Figura 4.7. Formación de la señal EMG.[15]................................................................................ 32 Figura 4.8. Señal Electromiografica EMG vista es un osciloscopio ............................................. 33 Figura 4.9. Electrodos superficiales de ranura. ............................................................................. 35 Figura 4.10. Diagrama esquemático de los electrodos de aguja.[ 17]........................................... 35 Figura 4.11. Señal EMG típica durante una contracción muscular. .............................................. 36 Figura 5.1 Amplificador Diferencial de AM Systems................................................................... 42 Figura 5.2 Osciloscopio Digital..................................................................................................... 43 Figura 5.3 Base SW, Amplificador SW e ícono de acceso directo al Programa........................... 44 Figura 5.4 Conjunto de elementos del Sierra Wave [ 18] ............................................................. 44 Figura 5.5 Ventana de Recolección de datos del paciente ............................................................ 47 Figura 5.6 Elección del Músculo bajo estudio .............................................................................. 48 Figura 5.7 Ajuste del Amplificador del SW.................................................................................. 49 Figura 5.8 Importando desde el SW a otros programas. Izquierda: Archivo ASCII generado por el programa SW abierto en Microsoft Excel. Derecha: Ploteo de los puntos leídos del archivo .wav en Matlab....................................................................................................................................... 50 Figura 6.1 Diagrama de Bloques................................................................................................... 51 Figura 6.2. Cable trenzado para evitar el ruido inductivo.[ 5] ...................................................... 54 Figura 6.3 Visualización de los electrodos en el Bíceps ............................................................... 54 xii
Figura 6.4 Principio de un Amplificador diferencial..................................................................... 56 Figura 6.5 Amplificador de instrumentación con seguidores de Voltaje ...................................... 57 Figura 6.6 Amplificador diferencial de 3 AO’s............................................................................. 58 Figura 6.7 Efecto del Offset en la entrada de cada etapa [25]. ...................................................... 59 Figura 6.8 Redes STC de tipo pasa alto y pasa bajo...................................................................... 61 Figura 6.9 Filtro Pasa Alto de 1er orden. Con fc=100 rad/seg...................................................... 62 Figura 6.10 Filtro Pasa alto ........................................................................................................... 63 Figura 6.11 Diagrama de Bode de Filtro Pasa Alto de 2do. Orden............................................... 64 Figura 6.12 Diagrama de Bode de un Filtro Pasa Bajo de 2do. Orden ......................................... 65 Figura 6.13 Filtro Notch @ 60hz................................................................................................... 66 Figura 6.14 Filtro Pasa banda. 4to. Orden Vs. 2do. Orden ........................................................... 67 Figura 7.1 Electrodos de Superficie Utilizados............................................................................. 70 Figura 7.2 Circuito de prueba para el AD620 ............................................................................... 74 Figura 7.3 Resultado de la Simulación con R G=49.45.................................................................. 74 Figura 7.4 Respuesta a un Pulso Cuadrado de 1V. de Tl084 Vs. LM 324. En la parte superior se observan superpuestas la repuesta del Tl084 (azul) y la del LM324 (verde). ............................... 75 Figura 7.5 Pasabanda de 4to. Orden . (Fc inf = 100Hz Fcsup=500Hz).............................................. 76 Figura 7.6 Respuesta del Filtro con R y C comercial. Se observa la respuesta del filtro utilizando el eje de ordenadas en decibeles (rojo) y la respuesta del filtro utilizando el eje de ordenadas lineal (verde).................................................................................................................................. 77 Figura 7.7 Calibración a) Mínimo b) Máximo .............................................................................. 80 Figura 7.8 Obtención de Envolvente, Onda cuadrada y Triangular .............................................. 81 Figura 7.9 Resultado de la simulación: Salidas Ideales En Out1 y Out3 para una EMG real rectificada. ..................................................................................................................................... 82 Figura 7.10 Envolvente de la Señal............................................................................................... 83 Figura 7.11 Visualización ilustrada de la alimentación del futuro encapsulado y de cómo este no funciona si la batería no es colocada en posición correcta. ........................................................... 83 Figura 8.1 Tres Esfuerzos consecutivos con filtro Pasabanda de 20-500Hz + Notch................... 85 Figura 8.2 Cuatro Esfuerzos consecutivos con filtro Pasabanda de 100-500Hz ........................... 85 Figura 8.3 Señal EMG del sujeto X1 a través del circuito final.................................................... 87 Figura 8.4 Estudio EMG del Sujeto X1 durante contracción muscular. El filtro pasabanda del SW se fijó de 1-1KHz para que la comparación fuera lo más fiel posible, tomando en cuenta que para la primera etapa de amplificación (AD620) la señal no ha pasado por el filtro diseñado............ 88 xiii
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LISTA DE ABREVIATURAS Y TÉRMINOS AAMI
Association
for
Advancement
of
Medical
Instrumentation
(Asociación para el avance de la instrumentación Médica)
AC
Alternate Current (Corriente
ADC
Analog To Digital Converter (Conversor
ANSI
American National Standar Institution (Instituto Americano
Alterna) Digital Analógico)
Nacional de Estandares)
AO
Amplificador Operacional
AO's
Amplificadores Operacionales
CI
Circuito Integrado
CI’s
Circuitos Integrados
CMOS
MOS Complementario
CMRR
Commom Mode Rejection Ratio (Razón de Rechazo Modo Común)
DC
Direct Current (Corriente
DFT
Discret Fourier Transform (Transformada
IEC
International Electrotechnical Commission (Comisión
Directa) discreta de Fourier) Internacional
Electrotécnica)
ECG
Electrocardiográficas
EMG
Electriomiográfica
EMG’s
Electriomiográficas
FUNINDES
Fundación de Investigación y Desarrollo de la Universidad Simón Bolívar
G
Ganancia
Gd
Ganancia Diferencial
PB
Pasa Banda
PUM
Potencial de Unidad Motora
PVC
Policloruro de Vinilo
RISC
Reduced Instruction Set Computer (
para el computador) xv
Juego reducido de instrucciones
SENIAM
Surface EMG for the Non-Invasive Assessment of Muscles
(Electomiografía de superficie para la evaluación no invasiva de los músculos)
STC
Single Time Constant (Redes de una constante de tiempo)
SW
Sierra Wave
UGTS
Unidad de Gestión de Tecnologías en Salud
UM
Unidades Motoras
Vr
potenciales resultantes de ruido añadido
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INTRODUCCIÓN En los últimos años y alrededor del mundo se ha invertido un capital humano significativo en la investigación, diseño y puesta en marcha de proyectos concernientes a la bioingeniería. Una de las definiciones más aceptadas de Bioingeniería es aquella propuesta en 1972 por el "Committes of the Engineer's Joint Council" de los Estados Unidos y dice que la Bioingeniería es la aplicación de los conocimientos recabados de una fértil cruza entre la ciencia ingenieril y la médica, tal que a través de ambas pueden ser plenamente utilizados para el beneficio del hombre [1]. La bioingeniería se conoce como una de las disciplinas más jóvenes de la ingeniería en la que los principios y herramientas de la ingeniería, ciencia y tecnología se aplican a los problemas presentados por la biología y la medicina [2] y su desarrollo ha aportado grandes soluciones a la humanidad en los diferentes aspectos que la componen. Pueden visualizarse cuatro ramas mayores en el campo de la Bioingeniería: Biónica, Biología Aplicada, Ingeniería Biomédica, Ingeniería Ambiental [3] y como resultado vemos ya en el mercado productos como prótesis para extremidades superiores e inferiores, reemplazos o correcciones de ciertos aparatos biológicos como los implantes de cóclea, implantes de retina, intervenciones quirúrgicas más rápidas y precisas realizadas por robots (cirugía robótica), amplia evolución en equipos médicos para la asistencia de rehabilitación de pacientes, entre otros avances que han mejorado la calidad de vida de las personas beneficiadas. Es importante resaltar que los diversos trabajos de investigación se han ido descentralizando cada vez más, apareciendo numerosos focos de producción en los diferentes niveles (investigación, planteamiento, desarrollo, diseño, ejecución, pruebas, mantenimiento) que lo requieren.
El presente trabajo de pasantía está enmarcado en este concepto de vanguardia y en respuesta a los requerimientos exigidos por la Unidad de Gestión de Tecnologías en Salud, foco activo y proactivo de bioingeniería en Venezuela, se plantea la realización del diseño de un dispositivo electrónico que funcione como interfaz mioeléctrica. Dada la importancia del libre desenvolvimiento que requiere el hombre para vivir, la presencia de alguna lesión del sistema nervioso, amputaciones u otras discapacidades, puede traducirse, en muchos casos, en una cadena degenerativa de su calidad de vida. Para solventar las dificultades de una amputación, desde hace algún tiempo se utilizan prótesis electromecánicas, que constan principalmente de un cuerpo
mecánico que simula el movimiento natural asistido de sensores y/u otros componentes electrónicos específicos para la parte del cuerpo en cuestión, a los que el usuario debe adaptarse para hacer uso óptimo de la pieza. El dispositivo a diseñarse forma parte de una cadena de investigación en el que se trabajará con señales del músculo utilizando hardware (circuito físico). Eslabones anteriores de la cadena contemplan el trabajo con señales del músculo pero de forma no simultanea (post procesamiento) a nivel de software (programas). El dispositivo como sistema consta de dos elementos primordiales: entrada y salida, y permite la recepción de señales del músculo (entrada) y con éstas arrojar señales (salida) que se puedan usar para controlar otras aplicaciones promoviendo nuevas maneras de comunicarse y/o desenvolverse y estableciendo la línea por la cual deben desarrollarse los próximos eslabones de dicha cadena. Las diferencias fundamentales de este proyecto con otros de la misma índole, es que no limita (especifica) la aplicación de la salida a obtener, permitiendo así manipularla de acuerdo a lo que requiera la circunstancia, es adaptable al usuario y no viceversa como es más común y se basa en parámetros sencillos físicos y lógicos que favorezcan la reproducción a bajo costo y la portabilidad del dispositivo
El trabajo de pasantía se basará y desarrollará siguiendo la siguiente estructura o pasos planteados, con el objetivo de poder satisfacer las necesidades del mismo.
Ingeniería Conceptual (Fase de conceptualización): La ingeniería conceptual es la primera etapa de un proyecto, después de que se ha planteado su necesidad. Contempla tanto el estudio de la estructura del sistema, sus características principales, funcionamiento, el o los problemas a resolver etc.
Ingeniería Básica (Fase de definición): A continuación se debe realizar una caracterización del funcionamiento del sistema en base a conocimientos prácticos y teóricos previos, para así obtener información que permita establecer modelos, parámetros y propuestas de diseño (en todos sus sentidos) que contemplen la solución del problema planteado.
Ingeniería de Detalle (Fase de implantación): Contempla llevar las soluciones de diseño propuestas en la ingeniería básica, al plano real; es decir, configurar dichas soluciones en plataformas de software, hardware etc. Y adaptar el modelo establecido a las exigencias de los sistemas a emplear. 2
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CAPÍTULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 Antecedentes Al surgir el planteamiento del diseño de un dispositivo que permitiese desarrollar una interfaz electromiográfica (EMG), se debió realizar un estudio sobre trabajos con características similares en donde los autores hayan expuesto experiencias en su desarrollo.
Es extensa la cantidad de estudios y proyectos realizados por particulares e instituciones públicas y privadas entorno al procesamiento, adquisición y aplicación de señales EMG. En la búsqueda de antecedentes, se encuentran muchos trabajos orientados al control de prótesis transfemorales y ‘del brazo’ a partir de EMG’s:
Grupos de investigación del Centro de Investigación Biomédica de la Universidad de Delaware y el grupo de Ciencias de Ejercicio y Movimiento Humano de la Universidad de Oeste de Australia (University of Western Australia), en esta investigación plantean y desarrollan un control en tiempo real de un brazo virtual (flexión y extensión del codo) a través de la señal EMG del brazo de una persona sana, como propósito del estudio del control neuromuscular de los movimientos del brazo, logrando la interacción de manera artificial con la imagen mostrada en la pantalla del computador, concluyendo con la propuesta de implementar este trabajo para examinar cómo el sistema neuromuscular compensa la pérdida parcial o total de la habilidad de los músculos para generar la fuerza después de un trauma. [4]
La tesis de postgrado presentada en la Universidad Simón Bolívar en el año 2007 y denominada “Desarrollo de un algoritmo para generar una señal de control para una prótesis, basado en el procesamiento y análisis de una señal EMG” desarrollado por el Ing. Omar Leonardo Tolosa Rodríguez, resulta base importante de este trabajo, pues en ella se aclaran y
utilizan distintas características de las EMG como amplitud, filtraje y rango de frecuencia eficiente para su manipulación. Entre las conclusiones a las que se llegan en dicha tesis se encuentran que: Una señal EMG obtenida de cualquier músculo del cuerpo del paciente puede emplearse como medio de control, no sólo de un sistema eléctrico para activar o desactivar un bloqueo de una prótesis de pierna, sino de cualquier sistema en general, siempre y cuando se tenga control voluntario sobre el músculo. Haciendo uso del algoritmo planteado en la investigación, es posible generar una señal de control de cualquier sistema, usando las señales EMG de los músculos del recto femoral y del bíceps femoral. Basta con obtener la envolvente de una señal EMG y un punto umbral para activar la salida del sistema de control planteado. El algoritmo propuesto, se considera un algoritmo sencillo por la matemática básica utilizada, lo que hace que se pueda almacenar en un microcontrolador de uso común, tal como un Atmel o PIC18Fxxxx.[ 5]
Actualmente se está desarrollando una prótesis de pierna electro-mecánica como tesis doctoral en la Universidad Simón Bolívar por el Ing. Rafael Torrealba, por lo que el diseño planteado en este trabajo pudiera servir como complemento del bloque que contempla la interfaz humanoprótesis.
1.2 Justificación Las señales electromiográficas (EMG) no solamente contienen una gran variedad de información, sino que también poseen un potencial enorme para controlar dispositivos electromecánicos (por ejemplo, prótesis); al mismo tiempo se ha encontrado que se presentan varios problemas asociados a la adquisición y procesamiento de dichas señales; en este aspecto recae la importancia de su estudio.
