Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE – 0502 Proyecto Eléctrico SISTEMA DE ADQUISICIO%, RECEPCIO% Y E%VIO DE SEÑALES ELECTROMIOGRÁFICAS (EMG) Por: ROCÍO ARIAS GARCÍA Ciudad Universitaria Rodrigo Facio JULIO del 2010 SISTEMA DE ADQUISICIO%, RECEPCIO% Y E%VIO DE SEÑALES ELECTROMIOGRÁFICAS (EMG) Por: ROCÍO ARIAS GARCÍA Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: _________________________________ Ing. Peter B. Zeledón Méndez Profesor Guía _________________________________ Ing. Jorge Badilla Pérez Profesor lector _________________________________ Ing. Moisés Salazar Parrales Profesor lector ii DEDICATORIA A mis papás: Rodrigo Arias Camacho y Vilma García Camacho Por el apoyo incondicional que me han dado durante toda mi vida. Gracias por brindarme todas las facilidades posibles para alcanzar esta meta. Son mi motivación para luchar cada día y el reflejo de que el esfuerzo y la honestidad si triunfan en esta vida. Lo que más les agradezco es el gran amor que me dan día a día en la hermosa familia de la que soy parte. Los amo muchísimo. A mi novio: José Francisco Chaves Zárate En el 2006 juntos emprendimos esta meta de convertirnos en ingenieros, y hoy día lo hemos logrado. Gracias por ser parte de esta etapa de mi vida y por tantos ratitos de felicidad. Gracias por estar conmigo y por inspirarme a ser una mejor persona. Te amo hoy y siempre. “Ubi est thesaurus tuus,ibi est cor tuum” iii RECO%OCIMIE%TOS Al Ing. Peter B Zeledón Méndez, mi profesor tutor, por su comprensión, paciencia y confianza a lo largo del semestre. Al Ing. Jorge Badilla Pérez por haber aceptado ser lector de este Proyecto. Al Ing. Moisés Salazar Parrales por haber aceptado ser lector de este Proyecto. Al Ing. Jaime Cascante, por las facilidades brindadas. Al Ing. Aramis Pérez Mora, por las lecciones dadas. A Xinia María Cerdas Quesada, por su disposición a colaborarme siempre. iv Í%DICE GE%ERAL Í%DICE DE FIGURAS .................................................................. vii %OME%CLATURA ........................................................................ ix RESUME% ........................................................................................ x CAPÍTULO 1: Introducción ........................................................... 1 1.1 Objetivos........................................................................................... 2 1.1.1 Objetivo general ................................................................................................... 2 1.1.2 Objetivos específicos ............................................................................................ 2 1.2 Metodología ............................................................................................. 3 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico ................................................... 4 2.1 Fisiología .................................................................................................. 4 2.1.1 Extensión y flexión de músculos ......................................................................... 4 2.1.1.1 Articulación de la Mandíbula .............................................................................. 4 2.1.1.2Movimientos de la Columna Vertebral ................................................................ 4 2.1.1.3 Articulación de la Cabeza con el Cuello ............................................................ 5 2.1.1.4 Cinturón del Miembro Superior ........................................................................ 6 2.1.1.5 Articulación del Hombro ..................................................................................... 6 2.1.1.6 Articulación del Codo .......................................................................................... 7 2.1.1.7 Articulaciones de la Mano .................................................................................... 7 2.1.1.8 Articulaciones de los Dedos de la Mano .............................................................. 7 2.1.1.9 Articulación de la Cadera .................................................................................... 8 2.1.1.10 Articulación de la Rodilla................................................................................... 8 2.1.1.11 Movimientos del Pie ........................................................................................... 9 2.1.1.12 Articulaciones de los Dedos del Pie .................................................................. 9 2.1.2 Transmisión neuromuscular-sinapsis mioneurales ......................................... 9 2.1.3 Conceptos de contracción muscular ................................................................. 10 2.1.4 Contracción en el músculo esquelético............................................................. 10 2.1.5 Contracción del músculo cardíaco ................................................................... 11 2.1.6 Contracción en el músculo liso ......................................................................... 12 2.1.7 Proceso de una contracción muscular............................................................. 13 v 2.1.8 Potencia crítica de un músculo ....................................................................... 14 2.2 Registro de la actividad eléctrica por medio de EMG ......................... 15 2.2.1 La señal eléctrica durante el reposo muscular. ............................................... 15 2.2.2 La señal eléctrica durante la contracción voluntaria. .................................... 15 2.2.3 La señal eléctrica durante la contracción muscular máxima ........................ 16 2.3 El sistema nervioso ................................................................................ 17 2.3.1 Sistema nervioso: Generalidades ...................................................................... 17 2.3.2 La médula centro de operaciones ..................................................................... 18 2.3.3 Los receptores que provocan dolor .................................................................. 19 2.3.4 Química neuromuscular .................................................................................... 20 CAPÍTULO 3: Acondicionamiento de la señal electromiográfica .......................................................................................................... 21 3.1 Captación de la Señal Electromiográfica ............................................. 22 3.1.1 Tipos de Electrodos ............................................................................................ 24 3.1.2 Distancia entre electrodos ................................................................................. 25 3.1.3 Posicionamiento de los electrodos ................................................................... 25 3.2 Implementaciones necesarias ................................................................ 28 3.2.1 Primera Implementación. ................................................................................. 28 3.2.1.1 Amplificación ...................................................................................................... 28 3.2.1.2 Filtrado ................................................................................................................ 29 3.3 Implementaciones realizadas ................................................................ 35 3.4 Procesamiento de la información obtenida ......................................... 39 3.4.1 Conversor Análogo-Digital. .............................................................................. 39 3.4.2 Extracción de características y reconocimiento de patrones. ........................ 39 3.4.2.1 Aproximación Paramétrica ................................................................................ 40 3.4.2.2 Aproximación no paramétrica ........................................................................... 42 CAPÍTULO 4: Software AcqKnowledge ..................................... 44 CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones ....................... 50 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................ 52 A%EXOS .......................................................................................... 55 vi Í%DICE DE FIGURAS Capítulo 2 Figura 2 1 Estructura motoneurona ...................................................................................... 10 Figura 2 2 Contracción del músculo esquelético .................................................................. 11 Figura 2 3 Músculo cardíaco ................................................................................................ 12 Figura 2 4 Tejido Muscular Liso .......................................................................................... 13 Figura 2 5 Músculos del cuerpo humano .............................................................................. 14 Figura 2 6 Contracción muscular .......................................................................................... 16 Capítulo 3 Figura 3 1Acondicionamiento Señal Electromiográfica ....................................................... 21 Figura 3 2 Microelectrodo .................................................................................................... 23 Figura 3 3 Electrodo superficial............................................................................................ 23 Figura 3 4 Colocación de electrodos en el cuerpo parte trasera ........................................... 