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.

.

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".