Existen en el mercado dispositivos que ya trabajan y/o controlan otros aparatos a partir de señales EMG, pero estos tienden a ser herramientas sofisticadas que requieren alto entrenamiento 5
del usuario para un resultado eficiente, en este trabajo de grado se plantea la realización de un diseño de bajo costo en el que el usuario tiene control en la manipulación del dispositivo, adaptándose siempre este último al primero y no viceversa y que además continúe la cadena investigativa de la empresa en torno a este tema iniciada con la tesis de postgrado del Ing. Omar Tolosa.
1.3 Objetivo General
Diseñar un dispositivo electrónico capaz de generar una señal de control para manejar una interfaz mioeléctrica a partir de la recepción de señales electromiográficas (EMG)
1.4 Objetivos Específicos
Recopilar información sobre señales electromiográficas (EMG’s), (definiciones, orígenes adquisición, procesamiento…). Recopilar información de investigaciones diversas realizadas entorno a la adquisición de EMG’s para el control de dispositivos electromecánicos como prótesis. Estudiar las características de diversos componentes electrónicos involucrados en la realización de interfaces mioeléctricas disponibles en la actualidad. Comparar de acuerdo a sus características las ventajas o desventajas de cada componente y así definir cuál de éstos se adecua mejor a las necesidades de la UGTS. Estudiar el manejo del microprocesador PIC16f877 y el lenguaje PICbasic que utiliza para ser programado. Estudiar el manejo de los softwares o programas y equipos disponibles en la UGTS para realizar pruebas y simulaciones relacionadas con la adquisión de biopotenciales ( SierraWave Unit, SierraWave Software).
Seleccionar los componentes a utilizar para el montaje. 6
Diseñar el diagrama circuital a utilizar para realizar el montaje del dispositivo. Simular la respuesta del diseño obtenido para el dispositivo mediante utilización de softwares de simulación.
1.5 Alcance y Limitaciones: 1.5.1 Alcance
Con el presente trabajo se pretende obtener un diseño de un dispositivo electrónico lo más sencillo posible, el cual pueda ser versátil en cuanto a la aplicación de la salida de control que se obtenga a partir de procesar una señal EMG.
Además se pretende adquirir las señales EMG realizando tensión y relajación del brazo para definir el momento en el que se realiza el esfuerzo usando únicamente la señal EMG a través de hardware (circuito
físico), puesto que en trabajos anteriores se ha trabajado con señales EMG
pero de forma no simultanea (post procesamiento) a nivel de software (programas).
Se espera llevar acabo el procesamiento y análisis de las señales EMG adquiridas, a través de diversos softwares adecuados para esto y luego establecer las posibilidades reales de controlar otros dispositivos como prótesis.
1.5.2 Limitaciones
Entendiendo la teoría de propagación de las señales EMG y sabiendo que la misma se caracteriza por ser una señal ruidosa, se hace complicado estudiar la morfología de la señal, por lo que se tomó únicamente como estudio la envolvente de la onda en las fases de reposo y esfuerzo.
7
Entre las limitaciones de la investigación estuvo la imposibilidad de hacer pruebas de aplicación en físico con la salida de control obtenida.
8
CAPÍTULO 2 ENTORNO EMPRESARIAL 2.1 La Empresa La Unidad de Gestión de Tecnología en Salud (UGTS), es una unidad operativa orientada a desarrollar de manera integral y exclusiva, la ejecución de proyectos de Ingeniería en el área de salud, adscrita a la Fundación de Investigación y Desarrollo (FUNINDES) de la Universidad Simón Bolívar (USB).
Conformada por un equipo de profesionales responsables en la promoción, negociación, coordinación y ejecución de proyectos en las áreas de Ingeniería Clínica, Ingeniería Biomédica, Biofísica y Física Médica a nivel Nacional, fomentando así el vínculo inter y transdisciplinario entre la Biología, la Física, la Medicina y la Ingeniería .
Bajo estas premisas la UGTS promueve el convertir a la Universidad Simón Bolívar en un ente promotor de cambio dentro del Sector Salud Venezolano.
2.2 Reseña Histórica La UGTS se constituyo en el año 1993, iniciando su actividad como Unidad de Gestión con un proyecto denominado Plan de Equipamiento para los Ambulatorios de la Red Programa de Atención Materno Infantil (PAMI), luego continuó con el Hospital de Niños J.M de los Ríos.
Desde 1993, la UGTS ha ejecutado más de 32 proyectos de Ingeniería Clínica para instituciones públicas y privadas por un monto total que sobrepasa los mil millones de bolívares. Vale la pena destacar que parte de los ingresos obtenidos a través de estos proyectos se han reinvertido en la dotación de equipos para el Laboratorio de Biofísica, así como la adecuación y amoblado del espacio físico de la Unidad.
Mediante convenios suscritos con el Ministerio de Salud y Desarrollo Social (MSDS), el Instituto Venezolano de los Seguros Sociales (IVSS) y la Corporación de Salud (estado Miranda y Aragua), entre otros; la UGTS ha liderizado la ejecución y dirección de diversos proyectos en los hospitales adscritos a las instituciones antes citadas. Además, continuamente brinda asesoría y apoyo en el área de salud en pro de garantizar servicios de calidad y con un alto compromiso social.
2.3 Misión Promover la modificación radical de la estructura organizacional de las instituciones médicoasistenciales, siguiendo el planteamiento de clasificación de los factores que inciden en el funcionamiento de los sistemas de salud en (a) factores médico-biológicos, (b) factores médicoadministrativos y (c) factores médico-tecnológicos.
2.4 Visión Implantar la Gestión Tecnológica (Ingeniería Clínica) como parte indiscutible e insustituible de la organización de toda Institución prestataria de Salud.
2.5 Objetivos y Principios 2.5.1 Objetivos Brindar asistencia técnica y asesoría a las instituciones prestarías de salud (públicas o privadas), aportándoles soluciones a los problemas que enfrentan en relación con las tecnologías que disponen (infraestructura, instalaciones industriales, equipamiento médico, redes de comunicación, hotelería clínica o servicios públicos, entre otros). Garantizar, desde el punto de vista de ingeniería, la calidad de la atención médica prestada mediante el uso seguro y eficiente de cada una de las tecnologías usadas para el diagnóstico, monitoreo y tratamiento de los pacientes atendidos en dichos centros. 10
Difundir los conocimientos en el área a través de postgrados, diplomados, cursos o talleres para el personal del área de ingeniería o áreas conexas, exhortándolos a velar por el óptimo funcionamiento del equipamiento industrial y la planta física, de los centros de salud del país. Todo lo anterior se sustenta en la implantación de una adecuada gestión de tecnologías a través de la Ingeniería Clínica.
2.5.2 Principios : La Unidad de Gestión de Tecnología en Salud se sustenta en los siguientes principios: ¢ Enfoque en el cliente. ¢ Liderazgo en el mercado mediante el mejoramiento continúo de nuestros conocimientos. ¢ Participación de los diversos actores que hacen vida en el sistema de salud, tanto nacional
como internacional. ¢ Enfoque basado en procesos por evidencia. ¢ Relaciones mutuamente beneficiosas con nuestros clientes y proveedores.
2.6 Logros Algunos de los logros más significantes de la UGTS son: ¢ Definición del Sistema Nacional de Gestión Tecnológica y estructuración de la Dirección
de Gestión Tecnológica como ente rector del Sistema para el Ministerio de Salud y Desarrollo Social. ¢ Definición e implantación de la Subdirección de Ingeniería Clínica, acorde al nuevo
Reglamento General de Hospitales para el IVSS. ¢ Definición de la Dirección Regional de Gestión Tecnológica en el Estado Miranda. ¢ Diseño de un hospital de TraumaShock, para el Estado Aragua. ¢ Convenios internacionales con la Organización Panamericana de la Salud y con el
American College of Clinical Engineering.[6] 11
12
CAPÍTULO 3 MARCO TEÓRICO: FUNDAMENTOS DE COMUNICACIONES 3.1 Señal Es la variación cuantitativa de una dimensión o variable en el transcurso del tiempo, la cual puede ser representada por una forma de onda.
3.1.1 Principales características de las señales Existen diversos factores que afectan y pueden estar presentes en una señal, entre las más comunes tenemos: ¢ Frecuencia de la señal, es el número de ocurrencias de un evento repetido en una unidad de
tiempo. ¢ Potencia de la señal. ¢ Continuidad de una señal. ¢ Pueden ser periódicas y aperiódicas. ¢ Simetría. ¢ Dimensionalidad de la señal. ¢ Otras.
3.2 Señales estacionarias Son aquellas que se observan cuando se mide una determinada propiedad o característica de un sistema, con cuya medida se construye una función en el tiempo. Es muy importante determinar algunas propiedades básicas de dicha función, una de ellas es la estacionariedad.
Estrictamente hablando, para poder concluir la estacionariedad de una señal es necesario hacer distintas mediciones sobre el mismo fenómeno (por ejemplo, grabación simultánea de varios canales electrocardiográfos), constituyendo entonces un proceso {x(t)} formado por un conjunto de funciones x1(t),….,xn(t). El proceso sería estacionario si al determinar cualquier propiedad estadística el tiempo no influye en el resultado. Si esta condición sólo se cumple para la media y la autocorrelación el proceso se denominará débilmente estacionario, mientras que si se cumple también para los momentos de mayor orden entonces será fuertemente estacionario.
De esto se deduce, que para poder concluir la estacionariedad de una señal se necesita realizar varias medidas simultáneas del mismo fenómeno ¿Qué ocurre entonces cuando esto no es posible? En este caso la interpretación del concepto de estacionariedad es diferente. En conclusión, una señal se considerará estacionaria cuando las propiedades calculadas sobre intervalos pequeños no varían significativamente de un intervalo a otro. Por lo que, el término significativamente debe interpretarse como “mayor de lo esperado desde un punto de vista estadístico”.
3.3 Señales continuas Dada una función de varias variables es posible, mediante una transformación matemática, expresarla como una función de otras variables sin perder en absoluto la información proporcionada por dicha señal. Esto ocurre, por ejemplo, cuando se hace un cambio de coordenadas cartesianas a polares. Uno de estos cambios, es el que permite transformar una función del tiempo x(t) en una función de la frecuencia X(f).
Cuando Fourier (1768-1830) postuló que cualquier función del tiempo continua y periódica podía ser representada como la suma de una serie de sinusoides, creó una herramienta de trabajo muy útil para analizar las características de una señal.
Matemáticamente esto se puede expresar diciendo que si x(t) es una función del tiempo continua y periódica, con período T , entonces admite la siguiente expresión: 14
siendo:
x(t ) =
∞
∑
F K e j 2π kfot
Ecuación 3.1.a
k = −∞
F k
=
1
T / 2
∫
x (t )e − j 2π kfot dt
Ecuación 3.1.b
T −T / 2
y teniendo en cuenta que e jx = cos( x ) + jsen( x ) y que fo = 1 / T Este desarrollo de una función continua y periódica se denomina desarrollo en serie de Fourier. Sin embargo, dentro de las funciones continúas del tiempo, las funciones periódicas no son más que un subgrupo, ya que existen otras muchas funciones que carecen de esta propiedad. A estas señales no es posible aplicarles directamente el desarrollo en serie de Fourier para tratar de conocer su espectro, debido a que para ello es condición indispensable la existencia de un período finito, T , para la señal. En cierto modo se puede considerar que las señales no periódicas son aquellas cuyo período es 1.
Para obtener el espectro de una señal arbitraria continua en el tiempo se debe aplicar la denominada transformada de Fourier, que no es más que la extensión de las series de Fourier al caso T = 1, con lo cual las integrales que antes iban desde – T/2 hasta T/2 ahora irán desde - ∞ hasta ∞ y kf 0 se transforma en la variable continua f . La expresión correspondiente a dicha transformada será: ∞
π
Ecuación 3.1.a
j 2π ft
Ecuación 3.2.b
∫
F ( f ) = x (t )e − j 2 ft dt −∞
∞
x (t ) =
∫ F ( f )e
df
−∞
La primera ecuación corresponde a la transformada directa, que permite obtener el espectro de una función x(t), y la segunda corresponde a la transformada inversa, que permite reconstruir una señal a partir de su espectro de frecuencia.
La función [ F(f)]2 se conoce normalmente como función de densidad espectral, ya que puede interpretarse como la energía de la señal asociada con el rango de frecuencias ( f; f + df ) o, 15
hablando en un sentido estadístico, correspondería a la contribución de la varianza de x(t) para frecuencias en el rango ( f; f + df ).
3.4 Señales discretas Se definen como la adquisición de una muestra de datos en tiempo igualmente espaciados. En el caso que se desee usar el ordenador para el análisis de señales la única forma de poder introducir una señal analógica en el ordenador para su posterior procesado es tomando muestras y digitalizándolas, es decir, guardando el valor digital de la señal cada cierto tiempo Tm, denominado período de muestreo.
En realidad el proceso de muestreo puede interpretarse como la multiplicación de la señal continua de partida, x(t), por una serie de funciones delta de Dirac desplazadas en el tiempo en múltiplos de Tm. Es decir: ∞
∑ x(n)δ (t − nΤ )
x(t ) =
m
Ecuación 3.2
n = −∞
y a esta señal continua se le puede aplicar la transformada de Fourier. Haciendo el correspondiente desarrollo matemático quedará para la expresión de la transformada de Fourier de señales discretas la siguiente expresión:
X ( f ) =
∞
∑ x(k )e
2π f / fm
− jk
Ecuación 3.3
k = −∞
siendo f m = 1/T m. Para la transformada inversa se obtendría la expresión: f m
1 jk 2π f / f x(k ) = X f e df ( ) ∫ 2π 0
Ecuación 3.4
m
Utilizando esta propiedad en las ecuaciones 3.1.a y 3.1.b llegaríamos a obtener para este caso las expresiones: x (n) =
f m N −1
∑
N k =0
F (k )e
16
j
2π fm N
kn
Ecuación 3.5.a Ecuación 3.6.b
F (k ) =
N −1
∑0 x(n)e
− j
2π fm N
kn
n=
donde se ha sustituido f 0, la frecuencia fundamental, por su valor, en este caso, f m /N . Este par de expresiones se conocen como transformada de Fourier discreta o por sus siglas en inglés DFT ( Discrete Fourier Transform).
