Resumen—— En el presente trabajo se describe el desarrollo y construcción de un electromiógrafo, cuya función es adquirir las señales eléctricas provenientes de las diferentes unidades motoras de un músculo y mostrarlas en un ordenador personal. El sistema está destinado a rehabilitar pacientes que

tengan una enfermedad o deficiencia motora. Para su implementación se ha desarrollado una placa adquisidora de dos canales de entrada compatible con el bus ISA de la PC. Cada uno de los canales esta compuesto por un amplificador de instrumentación (INA114) de alta impedancia de entrada y elevado rechazo a modo común, específicamente diseñados para amplificar biopotenciales. Una interfase permite la comunicación del instrumento con el usuario mediante un ordenador. El hardware del sistema esta dividido en dos secciones. La primera, analógica, se ocupa del filtrado, amplificación y medición de la señal de entrada. La segunda, digital, se ocupa del direccionamiento de la placa (con tecnología TTL) y la conversión analógica-digital (conversor ADC804 CMOS de 8 bits). El sistema se utilizó para implementar la técnica terapeutica llamada Biofeedback. Su principio básico consiste en que si al individuo se le da información sobre el nivel de actividad de un proceso biológico y los cambios en el mismo, la persona podrá aprender a regular esta actividad. En este caso la actividad miográfica fue procesada y mostrada a través de una interfase gráfica desarrollada en Visual Basic 6.0. Asimismo se proveyó de una base de datos de Access, de gran utilidad para el profesional a cargo del estudio para almacenar datos y evolución del paciente. Los resultados fueron similares a los obtenidos mediante otro instrumento profesional (Biopac MP100). Se comprobó que con una realimentación visual adecuada el usuario puede controlar su actividad muscular.

Palabras clave—Biofeedback, electromiografía, INA, EMG, ruido, filtrado, adquisición.

I. INTRODUCCIÓN

La Técnica de Biofeedback (BFB) mediante EMG se viene

aplicando específicamente en personas que han sufrido atrofias musculares o disminución de la capacidad de contracción muscular como producto de una enfermedad o accidente, que obligan al paciente a tener inmovilizada la zona comprometida El instrumento desarrollado capta las señales provenientes de los músculos del paciente por medio de electrodos localizados en la zona comprometida, mientras el paciente regula de manera consciente o voluntaria la contracción o relajación de los grupos musculares a través de los indicadores visuales que posee el equipo. Las señales provenientes de los electrodos de la zona muscular afectada, son integradas y

graficadas en forma proporcional a los niveles de contracción y relajación del músculo, de manera que cuando el músculo está tenso la gráfica se eleva y cuando el paciente relaja el músculo, la misma desciende. Utilizando un mecanismo subconsciente, el paciente

aprende a controlar los niveles de la gráfica y de esta manera se entrena para ir aumentando gradualmente la intensidad de las contracciones.

II. CARACTERÍSTICAS DEL INSTRUMENTO

Se exponen en la tabla 1 las especificaciones del sistema desarollado.

TABLA I

CARACTERÍSTICAS DEL INSTRUMENTO.

Canales analógicos de entrada 2 ( ampliable a 8)Resolución del conversor A/D 8 Bits

Impedancia de entrada 6 Gohms (diferencial)CMRR 120 db (mínimo)

Ganancia Variable (1, 2, 8 y 16)Filtro Notch 50 Hz

Filtro Pasa Bajos fc = 1,3 KhzFiltro Pasa Altos fc = 5 Hz

Comunicación con PC Bus ISATransferencia de datos Modo encuesta

Todos los instrumentos que permiten aplicar la técnica del Biofeedback tienen tres componentes fundamentales: un transductor, una unidad de procesamiento y un dispositivo de salida. El transductor detecta el cambio en el parámetro que esta siendo medido, en este caso una señal eléctrica producida por un proceso fisiológico, la despolarización de fibras musculares previa a su contracción. Los transductores encargados de recoger esta señal biológica se llaman electrodos cuya función es convertir el flujo iónico en corriente eléctrica. Los electrodos se adhieren a la piel del paciente sobre el músculo. La unidad de procesamiento contiene circuitos eléctricos que amplifican, filtran y digitalizan la señal adquirida. La indicación del esfuerzo puede tomar diferentes formas, visual, auditiva o ambas. En este caso se utilizó la pantalla de la computadora como display para graficar la intensidad del esfuerzo a lo largo del tiempo. La indicación debe poder cambiar instantáneamente en respuesta al esfuerzo para dar al paciente una inmediata información acerca de su actividad. A continuación se da una breve descripción de los bloques que componen el instrumento:

ElectromiógrafoAlumno: Barreda Luis Eduardo *

Director: Ing. Esteban Lucio González Dpto. de Electrónica, Septiembre 2005, * pi314ar @yahoo.com.ar

1

La figura 1 muestra el diagrama en bloques del instrumento:

Fig. 1: Diagrama en bloques

- Amplificador de entrada La señal generada por una gran unidad motora tiene una amplitud de 0 volt (en reposo, es decir, cuando no existe contracción muscular) y 250 microvolt durante la contracción. Debido a que las señales mioeléctricas son de bajo valor, ruidos o artefactos como el ruido ambiente o en mayor medida el ruido de línea (50hz/60hz) pueden provocar una falsa interpretación de los resultados. Por lo tanto, el amplificador de la unidad de procesamiento necesita ser no solo lo suficientemente sensible como para detectar y amplificar las pequeñas señales sino que también debe discriminar los ruidos o artefactos de manera de visualizar solo actividad electromiográfica. Los amplificadores diferenciales permiten rechazar gran parte del ruido externo. El INA 114 es un amplificador que cumple con esas características y está especialmente construido para propósitos de instrumentación médica. A su vez permite variar el factor de amplificación con la modificación de un juego de resistencias. - Sumador A la señal de salida del amplificador de entrada es necesario sumarle un valor de continua debido a que la etapa siguiente (Aislamiento Paciente-Instrumento) recorta los valores negativos de la señal. De otra manera se estaría perdiendo parte de la señal amplificada. -AislamientoPaciente-Instrumento Para lograr un aislamiento entre el paciente y el instrumento de medición se dispone de un arreglo circuital basado en un optoaislador lineal (LOC110). La finalidad del mismo es aislar

eléctricamente al paciente de la línea de alimentación de modo que lo proteja ante un eventual accidente o descarga que pudiera producirle daños. - Número de canales de entrada

El número de canales de entrada depende directamente del multiplexor que se halla empleado. En nuestro caso, se utilizó un multiplexor analógico de ocho canales de entrada (4051), de los cuales solo se utilizan dos. Sin embargo, la flexibilidad de diseño de la placa adquisidora permite que posteriores canales sean implementados y ensamblados al instrumento sin mayores complicaciones. - Filtrado Se implementan tres tipos diferentes de filtros con el objetivo de eliminar el ruido de línea y de limitar en banda la señal de entrada:Filtro Notch: Su función es atenuar la frecuencia de línea (50/60Hz) que es la responsable de los artefactos mas significativos.Filtro Pasa bajos: Este filtro de banda plana (Butterworth de segundo orden) tiene como función limitar las señales de entrada de frecuencia mayor a 1,3KHz.Filtro Pasa altos: Este filtro de banda plana (Butterworth de segundo orden) tiene como función

limitar las señales de entrada con valores de continua. La figura 2 muestra la respuesta de los tres filtros conectados en cascada:

Fig. 2: Respuesta de los filtros

- Control de ganancia Como se vio anteriormente, una característica de estos instrumentos es la posibilidad de amplificar señales pequeñas. Para ello se implementó un circuito analógico (llave analógica 4066) controlado por la PC capaz de variar la ganancia entre cuatro niveles.- Conversor Analógico-Digital: El ADC804 es un conversor CMOS de 8 bits de

aproximaciones sucesivas. Está acondicionado de manera tal que pueda adquirir señales bipolares. La habilitación de conversión la ejecuta el usuario por medio de la PC. La adquisición se efectúa en modo encuesta.- Bus ISA:

2

A0....A3

Reg. Sel Canal

IOR

Sumador

MX

Lógica de Control

LOC 110

D0 - D7

Decodificador (4 x 16)

D0....D7

Latch

Sumador

ISA D0 - D7

Reg. SelGanancia

NotchP.BajosP.Altos

INA 114

Bus ISA

Paciente

1

23

A4....A9

Paciente

LOC 110

1

23

PGA

(8 x 1)

ConvA/D

Hab

IOW

INA 114

AEN

Se utiliza el Bus ISA de la PC. Solo son necesarios ocho bits para la trasmisión de datos. A su vez se hace uso de:-Los valores de alimentación (+5 Volts, -5 Volts, +12 Volts, -12 Volts y tierra) para proveer a los dispositivos electrónicos de la tensión necesaria para funcionar.-Líneas de direcciones para direccionar la placa de adquisición.-Línea IOR que en conjunto con el inicio de encuesta generan la orden de habilitación para el conversor.-Línea IOW, necesaria para escribir los registros de selección de canal y ganancia.-AEN, que participa en el direccionamiento de la placa.- Lógica de control: Esta compuesta por una serie de compuertas lógicas (AND, OR y NEG) que cumplen la función de direccionamiento de la placa.

III. REGISTRO DE LAS SEÑALES

La ubicación de los electrodos varía de acuerdo a cual sea el músculo bajo estudio. De esta manera en el cuerpo humano se pueden medir diferentes grupos musculares, que consecuentemente tendrán diferentes respuestas. En la Fig. 3 se ve el posicionamiento de los electrodos sobre el músculo Bíceps de un voluntario, en una sesión de medición de señales electromiográficas (EMG ).

Fig. 3:Ubicación de los electrodos

Cuando se desea registrar el potencial de un músculo, se utilizan tres electrodos: dos son ubicados sobre la piel donde se encuentra el músculo. Dichos electrodos recogen no solo la señal muscular sino que también recogen el ruido ambiente. El electrodo restante (masa de referencia) puede ser ubicado en cualquier parte del cuerpo. La resistencia de la piel es un factor importante que está directamente relacionado con la conducción de la señal a través de los electrodos. En consecuencia es necesario tomar una serie precauciones al efectuar el registro. A continuación se brindan algunas precauciones que resultan convenientes tomar para obtener los mejores resultados:-En caso de que el paciente tenga mucho vello en la zona de interés, resulta conveniente afeitar el lugar donde los electrodos van a ser colocados.

