Electromiógrafo

Abstract

En el presente ensayo se describe el desarrollo y construcción de un electromiógrafo, cuya finalidad es obtener señales eléctricas de cada uno de los músculos del cuerpo humano y mostrarles en un ordenador personal. Este proceso se implementa para la rehabilitación de pacientes que sufren de enfermedades o deficiencia motora como: pérdida de masa muscular o debilidad, neuropatías, esclerosis lateral amiotrofia o miopatías, deficiencia motora etc. Para ello se emplea dispositivos electrónicos que miden el proceso biológico de la persona.

Introducción

Los electromiogramas, o EMG, son medidas de la actividad eléctrica generada por una neurona, o grupo neuronal, sobre un músculo determinado. Estos, se componen de una serie de valores de voltaje que se produce en las fibras musculares como expresión de la despolarización de sus membranas durante la contracción espontanea voluntaria a lo largo de un cierto tiempo.

Para el registro del EMG convencional se pueden utilizar electrodos de aguja que se insertan en los músculos que se van explorar o electrodos de superficie que se colocan sobre la piel que los recubre. En sentido general, los registros obtenidos con estos últimos no se han utilizado con propósitos clínicos, debido a la dificultad que presentan ellos en la identificación de los potenciales individuales. Además de los electrodos se necesita un osciloscopio y la observación de un especialista, quien realizará un análisis de la actividad registrada, basado fundamentalmente en sus conocimientos y experiencia [1].

Este instrumento desarrollado capta las señales provenientes de los músculos del paciente por medio de electrodos localizados en la zona afectada, mientras el paciente regula de manera consciente o voluntaria la contracción o relajación de los grupos musculares a través de los indicadores visuales que posee el equipo. Las señales provenientes de los electrodos de la zona muscular afectada, son integradas y graficadas en forma proporcional a los niveles de contracción y relajación del músculo, de manera que cuando el músculo está tenso la gráfica se eleva y cuando el paciente relaja el músculo, la misma desciende [2].

DESARROLLO

Estudio de la señal EMG

Las señales EMG superficiales (EMGS), son esencialmente un patrón unidimensional, por lo que cualquier técnica de procesamiento de señales para extracción de características y reconocimiento de patrones se puede aplicar a este tipo de señales. La información extraída de las señales EMGS, es seleccionada de tal manera que se minimice el error en el control de los sistemas de prótesis mioeléctricas. La necesidad de una rápida respuesta de la prótesis limita la longitud de las muestras de la señal sobre las cuales se extraen las características. La tendencia en el control de prótesis a partir de señales EMGS obedece a que se constituye en la técnica más sencilla de implementar por su facilidad en la recolección sin intromisión directa sobre el organismo del usuario, remoción de electrodos y equipo para efectos de mantenimiento y/o calibración y su reutilización de una persona a otra [3].

Figura 1: Señal EMG [4].

Estudio de la Unidad Motora

En patología neuromuscular se parte siempre de un concepto fisiológico fundamental: el de unidad motora (UM) (Lidell y Sherrington,1925). Una UM es el conjunto formado por una moto neurona alfa del asta anterior de la médula (o del tronco encéfalo), su axón y las fibras musculares por él inervadas. El número de fibras musculares de una UM (también llamado razón de inervación) varía entre 25 o menos en los músculos extra oculares -que requieren un control muy fino- hasta 2000 en los músculos de fuerza como los gemelos. Un potencial de unidad motora (PUM) es el resultado de la sumación temporoespacial de los potenciales de acción de las fibras musculares pertenecientes a una unidad motora.

La mayoría de las enfermedades neuromusculares se deben a la alteración de algún componente de la unidad motora. De ahí la distinción entre neuropatías, radiculopatías, neuropatías, alteraciones de la placa motriz y miopatías [5].