26 Figura 3 5 Colocación de electrodos en el cuerpo parte frontal ........................................... 26 Figura 3 6 Electrodos desechables ........................................................................................ 27 Figura 3 7 Conexión LM741 ................................................................................................ 28 Figura 3 8 Circuito de Amplificación ................................................................................... 29 Figura 3 9 Diagrama de conexión del NTE858M................................................................. 29 Figura 3 10 Topología del filtro a utilizar............................................................................. 31 Figura 3 11 Diagrama esquemático del filtro pasa alto ........................................................ 32 Figura 3 12 Diagrama de Bode para el filtro pasa alto ......................................................... 32 Figura 3 13 Diagrama esquemático filtro pasa bajo ............................................................. 33 Figura 3 14 Diagrama de Bode para filtro pasa alto ............................................................. 34 Figura 3 15 Circuito final ...................................................................................................... 34 Figura 3 16 Diagrama de Bode del circuito final .................................................................. 35 Figura 3 17 Circuito implementado en protoboard ............................................................... 36 Figura 3 18 Salida en frecuencia del circuito implementado ................................................ 36 Figura 3 19 Circuito final utilizando PBC Design de TINA ................................................ 37 Figura 3 20 Vista #1 en 3D del circuito final ....................................................................... 37 Figura 3 21 Vista #2 en 3D del circuito final ....................................................................... 38 Figura 3 22 Señal EMG típica durante una contracción muscular ....................................... 39 Figura 3 23 Diagrama de Bloques Filtro FIR ....................................................................... 41 Capítulo 4 Figura 4 1 Software y Hardware BIOPAC Systems Inc....................................................... 44 Figura 4 2 Señales obtenidas mediante el software Acq Knowledge ................................... 45 vii Figura 4 3 Frecuencia de los datos EMG .............................................................................. 46 Figura 4 4 Electrodos incorporados ...................................................................................... 46 Figura 4 5 Señales obtenidas mediante electrodos ............................................................... 47 Figura 4 6 Integrado de la señal EMG .................................................................................. 48 Figura 4 7 Raíz cuadrada de la señal EMG .......................................................................... 48 Figura 4 8 Análisis de la señal EMG en frecuencia .............................................................. 49 viii %OME%CLATURA A/D Análogo-Digital AR Autoregresivo (Autoregressive) ARMA Autoregresivo Media Móvil (Autoregressive Moving Average) ATP Adenosil Trifosfato EMG Señales Electromiográficas FMC Frecuencia de contracción máxima MA Media Móvil (Moving Average) PSD Densidad del espectro de potencia PUM Potencial de Unidad Motora SENIAM Electromiografía de superficie para la evaluación no invasiva de los Músculos (Surface ElectroMyoGraphy for the Non-Invasive Assessment of Muscles) ix RESUME% En el presente proyecto se da la incursión en el campo de la salud, que se vale de la Ingeniería Eléctrica como complemento importante para dar un diagnóstico, es por ello que la captación de señales electromiográficas (EMG) provenientes de los músculos que están asociadas cualitativamente con el tipo de movimiento producido, son parte de esta temática en boga actualmente. El interés del análisis de señales EMG radica en su utilidad para los diagnósticos clínicos de patologías vinculados con la actividad neuromuscular. Se diseña un sistema de adquisición, recepción y envío de de señales electromiográficas, mediante lo aprendido en el curso de Electrónica 2 y las investigaciones realizadas acerca del tema. Se estudió la manera de captar la señal proveniente de los músculos mediante electrodos (invasivos o no invasivos) Se realizó un circuito de acondicionamientos basado en amplificadores operacionales, y filtros activos, para limitarlas frecuencias a estudiar, y se investiga sobre el procesamiento de datos una vez que se pasa la etapa de acondicionamiento de la señal. Se analizó un Software de BIOPAC que tiene aplicación en la captación de Señales Electromiográficas, y el modo de funcionamiento del software. Se familiarizó con los comandos a utilizar. x CAPÍTULO 1: Introducción Los antecedentes históricos del registro de actividad eléctrica se remontan a mediados del siglo XVII, cuando el médico y científico italiano Francesco Redi, demostró la existencia de un músculo especializado capaz de generar electricidad en el pez raya. En 1773 John Walsh reportó la generación de electricidad por la musculatura de la anguila. En 1786 Luigi Galvani realizó sus famosos experimentos en una máquina electrostática acoplada a ranas y llegó a la conclusión de la existencia de electricidad en la musculatura de los organismos vivos. Guillaume BA Duchenne en el siglo XIX realizó el primer trabajo sobre la dinámica y función del músculo, construyó un equipo de estimulación neuromuscular, en sus comienzos con fines terapéuticos, después investigativos y diagnósticos. Erlanger J y Spencer Gasser H amplificaron señales eléctricas, estimulando una fibra nerviosa en un osciloscopio de rayos catódicos y recibieron el premio Nobel de medicina y fisiología en 1944. La electromiografía convencional fue introducida por Adrián y Bronk en 1929. Uno de los primeros reportes clínicos del estudio de enfermedades neurológicas con este método lo realizó Weddel en 1944. Las señales electromiográficas son señales eléctricas producidas por los músculos durante una contracción muscular, son generadas por el intercambio de iones a través de las membranas de las fibras musculares. El estudio de la electromiografía se concentra en la actividad eléctrica presente en el músculo estriado en estado de reposo y durante la contracción muscular, o sea, el registro de las variaciones de voltaje producidas por las fibras musculares como expresión de la despolarización de sus membranas. Las EMG pueden ser medidas utilizando elementos conductivos o electrodos sobre la superficie de la piel, o de manera invasiva sobre el músculo utilizando agujas. El primer método es el más utilizado porque conlleva menores riegos y representa mayor comodidad al paciente. La amplitud de las señales EMG varía desde los µV hasta un bajo rango de mV (menor de 10mV). La amplitud, y las propiedades de las señales EMG tanto en el dominio del tiempo como en la frecuencia dependen de factores tales como: • El tiempo y la intensidad de la contracción muscular. 1 2 • • • • La distancia entre el electrodo y la zona de actividad muscular. Las propiedades de la piel (por ejemplo el espesor de la piel y tejido adiposo). Las propiedades del electrodo y el amplificador. La calidad del contacto entre la piel y el electrodo. Generalmente estas señales vienen contaminadas con ruido de diversas naturalezas tales como: ruido proveniente de equipos eléctricos, medio ambiente, así como de factores determinísticos, movimiento artificial y estabilidad de la señal. Debido a esto, el reconocimiento, procesamiento, clasificación y descomposición de dichas señales se hace con el fin de obtener unas características más claras que permitan análisis más exigentes. El interés del análisis de señales EMG radica en su utilidad para los diagnósticos clínicos de patologías vinculados con la actividad neuromuscular. 1.1Objetivos 1.1.1 Objetivo general Diseñar un sistema de adquisición, recepción y envío de de señales electromiográficas (EMG). 1.1.2 Objetivos específicos • Estudiar sobre señales electromiográficas movimientos de extensión y flexión. • Desarrollar un sistema de acondicionamiento de señales electromiográficas: (fisiología), en lo referente a o Captación de la señal electromiográfica. o Acondicionamiento de la señal (filtrado amplificación). o Convertidor Analógico-Digital. • Estudiar el desarrollo de un electroestimulador muscular: o o o o Procesamiento de información Convertidor Analógico-Digital. Acondicionamiento de la señal (amplificación). Envío de la señal electromiográfica. y 3 • Investigar sobre software existentes para el análisis de señales electromiográficas. 1.2 Metodología Para la realización del proyecto la metodología a emplear es tipo investigativa, se pretende indagar sobre el tema en libros, artículos de revistas de carácter físico-médico, internet, proyectos de investigación, etc. La información se va a recopilar y una vez que se abarquen los temas de interés y se aclaren las dudas existentes, se procede a elaborar un informe en el cual se desarrollen los objetivos uno a uno. Se implementan los circuitos resultantes en una protoboard y se prueban en el Laboratorio Eléctrico de la Escuela, y se observan y analizan los resultados obtenidos. CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico 2.1 Fisiología 2.1.1 Extensión y flexión de músculos Este par de acciones se produce alrededor de un eje transversal a través de una articulación. La flexión de músculos es el movimiento de una articulación que disminuye el ángulo entre dos segmentos corporales adyacentes. Mientras que en la extensión de músculos se aumenta el ángulo entre los segmentos corporales. 