El cálculo directo de la DFT es bastante costoso computacionalmente. Si se analiza con detalle su implementación se obtendrá que para calcular una DFT de n puntos se necesita realizar N 2 multiplicaciones complejas y N(N – 1) sumas complejas. Esto hace que éste sea un algoritmo de complejidad O(n2). [7]
3.5 Ruido en una señal El ruido es una fluctuación inducida en la señal por factores externos. Para ello, se aplican filtros sobre la señal que posee ruido para eliminar los armónicos no deseados, también conocido como cancelación de ruido.
3.5.1 Tipos de ruidos ¢ Ruido blanco gaussiano, es una señal aleatoria que se caracteriza porque sus valores de
señal en dos instantes de tiempo diferentes no guardan correlación estadística (Figura 3.1).
Figura 3.1 Ruido blanco gaussiano. [ 8]. 17
¢ Artefacto o Ruido EMG: es la señal producto del movimiento del paciente, derivada de la
señal EMG (Figura 3.2).
Figura 3.2. Ruido Artefacto – EMG. [ 8]
¢ Ruido respiratorio, se genera en el momento que se lleva acabo dicho proceso, su incidencia
ocurre sobre la frecuencia de la línea de base de la señal fisiológica en estudio. Su frecuencia se encuentra entre los :0,1 – 2 Hertz [Hz] (Figura 3.3).
Figura 3.3 Ruido respiratorio. [ 8]
18
¢ Ruido de la Red Eléctrica, es una señal inducida por la red eléctrica a través de la
alimentación del sistema de adquisición de las señales fisiológica, por lo general su frecuencia está entre los (50 – 60)Hz (Figura 3.4).
Figura 3.4. Ruido red eléctrica [ 8]
3.6 Atenuación Es la perdida de potencia de la señal, puede ser inducida por un ruido, así como también por el medio por donde viaja la señal, ya que el mismo resta potencia a la señal debido a su resistividad (Figura 3.5).
Figura 3.5. Atenuación de una señal[ 5] 19
3.7 Amplificación El proceso de amplificación de una señal, consiste en aumentar n-veces su valor cuantitativo, logrando de esta manera el incremento del potencial, obteniendo una ganancia en la señal (Figura 3.6).
Figura 3.6. Amplificación de una señal. [ 8]
3.8 Filtros
Los filtros son redes que dejan pasar o detienen el paso de una gama de frecuencias específica. La terminología utilizada indica sus funciones esenciales, así existen filtros pasabanda, rechaza banda, pasa altos, pasa bajos, etc.
3.8.1 Filtro Butterworth Este filtro exhibe una transmisión que decrece en forma monótona con todos los ceros de transmisión en ω=∞, haciéndolo un filtro para todo polo. La función de magnitud para un filtro Butterworth de N-ésimo orden con un borde de banda pasante ωp está dado por: [9] T ( jω ) =
Entonces el parámetro
ε
1 2 N 2 ω 1 + ε ( ) ω p
Ecuación 3.6
determina la máxima variación en transmisión de banda pasante,
Amáx, según Amáx = 20 log 1 + ε 2 Por el contrario, dada Amáx el valor de 20
ε
se puede
Amáx / 10 determinar con ε = 10
−
1 . En la respuesta de Butterworth, la máxima desviación en la
transmisión de banda pasante ocurre sólo en el borde de la banda pasante. Esta propiedad hace la respuesta del filtro Butterworth muy plana cerca de ω=0 y da a la respuesta el nombre de respuesta máximamente plana. El grado de planeidad de la banda pasante aumenta a medida que aumenta el orden B, como se puede ver en la figura X, también a medida que N aumenta, la respuesta del filtro se aproxima a la respuesta del tipo de pared de ladrillo. La siguiente ecuación se puede utilizar para determinar el orden del filtro requerido de filtro, que es el mínimo valor entero de N que produce A(ω s ) ≥ Amin [9].
A(ω s ) = 10 log 1 + ε 2 (
21
ω 2 N ) ω p
Ecuación 3.7
CAPÍTULO 4 MARCO TEÓRICO: FUNDAMENTOS DE ELECTROFISIOLOGÍA 4.1 Electrofisiología La base de toda exploración electrofisiológica es el registro de los potenciales de las células excitables. La electromiografía se ocupa del registro de dichos potenciales evocados voluntariamente en el músculo y la electroneurografía de los potenciales evocados tanto sobre el músculo como sobre los troncos nerviosos por estimulación, en general eléctrica, sobre los nervios que mantienen conexión anatómica o funcional con la zona de registro.
Las propiedades eléctricas de las fibras excitables, nerviosas y musculares, derivan de la existencia de una membrana semipermeable que separa fluidos intracelulares y extracelulares con diferente concentración iónica que origina un potencial transmembrana. El espacio intracelular del axón contiene una alta concentración de ión potasio K + y otros aniones así como de aminoácidos y proteínas de carga negativa y en el espacio extracelular predomina el ión sodio (Na+) y el ión cloro (Cl -). Así mismo, la membrana celular en reposo presenta impermeabilidad, tanto para las moléculas proteicas como para algunos iones, lo que causa el mantenimiento de la diferencia de potencial entre ambos lados, negativa en el interior, de unos -70 a -90 milivoltios [mV]. Potenciales electrotónicos de suficiente intensidad en la membrana axonal inducen cambios en la actividad de los canales específicos lo que permite el paso de los iones, fundamentalmente del Na +, a través de la membrana.
Se generan de este modo, potenciales de acción que suceden a la inversión de la carga eléctrica entre ambos lados de la membrana, situándose en los +30mV, correspondientes al potencial de equilibrio para el Na +. Así, la bomba de Na+-K+ es capaz posteriormente, de reequilibrar la concentración iónica transportándolos contra gradiente en un sistema que consume energía. El potencial de acción creado es capaz entonces, de inducir corrientes electrotónicas en la membrana
que generan en las zonas inmediatamente cercanas al mismo, procesos de cambios estructurales en los canales iónicos que dependen del voltaje (Figura 4.1). Se produce así, un nuevo potencial de acción que de esta forma se propaga a lo largo del axón o de la fibra muscular.
Fisiológicamente, la propagación sólo puede desarrollarse en un sentido, puesto que la zona despolarizada permanece incapaz de sufrir el mismo cambio, durante un periodo refractario absoluto de 1 milisegundo aproximadamente. Por otro lado, la excitación artificial en un punto mediante un estímulo eléctrico por ejemplo, es capaz de causar propagación de dicha excitación en los dos sentidos, el drómico y el antidrómico, puesto que, los potenciales de acción sobre los tejidos excitables pueden ser registrados mediante electrodos cercanos y amplificarse las señales en un osciloscopio para su medición. En conclusión, todo potencial registrado es siempre una diferencia de potencial entre dos áreas de captación que observan el foco generador desde perspectivas distintas.
Figura 4.1. Bomba Sodio-Potasio . [10]
4.2 Registro Electrofisiológico El registro electrofisiológico se emplea para capturar el potencial eléctrico de un sistema fisiológico. Existen distintos modos de registro, se dice que un registro se llama “monopolar” cuando uno de los electrodos no es influenciado por el foco generador y “bipolar” cuando ambos 23
lo son de modo idéntico, aunque de forma sucesiva al medir un potencial que se propaga a lo largo de un axón o de una fibra por debajo de ellos. Ambos electrodos, otorgan una polaridad inversa al potencial captado. Se ha convenido en llamar “negativo” al primero (registro bipolar) o al único (monopolar) que capta dicho potencial. Asimismo, se ha convenido en neurofisiología en otorgar al electrodo “negativo” la entrada en el amplificador que determina movimientos hacia arriba de la línea del osciloscopio y lo inverso para el “positivo”.
4.3 Velocidad de Propagación Electrofisiológica La velocidad de propagación del impulso depende de la resistencia interna de la fibra, de su capacitancia y de su conductancia. La resistencia está muy relacionada con su diámetro y la facilidad para el flujo de corriente (capacitancia, conductancia) con las características de excitabilidad de la membrana. En las fibras amielínicas, entre 0,4 y 3 micras, la velocidad de conducción depende casi exclusivamente de su diámetro, siendo ésta muy lenta al producirse en continuidad. En las fibras mielinizadas la disminución de capacitancia y conductancia en las zonas internodales, cubiertas de mielina, permite que la velocidad de conducción no dependa solamente del diámetro de la fibra y que pueda ser muy alta con diámetros relativamente pequeños. La propagación en este caso se produce a saltos entre los segmentos "amielínicos" de los nodos. Existe una proporción ideal entre el tamaño del axón y el grosor de la mielina (diámetro de la fibra nerviosa completa) que permite una conducción óptima, expresada como el cociente entre ambos o constante "g" cuyo valor es de 0,6. La relación entre la velocidad de conducción y el diámetro de la fibra nerviosa también guarda fisiológicamente una relación (metros por segundo/micras) que es de 4,5 para las fibras de pequeño diámetro (menos de 8 micras) y de 5,7 para las mayores. [10]
4.4 Músculo esquelético Los músculos estriados esqueléticos, están constituidos por células alargadas: las fibras musculares, estas fibras, que se organizan en fascículos, se unifican por medio de envolturas elásticas. Cada fibra muscular presenta numerosos núcleos distribuidos en la periferia de la célula. Está delimitada por una membrana (sarcolema) y contiene en su citoplasma (sarcoplasma) unas miofibrillas responsables de la contracción muscular. Las miofibrillas presentan una 24
estructura filamentosa regular (miofilamentos) que confiere al músculo ese aspecto estriado que se observa al microscopio. Una fibra muscular es el resultado de la unión de varias células no diferenciadas con un único núcleo denominada mioblasto. El miotubo, formado por la unión de los mioblastos, se caracteriza por presentar sus núcleos en posición central. Después, durante la diferenciación del miotubo en fibra muscular, los núcleos van a situarse en la periferia de la célula muscular.
El cuerpo humano está formado aproximadamente de un 40% de este tipo de músculo y un 10% de músculo cardíaco y visceral. Son, generalmente, de contracción voluntaria (a través de inervación nerviosa), aunque pueden contraerse involuntariamente. Cada músculo se inserta en el hueso por medio de los tendones (Ver Figura 4.2), que están constituidos básicamente por tejido fibroso, elástico y sólido. [11]
Figura 4.2 Anatomía del músculo estriado esquelético. [11]
25
4.5 Características funcionales del Músculo 4.5.1 Excitabilidad Es la facultad de percibir un estímulo y responder al mismo. Por lo que se refiere a los músculos esqueléticos, el estímulo es de naturaleza química: la acetilcolina liberada por la terminación nerviosa motora. La respuesta de la fibra muscular es la producción y la propagación a lo largo de su membrana de una corriente eléctrica (potencial de acción) que origina la contracción muscular.
4.5.2 Elasticidad La elasticidad es una propiedad física del músculo. Es la capacidad que tienen las fibras musculares para acortarse y recuperar su longitud de descanso, después del estiramiento. La elasticidad desempeña un papel de amortiguador cuando se producen variaciones bruscas de la contracción.
4.5.3 Extensibilidad Es la facultad de estiramiento. Si bien las fibras musculares cuando se contraen, se acortan, cuando se relajan, pueden estirarse más allá de la longitud de descanso.
4.5.4 Plasticidad El músculo tiene la propiedad de modificar su estructura en función del trabajo que efectúa. Se adapta al tipo de esfuerzo en función del tipo de entrenamiento (o de uso). Así, se puede hacer un músculo más resistente o más fuerte. Los velocistas, tienen en los miembros inferiores un predominio de fibras musculares de tipo «rápido», mientras que en los corredores de maratón, prevalecen las fibras musculares de tipo «lento».
26
4.5.5 Contractibilidad Es la capacidad de contraerse con fuerza ante el estímulo apropiado. Esta propiedad es específica del tejido muscular. [11]
Se observa en la figura (Figura 4.3) que al ocurrir un potencial de acción, el impulso viaja a través del túbulo transverso ( T-tubule), existe una estructura que censa la despolarización ocurrida, el receptor de Dihidropiridina ( DHP) por su juntura mecánica con el receptor de Rianodina ( Ry1, tipo 1 porque es músculo esquelético ), da la ‘orden’ a éste último de abrirse y al abrirse libera Ca 2+ del retículo sarcoplásmático y viaja a la maquinaria contráctil, originándose así la contracción muscular.[12].
Figura 4.3. Acoplamiento excitación contracción del músculo esquelético.
4.6 Electromiografía Es el estudio de la actividad eléctrica propagada a través de las fibras musculares. Para realizar dicho estudio es necesario emplear electrodos, pudieran ser de agujas, los cuales son totalmente invasivos o electrodos de superficies no invasivos. 27
Salvo para el llamado “ruido de placa” y para la actividad de inserción de la aguja, no debe existir actividad eléctrica en el músculo relajado (Figura 4.4).
Figura 4.4. Elecromiografía con aguja[13]
La fibrilación y las ondas positivas son descargas espontáneas anormales que se producen en cualquier situación en la que una fibra muscular está denervada.
Aparecen habitualmente en los trastornos neurogénicos (enfermedades de neurona motora inferior, radiculopatías, plexopatías y neuropatías) y señalan la presencia de degeneración axonal, pero también pueden verse en miopatías, especialmente en las inflamatorias y distróficas.
Las fibrilaciones consisten en potenciales de una sola fibra muscular que bate de forma repetida a una frecuencia regular decreciente, por lo que las características morfológicas y de su sonido en el instrumento de EMG permiten su reconocimiento indudable. Su duración, registrada con aguja coaxial, se halla entre 1 y 5 milisegundos (mseg.). Su deflexión inicial es positiva (Figura 4.5).
Las ondas positivas, por su parte, tienen el mismo significado fisiopatológico, su ritmo es similar, el sonido característico y consisten en una deflexión positiva brusca con una muy lenta recuperación a la isoleléctrica. Corresponden a la fibrilación de una fibra muscular degenerada en uno de sus extremos. La hiperexcitabilidad de la membrana sarcolémica que causa este tipo de actividad espontánea, puede ser también responsable de las descargas de alta frecuencia
28
(descargas bizarras o pseudomiotónicas) debidas al cierre de circuitos de excitación efáptica entre fibras.
Figura 4.5. Fibrilación de Unidad Motora .[13]
4.7 Potencial de Unidad Motora Las Unidades Motoras (UM ó mu por sus siglas en ingles) están constituidas por la neurona motora, su axón y ramificaciones dístales, las placas motoras y todas las fibras musculares que dependen de ella. Se activa por completo en una respuesta de todo o nada.