Adquisición de las señales EMGS

Las señales EMGS, son colectadas típicamente mediante electrodos bipolares de superficie, ubicados sobre la piel. Este resultado es importante, ya que brinda la seguridad de utilizar las señales EMGS en futuros trabajos de investigación aplicada [6]. Las señales EMGS son generadas por la contracción muscular, por lo que su adquisición requiere de una correcta identificación de las regiones musculares comprometidas en la ejecución de los movimientos a clasificar [7]. Debido a la elevada resistencia eléctrica natural de la piel, se recomienda la aplicación de un gel que mejore la conductividad además de lograrse una buena superficie de contacto y adherencia con los electrodos. A pesar de estas disposiciones, las señales recogidas serán demasiado débiles, por lo que se hace necesario un procesamiento previo de filtraje y amplificación antes de su análisis [8].

Electrodos

La manera de obtener información acerca de nuestro entorno y transferirla a algún aparato electrónico se lleva a cabo mediante un transductor, es un dispositivo capaz de transformar un tipo de energía de entrada a otro tipo de energía de salida. En el campo de la bioelectricidad los transductores utilizados son llamados electrodos; los electrodos hacen una transferencia iónica del tejido vivo del cuerpo hacia un dispositivo electrónico, el cual se encarga de procesarla para posteriormente obtener información útil de la medición [9]; entre las señales biológicas más estudiadas y registradas se en encuentran las Electrocardiográficas (ECG), Electroencefalografías (EEG), electromiografías (EMG), Para el registros de estas señales se suelen utilizar principalmente dos tipos de electrodos, los electrodos de superficie y los electrodos invasivos; los electrodos de superficie son colocados en la superficie de la piel y son capaces de tomar registros poblacionales de la actividad bioeléctrica [10]; mientras que los electrodos invasivos son insertados en el tejido para tomar directamente la diferencia de potencial existente entre la membrana celular y la piel [10].

Figura 2: Electrodos [11].

Electrodos de superficie

Los electrodos superficiales son colocados sobre la piel, estos electrodos son principalmente superficies de metal, sin embargo, debido al estar en contacto directo con la piel hay que tomar ciertas consideraciones[18]: la piel es un tejido conductivo cuyo material intracelular y extracelular está compuesto de soluciones electrolíticas, en la cual la corriente es transportada por iones; mientras que el metal es un material altamente conductivo, en el cual la corriente es transportada por electrones, en consecuencia, la interfaz electrodo piel es en sí muy ruidosa[12].

Figura 3: Electrodos de superficie [11]

Electrodos invasivos

Para medir los potenciales generados por las unidades motoras, la electromiografía invasiva hace uso de electrodos de aguja; un electrodo de aguja consiste en una delgada aguja de metal la cual es insertada en el musculo directamente [12].

Figura 4: Electrodos invasivos [13]

Fundamentos electrónicos

Para la construcción de un electromiógrafo, el mismo que es un dispositivo para adquisición de las señales provenientes de los músculos, es necesario tener en cuenta varios factores, entre ellos están la etapa de pre amplificación de la señal, filtrado de la señal y conversión analógica digital.

• A. Etapa de pre-amplificación

La amplitud de las señales de EMG depende de varios factores; la posición, el tipo y material de los electrodos usados; una típica señal de EMG tiene rangos de amplitud que van desde 0.1 a 0.5 mV. Esta señal puede contener componentes de frecuencia que se extienden hasta los 10kHz [10]. El preamplificador usado para EMG es generalmente de tipo diferencial y su impedancia de entrada debe ser de ? en paralelo con un capacitor de 2 – 10pF; también es recomendable ubicar el preamplificador bastante cerca de los electrodos y el sujeto, de esta forma se evitan capacitancias parasitas y problemas producidos por el movimiento de los artefactos y del cable [14].