2.1.1.1 Articulación de la Mandíbula • Descenso de la mandíbula: se efectúa por los músculos milohioideo, geniohioideo y vientre anterior digástrico. Este movimiento sólo es posible durante la fijación del hueso hioideo por los músculos situados más abajo del mismo: músculos esternohioideo, esternotiroideo, tirohioideo y omohioideo. • Elevación de la mandíbula: se efectúa por los músculos masetero, temporal y pterigoideo medial. • Desplazamiento de la mandíbula hacia delante: se efectúa durante la contracción bilateral del estrato superficial del músculo masetero y los músculos pterigoideos medial y lateral. • Desplazamiento de la mandíbula hacia atrás y su regreso al lugar: se efectúa por el estrato superficial del músculo temporal y el músculo milohioideo. • Desplazamientos laterales: se efectúan por el estrato superficial del músculo masetero y los músculos pterigoideos medial y lateral del lado opuesto al movimiento. • Regreso de la mandíbula de la posición lateral al lugar: se efectúa mediante los fascículos posteriores del músculo temporal del lado opuesto. 2.1.1.2Movimientos de la Columna Vertebral • Extensión: musculatura autóctona del dorso en su totalidad y en ambos lados, incluyendo al músculo esplenio de la cabeza y del cuello y al trapecio. 4 5 • Flexión: esternocleidomastoideo, escalenos, largo del cuello, recto del abdomen, los dos oblicuos abdominales, externo e interno, el psoas mayor. Todos los músculos citados se contraen en ambos lados. • Inclinación lateral (derecha e izquierda): se efectúa por los mismos músculos que realizan la flexión y la extensión, cuando dichos músculos se contraen solamente en el lado donde tiene lugar la inclinación. A su acción coopera la contracción, también unilateral, de los elevadores de las costillas, los intertransversos y el cuadrado lumbar. • Torsión (rotación hacia la derecha o hacia la izquierda): se realiza por los músculos que actúan unilateralmente. En la región cervical, los fascículos oblicuos superiores e inferiores del largo del cuello, los fascículos oblicuos del erector espinal, el oblicuo interno del abdomen del lado donde tiene lugar la rotación, y el oblicuo externo del abdomen del otro lado. 2.1.1.3 Articulación de la Cabeza con el Cuello • Extensión (inclinación de la cabeza hacia atrás): el trapecio (estando fijo el cinturón del miembro superior), los fascículos superiores de los músculos profundos del dorso que se insertan en el cráneo (esplenio, dorsal largo, semiespinoso, los rectos posteriores, mayor y menor, de la cabeza, el oblicuo superior de la cabeza. La extensión de la cabeza se efectúa por ambos esternocleidomastoideos; sin embargo, ellos flexionan la porción cervical de la columna vertebral. • La flexión (inclinación de la cabeza hacia delante) se realiza por: el recto anterior de la cabeza, recto lateral de la cabeza, recto largo de la cabeza, y los anteriores del cuello. Tanto la flexión como la extensión es verificada por los músculos citados, cuando ellos se contraen en ambos lados. • La inclinación lateral de la cabeza (derecha o izquierda) se lleva a cabo por los mismos músculos que realizan la extensión y la flexión, al contraerse unilateralmente, y también por los músculos recto lateral de la cabeza y dorsal largo. • La rotación de la cabeza (hacia la derecha e izquierda) es realizada por los siguientes músculos: oblicuos externo e interno de la cabeza, el fascículo oblicuo superior del largo del cuello, el esplenio y el esternocleidomastoideo. La rotación se verifica por la contracción unilateral de los músculos citados. 6 2.1.1.4 Cinturón del Miembro Superior • Desplazamiento hacia arriba (de la clavícula y la escápula): fascículos superiores del trapecio, elevador de la escápula y, en parte el romboideo. El descenso (de la clavícula y la escápula) transcurre principalmente bajo la influencia del peso, con la cooperación de la contracción de los fascículos inferiores del serrato anterior y las fibras inferiores del trapecio, y también por la contracción del pectoral menor y subclavio. • Desplazamiento hacia delante: serrato anterior, pectoral menor y pectoral mayor (por intermedio del húmero). • Desplazamiento hacia atrás (de la clavícula y la escápula): romboideo, segmento medio del trapecio y dorsal ancho (por intermedio del húmero). La rotación de la escápula, que tiene lugar corrientemente al final del movimiento hacia arriba, se efectúa por los fascículos inferiores del serrato anterior (que atraen al ángulo inferior de la escápula en sentido lateral), y las fibras superiores del trapecio (que atraen a la escápula hacia arriba y adentro). El movimiento inverso es realizado por el romboideo, conjuntamente con el pectoral menor. 2.1.1.5 Articulación del Hombro • Flexión (movimiento hacia delante): segmento anterior del deltoideo, segmento clavicular del pectoral mayor, coracobraquial, bíceps braquial. • Extensión (movimiento hacia atrás): segmento posterior del deltoideo, dorsal ancho y redondo mayor. Ya que estos dos últimos músculos provocan además la rotación hacia adentro del brazo, para contrarrestar esa acción se contraen aún más los infraespinoso y redondo menor. • Abducción: deltoideo y supraespinoso. • Aducción: pectoral mayor, dorsal ancho y redondo mayor. Para contrarrestar la rotación medial conjunta, participan los músculos infraespinoso y redondo menor. • Rotación medial: subescapular, pectoral mayor, dorsal ancho y redondo mayor. • Rotación lateral: infraespinoso y redondo menor. 7 2.1.1.6 Articulación del Codo • Flexión: bíceps braquial, braquial, braquiorradial, pronador redondo. • Extensión: tríceps braquial y ancóneo. • Pronación: pronador redondo y pronador cuadrado. • Supinación: supinador corto y bíceps braquial. También participa en ello el braquiorradial, que coloca al antebrazo en una posición intermedia entre la pronación y la supinación. 2.1.1.7 Articulaciones de la Mano • Flexión palmar de la mano: palmar largo, flexor ulnar del carpo, y también el flexor radial del carpo, los flexores de los dedos, superficial y profundo, y el flexor largo del pulgar. • Flexión dorsal de la mano: extensor radial, largo y breve, extensor ulnar del carpo y también todos los extensores de los dedos. • Aducción de la mano (flexión ulnar): extensor ulnar del carpo y flexor ulnar del carpo, actuando conjuntamente. • Abducción de la mano (flexión radial): extensores radiales, largo y breve y palmar largo, en su contracción conjunta. 2.1.1.8 Articulaciones de los Dedos de la Mano • Flexión de cuatro dedos (excluido el pulgar): flexor de los dedos superficial y profundo. Además, la falange proximal es flexionada por los lumbricales y los interóseos. En la flexión del dedo meñique participa el flexor breve del meñique. • Extensión de cuatro dedos: extensor común de los dedos; para los dedos índice y meñique existen además los extensores propios: extensor del índice y extensor del meñique. • Abducción de los dedos (separación): interóseos dorsales. • Aducción de los dedos (acercamiento hacia el dedo medio): interóseos palmares. 8 • Flexión del dedo pulgar: flexor largo del pulgar y flexor breve del pulgar. • Extensión del dedo pulgar: extensor largo del pulgar y extensor breve del pulgar. • Abducción del dedo pulgar: abductor largo del pulgar y abductor breve del pulgar. • Aducción del dedo pulgar: aductor del pulgar. • Oposición del dedo pulgar: oponente del pulgar. 2.1.1.9 Articulación de la Cadera • Flexión hacia delante (antefíexión): iliopsoas, recto femoral, tensor de la fascia lata, sartorio y pectíneo. • Extensión (retroflexión): glúteo máximo, bíceps crural, semitendinoso, semimembranoso, aductor mayor, así como los demás músculos que llegan a la región del trocánter mayor por detrás (piriforme y otros). • Abducción: glúteo medio y glúteo mínimo. • Aducción: todos los músculos aductores, junto con el grácil y el pectíneo. • Rotación medial: los fascículos anteriores de los glúteos, medial y mínimo. • Rotación lateral: iliopsoas (en parte), glúteo máximo, los fascículos posteriores de los glúteos medial y mínimo, piriforme, obturador interno con los gemelos, cuadrado femoral y obturador externo. 2.1.1.10 Articulación de la Rodilla • Extensión: cuadríceps femoral. • Flexión: semitendinoso, semimembranoso, bíceps femoral, poplíteo, y también el sartorio, el grácil y el gastrocnemio (estando fija la pierna por abajo). • Rotación medial: semitendinoso, semimembranoso, poplíteo, sartorio, grácil y la cabeza medial del gastrocnemio. • Rotación lateral: bíceps temporal y la cabeza externa del gastrocnemio. 9 2.1.1.11 Movimientos del Pie • Flexión plantar del pie: tríceps sural, flexor largo de los dedos, tibial posterior, flexor del dedo grueso, y peroneos largo y breve. • Flexión dorsal del pie: tibial anterior, extensor común de los dedos, extensor largo del dedo gordo, peroneo tercero. • Pronación del pie (rotación medial) y abducción: peroneo largo, peroneo breve y peroneo tercero. • Supinación del pie (rotación lateral) y aducción: tibial anterior, tibial posterior, extensor del dedo grueso y, en parte, el tríceps sural. 