El número de fibras por Unidad Motora (razón de inervación) varía entre 1-10 en los músculos extraoculares, faringeos o craneales a varios cientos para los músculos tónicos axiales. La actividad eléctrica de todas las fibras musculares se suma en el registro con la aguja coaxial para constituir el Potencial de Unidad Motora (PUM).
El tamaño de un PUM está relacionado con el diámetro del axón motor, su grosor de mielina y con la velocidad de conducción de la fibra nerviosa, umbral de despolarización y tipo de fibras musculares inervadas. Las UM pequeñas se asocian a fibras musculares del tipo I (contracción lenta, metabolismo oxidativo, resistentes a la fatiga) que tienen un bajo umbral de excitación y se contraen precozmente en la actividad voluntaria. Las UM de tamaño progresivamente mayor se reclutan también a grados mayores de contracción de forma que raramente en una exploración electrofisiológica pueden ser observados aisladamente potenciales pertenecientes a UM del tipo II (contracción rápida, metabolismo glicolítico, fácilmente fatigables). 29
La frecuencia de disparo de las UM lentas está por debajo de los 30Hz, en tanto las UM fásicas pueden alcanzar frecuencias mucho mayores. Los estudios EMG no permiten valorar habitualmente este dato, puesto que el incremento de frecuencia de una UM activa pronto es ocultado por la detección de otras UM vecinas batiendo a su propia frecuencia (Figura 4.6).
Figura 4.6. Onda de respuesta de una unidad motora[13]
Las características morfológicas de los PUM deben ser analizadas durante el estudio electrofisiológico.
La duración se define como el tiempo desde la deflexión inicial al retorno a la línea de base y refleja el número y dispersión espacial de las fibras musculares de la UM. Los valores normales medios se hallan entre 5 y 15 mseg., pero varían para cada músculo, edad y temperatura.
La amplitud del PUM se mide entre pico y pico y corresponde a la actividad de un relativo escaso número de fibras musculares cercanas a la punta de la aguja. Normalmente mide entre 0,2 y 3 milivoltios. Sin embargo, cuando existe reinervación colateral (agrupación por tipos en el estudio histoquímico del músculo), el mayor número de fibras de la misma UM agrupadas en un territorio causa un aumento de la amplitud del PUM. En los estudios con electrodo de monofibra se observa en este caso un aumento de la Densidad de Fibras. 30
Las fases del PUM corresponden al número de cruces por la isoeléctrica mas uno, es decir, la cantidad de porciones a uno y otro lado de la línea de base. La polifasia se asocia a UM con distribución espacial irregular, tanto por crecimientos axonales reinervantes (neurógeno, amplitud aumentada) como por pérdida parcial de fibras musculares (miopatías, amplitud disminuida).
En el músculo normal, el número de PUM polifásicos no deben sobrepasar el 10-15%. El número de puntas, Turns o cambios en la dirección del potencial que no llegan a cruzar la línea de base tienen el mismo significado que la polifasia y pueden ser cuantificados por métodos automáticos relacionándolos con la amplitud media del trazado EMG.
La estabilidad de un PUM consiste en la constancia en su morfología en sus sucesivas excitaciones. Disminuye en los casos en que existen trastornos en la propagación del impulso en las arborizaciones terminales (fases iniciales de la reinervación, denervacion en curso) o en la transmisión neuromuscular (Miastenia Gravis).
Puede ser observada fácilmente aplicando filtraje de bajas frecuencias en el registro con aguja coaxial y mediante el uso de línea de disparo y retraso de señal. Sin embargo, su cuantificación ha sido establecida mediante la aguja de monofibra y la medición sistematizada del jitter (variabilidad en la interlatencia entre dos potenciales de sendas fibras de la misma UM activadas voluntariamente) o a partir de microestimulación axonal con determinación de la variabilidad de latencia entre la estimulación y la contracción de las fibras musculares (jitter por estimulación).
En los trastornos neurogénicos con pérdida axonal, la denervación seguida de reinervación produce cambios en la morfología de los PUM que dependen del tiempo. Tras la fase activa de denervación se produce crecimiento de colaterales con conducción inestable. Los PUM reestructurados, tendrán mayor amplitud y duración al adoptar fibras musculares hasta entonces pertenecientes a otras UM. Su inicial inestabilidad y polifasia, tenderán a disminuir con el tiempo, hasta constituirse en PUM grandes y estables que corresponden a los procesos de reinervación crónica.
31
4.8 Señal Electromiografica (EMG) La señal electromiográfica es el potencial eléctrico generado por la suma de todos los potenciales de las unidades motoras producto actividad muscular (contracción y relajación). En la figura 4.7 puede observarse la formación de la señal EMG, partiendo del reclutamiento de un grupo de unidades motoras. La señal EMG es una señal bioeléctrica que se detecta directamente en la superficie de la piel a través del uso de electrodos de superficie.[14].
Figura 4.7. Formación de la señal EMG.[15]
4.8.1 Características de la señal EMG Entre las características de una señal EMG (Ver Figura 4.8) se puede decir: ¢ Su principal característica radica en que es una señal muy ruidosa, debido a la dispersión de la
sumatoria de múltiples unidades motoras. ¢ La fuente eléctrica es el potencial de la membrana muscular, aproximadamente -70mV. ¢ Los métodos utilizados en la medición de los potenciales se encuentran en un rango que va
desde poco menos de 20-2000µV en cada unidad motora, y medidos en la superficie de la piel no mayor de 5mV. ¢ La frecuencia de las señales EMG se encuentra en el rango de 20-200 Hz. [ 5]
32
Figura 4.8. Señal Electromiografica EMG vista es un osciloscopio adquirida de la zona tibial anterior[16].
4.9 Tipos de Electrodos:
Existen cinco tipos de electromiografía, en función de los distintos tipos de electrodos:
4.9.1 Electromiografía convencional (electrodo concéntrico): Consiste en el registro de la actividad bioeléctrica generada por músculo mediante el electrodo concéntrico (EC) de Adrian y Bronk o con electrodo monopolar (EM). El EC tiene una superficie de registro de forma helicoidal de 150 x 580 mm que equivale a 0,07 mm 2; la del EM es de forma cónica y mide 0,25 mm 2; este tamaño es el adecuado para el estudio de los PUM. La EMG de aguja está indicada cuando se sospecha la presencia de trastornos miógenos o neurógenos, sean estos primarios o secundarios. Con esta técnica se explora en primer lugar el músculo en reposo para detectar la presencia de actividad espontánea.
4.9.2 Electromiografía cuantitativa: Se realiza midiendo manualmente los Potenciales de Unidad Motora sobre un registro gráfico realizado en papel durante una contracción con esfuerzo ligero moderado.
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4.9.3 Electromiografía de Fibra Simple (EMGFS): Se trata de una técnica diseñada y desarrollada por Stalberg y Cols desde comienzos de los años 60. Se utiliza una aguja especial con un área de registro muy pequeña (25 micras de diámetro) que, empleando filtros (bajas: 500 Hz, altas: 10 kHz) que atenúan las bajas frecuencias, permite registrar y estudiar la actividad aislada de una sola fibra muscular. Las dos indicaciones fundamentales son la detección de cambios en la estructura de la unidad motora y el estudio de la transmisión neuromuscular.
4.9.4 Macro EMG: Lo característico de esta técnica es el electrodo “macro” que consiste en un electrodo con una cánula desnuda en una longitud de 15 milímetros que le permite captar la actividad de virtualmente todas las fibras de una unidad motora. El barrido es disparado mediante la técnica del “trigger” por un electrodo de fibra simple instalado en el centro de la superficie de registro del electrodo macro. La técnica precisa de 2 canales: Uno, que capta la actividad EMG mediante una aguja de Fibra Simple y dispara el barrido del osciloscopio; otro, que promedia la señal capturada por el electrodo macro. Los filtros del electrodo fibra simple se sitúan a 500 Hz y 10 kHz y los de la macro a 8 Hz y 8 kHz.
4.9.5 EMG de superficie y estudio del espectro de frecuencias: La primera es una técnica preferentemente utilizadas en los laboratorios de kinesiología para valorar los patrones de marcha, para lo cual se procede a menudo al rectificado de la señal. Para estos casos se utilizan electrodos superficiales que van unidos a la piel sobre el segmento muscular a estudiar. Los electrodos de superficie suelen ser de ranura, con pasta o gel de electrodo llenando la cavidad para conseguir más contacto con la piel y reducir así la impedancia de los electrodos. Su diámetro va de 2 a 10 mm. en su parte activa (Figura 4.9).
34
Figura 4.9. Electrodos superficiales de ranura. En ocasiones se emplean electrodos profundos de hilo metálico que son más estables. Estos electrodos son muy selectivos y no se observan los cruces (registros de músculos activos adyacentes) que pueden ocurrir con electrodos superficiales. Estos electrodos consisten en dos cables de acero inoxidable aislado con teflón, fino y altamente maleable, de un diámetro de 25 a 50 micrómetros pasados por una aguja hipodérmica. Las puntas se descubren un milímetro y se doblan unos milímetros sobre la cánula de la aguja, con una porción doblada de 1 milímetro más larga que la otra para evitar el cortocircuito del circuito eléctrico. Cuando la aguja se clava en el músculo y después se retira, los cables permanecen en su sitio porque las porciones dobladas hacen las veces de gancho (Figura 4.10). [ 17].
Figura 4.10. Diagrama esquemático de los electrodos de aguja.[ 17].
35
4.10 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 esta representado por una señal x(t) en el dominio del tiempo, como la que se muestra en la Figura 4.11.
Figura 4.11. Señal EMG típica durante una contracción muscular.
Se pueden considerar generalmente dos métodos para la extracción de características: aproximación paramétrica y no paramétrica. Dentro de la aproximación paramétrica se tienen modelos tales como AR (por sus siglas en inglés: autoregresive model, modelo autoregresivo), MA (moving average o promedio de movimiento) y ARMA, que es la union de estas dos últimas. En la aproximación no paramétrica se consideran generalmente dos métodos: aproximación temporal y aproximación espectral, aunque también pueden ser considerados métodos de aproximación tiempo-frecuencia.
4.11 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.
¢ Valor Medio Absoluto
36
¢ Cruces por cero ¢ Cambio de pendiente ¢ Longitud de la onda
4.11.1 Valor Medio Absoluto Un estimado del valor medio absoluto de la señal x en el segmento i de N muestras está dado por: xi
=
1
N
x ∑ N 1
k
Ecuación 4.1
k =
4.11.2 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 ó xk < 0 y xk +1 > 0 y |xk − xk +1| ≥ ε
4.11.3 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 ó xk < xk −1 y xk > xk +1 y |xk − xk −1| ≥ ε ó |xk − xk +1| ≥ ε
37
4.11.4 Longitud de la onda Una característica que provee información acerca de la complejidad de una señal en un segmento, esta definida por la longitud de la onda. Esto es simplemente el acumulado de la distancia entre dos muestras consecutivas definidas como: N
lo =
∑1 x
k
−
xk − 1
Ecuación 4.2
k =
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.
4.12 Modelo AR ( Autoregresive Model o Modelo Autoregresivo) El modelo AR se encuentra definido como: x ( n) =
P
∑1 a
x ( n − i ) + e( n)
i +1
Ecuación 4.3
i=
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: P
∑1 a
A( z ) = 1
i +1
z−
i
Ecuación 4.4
i=
Donde A(z) tiene los coeficientes normalizados del modelo. 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.
4.13 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). Para la obtención de las características de las señales EMG se pueden utilizar dos métodos:
38
¢ Periodograma ¢ Espectrograma
4.13.1 Periodograma Una forma de estimar la densidad del espectro de potencia (PSD) de una señal es simplemente encontrar la transformada discreta de Fourier (usualmente hecha con FFT) y tomar la magnitud al cuadrado del resultado. Este estimado es llamado periodograma.
El periodograma estimado del PSD de una señal x de longitud N es:
P(k ) =
X (k )
2
N
, k = 1,..., N
Ecuación 4.5
donde X(k) son los coeficientes de la FFT y están definidos como: X ( k ) =
N
∑1 x[n]e
− j
2π ( k −1)
n −1 N
Ecuación 4.6
n=
y donde la frecuencia f k para cada componente del PSD se puede hallar como: f k =
k . f S N
Ecuación 4.7
donde f s es la frecuencia de muestreo. A partir de este cálculo se extraen dos características: ¢ Potencia promedio. ¢ Potencia máxima.
4.13.2 Espectrograma Debido a la estructura temporal que poseen las señales EMG, se calculó la transformada de Fourier dependiente del tiempo para una señal, usando una ventana deslizante. Esta forma de transformada de Fourier, también se conoce como STFT ( Short Time Fourier Transform). La STFT puede ser expresada usando una ventana más corta que la longitud total de la señal, y que puede ser posicionada arbitrariamente a lo largo de la secuencia de tiempo, así: [ 20] 39
S ( f , t ) =
N −1
∑0 x[n]ω [n − t ]e
− j
2π ft
Ecuación 4.8
n=
donde x es la señal de longitud N, y w es la ventana. El espectrograma es la magnitud de esta función. A partir de este cálculo se extraen dos características para cada ventana ¢ Energía media. ¢ Energía máxima.
4.14 Aproximación con Wavelet Packets La transformada de Fourier de una señal f(t) está generalmente definida por:
F (ω ) =
∫
∞
−∞
f (t )e− jω t dt
Ecuación 4.9
Cuando f(t) es medida sobre un intervalo finito de tiempo T , y muestreada cada intervalo de tiempo τ . La transformada de Fourier puede ser vista también como un banco de N filtros (donde N=T/ τ ).
Los filtros cubren la región de frecuencia [ −π / τ , π / τ ], cada uno con ancho de banda de
∆ω=2π /T .
La distribución de energía de f(t) sobre el intervalo de frecuencia es |F(ω)|, es la energía de f(t). Note que F(ω) no contiene ninguna información en el
tiempo.