-La piel debe ser higienizada con un algodón con alcohol para extraer el aceite depositado sobre la misma. Sin embargo no es recomendable causar abrasión.-La utilización de gel conductor beneficia notablemente la señal. En caso de utilizarse el mismo debe tenerse precaución de no cortocircuitar los electrodos. -Es útil en ocasiones pegar los cables al paciente con cinta adhesiva para prevenir que el movimiento cause artefactos que influyan sobre la medición. Durante los estudios realizados se utilizaron electrodos marca 3M con excelentes resultados.

Fig. 4:Señal electromiográfica y su integración

La figura 4 muestra dos gráficas directamente relacionadas entre sí. La primera describe el comportamiento del músculo Bíceps ante cuatro esfuerzos bien diferenciados en el tiempo. La segunda es una integración de la señal electromiográfica que permite observar la intensidad de los esfuerzos realizados. Nótese que el Software permite modificar tanto la base de tiempo como el control de ganancia. De esta forma si se quiere estudiar el comportamiento de un músculo de menor tamaño solo hace falta amplificar la señal desde la PC. Sin embargo, el nivel de ruido también se incrementará, y por tal motivo queda a gusto del usuario el ajuste de los controles. Para estudiar el músculo del antebrazo se posicionan los electrodos según muestra la figura 5. El antebrazo es un músculo de menor tamaño que el Bíceps por lo que es de esperarse que la amplitud de la señal sea menor. Para comparar con la figura 4 se dispuso la misma ganancia para ambas mediciones.

3

Fig. 5:Posicionamiento de los electrodos en el antebrazo

En la figura 6 se pueden visualizar cinco esfuerzos de diferente magnitud. Como puede observarse la amplitud de la señal es menor en comparación con el músculo Bíceps (como se había previsto).

Fig. 6:Señal electromiográfica del antebrazo

Se repitió el estudio en reiteradas oportunidades con diferentes unidades motoras del cuerpo. Los resultados se compararon con estudios similares realizados con el sistema de adquisición de datos MP100 de Biopac [2] y se obtuvieron respuestas similares.

CONCLUSIONES

De los resultados obtenidos se deducen las siguientes conclusiones: -Las señales bioeléctricas del ser humano suelen tener amplitudes inferiores al ruido de 50Hz. Aún cuando se utilicen amplificadores específicamente diseñados para minimizar este ruido, el mismo igualmente es captado. Afortunadamente este ruido puede ser filtrado, siempre y cuando no interese medir un potencial bioeléctrico a esa frecuencia de 50 Hz. -El Software desarrollado no solo provee la información necesaria para llevar a cabo el estudio sino que también suministra una base de datos que permite al profesional a cargo del estudio familiarizarse con el paciente. Posteriores mejoras permitirán desarrollar interfaces acordes a las necesidades del paciente. -El diseño modular permite detectar las fallas con certeza y reemplazar los bloques dañados en caso de ser necesario. -Se logró un costo sumamente reducido en comparación con otros instrumentos existentes en el mercado. -La amplificación de la señal es crítica. Una excesiva amplificación de la señal en la etapa inicial (INA114) hace que el amplificador de entrada sature debido al potencial de continua que existe entre la piel y el electrodo.

-Con la finalidad de preservar la salud del paciente se implemento un circuito capaz de aislarlo de aislarlo de la red de 220 V CA.

AGRADECIMIENTOS

Deseo expresar mi agradecimiento al los docentes del Laboratorio de Comunicaciones de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Mar del Plata que siempre estuvieron dispuestos a responder a mis consultas y me orientaron en mi trabajo.

REFERENCIAS[1] http://www.bionic.es/biopac.htm [2] Barea, Rafael. Universidad de Alcalá - Escuela Politécnica

http://www.depeca.uah.es/personal/barea/tesis/tesis_barea_pdf.zip[3] García García, Juan Carlos. Universidad de Alcalá - Escuela

Politécnica. (jcarlos@depeca.uah.es) [4] Universidad de Alcalá – Departamento de Electrónica.

Sistemas de Acondicionamiento y Adquisición de Señales Bioeléctricas.

[5] Catherine A. Trombly and Jeannette Tries. Biofeedback (Capítulo 32).

[6] Universidad de Alcalá – Departamento de Electrónica. Introducción a los Conceptos Básicos de la Instrumentación Biomédica.

[7] Universidad de Alcalá – Departamento de Electrónica. Seguridad Eléctrica.

[8] Apuntes de la cátedra de Adquisición de Señales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Mar del Plata.

[9] Clinical Applications of Biofeedback (Capítulo 15).[10] "Biofeedback": Apunte de la Facultad de Ciencias

Humanas de la Universidad Diego Portales.[11] Burr Brown - Applications notes.[12] Clare - Applications notes.

4