2.1.1.12 Articulaciones de los Dedos del Pie • Flexión de los dedos: flexor largo de los dedos y flexor breve de los dedos. El dedo grueso posee sus flexores: flexor del dedo grueso y flexor breve del dedo grueso. • Extensión de los dedos: extensor largo de los dedos y extensor breve de los dedos. El dedo grueso tiene además el extensor largo del dedo grueso, largo y breve. 2.1.2 Transmisión neuromuscular-sinapsis mioneurales La sinapsis es el proceso esencial en la comunicación neuronal y constituye el lenguaje básico del sistema nervioso. Conducen el impulso nervioso sólo en una dirección, desde el terminal pre-sináptico se envían señales que deben ser captadas por el terminal post-sináptico. Existen dos tipos de sinapsis, eléctricas y químicas que difieren en su estructura y en la forma en que transmiten el impulso nervioso. La sinapsis mioneural se da entre el nervio y el músculo esquelético. Este músculo es estriado, voluntario y rodea al esqueleto. A la neurona que interviene en este proceso se le denomina motoneurona, es aquella neurona que va a conectar con el músculo esquelético. La motoneurona es una neurona mielínica. El axón de la motoneurona va acercándose al músculo, cuando contacta con el músculo el axón pierde una vaina de mielina y se divide en múltiples botones terminales, estos botones siempre contendrán como neurotransmisor la acetilcolina Los botones terminales se introducen a modo de invaginaciones por el interior del músculo esquelético. Es una estructura muy desarrollada. 10 Figura 2 1 Estructura motoneurona [16] También existe el músculo cardíaco y estriado, pero en ellos son dos los neurotransmisores los que intervienen en el proceso (acetilcolina y catecolamina), en este caso las conexiones nerviosas no están tan definidas como en el músculo esquelético. 2.1.3 Conceptos de contracción muscular • • • • Simple: ocurre cuando al músculo le llega un solo potencial de acción y como consecuencia produce una contracción-relajación (sacudida muscular) Tetánica: sucede cuando al músculo le llega un tren de potenciales de acción, como consecuencia hay una contracción mantenida. En el movimiento hay un código de frecuencias de potenciales de acción con sus pausas para que eso sea ordenado. Isométrica: ocurre cuando existe una contracción muscular pero esa contracción no existe la completa aproximación de los extremos del músculo Isotónica: supone la contracción con total aproximación de los músculos. 2.1.4 Contracción en el músculo esquelético La motoneurona conduce el potencial reacción, este llega a la zona final de la neurona presináptica y produce la apertura de canales de calcio, induce a la exocitosis y siempre saldrán moléculas de acetilcolina, la acetilcolina sale a la hendidura sináptica y es recogida por las placas motoras e interacciona produciendo un potencial en placa. En la segunda neurona habrá una apertura de los canales de sodio para poder llevarse a cabo la despolarización de la fibra nerviosa. Si se alcanza el punto crítico de disparo se generará un potencial de acción. 11 Figura 2 2 Contracción del músculo esquelético [16] El potencial de acción viajará por las fibras musculares esqueléticas, una vez en las cisternas terminales liberarán el calcio, este calcio liberado interaccionará con las proteínas contráctiles del músculo (actina y miosina) y se producirá un acortamiento de los extremos terminales, lo que supondrá la contracción muscular, para esta se requiere la presencia de ATP (Adenosil Trifosfato) a este proceso se le denomina acoplamiento excitacióncontracción 2.1.5 Contracción del músculo cardíaco El músculo cardíaco es un músculo estriado, en su sinápsis intervienen dos neurotransmisores (acetilcolina y catecolamina), es un músculo involuntario. El potencial de reposo en la fibra cardiaca es bastante estable, aproximadamente sobre -80 mV, es mantenido. Si se estimula la fibra se generará un potencial de acción porque es una célula excitable. El potencial de acción tiene una mayor amplitud, de unos 200 msg. Las permeabilidades que intervendrían en el corazón son: • • • Despolarización del Na Meseta de Ca Hiperpolarización del K 12 El corazón tiene su propio sistema automático marcapasos, tiene capacidad para generar aisladamente impulsos (automatismo cardíaco). Las zonas marcapasos son en nodo sinusal y el auriculoventricular, ellos solos pueden generar impulsos propios. Figura 2 3 Músculo cardíaco [16] 2.1.6 Contracción en el músculo liso El músculo liso se encuentra principalmente en las vísceras internas como el aparato digestivo, el útero, los uréteres, etc. Es liso porque en su anatomía no hay fibras transversales. Está regulado por terminaciones nerviosas que contienen la acetilcolina y catecolamina. El potencial de reposo del músculo liso es bastante inestable, está despolarizado, alrededor de -50 mV y por tanto al estar más despolarizado tiene tendencia a generar contracciones espontáneas. 13 Figura 2 4 Tejido Muscular Liso [16] 2.1.7 Proceso de una contracción muscular La contracción muscular se produce de la siguiente manera: Cuando un impulso nervioso viaja a través de una neurona motora y llega a la unión entre esta y el músculo, la primera libera un compuesto llamado acetilcolina una vez que ha sido activada por la enzima acetilcolinesterasa y al tiempo el exceso de acetilcolina es degradado por otra enzima llamada colinesterasa. La acetilcolina se difunde a través de la unión (fisura mioneural) entre la neurona y la fibra muscular y se combina con receptores en la superficie de esta última. En respuesta a esto, el sarcolema (membrana celular) sufre un cambio eléctrico llamado despolarización. La despolarización es única en las células musculares no estando confinada a la membrana celular ya que también viaja hacia el interior de ella a lo largo de los túbulos T, iniciando un impulso eléctrico que se distribuye en el sarcolema, el cual se conoce como potencial de acción. El impulso eléctrico se distribuye a través de los túbulos T y estimula la abertura de los canales proteicos en el retículo sarcoplásmico, permitiendo la salida de iones de calcio (Ca2+) y su flujo hacia el sarcoplasma lo cual posibilita la contracción muscular. El relajamiento de los músculos se lleva a cabo cuando el calcio se bombea de nuevo hacia el retículo sarcoplásmico. 14 Figura 2 5 Músculos del cuerpo humano [14] 2.1.8 Potencia crítica de un músculo La potencia crítica de un músculo, representa el régimen de funcionamiento en unas condiciones tales que pueda ser mantenida durante varias horas, esto es, a la máxima fuerza que un músculo puede ejercer durante un tiempo indefinido, sin expresar fatiga, tanto que por encima de ese comportamiento se llega al agotamiento local. La frecuencia máxima de contracción (FMC) sólo se puede mantener durante unos segundos; el 50% FMC un minuto aproximadamente; el 15% FMC, 10 minutos o incluso varias horas. El requerimiento sucesivo, por estimulación repetida, termina por una caída del nivel de contracción, perdiendo altura la onda de contracción, con una fase de relajación más prolongada e imperfecta. 15 2.2 Registro de la actividad eléctrica por medio de EMG 2.2.1 La señal eléctrica durante el reposo muscular. En un músculo normal en estado de reposo no se registra ninguna actividad eléctrica, después de la inserción de la aguja electromiográfica es perceptible una rápida actividad eléctrica en forma de ruido de placa debido a la irritación de las fibras musculares, esta actividad suele durar escasos milisegundos. Los potenciales de placa motora desaparecen al variar la posición del electrodo. Dentro de la actividad eléctrica patológica registrada en estado de reposo, se tienen los potenciales de denervación de fibras musculares, las fibrilaciones y las ondas positivas de denervación que son descargas espontáneas de una fibra muscular. La actividad de denervación es característica de los procesos neurógenos, donde se afectan primariamente las estructuras nerviosas, aunque pueden observarse en algunas miopatías sobre todo de tipo inflamatorio. 2.2.2 La señal eléctrica durante la contracción voluntaria. Cuando se produce la contracción muscular, la aguja electromiográfica registra un potencial resultante de la sumación temporal y espacial de la actividad de las fibras musculares de la unidad motora, es el potencial de unidad motora. Las características del potencial de unidad motora, dependen de la posición del electrodo dentro del músculo, del número, tamaño e inervación de las fibras musculares componentes, del diámetro del axón motor que las inerva, grosor de su capa mielínica, velocidad de conducción y su umbral de despolarización. El potencial de unidad motora (PUM) se caracteriza por varios parámetros, entre ellos, la duración del potencial de unidad motora, que refleja el número de fibras musculares de la unidad motora aunque no en su totalidad, sus parámetros no varían mucho con la distancia del electrodo a las fibras musculares, se forma por el aporte de las fibras musculares que se encuentran a 2,5 mm del electrodo de registro. La amplitud del potencial de unidad motora está determinada por las fibras musculares que se encuentran a 0,5 mm de la aguja. El área del potencial de unidad motora se forma por el aporte de las fibras musculares que se encuentran a 2 mm del electrodo. 