La transformada Wavelet (TW) fue desarrollada para mantener tanto las propiedades frecuenciales como las temporales de una señal. Este análisis es basado en un conjunto completo de funciones (llamadas wavelets) que se pueden ubicar tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia. La TW de f(t) está dada en función de dos parámetros a y b, donde a representa la escala de frecuencia, y b indica la ubicación en el tiempo de la wavelet, así: W (a, b) =
∫
∞
−∞
f (t )
1 a
ψ a , b (t )dt
con
t − b Ecuación 4.11 a
ψ a , b (t ) = ψ
40
Ecuación 4.10
donde ψ (t) es llamada wavelet madre y ψ a,b(t)
reemplaza el término
ψ a,b(t) es
la wavelet escalada y trasladada. Note que
en la transformada de Fourier. Sin embargo, a diferencia de la
transformada de Fourier, existen numerosas wavelets madre, y
ψ (t)
puede ser escogida de
acuerdo al problema.
Para una señal f(t) medida sobre un intervalo finito de tiempo T , y muestreada cada intervalo de tiempo τ , la TW puede ser vista también como un banco discreto de filtros.[ 21]
41
CAPÍTULO 5 INGENIERÍA CONCEPTUAL 5.1 Interfaces Disponibles En este apartado se describirán algunos elementos disponibles en el laboratorio de la Unidad de Gestión de Tecnologías en Salud (UGTS) orientados a la realización de experiencias entorno al proyecto desarrollado.
Para experiencias de adquisición de señales de baja amplitud se ha utilizado un amplificador diferencial: el modelo 1700 de A-M Systems (Ver Figura 5.1), este es un equipo robusto que se conecta a la red de 120V y que permite establecer frecuencia de corte baja y alta, ganancia deseada y activación de un filtro Notch (Rechaza banda a 60 Hz).
Figura 5.1 Amplificador Diferencial de AM Systems
Para visualizar las señales obtenidas en tiempo real se ha utilizado un Osciloscopio Digital (Ver Figura 5.2) con alta sensibilidad y ganancia de hasta 100X, Marca Tektronix modelo TDS 210.
Figura 5.2 Osciloscopio Digital
5.2 Nuevos Equipos Un equipo nuevo en la UGTS especial para medir biopotenciales es la unidad Sierra Wave (SW) de laboratorios CADWELL. En la fase inicial del trabajo en la empresa se invirtió un tiempo importante en lo que se refiere al uso del Sierra Wave orientado a la Electromiografía es por esto que se dedicarán los apartados subsiguientes de este capítulo a este equipo dado que su manejo juega especial protagonismo en la convalidación del diseño que se desea proponer.
5.2.1 Componentes Principales El equipo electromiógrafo consta básicamente de: ¢ Unidad base Sierra Wave (Ver Figura 5.3) ¢ Amplificador de dos canales (Ver Figura 5.3) ¢ Software (programa) Sierra Wave para visualizar los biopotenciales (es necesario un
computador).
43
Figura 5.3 Base SW, Amplificador SW e ícono de acceso directo al Programa.
En la Figura 5.4 puede observarse los elementos nombrados anteriormente incluyendo el software funcionando en un computador portátil.
Figura 5.4 Conjunto de elementos del Sierra Wave [ 18]
44
5.2.1.1 Tareas Destacadas Con el Sierra Wave se pueden hacer reportes a partir de: ¢ EMG/NCV/EP ¢ Onda F ¢ Reflejo H ¢ Estudio de nervios y músculos ¢ Potenciales evocados auditivos, visuales y somatosensitivos ¢ Electrococleograma ¢ ERG Electroretinograma ¢ ERG Respuesta de conos ¢ ERG Respuesta de bastones ¢ Patrón Interferencial
5.2.1.2 Características El Sierra Wave posee múltiples características, en este apartado se han extraído aquellas que se han ajustado a las necesidades del proyecto desarrollado, para otras características y especificaciones ver APÉNDICE C, al final de este informe. ¢ Marcas de tiempo y amplitud disponibles en todas las pruebas, incluyendo Potenciales
Evocados. ¢ Posee una ventana de Controles del Amplificador que reemplaza a las barras de herramientas. ¢ No es necesario ingresar la información del paciente antes de iniciar el estudio, puede
ingresarse en cualquier momento durante el transcurso del estudio o aún cuando el examen se cerró. 45
¢ Compatibilidad con múltiples usuarios usando el nombre de usuario de Windows XP. Cada
usuario puede tener su propia configuración y Directorios de Datos. ¢ El generador de informes “ QuickReport ” utiliza Microsoft Word. ¢ Los informes se guardan como documentos de Word. ¢ Las plantillas de informes se pueden editar y salvar durante la generación de un reporte. ¢ Se pueden almacenar los últimos 30 segundos de EMG en Vivo y audio. ¢ Se pueden almacenar trazos en Captura EMG (de 10 hasta 50) ¢ Las puntas del estimulador eléctrico pueden doblarse desde +90 a -45 grados. La punta del
Ánodo (+) se puede mover a otra posición más cercana al Cátodo (-). ¢ Uso del menú desplegable del botón derecho del ratón para un acceso rápido a funciones
como división de pantalla, marcas, smoothing, limpiar pantalla, borrar trazados y autocursores. Estás funciones también están disponibles utilizando las teclas de función y perillas. ¢ Análisis de Unidad Motora Simple ¢ Valores anormales señalados en rojo o con negrita. ¢ Característica de PrtScreen (Imprimir Pantalla) incorporada ¢ En EMG, el estimulador eléctrico puede usarse para iniciar/detener el EMG, almacenar una
instantánea y anotar un músculo. La perilla de intensidad puede usarse para cambiar la ganancia de EMG en Vivo y para adelantar o atrasar el trazado en el modo de revisión de EMG. ¢ Configuración de todos los protocolos en una sola pantalla.[ 19].
5.2.2 Principios Básicos para trabajar con Señales EMG en el Sierra Wave
Luego de que se instala el software en el computador y configurado la tarjeta de red del mismo con la Dirección IP del equipo especificada en el Manual de instrucciones, se ubican los 46
electrodos sobre el sujeto y se procede a abrir el programa. Se despliega una ventana en la que se llenan los datos del paciente, Ver Figura 5.5, (esto se puede hacer al comienzo o al final del estudio), luego
Figura 5.5 Ventana de Recolección de datos del paciente
se especifica el tipo de estudio a realizar: EMG, y se despliega otra ventana en la que se indica el músculo bajo estudio, Ver Figura 5.6.
47
Figura 5.6 Elección del Músculo bajo estudio
Se puede visualizar el programa ejecutándose y sólo falta ajustar las características del amplificador según lo deseado, Ver Figura 5.7. Los parámetros que aquí se presentan son modificables de acuerdo a una serie de valores predeterminados en el programa, destacan: ¢ Ganancia o Gain (horizontal, cuántos µV por división), ¢ Frecuencia de corte Baja o Locut , ¢ Frecuencia de corte Alta o Hicut , ¢ Activación o desactivación de un filtro Notch, ¢ Barrido o Sweep (vertical, Cuántos mseg. por división)
48
Figura 5.7 Ajuste del Amplificador del SW
5.2.3 Manipulando la información que provee el SW Todos los parámetros pueden modificarse simultáneos a la captura, permitiendo así ver la señal EMG desde distintas perspectivas así como también utilizar marcadores para visualizar las unidades de un punto de interés. La captura puede ser en vivo, puede congelarse y también se puede variar el tipo de análisis realizado, por ejemplo pasar de análisis de Multi-Motor Unit Analysis (Análisis
de Múltiples unidades motoras) a Single Motor Unit Analysis (Análisis de
Unidad Motora Individual) El estudio puede guardarse en archivos con diferente extensión incluyendo .wav y .avi (la señal puede guardarse como un archivo de audio o como un archivo de video reproducibles en otros programas que soporten estas extensiones, ver Figura 5.8). Utilizando la opción de Save Traces To ASCII (Guardar trazos a ASCII) podemos ver un archivo con extensión .txt que contiene valores numéricos que corresponden a cada punto muestreado durante el estudio y puede abrirse en otros programas como Microsoft Excel, ver Figura 5.8, Notepad o
al seleccionar los valores de interés exportarlos como un arreglo de valores para
análisis posteriores. 49
Figura 5.8 Importando desde el SW a otros programas. Izquierda: Archivo ASCII generado por el programa SW abierto en Microsoft Excel. Derecha: Ploteo de los puntos leídos del archivo .wav en Matlab.
50
CAPÍTULO 6 INGENIERÍA BÁSICA Para diseñar la interfaz electromiográfica se empleó un diagrama de bloques (Ver Figura 6.1) general que se fue desglosando para alcanzar el detalle del diseño y con ello el fin del proyecto.
BLOQUE I
BLOQUE II
BLOQUE III
Figura 6.1 Diagrama de Bloques
BLOQUE IV
6.1 Bloque I: Adquisición 6.1.1 Selección del grupo muscular Las mediciones se realizarán en el bíceps, que junto con el tríceps son los músculos de mayor representación en los movimientos de extensión y flexión del brazo respectivamente[22], permitiendo así una fase de prueba más cómoda por la fácil identificación gráfica y por el ahorro de tiempo que representa para el paciente a prueba hacer sólo contracción y relajación del músculo (movimiento central de estudio en este trabajo).
6.1.2 Criterios de adquisición Para la adquisición de las señales EMG se debe seleccionar los sensores adecuados de acuerdo a la medición a realizar pues esto está altamente relacionado con la señal observada. Para este caso los electrodos a utilizar serán de superficie de acuerdo con las recomendaciones de Electromiografía de superficie para la evaluación no invasiva de los músculos o SENIAM (por sus siglas en inglés Surface EMG for the Non-Invasive Assessment of Muscles)
SENIAM es un consenso multinacional que aborda los aspectos más importantes relacionados con la adquisición y el análisis de señales EMG de superficie.
6.1.2.1 Ubicación de los electrodos La ubicación de los electrodos puede ser longitudinal o transversal y debe ser consistente en sesiones consecutivas de estudio y sobre diferentes pacientes. El objetivo al ubicar los electrodos es conseguir un sitio estable para obtener una buena señal electromiográfica. Para el desarrollo de este proyecto se utilizarán electrodos superficiales, de acuerdo con las recomendaciones de la SENIAM. ¢ 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. 52
¢ 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.
La normatividad SENIAM define la distancia entre electrodos como “la distancia entre centros de las áreas de conductividad de los electrodos.
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. [23]
6.1.3 Acondicionamiento de EMG’s recibidas por los electrodos Para llevar la información recibida por los electrodos al amplificador se necesitará un cable par trenzado que es óptimo para eliminar el ruido inductivo puesto que crea un efecto de cancelación de señales inducidas (Ver Figura 6.2).[ 5].
53
Figura 6.2. Cable trenzado para evitar el ruido inductivo.[ 5]
Finalmente se colocan tres electrodos en el paciente (Figura 6.3). El área de interés deberá estar libre de grasa o cualquier tipo de sucio. Dos de ellos, recibirán las señales que serán la entrada de un amplificador diferencial y el tercero será utilizado como referencia virtual, que además de cumplir la función de indicador de voltaje de referencia o tierra analógica, el mismo por medio del conector establece contacto con el chasis del amplificador, lo que evita los efectos triboeléctricos triboeléctricos o electrostáticos. electrostáticos.
Figura 6.3 Visualización de los electrodos en el Bíceps
54
6.2 Bloque II: Amplificación
Las EMG se encuentran en rangos de voltaje variables pero no mayores a 5mV por lo que para poder trabajar con ellas es indispensable seleccionar un amplificador con una ganancia aceptable para los equipos disponibles de medición.
6.2.1 Requerimientos Para la selección del amplificador de instrumentación es necesario tomar las siguientes consideraciones: ¢ Las EMG no pueden ser cuantificadas directamente: al medirlas usando los electrodos, la
actividad de múltiples fibras musculares puede ser modelada como un proceso estocástico variante en el tiempo con media cero. Ha sido observado que la desviación estándar de la señal EMG (sin procesar) está monotónicamente relacionada al número de unidades motoras activadas y a la velocidad de su activación. Esta desviación estándar es usada para aproximar la magnitud de la actividad eléctrica muscular, referida como la amplitud EMG.[24] ¢ De acuerdo a la unidad en la que viene dada la amplitud de la EMG el amplificador debe
tener una ganancia de al menos 1000. ¢ Existen inconvenientes tales como el cross-talk , definido como la interferencia debida a la
actividad eléctrica de músculos alrededor. ¢ La impedancia de entrada del amplificador puede ser por lo menos el doble de la magnitud de
la impedancia esperada en el electrodo. ¢ El amplificador debe tener alta razón de rechazo en modo común (CMRR). ¢ El amplificador debe caracterizarse por por bajo ruido (Vrms/ √Hz)
55
Es necesario que el amplificador sea diferencial, porque además de ser versátil, por ejemplo, puede conectarse como inversor o no-inversor, es ideal para eliminar los potenciales resultantes de ruido añadido ( Vr ), ), dado que la señal de salida es la amplificación de la diferencia de las señales de entrada ( V 1 y V 2), es decir, V o=G[(V 1+V r1 r1)-(V 2-V r2 r2)], con Vr 1 = Vr 2, obtenemos exactamente la diferencia amplificada.
Figura 6.4 Principio de un Amplificador diferencial
6.2.2 Propuestas para el amplificador Una vez que se ha definido que el amplificador a utilizar debe ser diferencial, pueden ser propuestas distintas implementaciones dentro de este marco:
6.2.2.1 Propuesta N°1: Amplificador de instrumentación de 3 Operacionales con seguidores de voltaje
56
Figura 6.5 Amplificador de instrumentación con seguidores de Voltaje
Los amplificadores operacionales (AO) AO1 y AO2 están conectados como seguidores de ganancia=1, el AO3 es quien determina el voltaje de salida ( Vo). Obviando AO1 yAO2 (lado derecho de la línea punteada), Vo queda como R R + R2 R4 V O = − 2 V 1 + 1 V 2 Ecuación 6.1 R1 R1 R3 + R4 para ser del tipo diferencial ( Vo=G[V1-V2]), debemos elegir R1=R3 y R2=R4 quedando: V O
=−
R2 R1
(V 1 − V 2 )
Ecuación 6.2
Las resistencias poseen una tolerancia, entonces sus valores nominales no son exactamente los teóricos, por lo que es parcialmente diferencial.