Figura 5: Etapa de Pre amplificación y Amplificación [15]

• B. Etapa de Filtrado

La señal amplificada proveniente de la etapa de pre amplificación contiene una mezcla de señales biológicas, por ejemplo, se encuentran inmersas las señales de ECG, respiración y dependiendo del lugar se podrían encontrar rastros de EEG. Es por esta razón que para tener registros claros de EMG es necesario depurar o filtrar la información; esto se logra usando amplificadores operaciones con los cuales se construyen filtros analógicos para obtener registros únicamente de EMG, estas señales se presentan en el rango de frecuencia de 10 a 500Hz [12]. Sin embargo las señales de ruido provenientes por el movimiento de los cables y de los artefactos se encuentran entre 0 y 15, es por eso que en muchos trabajos publicados se prefiere tener un filtro de 15 a 500Hz o de 20 a 500Hz, dependiendo de lo que se desee [10].

Figura 6: Etapa de Filtrado [15]

H.1 Tipos de Filtros

• Filtro de Butterworth

Este tipo de filtro presenta una banda de paso suave y un corte agudo. También es el filtro que presenta la respuesta más plana mientras más se acerca a la frecuencia de corte, es por eso que recibe el nombre de máximamente plana [16].

• Filtro de Chebyshey

Este filtro presenta la respuesta más aguda, pero también se generan algunas ondulaciones antes de llegar a la frecuencia de corte, estas ondulaciones se reducen conforme aumenta el orden del filtro [16].

• Filtro de Bessel

Presenta una variación de fase constante [16].

Figura 7: Grafica de magnitud vs frecuencia de los diferentes tipos de filtros a una frecuencia [16]

• C. Conversión Análoga Digital

La conversión analógica digital (A/D), es el proceso mediante el cual se transforman señales continuas o del mundo real a niveles de voltaje que representan un código binario [10]. Una señal continua es aquella que en teoría puede tomar cualquier valor en amplitud y no se encuentra limitada a un número de puntos finitos. Un convertidor A/D acepta señales en un rango especifico de voltaje, por ejemplo ±5V, el cual es subdivido en un numero de niveles discretos, este número está dado por la fórmula 2n-1, donde n es el número de bits del convertidor A/D. El proceso de digitalización consta de varios pasos: muestreo, retención, cuantificación y codificación. El muestreo, es la etapa en la que se toman muestras de la señal continua; la velocidad de muestreo depende de un reloj interno y recibe el nombre de frecuencia de muestreo. La etapa de retención se encarga de mantener el valor de la muestra el tiempo suficiente para que pueda ser procesado. El proceso de cuantificación consiste en medir el valor del voltaje recibido y asignarle un único valor de salida. Finalmente la etapa de codificación consiste en traducir el valor cuantificado a un valor binario [12]; En el caso de los músculos, la frecuencia con el armónico más grande para electromiografía de superficie está en el rango de 400 – 450Hz [12].

Metodología para la adquisición de EMG

El desarrollo del sistema se divide en varias etapas. El primer desarrollo es un sistema de adquisición con ciertas limitaciones "Prototipo de Adquisición de EMG con Fuente Bipolar"; El desarrollo siguiente se denomina "Prototipo de Adquisición de EMG de un Solo Canal LVTTL" presenta grandes mejoras con respecto al anterior, tanto en diseño como en eficiencia, sin embargo solo se puede tomar las señales de EMG de un solo músculo; finalmente se desarrolla el "Prototipo de Adquisición de EMG de dos Canales", el cual es capaz de tomar al mismo tiempo las señales de EMG de dos músculos diferentes [17]

Figura 8. Diagrama de bloques para la adquisición de señales EMG [17]

Conclusiones

Un electromiógrafo puede ser útil para la medición directa de la reacción muscular y muy eficiente, como medidor de las reacciones del sistema nervioso.

El electromiógrafo como equipo, debe ser fabricado bajo estrictas consideraciones de diseño electrónico, así con las técnicas y componentes de mayor calidad que el mercado pueda ofrecer.

La interpretación de la señal EMG es un aspecto fundamental del sistema como recurso de diagnóstico biomédico. Un análisis exitoso de las condiciones del paciente depende de la habilidad y calidad del equipo a utilizarse.