16 Figura 2 6 Contracción muscular [14] 2.2.3 La señal eléctrica durante la contracción muscular máxima Durante la contracción muscular máxima se superponen todos los potenciales de diferentes unidades motoras que descargan a diferentes frecuencias y se observa en la pantalla del equipo electromiográfico un patrón por interferencia. La Asociación Americana de Electro diagnóstico lo define como completo en un músculo normal y reducido, muy reducido o de oscilaciones simples en condiciones patológicas. El patrón interferencial depende de 2 procesos fundamentales, la activación y el reclutamiento. Los patrones de reclutamiento se caracterizan objetivamente por la frecuencia de reclutamiento, que es la frecuencia de descarga de cualquier unidad motora aislada cuando la próxima unidad motora es reclutada y por el índice de reclutamiento, que es la relación entre la frecuencia de reclutamiento y el número de unidades motoras activas. 17 2.3 El sistema nervioso 2.3.1 Sistema nervioso: Generalidades El cuerpo humano no sería más que un fardo amorfo de órganos, huesos y músculos si el sistema nervioso no le prestara la chispa que lo tensa. Los nervios ordenan a los músculos que han de estar relajados o contraídos, avisan de los olores, ruidos e impresiones que se están percibiendo; desencadenan el llanto el estornudo o el bostezo. Como un autentico sistema telegráfico, los nervios pasan los informes del mundo exterior, o del interior del cuerpo, hasta la médula espinal y el cerebro, donde este perfecto conmutador se ocupa de emitir órdenes que los mismos nervios se encargaran de transmitir de vuelta y ejecutar. Los mensajes van y vienen por esa especie de red electrificada que son las fibras nerviosas. Las neuronas son tan especializadas que no se pueden reproducir por sí mismas. La mayor parte de ellas, en número de 10.000 a 20.000 millones, están en el cerebro. Del sistema nervioso central (cerebro y médula espinal) parten numerosas fibras; otras llegan a él. Las fibras son haces más o menos compactos que se entrecruzan y se mantienen juntos por un tejido conjuntivo. Una variedad de estas fibras, las sensitivas, son las llamadas aferentes, encargadas de llevar los estímulos hasta el cerebro y la médula; otras son las motoras o eferentes, que envían las ordenes a los músculos para la correspondiente respuesta. Las células nerviosas que regulan la actividad de las fibras sensitivas están en la parte exterior de la médula espinal; las células matrices de los nervios motores están dentro de la sustancia cerebral y de la médula. Las sensibles neuronas tienen terminaciones de finísimos latiguillos que, como las ramas de los árboles, se desarrollan en distintas direcciones. Al final de algunas de estas ramificaciones se encuentran pequeños mecanismos sensibles, los receptores, cada uno de los cuales suele estar especializado en una sola sensación: luz, dolor, frío, presión, dilación, etc. Los receptores del dolor solo reaccionan ante fuertes estímulos. Nuestra sensibilidad es mayor en la lengua y en la yema de los dedos que en otras partes del cuerpo menos decisivas. El cerebro concede mayor importancia a unos receptores que a otros. Así como la telegrafía necesita de una corriente eléctrica exterior que le ponga en funcionamiento, el sistema nervioso origina por si mismo esa corriente. Las neuronas, como todos los tejidos animales y vegetales, contienen líquido dentro y fuera de ellas. Ambos líquidos el intracelular y el extracelular, separados por una membrana de grasas y proteínas, tienen diferentes concentraciones de iones, lo que origina el llamado potencial de membrana. El liquido intracelular tiene una alta concentración de iones de potasio, partículas cargadas eléctricamente, y una baja concentración de iones de sodio. En el líquido 18 extracelular las concentraciones son opuestas. En situación de reposo el potencial de membrana permanece fijo a unos 70mV y se dice que la membrana esta polarizada; el interior tiene carga negativa y el exterior positiva. Cuando el nervio conduce un impulso captado por los receptores, la membrana de la neurona cambia momentáneamente sus propiedades en una determinada zona, comportándose como si la hubieran perforado. Los dos líquidos la atraviesan y los movimientos de los iones alteran el potencial de la membrana: el interior de la célula se carga positivamente y el exterior negativamente, produciéndose una inversión de potencial de la membrana. Cuando esto ocurre se establece una corriente eléctrica entre la zona afectada de la célula y las zonas inmediatas propagándose velozmente. La fuerza de los impulsos es siempre la misma; mediante la velocidad de los impulsos el cerebro interpreta cada mensaje, sabe si debe responder con una reacción suave o violenta. Según sus necesidades, las células pueden llegar a transmitir hasta a una velocidad de trescientos kilómetros por hora. La velocidad depende del grosor de las fibras; cuanta más gruesa más rápidamente efectúan la transmisión. 2.3.2 La médula centro de operaciones Los impulsos van desde el receptor, a través de largas terminaciones de células, hasta su centro, el ganglio espinal, al lado de la columna vertebral; de allí prosigue a la médula. Las células nerviosas se extienden desde la punta de los dedos hasta la columna vertebral. Cuando el impulso llega a la médula espinal, esta reacciona con un reflejo que ordena la retirada del dedo. La respuesta refleja no sigue el mismo camino que el impulso nervioso, pues las fibras nerviosas suelen ser de una sola dirección. El cerebro aun no ha recibido la sensación de dolor cuando el acto reflejo se ha producido. Hará falta una fracción de segundo para que la médula le informe y el llegue a la reflexión. El cerebro reconoce la sensación gracias a su memoria almacenada por acontecimientos y sensaciones anteriores. Los reflejos son más rápidos, vitales y primitivos que la reflexión, y en los animales terrestres juegan un papel; importantísimo. Naturalmente, también se realizan actos voluntarios: tomar un libro de la mesa y leerlo no será normalmente un reflejo. Sin embargo, sabemos porque de repente se sienten tantos deseos de leer. El grito de dolor y la retirada refleja del dedo responden a procesos totalmente distintos; el primero se reconoce y provoca en el cerebro, el otro proviene de la médula. Esto es evidente, también en el caso de las parálisis transversales. En ellas el enlace entre el cerebro y las piernas está cortado. Si la médula se halla intacta hasta determinada altura, las piernas reaccionaran a estímulos con movimientos reflejos, pero el individuo no sentirá nada. 19 2.3.3 Los receptores que provocan dolor Entre los diminutos receptores que se encuentran debajo de nuestra piel se encuentran los corpúsculos de Messner y Paccini. Ellos provocan las sensaciones de presión y aguijoneo y nos permiten dosificar (con exacta precisión) la fuerza con la cual podemos manipular un objeto fácil sin llegar a romperlo. El dolor proviene de una exigencia intensa de estos receptores, y si son estimulados en un mínimo grado pueden provocar placer. Ante una agresión muy violenta se involucra el resto de los receptores que están a un nivel más profundo bajo la piel. Se denominan terminaciones libres, y de aquí parten los mensajes que convergen hacia el cerebro para desencadenar la percepción del dolor. Luego acuden los reflejos y las reacciones de defensa. Los corpúsculos de Messner miden entre cuarenta y doscientas milésimas de milímetro. Están ubicados en la dermis. El corpúsculo de Paccini mide dos milímetros. Son sensibles a la variación de presión y también están en la dermis. Registran dolor y placer. Una vez sensibilizados los receptores ubicados en la piel, el influjo provocado por esa sensación pasara por la red de transmisión de los nervios. Cada nervio está compuesto por innumerables haces de fibras nerviosas que actúan como vehículos de información en un solo sentido. El mensaje emitido por los receptores se dirige hacia la médula espinal. Pero también otras terminaciones libres más profundas, que puedan pertenecer al mismo nervio, llevaran el mensaje, provocadas por esta recepción. Así entonces (como un reflejo motor) se apartara la mano que recibió un golpe de calor muy fuerte al acercarla al fuego. Por lo tanto el dolor ha jugado su rol de prevención. Las fibras del dolor (a diferencia de las fibras nerviosas que transmiten el mensaje motor) tienen menos estrangulamientos y están revestidas en menor cantidad de una sustancia denominada mielina. Las fibras nerviosas tienen estrangulamientos distribuidos regularmente, que aceleran el mensaje. Las neuronas de la médula espinal transmiten el mensaje doloroso proveniente de las fibras nerviosas. Son los transmisores que permiten la continuación del mensaje desde la periferia hasta el cerebro. Este sistema se asemeja al de los postes y los hilos telegráficos: comunican información; sin embargo ellos no son sensibles. Estas células nerviosas medulares se comunican entre ellas y todas aportan las estimulaciones recibidas por el cuerpo. Por la irritación de un solo bulbo piloso existen tres retransmisores nerviosos: la primera neurona está ubicada en el ganglio raquídeo, la segunda en la cornea posterior (parte dorsal de la médula) y la tercera en el tálamo. Gracias al cerebro, el dolor (simple percepción) se transforma en una sensación que puede terminar en sufrimiento. Este se expresa con irritabilidad o cólera. Numerosas estructuras participan en la elaboración de este complejo sentimiento. Así, a nivel del tálamo (ubicado en la base del cerebro y último retransmisor antes de la llegada del mensaje a la corteza sensitiva) existe una representación de todo nuestro cuerpo. Desde allí la localización inmediata del punto doloroso y la toma de conciencia es simultánea. Puede 20 explicarse que en el instante en que se siente un daño en un dedo que fue apretado por una puerta se lo retira inmediatamente (gracias a un reflejo defensivo) y al mismo tiempo se gesticula emitiendo un grito de dolor. La comunicación entre las células nerviosas cuenta con la ayuda de sustancias denominadas neurotransmisores que se evidencian al microscopio por métodos de coloración radio isotópicas. 