La Razón de Rechazo en Modo Común o CMRR, Por sus siglas en inglés: Common Mode Rejection Ratio, de
este amplificador es:
CMRR =
G D GCM
− = −
R2 R1
57
R2 R1
1+ +
1+
R2
R1 R3
R4
Ecuación 6.3
Manteniendo la elección de R1=R3 y R2=R4, el CMRR es infinito, pero una vez más debemos considerar la no idealidad de las resistencias y al mismo tiempo perseguir un alto valor de CMRR (mayor de 120db) que no puede obtenerse con esta configuración. Considerando todo el montaje (los 3 AO), mejora el problema de tener resistencia de entrada baja pero sigue teniendo una aplicación bastante limitada pues persisten problemas de CMRR bajo y ganancia no modificable, pues para esto último se necesita hacer la dificilísima y poco práctica tarea de modificar las resistencias por pares.
6.2.2.2 Propuesta N°2: Amplificador diferencial de 3 Operacionales (3 etapas)
Figura 6.6 Amplificador diferencial de 3 AO’s.
A la derecha de la línea punteada encontramos la misma configuración descrita en el apartado anterior pero a la izquierda se añade una configuración diferente, muy típica en instrumentación y que mejora en distintos aspectos la configuración anterior. Para esta configuración la salida queda como:
V O
=−
R3
R2
1+ V a
+
1+
R3
R2 V R '2 b
Ecuación 6.4
R'3
En donde Va y Vb: V a
R1 R1 − V 2 1 R RG G
= V 1 +
58
Ecuación 6.5
V a
R1 R1 − V 2 1 R RG G
= V 1 +
Ecuación 6.6
Para garantizar la condición de diferencial, hacemos R2= R’2 y R3= R’3 y R R R' V O = − 3 1 + 1 + 1 (V 1 − V 2 ) Ecuación 6.7 R2
RG
RG
Se puede utilizar R1= R’1 y esto no afecta el carácter diferencial quedando finalmente: V O
=−
R3
R 1 + 2 1 (V 1 − V 2 ) R2 RG
Ecuación 6.8
Para el cálculo del CMRR, debemos considerar la ganancia diferencial del amplificador de una etapa AO3 (Gd2) y la ganancia diferencial del resto del circuito (Gd 1): CMRR =
Gd GCM
=
Gd 1.Gd 2 GCM 2
.
= Gd 1 CMRR2
Ecuación 6.9
Para obtener una diferencia importante respecto a la configuración anterior, debemos hacer Gd1 mayor que la unidad. Esto podemos lograrlo variando Gd 1 a través de la variación de R G, que se encuentra sola y por tanto resulta fácil su ajuste, obteniendo un CMRR deseable, además con esta configuración se logra una ganancia ajustable, resistencia infinita y un efecto positivo sobre errores debidos al Offset . Para ver el efecto del offset suponemos dos fuentes (V IO1 y V IO2) antes de cada etapa, conviene que Gd1 sea mayor que Gd2 para obtener el menor error (Ver Figura 6.7).[25].
Figura 6.7 Efecto del Offset en la entrada de cada etapa [25].
6.2.2.3 Propuesta N° 3: Amplificador de instrumentación integrado Para instrumentación médica son ampliamente utilizados los amplificadores de instrumentación, ya que abarcan las consideraciones requeridas, utilizando el principio de la configuración anterior. Así, son amplificadores diferenciales optimizados principalmente porque la precisión de las resistencias es mucho mejor, tienen un CMRR alto, muchos de ellos con
59
ganancia variable por un juego sencillo de resistencias externas, alta impedancia de entrada y bajo ruido.
6.2.3 Propuesta final Una vez analizadas las configuraciones propuestas se puede concluir que la que se adapta mejor a las condiciones requeridas y representa un ahorro en costos de espacio, tiempo, dinero y ajustes circuitales es la propuesta N°3, por ende sobre esta configuración se basará la selección de componentes a utilizar en la etapa de Amplificación.
6.3 Bloque III: Filtrado
Debido a que las señales mioeléctricas son de bajísima amplitud, ruidos e interferencias, como el ruido de línea (60Hz para Venezuela) o el ocasionado por la respiración en diversas mediciones, pueden provocar una falsa interpretación de resultados. Por lo tanto es indispensable considerar la aplicación de filtros que discriminen frecuencias o bandas de frecuencias que pudieran influenciar significativamente la actividad electromiográfica.
6.3.1 Ruidos e interferencias
Antes de elegir cualquier topología existente para la función de filtrado se debe definir la banda de frecuencias en la que se evidencian las EMG y de acuerdo a esto listar otras fuentes cuya frecuencia de trabajo se encuentre en el mismo rango definido para determinar si pueden ser discriminadas o ignoradas.
Para el desarrollo de este trabajo y siguiendo la investigación previa a éste realizada por el Ing. Omar Leonardo Tolosa, el rango frecuencial para las EMG es de 20-500Hz en este mismo marco se encuentra: ¢ Movimiento en la interfaz electrodo-piel
60
¢ Ruido inherente en equipos electrónicos (0 a miles de Hz). ¢ Ruido de la red eléctrica (60 Hz). ¢ Respiración y señales ECG
6.3.2 Propuestas de filtrado
Debido a que el rango de trabajo es finito, el filtro debe ser pasabanda (PB). El movimiento en la interfaz electrodo-piel no debe ser considerado en esta etapa puesto que ya fue abordado en el Bloque II. Para la topología PB se pueden hacer muchísimas proposiciones y combinaciones entre ellas. Tomando en cuenta que el eje del trabajo contempla circuitería básica y de bajo costo se describen brevemente las siguientes propuestas.
6.3.2.1 Propuesta N° 1: Pasa banda (Pasa alto+Pasa bajo). Primer Orden.
Figura 6.8 Redes STC de tipo pasa alto y pasa bajo
Con este sencillo par de redes de una sola constante de tiempo (STC) puede conseguirse un filtro pasa alto y pasa bajo para construir el filtro pasabanda deseado. La frecuencia de corte (fo) puede calcularse según la siguiente formula:
fo =
1 2π RC
Ecuación 6.10
Se utilizó la función Bode, predeterminada en el software (programa) Matlab para graficar la respuesta en frecuencia de expresiones introducidas por el usuario y así simular la respuesta en 61
frecuencia de un circuito pasa alto (Ver Figura 6.9), el problema con esta configuración es que se obtiene la falda de filtro con menor pendiente (20dB/década), esto no es deseable puesto que suprimirá información valiosa a pesar de cortar el eje de frecuencia en fo teórica.
Figura 6.9 Filtro Pasa Alto de 1er orden. Con fc=100 rad/seg. Se observa la pendiente de 20 dB/dec y el comportamiento asintótico y real (3dB) del filtro.
6.3.2.2. Propuesta N° 2: Pasa banda basado en PAEP + Filtro Notch De igual forma usando Amplificadores Operacionales se puede construir un filtro pasa alto y pasa bajo de mayor orden y con más ventajas que el descrito en el apartado anterior, por ejemplo el filtro puede ser más selectivo (mayor pendiente). Primero se trabajará con el filtro pasa alto de la Figura 6.10.
62
Figura 6.10 Filtro Pasa alto
Cuya Función de transferencia ( Vo/Vin) se deduce de la expresión: Vo (1 + R1 sC ) 2 sCR1
sC 2 R1 sC
f
+
R1
1 Vo VosC − − = Vin 2 R 1
g
Ecuación 6.11
h
La ganancia a altas frecuencias se puede calcular de acuerdo a la siguiente ecuación: G=
R1 + R2
Ecuación 6.12
R2
Esta configuración se montará de acuerdo a los parámetros descritos en la Tabla 6.1 Tabla 6.1 Parámetros guía para el diseño del filtro
Base Pasa alto Pasa bajo
OpAmp
Ancho d de banda
Orden
Ganancia
20Hz –
2
2
500Hz
2
2
Utilizando el valor del factor de polo para máxima respuesta plana (Q=0.707) [9] y sustituyendo valores para el condensador y la resistencia, con R1=R2 (ganancia=2=6dB), podemos escribir en el Command Windows (Ventana de Comandos) de Matlab:
63
Utilizando el comando Bode(TF), vemos el comportamiento del filtro en Figura 6.11:
Bode Diagram 8
7
System: pa Frequency (Hz): 128 Magnitude (dB): 6.02
6
5
4 ) B d ( e d u t i n g a M
3
2
1
System: pa Frequency (Hz): 15.3 Magnitude (dB): 0.00968
0
-1
-2
50
100
150
200
250
Frequency (Hz)
Figura 6.11 Diagrama de Bode de Filtro Pasa Alto de 2do. Orden
Los cálculos para el filtro pasa bajo (Ver Figura 6.12) son análogos a los del filtro pasa alto y tomando las mismas consideraciones del filtro pasa alto anterior ( R1=R2 y Q=0.707) se obtiene :
64
Bode Diagram 8
7
System: pb Frequency ( Hz): 45.5 Magnitude (dB): 6.02
6
5
4 ) B d ( e d u t i n g a M
3
2
1
System: pb Frequency (Hz): 654 Magnitude (dB): 0.0222
0
-1
-2
2
10
Frequency (Hz)
Figura 6.12 Diagrama de Bode de un Filtro Pasa Bajo de 2do. Orden
De aquí respecto a la 1era. Propuesta mejoramos el aspecto de la pendiente del filtro y podemos manipular la ganancia del filtro a conveniencia.
Además se agregará a este montaje un filtro Notch, que es un caso especial de rechaza banda, para eliminar la banda de 60Hz.
65
Bode Diagram 50 System: notch Frequency (Hz): 2.5 Magnitude (dB): 6.01 0 System: notch Frequency (Hz): 40.8 Magnitude (dB): -0.281
System: notch Frequency (Hz): 89.3 Magnitude (dB): -0.0798
-50
) -100 B d ( e d u t i n g a M -150
-200
-250
-300 0 10
1
10
2
3
10
4
10
10
Frequency (Hz)
Figura 6.13 Filtro Notch @ 60hz
6.3.2.3 Propuesta N° 3: Pasa banda basado en Circuitos Integrados (CI) El montaje se basará en la construcción de un pasabanda basado en circuitos integrados (CI) que albergan más de un amplificador operacional. Teóricamente estos CI responden al análisis realizado en el apartado anterior para las funciones de transferencia de un filtro pasa alto y pasa bajo.
Por el diseño compacto del componente se podrá incrementar el orden del filtro, sin dificultad alguna, para hacerlo más selectivo. La Figura 6.14 muestra el comportamiento del filtro simulado en Matlab, cuyos parámetros se muestran en la Tabla 6.2.
Tabla 6.2 Parámetros guía para el diseño del filtro G=10V/V
Base Pasa alto
Circuito
Ancho d de banda 100Hz – 66
Orden
Ganancia
2
3.1
Pasa bajo
integrado
500Hz
2
3.1
Bode Diagram Pasabanda 4to. Orden Vs. 2do. Orden 12 untitled1 untitled2
10
8
) s b a ( e d u t i n g a M
6
4
X: 42.43 Y: 2
X: 92.77 Y: 1.896
X: 970.1 Y: 1.896
X: 2121 Y: 2
2
0 1 10
2
10
Frequency (Hz)
3
10
4
10
Figura 6.14 Filtro Pasa banda. 4to. Orden Vs. 2do. Orden
El rango frecuencial de trabajo forma parte de la selectividad en la que está enmarcada esta propuesta. Este rango si bien descarta información EMG contenida en bandas de frecuencia menores que 100Hz, no discrimina el efecto observado en el espectro EMG cada vez que se hace un esfuerzo.
6.3.3 Propuesta final
Los detalles del diseño para el bloque de Filtrado se harán de acuerdo a la propuesta N°3 puesto que es el filtro más selectivo teoricamente. Además colocando la frecuencia de corte baja en 100Hz se ahorra espacio y circuitería, que a su vez se traduce en disminución de costos, al suprimir la topología notch, cuyo montaje tiende a ser tedioso ya que la exactitud de la banda a rechazar depende de la precisión con la que se ajusten resistencias externas variables (en circuitos 67
de costo similar a los contemplados en este trabajo). A pesar de que la banda de 60Hz se encuentra en medio del espectro de una EMG, la información arrojada por el esfuerzo muscular no se pierde en el rango frecuencial elegido, la validación determinante de este rango se realizará de forma experimental partiendo de la bibliografía consultada y de otros experimentos que corroboran el uso de estas frecuencias para trabajar con señales EMG.
6.3 Bloque IV: Procesamiento
Es necesaria, para los fines de este trabajo, la introducción de un microcontrolador en el que a través de un algoritmo sencillo se pueda obtener información y crear nuevas señales a partir de la EMG conseguida analógicamente.
El microcontrolador a utilizar debe satisfacer dos condiciones: 1) que posea en su arquitectura un conversor analógico digital (por sus siglas en inglés, ADC) y 2) que permita un muestreo de por lo menos 1000 muestras por segundo (recordar el teorema de Nyquist que exije que para que una señal pueda ser muestreada, la frecuencia de muestreo debe ser al menos dos veces la frecuencia de su armónico más alto).
El chip disponible es de la familia PIC. El PIC16F877 de Microchip pertenece a una gran familia de microcontroladores de 8 bits (bus de datos) que tienen las siguientes características generales que los distinguen de otras familias: ¢ Arquitectura Harvard ¢ Tecnología RISC ¢ Tecnología CMOS
Estas características se conjugan para lograr un dispositivo altamente eficiente en el uso de la memoria de datos y programa y por lo tanto en la velocidad de ejecución. Además puede programarse en varios lenguajes. Se utilizará por su sencillez, PicBasic puesto que tanto el
68
lenguaje como sus compiladores son poco exigentes y engorrosos permitiendo al programador hacer un programa y sus correcciones de forma rápida.
69
CAPÍTULO 7 INGENIERÍA DE DETALLE En este capítulo, y siguiendo la estructura del diagrama de bloques de la Figura 4.9 se describirán los detalles de las decisiones tomadas en el Capítulo anterior para completar el diseño del dispositivo final.
7.1 Bloque I: Adquisición 7.1.1 Selección de electrodos Los electrodos de superficie disponibles en la Unidad de Gestión de Tecnologías en Salud (UGTS) son modelo 4040M marca Unilect™ . Los productos Unilect™ son probados de acuerdo al estándar ANSI/AAMI EC 12:2000 y son diseñados especialmente para el contacto con la piel y así ser cómodos y agradables en el paciente, no se utiliza látex ni Policloruro de Vinilo (PVC) en su fabricación.