Las señales bioeléctricas del ser humano suelen tener amplitudes inferiores al ruido de 50Hz. Aun cuando se utilicen amplificadores específicamente diseñados para minimizar este ruido, el mismo igualmente es captado. Afortunadamente este ruido puede ser filtrado, siempre y cuando no interese medir un potencial bioeléctrica a una frecuencia de 50 Hz.

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Referencias

[1] Revista Cubana de Investigaciones Biomédicas versión On-line ISSN 1561-3011: Hospital Militar "Dr. Carlos J. Finlay" Métodos para el análisis cuantitativo del electromiograma: scielo.sld.cu

[2] Barreda Luis Eduardo : Dpto. de Electrónica, Septiembre 2005.

[3] Análisis de Señales EMG Superficiales, Universidad del Cauca, versión final 18 de junio de 2007, IEEE Eng. in Medicine and Biology, .

[4] Simulacion Mathlab, elaboracion propia.

[5] Condiciones generales de acreditación de procedimientos, proveedores y centros para pruebas funcionales de neurofisiología clínica, encontramos en la página: www.neurofisiologia.org

[6] Zecca M., Micera S., Carroza M., Dario P., "Control Of Multifunctional Prosthetic Hands By Processing The Electromyographic Signal", Critical Reviews™ in Biomedical Engineering. Vol. 30, pp. 459 485.2002.

[7] Englehart K., Hudgins B., Parker P., Stevenson M., "Classification of the Myoelectric Signal Using Timefrecuency Based Representations". Institute of Biomedical Engineering, University of New Brunswick, Canada. 1999.

[8] Hargrove L., Englehart K., Hudgins B., "A Comparison of Surface and Intramuscular Myoelectric Signal Classification", Proc. of the 27th Annual Conf. Int. pag. 5009 5012. IEEE EMBS 2005.

[9] Neuman, M. R. "Biopotential Electrodes."The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition. Ed. Joseph D. Bronzino Boca Raton: CRC Press LLC, 2000.

[10] Khandpur R.S. "Biomedical instrumentations. Technology and aplications", MacGraw-Hill.

[11] Fuentes, elaboracion propia

[12] Merletti, Roberto "Electromyography – Physiology, Engineering, and Noninvasive Applications". Editado por: Merletti, Roberto; Parker, Philip © 2004 John Wiley & Sons.

[13] Instituto de especialidades neurológicas: Diponible en http://www.iensa.es

[14] Adel S. Sedra y C. Smith "Circuitos microelectronicos".

[15] Sistema Basico de Registro de Electromiografia; España, EMG

[16] Clasificacion de Filtros, pdf disponible en: http://www.angelfire.com/electronic2

[17] Neuman, M. R. "Biopotential Electrodes."The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition. Ed. Joseph D. Bronzino Boca Raton: CRC Press LLC, 2000

[18] Diseño y elaboracion del Circuito de electromiografía. [Online]

[19] Interfases no tradicionales en bioingenieria. [Online]Disponible:http://www.efn.uncor.edu/escuelas/biomedica/Plandeestudios/materias%20completas/Ingenieria%20en%20rehabilitacion/Clases/16Interfaces%20no%20tradicionales.pdf

[20] SENIAM (Surface Electromyography for the Non-Invassive Assessment of Muscles). [Online] Disponible: www.seniam.org

[21] Universidad de Alcalá Departamento de Electrónica: Sistemas de Acondicionamiento y Adquisicio´n de Sen~ales Bioele´ctricas. [Online] Disponible: http://fit.um.edu.mx/jorgemp

Autor:

María Augusta Flores Rivera

Electrónica Digital

Ing. Rene Ávila

Universidad Politécnica Salesiana

Cuenca – Ecuador

María Augusta Flores R. Nació en la ciudad de Azogues el 28 de mayo de 1989, sus estudios primarios los realizó en la Escuela "Rafael María García". Continuando sus estudios secundarios en el Colegio Experimental "Luis Cordero", obteniendo el título de BACHILLER EN FISICO MATEMATICO. Actualmente se encuentra cursando el 3er año de la carrera Ingeniería Electrónica en la "Universidad Politécnica Salesiana".