2.3.4 Química neuromuscular El rendimiento de la fuerza se determina no solo por el tamaño de los músculos implicados sino también por la capacidad del sistema nervioso para activar esos músculos. Los músculos básicamente responsables de la máxima producción de fuerza en la dirección pretendida del movimiento, llamados agonístas, deben activarse totalmente. Para que un músculo agonista produzca su máxima fuerza posible, hay que reclutar y activar todas las unidades motoras del músculo. Pero el máximo rendimiento en fuerza requiere más que el reclutamiento de todas las unidades motoras, puede hacer que esa unidad funcione a frecuencias distintas. La velocidad de frecuencia se refiere al número de impulsos nerviosos por segundo recibidos por las fibras musculares de una unidad motora del nervio que las enerva. Por lo tanto, un cambio en la tasa de enervación produce una variación notable en el rendimiento de la fuerza de la unidad motora; un incremento en frecuencia causa un aumento en la fuerza. Un sistema nervioso con una frecuencia eficiente "encendido" unida a una sobrecarga que recluta el mayor número de unidades motoras producirá un grado mayor de fuerza muscular. Este estímulo a lo largo del tiempo causará la adaptación necesaria para producir la hipertrofia muscular. Se sabe que la eficiencia del sistema nervioso es básica en la fuerza que sus músculos pueden aplicar. Dentro de ciertos límites, una persona con músculos más reducidos pero mejor sistema nervioso puede ser más fuerte que la persona con atributos opuestos. También se sabe que una persona normal no puede ejercer voluntariamente toda la fuerza potencial de sus músculos. Por lo tanto, un sistema neuromuscular más eficiente resultaría en que los músculos engendrarían más fuerza de la que están acostumbrados. [17] CAPÍTULO 3: Acondicionamiento de la señal electromiográfica El acondicionamiento de la señal electriomiográfica para que funcione adecuadamente debe seguir el siguiente proceso: Figura 3 1Acondicionamiento Señal Electromiográfica [4] La medición y la representación de las señales EMG de superficie dependen de las propiedades de los electrodos y su interacción con la piel, el diseño del amplificador y la conversión y subsecuente almacenamiento de la señal de formato análogo a digital (A/D). La calidad de la señal EMG medida es usualmente descrita por la relación entre la señal EMG medida y las contribuciones de ruido indeseadas por el ambiente. La meta es maximizar la amplitud de la señal mientras se minimiza el ruido. Asumiendo que el diseño del amplificador y el proceso de conversión A/D están por encima de los estándares aceptables, la relación entre la señal y el ruido está determinada casi exclusivamente por los electrodos, y más específicamente, las propiedades del electrodo y el contacto con la piel. 21 22 3.1 Captación de la Señal Electromiográfica Las señales bioeléctricas se miden mediante dispositivos llamados electrodos, los cuales se encargan de convertir las corrientes de tipo iónico producido por la distribución de potencial generada en el interior del tejido vivo en corrientes de tipo eléctrico que pueden ser medidas y acondicionado para su posterior análisis y tratamiento. Los electrodos son elementos esenciales para la medicina porque proporcionan una interfase entre el cuerpo humano y los aparatos médicos de medida. El electrodo está formado por una superficie metálica y un electrolito en contacto con la piel. Por lo tanto, existen dos transiciones en el camino de la señal bioeléctrica entre el interior del cuerpo y el sistema de medida. La primera es el contacto entre la piel y el electrolito. En el caso de electrodos esofágicos el electrolito es la mucosa que recubre el epitelio de la pared esofágica. La segunda es el contacto entre el electrolito y la parte metálica del electrodo. La presencia de estas interfaces provocará un intercambio iónico con la consiguiente aparición de un potencial de electrodo. En la medición de fenómenos bioeléctricos se utilizan una amplia gama de electrodos que se pueden clasificar en tres grupos: • Microelectrodos: se utilizan para medir biopotenciales cerca o dentro de una célula. Son dispositivos de vidrio o de ciertos tipos de metal, o de sus aleaciones (oro, platino, platino-iridio), que permiten registrar en la inmediata vecindad de una neurona su actividad eléctrica. Cuando los dispositivos son de vidrio y tienen una punta tan fina, que no es posible verla bajo el microscopio óptico (diámetro externo inferior a 0.01 nm), se les define como ultramicroelectrodos y con ellos se puede penetrar las células sin peligro de dañarlas mecánicamente. Si estos microelectrodos se ubican en un sistema de soporte adecuado y se les llena con un medio conductor eléctrico (solución salina de alta concentración iónica) y se les conecta al osciloscopio de rayos catódicos a través de un medio adecuado de amplificación, es posible conocer las características eléctricas de las neuronas en reposo y durante su actividad. 23 Figura 3 2 Microelectrodo [10] • Electrodos de Aguja: utilizados para atravesar la piel y registrar potenciales en una región local del cerebro o de un músculo específico. En la electromiografía de aguja se utilizan 2 tipos de electrodos fundamentalmente, el electrodo monopolar que tiene una superficie de registro de forma cónica de aproximadamente 0,25 mm², y el electrodo concéntrico que tiene una superficie de registro de forma helicoidal de 0,07 mm². El electrodo concéntrico que es el más usado en la práctica asistencial, es una aguja aislada a lo largo de su longitud, con excepción de la punta, la cual es insertada dentro de la masa muscular que registra la diferencia de potencial entre el cuerpo de la aguja y la punta desnuda del alambre. • Electrodos superficiales: se utilizan para medir potenciales en la superficie de la piel. Figura 3 3 Electrodo superficial [5] 24 Los aspectos más importantes con respecto a los sensores son: el tipo de electrodo, la distancia entre electrodos, y la ubicación de los electrodos. 3.1.1 Tipos de Electrodos Se utilizan comúnmente dos tipos de electrodos de superficie: • Electrodos secos en contacto directo con la piel: Los electrodos secos son principalmente utilizados en aplicaciones donde la geometría o tamaño del electrodo no permite gel. Electrodos en barra, y arreglos de electrodos son ejemplos de electrodos secos. Con los electrodos secos es común tener un circuito preamplificador cerca al electrodo, debido a la gran impedancia entre la piel y el electrodo asociada a los electrodos secos. Debido a que los electrodos secos son más pesados (típicamente > 20g) que los electrodos con gel (típicamente < 1g), es más difícil mantener la fijación del electrodo a la piel comparado con los electrodos con gel. • Electrodos con gel utilizando un gel electrolítico como interface química entre la piel y la parte metálica del electrodo: Los electrodos con gel utilizan un gel electrolítico como interface química entre la piel y la parte metálica del electrodo. Las reacciones químicas de oxidación y reducción toman lugar en la región de contacto entre la superficie metálica y el gel. El compuesto plata – cloruro de plata (Ag − AgCl) es el más común para la parte metálica de los electrodos con gel. La capa de cloruro de plata permite que la corriente emitida por el músculo pase más libremente a través de la juntura entre el gel electrolítico y el electrodo. Esto introduce menos ruido eléctrico en la medida comparado con los equivalentes electrodos metálicos (Ag). Debido a esto, los electrodos de Ag − AgCl son usados en más del 80% de las aplicaciones de EMG de superficie. Los electrodos con gel pueden ser tanto desechables como reusables. Los electrodos desechables son los más comunes puesto que son más livianos y porque vienen en una gran variedad de formas y tamaños. Con la aplicación apropiada, los electrodos desechables minimizan el riesgo de un desplazamiento del electrodo durante inclusive movimientos rápidos. 25 3.1.2 Distancia entre electrodos La distancia entre electrodos como se define como la distancia entre centros de las áreas de conductividad de estos. 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. 3.1.3 Posicionamiento de los electrodos La señales electromiográficas dan una muestra de la actividad eléctrica en los músculos durante una contracción. Sin embargo, estas señales están altamente relacionadas con la posición del electrodo sobre el músculo de interés. Debido a esto, es necesario que la ubicación de los electrodos sea consistente en sesiones consecutivas de estudio y sobre diferentes pacientes. Para determinar la ubicación de los electrodos es recomendado utilizar la normatividad correspondiente donde se encuentran sugerencias para la ubicación de los electrodos sobre 27 zonas musculares distintas. 