Figura 7.1 Electrodos de Superficie Utilizados
7.1.1.1 Características principales Están cubiertos con un gel que facilita la obtención de señales de alta calidad y minimiza el riesgo de irritación en la piel después de incluso pasado varios días de uso. Además las propiedades del adhesivo ajustan los electrodos para que no se desprendan y asegurar así señales estables. Otras características pueden observarse en la Tabla 7.1, Tabla 7.2 y Tabla 7.3
Tabla 7.1 Dimensiones en el electrodo 4040M[26]
Tamaño Electrodo
Dimensiones
Área adhesiva Altura del conector
mm 60 2540 mm2 0.5
Tabla 7.2 Materiales en el electrodo 4040M[26]
Parte Soporte Adhesivo
Materiales
Material Tejido Acrílico
Conector
Níquel o plata
Esponja
Polyurethane foam (PU)
Sensor 71
Plata, Cloruro de
plata (AgCl)
Tabla 7.3 Características eléctricas en el electrodo 4040M[26]
Parámetro
Valor Tí pico
Impedancia AC
200 Ω
Características Eléctricas
Voltaje de Offset
0.5mV
-in vitro ANSI/AAMI--
Inestabilidad de Offset y ruido interno Recuperación por sobrecarga de defibrilación
0 mV 11mv
7.2 Bloque II: Amplificación 7.2.1 Selección del Amplificador El AD620 de Analog Devices (Dispositivos Analógicos), es un amplificador que cumple con todos los requisitos y está especialmente construido para propósitos de precisión en adquisición de data, aplicaciones médicas como electrocardiograma (ECG) y monitoreo no invasivo de presión sanguínea, es de bajo costo, fácil obtención y acceso en el mercado.
7.2.2 Características principales del Amplificador ¢ Fácil de usar (Ver Figura 7.2) ¢ Pequeño encapsulado que ahorra espacio y reduce costos en el montaje ¢ Impedancia de entrada de 10G Ω �supera la condición de doblar la impedancia esperada en
los electrodos -ver página 55-) ¢ La ganancia se ajusta mediante una resistencia externa (R G) de 1 a 1000. ¢ Acepta voltajes de alimentación en este rango: + 2,3 v – +18v
72
¢ Necesita máximo 1,3mA, haciéndolo ideal para aplicaciones portables y/o alimentadas
por baterías. ¢ Bajo voltaje de offset : máximo 50µV ¢ Bajo ruido de entrada: 9 nV/ √Hz @ 1kHz ¢ 0,28 µV pico-pico en la banda de frecuencias: 0.1Hz-10 Hz.[27]
7.2.3 Diseño del montaje para el bloque de Amplificación El montaje es sencillo, como ya hemos dicho que se necesita una ganancia que permita visualizar y trabajar con más facilidad la señal de entrada, ajustaremos R G para obtener la máxima ganancia (G) del amplificador, G=1000, que corresponde (de acuerdo a la hoja del fabricante) a un CMRR=130 dB. Recordando que el AD620 está basado en el modelo típico de 3 Amplificadores Operacionales, R G puede calcularse así: R G
=
49 . 4 k Ω G −1
Ecuación 7.1
De acuerdo a las recomendaciones de la Hoja de Datos del amplificador se realizó la simulación del montaje en el software ISIS Proteus , (Ver Figura 7.2 para el montaje y 7.5 para el resultado de la simulación). En la Tabla 7.4 se observa el valor de R G obtenido teóricamente y el valor de G de acuerdo al valor de R G comercial disponible.
73
Figura 7.2 Circuito de prueba para el AD620
1v 1mv
Figura 7.3 Resultado de la Simulación con R G=49.45
Tabla 7.4 Valores del par R G - G
RG (Ω)
G ((v / v)
Teórico
49.45
1000
Comercial
50
989
7.3 Bloque III: Filtrado 7.3.1 Selección del CI Existe gran variedad de integrados que pueden adaptarse a los requerimientos planteados, y guardan gran similitud entre ellos. Los integrados TL084 y LM324 son de uso común y de fácil adquisición, después de un protocolo de prueba (Ver Figura 7.4) el TL084 fue seleccionado por tener la respuesta más rápida o el mejor Slew Rate. 74
Figura 7.4 Respuesta a un Pulso Cuadrado de 1V. de Tl084 Vs. LM 324. En la parte superior se observan superpuestas la repuesta del Tl084 (azul) y la del LM324 (verde).
El circuito integrado TL084 es muy común en aplicaciones medias de electrónica y ofrece dos ventajas prácticas principales: 1) posee 4 Amplificadores Operacionales 2) Se alimenta con poco voltaje, haciéndolo ideal para montajes portables y de bajo consumo.
7.3.2 Características principales del CI Además de las ventajas referenciadas en el apartado anterior y su fácil conexión (ver Figura 7.6), otras características determinantes para el montaje se pueden ver en la
Tabla 7.5 75
Tabla 7.5 Datos del TL084 [28]
Parámetro Características Eléctricas -Amplificador Operacional de Propósito General --
Voltaje de Alimentación Voltaje de Entrada Entrada de Voltaje Diferencial Potencia Disipada Voltaje de Offset Corriente de Offset CMR Slew Rate Resistencia de Entrada
Valor Unidad Máximo + 18 +15 +30 680 3 0.1 86 16 1000
V V V mW mv nA dB V/us GΩ
7.3.3 Diseño del montaje para el bloque de Filtrado. Los componentes se eligieron para tener la máxima respuesta plana del filtro, el montaje a realizar debe corresponder al diseño teórico de la Figura 7.5
Figura 7.5 Pasabanda de 4to. Orden . (Fc inf = 100Hz Fcsup=500Hz) En la Figura 7.6 se observa la respuesta del filtro al colocar en el simulador de circuitos AIMSpice
los valores de resistencia comerciales disponibles considerando el error asociado a
ellas mismas 76
24.2
db('v(30)')
'v(30)'
d u13.6 t i n g a M2.9
-7.7 10 1
10 2
10 3
10
frequency [Hz] Figura 7.6 Respuesta del Filtro con R y C comercial. Se observa la respuesta del filtro utilizando el eje de ordenadas en decibeles (rojo) y la respuesta del filtro utilizando el eje de ordenadas lineal (verde).
7.4 Bloque IV: Rectificación De acuerdo a la característica unipolar que tienen la mayoría de los puertos de entrada de los microprocesadores, antes de poder pasar la señal filtrada al mismo es necesario rectificarla. Un rectificador de onda completa poco sofisticado pero fiable es un puente de diodos cuya caída de voltaje sea igual en todos los diodos; idealmente la caída es de 1,4V por lo que debemos agregar una subetapa de amplificación (identificado como Bloque IV.i en el resto del escrito) para asegurar que la señal no se caiga al pasar por el puente de diodos. Encapsulados de la familia RS2XXL responden al requerimiento y consisten en un bloque pequeño de Silicon ideal para circuitos impresos con 4 pines (2 para la entrada a rectificar-alterna- y 2 de salida para la carga).
7.5 Bloque V: Procesamiento 7.5.1. Características principales del PIC ¢ CPU RISC o Reduced Instruction Set Computer ( Juego reducido de instrucciones para el
computador) . ¢ Máximo 35 instrucciones que aprender para su programación
77
¢ Todas las instrucciones se ejecutan en un ciclo de reloj, excepto los saltos que requieren dos ¢ Frecuencia de operación de 0 a 20 MHz (DC a 200 nseg de ciclo de instrucción) ¢ Hasta 8k x 14 bits de memoria Flash de programa ¢ Hasta 368 bytes de memoria de datos (RAM) ¢ Hasta 256 bytes de memoria de datos EEPROM ¢ Hasta 4 fuentes de interrupción ¢ Stack de hardware de 8 niveles ¢ Reset de encendido (POR) ¢ Timer de encendido (PWRT) ¢ Timer de arranque del oscilador (OST) ¢ Sistema de vigilancia de “perro Guardián” (Watchdog timer). ¢ Protección programable de código ¢ Modo SLEEP (“Dormido”) de bajo consumo de energía ¢ Opciones de selección del oscilador ¢ Programación y depuración serie In-Circuit (En circuito) a través de dos pines ¢ Lectura/escritura de la CPU a la memoria flash de programa ¢ Rango de voltaje de operación de 2,0 a 5,5 volts ¢ Bajo consumo de potencia: Menos de 0,6mA a 3V, 4 Mhz, 20 µA a 3V, 32 Khz, menos de
1µA corriente de standby. ¢ Conversor A/D de 10 bits, hasta 8 canales. ¢ Puerto Serie Síncrono Master (MSSP) con SPI e I 2C (Master/Slave). ¢ USART/SCI (por sus siglas en ingles Universal Synchronus Asynchronous Receiver Transmitter , Transmisor Receptor Universal Asíncrono y síncrono) con 9
¢ Puerto Paralelo Esclavo (PSP) .[ 29]
78
bit.
7.5.2. El Seudocódigo El código en el Microcontrolador debe ser capaz de extraer información útil de la EMG, en este caso nuevas señales, y así dejar al operador la tarea de utilizarlas para diversas aplicaciones. Para esto es importante definir la frecuencia de muestreo y los canales o pines del PIC a utilizar.
La frecuencia estará fijada en 1KHz (siguiendo el Teorema de Nyquist) y la masa de pines o patas del integrado a utilizar en el período de pruebas de conceptos (antes de finiquitar y validar el diseño), estará compuesta por cuatro pines: El pin 0 del ADC, los pines 0, 1 y 2 del Puerto B. Cabe resaltar que una vez concluido dicho período, la masa de pines puede multiplicarse hasta 8 veces, haciendo uso de los 3 primeros pines del puerto E.
El seudocódigo planteado toma de la señal de esfuerzo analógica de entrada (pines del conversor analógico/digital del PIC) datos para arrojar en pines de salida, previamente seleccionados, tres señales: señal envolvente, señal cuadrada y señal triangular. Las tres señales estarán escaladas entre 0V y 5V, donde el nivel 0 corresponde al estado de reposo y el nivel 5 corresponde a un máximo esfuerzo realizado, para esto el “programa” debe registrar ambos niveles individualmente, y así, como ya se sabe, aunque las referencias entre individuo e individuo no sean iguales la amplitud de la salida queda independizada de la potencia muscular del usuario.
7.5.3. Fase Inicial El escalamiento es producto de una fase inicial de Calibración de corta duración que el usuario debe considerar. Esta consta de dos bloques: Calibración del Mínimo y Calibración del Máximo.
7.5.3.1 Calibración del Mínimo Una vez ubicado correctamente los electrodos, el usuario deberá permanecer en reposo por un tiempo indicado. En este estado existe una señal alterna de baja amplitud de voltaje y es particular entre persona y persona. El “programa” registrará el valor aproximado del máximo 79
punto de la señal de reposo y este será la referencia que utilizará para diferenciar el estado de reposo con algún otro estado. A este valor lo llamaremos Set point (como es denominado el punto de referencia en muchos sistemas de control de diversas topologías) .
7.5.3.2 Calibración del Máximo Análogamente al desarrollo del apartado anterior, el usuario deberá realizar un máximo esfuerzo por un tiempo indicado. Se registrará el valor aproximado del máximo punto de la señal y este será la referencia que en el futuro indicará al programa que se ha alcanzado el Umbral Máximo ante un esfuerzo.
a) b)
Figura 7.7 Calibración a) Mínimo b) Máximo 80
7.5.4. Desarrollo Una vez que se han registrado el Setpoint y el Umbral Máximo el usuario podría visualizar, por ejemplo: en un osciloscopio o utilizando algún software de interfaz gráfica en una computador con puerto serial, una señal que envuelve la señal EMG, en otro pin una señal triangular y en otro una cuadrada, todas entre 0V y 5V si es que la señal de entrada es diferente de cero, es decir, si es que lo leído en el pin de entrada es mayor que Setpoint .
Figura 7.8 Obtención de Envolvente, Onda cuadrada y Triangular
7.5.5. Simulación del Seudocódigo Se utilizó el software del Sierra Wave para guardar cuatro archivos correspondientes a cuatro personas distintas, siguiendo los mismos parámetros anteriormente manejados para la medición. Todos los sujetos hicieron reposo y esfuerzo en un tiempo máximo de 10 segundos. Los archivos se transformaron en documentos compatibles con Microsoft Excel. Se eligió para la simulación el patrón correspondiente a la persona cuyos registros fueron los de menor amplitud, ya que casos 81
como este son críticos por la baja relación de amplitud Señal Esfuerzo/Señal Reposo y pueden determinar la viabilidad y eficacia del seudocódigo planteado.
En la Figura 7.9 y 7.10 se observan todas las señales escaladas, incluso la señal de entrada (rectificada) que además está sobre cero dado que el Setpoint ya fue calculado y es el “nuevo” cero de la señal observada.
5 EMG original con linea de reposo=0 4.5
Triangulo Envolvente Cuadrado Envolvente
4
3.5
) s t l o v (
3
d 2.5 u t i l p m A
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3 4 Tiempo (0.0001 seg)
5
6
7 x 10
Figura 7.9 Resultado de la simulación: Salidas Ideales En Out1 y Out3 para una EMG real rectificada.
82
4
5
4.5
4
) s t l o v ( d u t i l p m A
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
18
Eje X
Figura 7.10 Envolvente de la Señal De acuerdo a lo obtenido, todos los módulos del montaje se pueden ensamblar, en el ensamble se deben integrar baterías como fuente de alimentación por lo que hay que agregar un componente, como por ejemplo un diodo, que no cierre el circuito si las baterías no han sido colocadas correctamente. También se colocarán diodos LED o Light Emisor Diode (Diodo emisor de Luz) entre modulo y modulo para indicar su correcto funcionamiento así como también un pasador o Switch de encendido y apagado para activar o desactivar el circuito (Ver figura 7.11).
Figura 7.11 Visualización ilustrada de la alimentación del futuro encapsulado y de cómo este no funciona si la batería no es colocada en posición correcta.
83
CAPÍTULO 8 ANÁLISIS DE RESULTADOS Después de haber diseñado el dispositivo siguiendo el desarrollo de los bloques: Adquisición, Amplificación, Filtrado, Rectificación y Procesamiento dentro de los alcances y limitaciones establecidos con anterioridad para el presente trabajo de pasantía se adquirieron señales alternas confiables en sus diferentes etapas, asimismo por medio del algoritmo desarrollado se logró obtener señales envolventes a partir de señales EMG (Electromiográficas) reales que pueden ser utilizadas en diversas aplicaciones.
Si bien el montaje final del diseño no se contempló entre los objetivos de este trabajo, se hizo imperiosa la necesidad de corroborar el correcto funcionamiento del montaje en un ambiente no virtual, para esto se realizaron diversas pruebas con los equipos disponibles en el laboratorio cuyo objetivo fue validar o descartar el funcionamiento óptimo de los bloques del circuito en cuestión.
Antes de proceder a adquirir los componentes correspondientes al bloque de filtrado, se evaluó individualmente las decisiones tomadas respecto a este bloque en el Capítulo 7 utilizando el equipo Sierra Wave (SW).
En la Figura 8.1, se observa la señal EMG resultante de realizar tres contracciones consecutivas del bíceps, eligiendo un filtro pasabanda de 20-500Hz con un filtro Notch activado.
84
Figura 8.1 Tres Esfuerzos consecutivos con filtro Pasabanda de 20-500Hz + Notch
En la Figura 8.2, se observa la señal EMG resultante de realizar cuatro contracciones consecutivas del bíceps, utilizando el filtro pasabanda elegido para este diseño: 100-500Hz con un filtro Notch desactivado.
Figura 8.2 Cuatro Esfuerzos consecutivos con filtro Pasabanda de 100-500Hz 85
Se observa menos información (muestras capturadas) a la misma amplitud en µV (el eje horizontal que corresponde a 291,5 µV) en el segundo caso (100-500Hz), o lo que es lo mismo, los picos que sobrepasan el eje señalado tienen menor amplitud en el segundo escenario, sin embargo el momento de esfuerzo sigue diferenciándose con claridad y los momentos correspondientes al reposo son más estables ya que el filtro es más selectivo, por lo que el rango elegido permite proceder con garantía en el desarrollo del dispositivo.
Una vez realizado el montaje, se hicieron pruebas con cuatro sujetos. Las mediciones se realizaron con un Osciloscopio digital tomando como referencia horizontal siempre el mismo momento en la señal (Ver Figura 8.3) para estimar las ganancias en las diferentes etapas del circuito. Los valores promedio obtenidos se aprecian en la Tabla 8.1.
86
Figura 8.3 Señal EMG del sujeto X1 a través del circuito final
Tabla 8.1 Valor promedio de los Parametros Medidos en la Aplicación
Alimentación
+9v,-9v
Ganancia Total
15 000 v/v
Amplitud
.
Bloque II
Bloque III
Bloque IIII
Bloque IIV.i
Bloque IIV.ii
-*
200mv
2v
4v
3v
*Valor
muy
pequeño
87
Las diferencias observadas tanto en la visualización como en la cuantificación de la amplitud de las señales obtenidas está relacionada con el carácter no ideal de los componentes y con el criterio utilizado para promediar la ganancia entre etapa y etapa. Se verifica también el funcionamiento de la primera etapa de amplificación (AD620), en donde la ganancia teórica es 1000V/V, en la cual la amplitud promedio alcanzada en la contracción muscular es de 200mv, correspondiente a los 200 µV estimados según el registro del Sierra Wave durante la contracción para el mismo sujeto bajo las mismas condiciones, Ver Figura 8.4.
Las diferencias observadas tanto en la visualización como en la cuantificación de la amplitud de las señales obtenidas está relacionada con el carácter no ideal de los componentes y con el criterio utilizado para promediar la ganancia entre etapa y etapa. Se verifica también el funcionamiento de la primera etapa de amplificación (AD620), en donde la ganancia teórica es 1000V/V, en la cual la amplitud promedio alcanzada en la contracción muscular es de 200mv, correspondiente a los 200 µV estimados según el registro del Sierra Wave durante la contracción para el mismo sujeto bajo las mismas condiciones, Ver Figura 8.4.
Figura 8.4 Estudio EMG del Sujeto X1 durante contracción muscular. El filtro pasabanda del SW se fijó de 1-1KHz para que la comparación fuera lo más fiel posible, tomando en cuenta que para la primera etapa de amplificación (AD620) la señal no ha pasado por el filtro diseñado. Cabe resaltar que el ruido observado en las señales obtenidas (mejor cuantificado en el estado de reposo ajustando la escala del osciloscopio) se debe al ruido introducido por la alimentación del circuito. La alimentación consistió en dos fuentes de voltaje de un modelo antiguo, con una salida AC y una DC, conectadas en serie con una tierra común, las fuentes estaban en estado de abandono dentro del laboratorio por lo que se le hicieron varias limpiezas así como también empalmes previos en algunos cables.
88
Para el futuro encapsulado del dispositivo es importante incluir algún componente de protección, al usuario y al circuito ante desvíos de corriente que no se consideraron en este montaje pues las pruebas y simulaciones se realizaron en un ambiente sobre seguro, premeditado y dirigido por el operador y por el usuario. Los típicos diodos son ideales para esta función pues consumen poca potencia pero no conducen si la corriente no va en el sentido adecuado.
A pesar de que aun así el objetivo se alcanza con este montaje, se mejorará cambiando la alimentación por baterías, que le da la particularidad y el requisito de ser portable y mantiene al dispositivo en el perfil de bajo costo y fácil reproducción.
89
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Existen escenarios en los cuales es de interés adquirir y registrar la actividad eléctrica de la persona (electromiografía, electrocardiografía, electrooculograma, etc.), en sincronía con las mediciones cinemáticas y dinámicas asociadas al movimiento humano. En este trabajo se ha presentado un sistema de adquisición de señales electromiográficas (EMG’s) orientado a la electromiografía no invasiva, que forma parte de una importante cadena de investigación dentro de la empresa, proporciona una herramienta valiosa para utilizarse en otros estudios y aplicaciones del entorno de la bioingeniería así como también provee mayor claridad en los lineamientos de los eslabones subsiguientes de la cadena. Así mismo, han sido discutidas diversas técnicas para la adquisición de señales EMG’s y las consideraciones que deben ser tomadas antes de emplear alguna de ellas. En el desarrollo del trabajo se utilizaron algunas de las técnicas más comunes de procesado de señales EMG’s como la rectificación de onda completa, el filtraje con topología pasabanda y la detección de la envolvente de la señal.
En línea con la validación del diseño planteado para la obtención de señales de control a partir de señales EMG’s se realizaron simulaciones en programas específicos para esta aplicación, experimentos reales a nivel del bíceps izquierdo observando las señales obtenidas en un Osciloscopio Digital y también convalidaciones con la unidad Sierra Wave.
Todo proceso electromiográfico se ve afectado por variables que van desde el tipo de unidad muscular que se está estudiando, sea un fibra muscular donde la señal mostrada es la de unidad motora (UM) o un conjunto de fibras, el material con el cual están construidos los electrodos, incluyendo su medida y la disposición y orientación de estos al ser colocados en el músculo, el proceso de colocación de los electrodos, que aunque parece muy obvio exige una serie de pasos y cuidados rigurosos y la integración de los cables al primer amplificador. Para este trabajo se unen a estas variables la diferenciación de los bloques concatenados que constituyen la arquitectura modular del diseño final, los criterios y requisitos manejados en cada bloque, la elección y evaluación de cada uno de los componentes contenidos en cada uno de los bloques, el efectivo 90
acoplamiento de la cadena y la protección o seguridad del usuario, el dispositivo y otros posibles componentes que pudieran conectarse al conjunto. En la evolución del diseño planteado se debe incluir el detalle de los bloques correspondientes a la seguridad del usuario y también la protección del circuito ante descargas indeseadas provenientes de la red, si la alimentación no se realiza con baterías y/o si la visualización de señales se realiza utilizando un computador como interfaz, así como también los estándares regionales para este tipo de implementación (si existen).
De los resultados obtenidos se pueden especificar las siguientes conclusiones: Las señales bioeléctricas del ser humano suelen tener amplitudes inferiores al ruido de 60Hz. Aún cuando se utilicen amplificadores y electrodos específicamente diseñados para minimizar este ruido, el mismo igualmente es captado. Pero este ruido puede ser filtrado, siempre y cuando no interese medir un potencial a la frecuencia de 60 Hz.
Es válida la reducción del ancho de banda del filtro pasabanda utilizado para evitar mayor cantidad de componentes en la circuitería y mayor selectividad, ya que el esfuerzo o señal producto de la contracción muscular no se pierde en el rango elegido, y el uso de baterías reduce los armónicos de la red de 120V, en el caso de que la aplicación o las pruebas se realicen con alimentación directa de la red hay que considerar, como ya se ha dicho, el desarrollo del bloque de seguridad.
La ganancia del circuito total contemplado en procesos electromiográficos es una característica crítica, porque si no es adecuada (suficiente) el diseño podría arrojar resultados no deseados para usuarios con bajísima intensidad registrada en sus procesos de contracción muscular. En este trabajo el funcionamiento está garantizado para personas cuya amplitud en la fase de contracción es, en promedio, 0.1mV. En el futuro se debe agregar en el modulo que involucre ganancia un control con acceso al fabricante para manipular la ganancia deseada en un rango más flexible para evitar resultados no deseados bien sea por la baja amplitud de la EMG del usuario o el caso contrario que podría ocasionar saturación en los operacionales.
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El diseño modular permite detectar las fallas con certeza y reemplazar los bloques dañados en caso de ser necesario. También en una arquitectura modular, la principal ventaja está en la posibilidad de que los componentes evolucionen de manera independiente sin afectar el sistema global, de esta forma por ejemplo el PIC puede ser sustituido por otro microcontrolador con más o menos ventajas, se pueden agregar más canales de entrada (en este caso bastaría con aumentar los bloques establecidos en la misma proporción de los canales extra y activar los pines correspondientes del conversor analógico digital o por sus siglas en inglés ADC en el código).
El seudocódigo desarrollado no solo provee la información necesaria para llevar a cabo el objetivo sino que también suministra señales de salida en la misma escala de amplitud independizando por completo las señales de control que se pueden obtener con la intensidad del esfuerzo de cada individuo.
El proyecto en cuestión posee un gran potencial de crecimiento y desarrollo, pudiéndose integrar a productos exitosos de la UGTS existentes como el Medicarro y redes de telemedicina para diversos centros de salud, colocándose así a la par de sistemas de alta tecnología, traduciéndose esto en prestigio para la empresa y mayor valor agregado al producto que ofertan. Una vez estandarizado el producto, se puede proceder a su reproducción autofinanciada, pues el precio a terceros puede ser muy competitivo, ya que la inversión no es muy alta (todos los componentes contemplados son de fácil acceso económico).
Es importante señalar también que el presente informe posee como intención servir de base y guía para futuros interesados en esta área, los cuales podrán ahorrar horas de trabajo y búsqueda de información al consultar los capítulos referidos al marco teórico, ingeniería conceptual, básica y de detalle, a fin de canalizar sus propuestas y obtener más rápidamente la solución a los problemas que se les presenten. En definitiva, con la metodología de trabajo implementada, el número de componentes considerados en el diseño y los resultados obtenidos se puede lograr el encapsulado de un dispositivo electrónico de bajo costo y portátil, logrando así el alcance óptimo de los objetivos planteados, y la implantación de una base promotora y enriquecedora de futuros trabajos. 92
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APÉNDICES APENDICE A – Músculos en Cuestión (localización de un electrodo monopolar)
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APENDICE B Localización 3D de los músculos (Visión Anatómica del Sierra Wave) En la herramienta incluída en el Software del Sierra Wave se puede obtener una vista 3D de los músculos bajo estudio. Para este trabajo imágenes como las siguientes fueron desplegadas:
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APÉNDICE C – Especificaciones técnicas del Sierra Wave
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APENDICE D – AD620 HOJA DE DATOS
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APENDICE E – TL084 HOJA DE DATOS
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APENDICE F – Código AIMSPICE para Validación de Filtro
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APENDICE G – Validación del Seudocódigo
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Paperbueno.pdf http://www.todonatacion.com/Articulos/Articulos%20de%20musculacion/funcion%20motriz%2 0simple.htm
2. 84934095.pdf (en la laptop mia) 1er. Tipo: consta de dos amplificadores operacionales (AO) en la configuración de seguidor de voltaje. 2do. Tipo: es una configuración clásica de tres AO de instrumentación 3er. Tipo: es una configuración clásica de dos AO de instrumentación
SEGÚN http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/pdf/849/84934095.pdf PÁG.4 LA IMPEDANCIA DE ENTRADA DEBE SER AL MENOS EL DOBLE DE LA IMPEDANCIA ESPERADA EN EL ELECTRODO. AQUI http://www.cea-ifac.es/actividades/jornadas/XXVIII/documentos/1731-JA07_Ruiz.pdf Se dice q la amplitud de una EMG:es 0-10mv y el rango de frec.:5hz a 2khz Usan un filtro pasabanda 20-500hz.
Filtrado 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.
De anteproyecto_latex.pdf : El la fase de mantenimiento y evoluci_on del sistema, en una arquitectura modular, la principal ventaja est_a en la posibilidad de que los componentes evolucionen de manera independiente sin afectar el sistema global. En un sistema con un alto acoplamiento entre los componentes se di_cultan las tareas de mantenimiento y evoluci_on modular del sistema, debido a que, al realizar alguna modi_caci_on en cualquiera de ellos, implica necesariamente un cambio en por lo menos otro
componente.[ . 105
No olvidaar: considerando que la resistencia tiene + 5% de tolerancia PONER ENTRE LAS CONSIDERACIONES A DEMAS DE LO DE PROTEGER LA ALIMENTACIÓN CON UN DIODO TAMBIEN PROTEGER AL CODIGO DE GENTE Q USE EL APARATO PARA JUGAR O SIN HABER HECHO LA CALIBRACIÓN PORQ EL LADO IZKIERDO??
ESTA BUENO LO Q DICE EL IP ANÁLISIS.PDF
Representative EMG signal with five turns (T1-T5) which define four segments (S1-S4), whose durations (D1-D4) and amplitudes (A1-A4) are indicated.
------Cap.3: Marco teórico: Distintos capitulos: 106