26 Figura 3 4 Colocación de electrodos en el cuerpo parte trasera [11] Figura 3 5 Colocación de electrodos en el cuerpo parte frontal [11] 27 El objetivo al ubicar los electrodos es conseguir una ubicación estable donde se pueda obtener una buena señal electromiográfica. Los electrodos se pueden ubicar sobre la superficie de la piel de manera longitudinal, o transversal. Figura 3 6 Electrodos desechables [12] • • 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[12] 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 [12] Debido a la magnitud de las señales electromiográficas (menores de 10mV) y a otros factores como el ruido ambiental, es necesario realizar una etapa de acondicionamiento de estas señales antes de procesarlas. El rango donde se concentra la mayor cantidad de energía de las señales EMG es alrededor de los 60Hz. Debido a esto se utilizará amplificadores de instrumentación con un alto rechazo en modo común (CMRR > 120dB) con lo cual se eliminará en gran parte este ruido. También se utilizará un filtro pasaalto con frecuencia de corte en 15 HZ para eliminar señales que no son de interés y también es necesario un filtro pasabajo con frecuencia de corte en 450 Hz para eliminar frecuencias superiores que no se requieren. 28 3.2 Implementaciones necesarias 3.2.1 Primera Implementación. Se realiza una amplificación de forma diferencial para eliminar ruido ambiental y otros ruidos en modo común debidos a otros músculos. El rango útil de medida se encuentra desde los 10 y 20Hz (filtro pasa alto) hasta los 500 y 1000Hz (filtro pasa bajo). El filtro pasa alto es necesario para eliminar artifacts (ruido proveniente de músculos aledaños, y otros movimientos musculares), así como potenciales de re polarización de los músculos que tienen componentes de baja frecuencia (típicamente < 10Hz). El filtro pasa bajo es necesario para eliminar componentes de alta frecuencia y evitar posibles aliasing. 3.2.1.1 Amplificación Para la etapa de amplificación se utilizaron amplificadores de instrumentación LM741. El LM741 de Fair Child Semiconductor que tienen un alto rechazo en modo común (CMRR = 90dB) y una alta impedancia de entrada. Se utilizó amplificación diferencial para eliminar los potenciales comunes a ambos electrodos. Figura 3 7 Conexión LM741 [13] En la figura se observa el diagrama esquemático del circuito de amplificación que se implementó. 29 Figura 3 8 Circuito de Amplificación [12] 3.2.1.2 Filtrado Para el diseño del filtro pasa-banda se pueden utilizar dos filtros Chebyshev de segundo orden en cascada, con el circuito integrado NTE858M que tiene dos amplificadores operacionales de propósito general. Figura 3 9 Diagrama de conexión del %TE858M [13] Se utiliza configuración Sallen Key, se produce un circuito de dos polos usando dos resistencias, dos capacitores, y un amplificador. La topología Sallen Key presenta alta tolerancia para los componentes. Se utilizan las siguientes ecuaciones, para hallar los valores de los componentes: (1) 30 (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) Los valores obtenidos de los componentes, se disponen de la siguiente manera en el filtro a utilizar, se puede observar el esquemático en la figura 3.10 31 Figura 3 10 Topología del filtro a utilizar [12] • Filtro pasa alto: Se diseña un filtro Chebyshev pasa alto con topología Sallen - Key de segundo orden, con frecuencia de corte en 15Hz y ganancia 2. Se toma un valor de capacitancia de 100nF y se despeja el valor de las resistencias R (13) Se obtiene un valor de 106kΩ, sin embargo de debe de utilizar un valor comercial de 121kΩ. Se fija una ganancia de 2, por lo que R4 y R3 deben ser de la misma magnitud, se escoge un valor diez veces menor al de la resistencia R, por tanto el valor de R3 y R4 es de 1,24kΩ. 32 Figura 3 11 Diagrama esquemático del filtro pasa alto Se obtiene la siguiente respuesta en frecuencia, se observa el Bode obtenido de esta etapa implementada. El resultado nos da una ganancia de 6dB, y una frecuencia de corte cercana a los 15Hz para los que se diseñó. También muestra el comportamiento de un típico filtro pasa altos. Figura 3 12 Diagrama de Bode para el filtro pasa alto 33 • Filtro pasa bajo: Se diseñó un filtro Chebyshev pasa bajo con topología Sallen - Key de segundo orden, con frecuencia de corte en 650Hz y ganancia pequeña. Se toma un valor de capacitancia de 10nF y se despeja el valor de las resistencias R (14) Se obtiene un valor de 24,5kΩ, sin embargo de debe de utilizar un valor comercial de 30,1kΩ. Se fija una ganancia de 2, por lo que R4 y R3 deben ser de la misma magnitud, se escoge un valor tres veces menor al de la resistencia R, por tanto el valor de R3 y R4 es de 10,7 kΩ. Figura 3 13 Diagrama esquemático filtro pasa bajo Se obtiene la siguiente respuesta en frecuencia, se observa el Bode obtenido de esta etapa implementada. El resultado nos da una ganancia de 6dB, y una frecuencia de corte cercana a los 650Hz para los que se diseñó. También muestra el comportamiento de un típico filtro pasa bajos. 34 T 100.00 Gain (dB) 0.00 -100.00 -200.00 10 100 1k 10k 100k 1M 10k 100k 1M Frequency (Hz) 0.00 Phase [deg] -50.00 -100.00 -150.00 -200.00 10 100 1k Frequency (Hz) Figura 3 14 Diagrama de Bode para filtro pasa alto El circuito final se implementa en el software TINA, sólo utilizando la parte de filtrado, y no la inicial de amplificación de la señal, ya que al simular no se tienen problemas de ruido y demás que se presentan en la práctica. Figura 3 15 Circuito final 35 Se obtiene el siguiente Bode para la señal de salida, usando 12mV, el cual es el voltaje máximo del rango que oscilan las señales electromiográficas. T 100.00 Gain (dB) 0.00 -100.00 -200.00 100m 1 10 100 1k 10k 100k 1M 1k 10k 100k 1M Frequency (Hz) 200.00 Phase [deg] 100.00 0.00 -100.00 -200.00 100m 1 10 100 Frequency (Hz) Figura 3 16 Diagrama de Bode del circuito final 3.3 Implementaciones realizadas Se procedió a implementar el circuito (etapa de amplificación y filtrado) en una protoboard, utilizando los componentes calculados. 36 Figura 3 17 Circuito implementado en protoboard Se probó el funcionamiento del circuito en el Laboratorio Eléctrico de la Escuela, bajo la supervisión del profesor Jaime Cascante, y se obtuvo la siguiente FFT de la señal de salida, se utilizó la FFT para obtener rápidamente el espectro de la señal a partir de la señal temporal de entrada. En lugar de los electrodos, y la señal de un músculo del cuerpo, se utilizó una señal cercana a los 12mV, con una frecuencia de 60Hz. Figura 3 18 Salida en frecuencia del circuito implementado Al observar la FFT de la salida se comprueba que las señales EMG tienen una frecuencia que oscila entre 50 y 150 Hz, por lo cual el sistema de acondicionamiento de la señal funciona, y puede ser pasado a una tarjeta. 37 Para pasarlo a una tarjeta primero se utiliza el PCB design de TINA, se obtiene la siguiente ubicación de los componentes: Figura 3 19 Circuito final utilizando PBC Design de TI%A Esta aplicación permite ver el circuito en 3D, desde diversos ángulos, se agregan dos vistas obtenidas. Figura 3 20 Vista #1 en 3D del circuito final 38 Figura 3 21 Vista #2 en 3D del circuito final 39 3.4 Procesamiento de la información obtenida 3.4.1 Conversor Análogo-Digital. Se necesita un conversor análogo-digital para proceder con la implementación para pasar los datos obtenidos a binario. Se recomienda utilizar un conversor análogo-digital de aproximaciones sucesivas ya que es el más usado, su tiempo de conversión es mucho más corto que los demás y no depende del valor de la entrada analógica. Se prevé utilizar una frecuencia de muestreo de 1kHz, ya que según el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo mínima requerida para realizar una grabación digital de calidad, debe ser igual al doble de la frecuencia de audio de la señal analógica que se pretenda digitalizar y grabar. 3.4.2 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 está representado por una señal x (t) en el dominio del tiempo. Figura 3 22 Señal EMG típica durante una contracción muscular [12] 40 Se pueden considerar generalmente dos métodos para la extracción de características: aproximación paramétrica y no paramétrica. 3.4.2.1 Aproximación Paramétrica Se tienen métodos como el AR (autoregresive model), MA (moving average) y ARMA. Modelo AR (Autoregresive Model) El modelo AR se encuentra definido como: (15) 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: (16) Donde A(z) tiene los coeficientes normalizados del modelo. [12] 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. Los filtros digitales de Respuesta Finita Impulsiva o filtros FIR por sus siglas en ingles Finite Impulse Response, se trata de un tipo de filtros digitales en el que, como su nombre indica, si la entrada es una señal impulso la salida tendrá un número finito de términos no nulos. La estructura de señal a la salida del filtro se basa solamente en la combinación lineal de las entradas actuales y anteriores. Se muestra el diagrama en bloques de la estructura básica del filtro FIR, para una cantidad de 12 coeficientes. 41 Figura 3 23 Diagrama de Bloques Filtro FIR [8] Modelo MA (Moving Average Model) La notación MA(q) se refiere a un modelo de media móvil de orden q. (17) Donde θ1, ..., θq son los parámetros del modelo y εt, εt-1,... son, de nuevo, los términos de error. Un modelo de medias móviles é esencialmente un filtro de respuesta finita al impulso FIR, con cierta interpretación adicional. Modelo ARMA (Moving Average Autoregresive Model) La notación ARMA(p, q) se refiere a un modelo con p términos auto regresivos y q términos de media móvil. Este modelo combina los modelos AR e MA, (18) 42 3.4.2.2 Aproximación no paramétrica Se utilizan generalmente dos métodos: aproximación temporal y aproximación espectral. 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, analizando los siguientes valores: • Valor Medio Absoluto Un estimado del valor medio absoluto de la señal x en el segmento i de N muestras está dado por: (19) • 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 (20) ó xk < 0 y xk+1 > 0 (21) |xk − xk+1| ≥ ε (22) y • 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 (23) xk < xk−1 y xk > xk+1 (24) |xk − xk−1| ≥ ε ó |xk − xk+1| ≥ ε (25) ó y 43 • Longitud de la onda: Una característica que provee información acerca de la complejidad de una señal en un segmento, está definida por la longitud de la onda. Esto es simplemente el acumulado de la distancia entre dos muestras consecutivas definidas como: (26) 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. 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).Se pueden utilizar dos métodos: • • Periodograma Espectrograma 44 CAPÍTULO 4: Software AcqKnowledge En la búsqueda de la intefaz humano-máquina, se encontró el software AcqKnowledge de BIOPAC Systems Inc que efectivamente simula el registro de datos de una variedad de transductores y realiza todas las funciones. Es un sistema de adquisición de datos completa y ampliable que funciona como una pantalla, registrador, osciloscopio y X / Y plotter, que permite grabar, ver, guardar e imprimir los datos. Incluye todo el hardware y software necesario para convertir cualquier computadora en una estación de trabajo de adquisición de datos de gran alcance en concreto diseñado para aplicaciones de ciencias de la vida. Figura 4 1 Software y Hardware BIOPAC Systems Inc [7] Todas las estaciones de trabajo incluyen: MP unidad de adquisición, AcqKnowledge software y módulo Universal (no amplificados) que le permite conectar los equipos existentes, tales como pre-amplificadores, electrodos, transductores, medidores de flujo de sangre, placas de la fuerza, y los registradores de carta. Se puede observar, una imagen de las señales que se pueden extraer, utilizando el software y el hardware de BIOPAC, la tercera de arriba para abajo, es la señal de interés: la señal electromiográfica. 45 Figura 4 2 Señales obtenidas mediante el software Acq Knowledge [7] El Sistema MP ofrece muchas opciones para la grabación de la superficie, de agujas y EMG alambre fino, registrar y analizar los datos de EMG para determinar el grado general de los músculos y la fatiga de una variedad de partes del cuerpo, estimular el músculo de contracción y registrar datos, registro faciales EMG para los estudios de respuesta de sobresalto, combinar canales de grabación EMG con canales de otros datos para mostrar la contracción muscular al mismo tiempo con otros eventos fisiológicos, integrar y / o filtrar los datos en bruto EMG durante la grabación para su análisis inmediato, correlacionar EMG actividad con datos de otras fuentes, tales como plataformas de fuerza, goniómetros, y el equipo de análisis de movimiento. Se puede utilizar el software para integrar AcqKnowledge automáticamente a la señal de EMG y proporcionar un análisis detallado de la frecuencia de los datos EMG, como se observa en la siguiente figura: 46 Figura 4 3 Frecuencia de los datos EMG [7] Cuenta con electrodos activos y alambre fino EMG, la serie TSD150 de la interfaz de electrodos activos con el módulo de interfaz de Alto Nivel HLT100C transductor. Los electrodos TSD150 han incorporado en la amplificación, que permite al sujeto estar a una mayor distancia del aparato de control. El TSD150 grabará tanto en superficie como EMG alambre fino. Los transductores se adaptan fácilmente a la grabación de alambre fino, desenroscando la superficie del electrodo almohadillas y fijación de las abrazaderas de muelle (incluido con cada TSD150). Figura 4 4 Electrodos incorporados[7] 47 Al utilizar los electrodos, se puede obtener una señal como la siguiente: Figura 4 5 Señales obtenidas mediante electrodos[7] También se puede deducir el integrado del EMG que se define como el área bajo la curva de la señal EMG rectificado, es decir, la integral matemática del valor absoluto de la señal EMG. Cuando el valor absoluto de la señal se toma, el ruido hará que la integral tenga un aumento constante. Se observa lo que se obtiene al utilizar dicha aplicación. 48 Figura 4 6 Integrado de la señal EMG[7] Existe otra aplicación llamada “Root Mean Square EMG” (RMS EMG) que se define como el tiempo de ventana valor RMS de la señal EMG. Al obtenerlo, se obtienen formas de onda que son más fácilmente analizables que la señal EMG original debido al ruido que contiene ésta. Figura 4 7 Raíz cuadrada de la señal EMG[7] 49 Varias técnicas de dominio de la frecuencia se pueden utilizar para la reducción de los datos de las señales EMG. Un análisis de las señales EMG en el dominio de la frecuencia pueden proporcionar información útil sobre la naturaleza de los datos de EMG. Los datos del espectro de frecuencia pueden ser usados para generar otros indicadores de análisis de frecuencia de EMG. La señal EMG se divide en un número fijo de períodos de tiempo, dentro de cada ventana, el espectro de potencia se calcula usando la transformación de energía espectral de densidad. Para cada período de tiempo, las medidas siguientes se extraen: mediana de la frecuencia, la frecuencia media, frecuencia máxima, potencia media, y la de energía total. Figura 4 8 Análisis de la señal EMG en frecuencia[7] 50 CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones Finalizado el Proyecto Eléctrico “Sistema de Adquisición, recepción y envío de señales electromiográficas, se muestran las conclusiones generales obtenidas del análisis realizado, de las lecturas realizadas, y de los resultados prácticos obtenidos. Conclusiones Se estudió sobre fisiología, en lo referente a movimientos de extensión y flexión, y los principales músculos, articulaciones del cuerpo humano, adquiriendo de esta manera una concepción global de lo que sucede al realizar estas acciones. Se investigó el modo en que se comporta una señal electromiográfica, al estar el músculo en reposo, en contracción, y en contracción máxima y las variaciones de voltaje que se producen en estos tres casos. Se investigó los principales usos que se le da a un sistema de adquisición y recepción de señales electromiográfica tales como la medición de los tiempos de activación del músculo, estimación de la fuerza producida por el músculo y obtención del índice de fatiga por medio de un análisis de espectro de frecuencias de la señal electromiográfica Se cumplió con el objetivo de que en el preprocesamiento de señales EMG se implementara las rutinas necesarias para la extracción del segmento de señal a analizar y se estudió las aproximaciones paramétricas y no paramétricas para la extracción de datos que se pueden emplear una vez obtenida la señal. Se llevó a cabo la etapa de amplificación se utiliza para amplificar los diminutos potenciales recogidos en el músculo de tal forma que puedan ser visualizados en la pantalla de un osciloscopio. Se observó que los potenciales electromiográficos presentan una banda de frecuencia muy variable, el amplificador debe ser capaz de responder con fidelidad a señales comprendidas entre los 40 y los 10.000 Hz y que la adquisición de señales EMG se ve fuertemente afectada por el ruido de línea (60Hz). Se implementó en una protoboard el circuito de acondicionamiento, se comprobó su funcionamiento, y los problemas típicos que se presentan debido al ruido. No se pudo probar el funcionamiento del Software de BIOPAC, debido a que no se contaba con tal ni con los implementos que trae, solo se contó con la opción demo, por lo que se describió las aplicaciones que se pueden realizar con él. 51 Finalizado el Proyecto Eléctrico “Sistema de Adquisición, recepción y envío de señales electromiográficas, se muestran las recomendaciones generales obtenidas del análisis realizado, de las lecturas realizadas, y de los resultados prácticos obtenidos. Recomendaciones Se deben establecer las posibles causas de ruido producidas por el ambiente en que se trabaja y controlarlas, ya que ocasionan interferencia a la hora de adquirir la señal, esto para lograr una mejor obtención de esta. El lugar donde se realice la electromiografía debe ser un lugar aislado, con las mínimas fuentes de movimiento, vibraciones, y con la prohibición de dispositivos como celulares que interfieren en la rango de frecuencias en que se obtiene la señal electromiográfica. Se recomienda trabajar la etapa de amplificación y filtrado con los valores de componentes lo más cercanos posibles a los valores hallados teóricamente para garantizar el valor de las frecuencias de corte con las que se debe trabajar. Es necesario investigar los patrones de frecuencia relacionados con el tipo de análisis a realizarle a la señal, para así poder dar tener una referencia con que comparar los resultados obtenidos. Estudiar los criterios necesarios para elegir cual tipo de aproximación es mejor a la hora de el reconocimiento de parámetros de la señal electromiográfica, si la aproximación paramétrica o la no paramétrica. Utilizar para la captación de la señal electromiográfica electrodos de contacto con gel electroquímico, debido a que según las lecturas realizadas, son la mejor opción a usar para este proceso. 52 BIBLIOGRAFÍA Libros: Boylestad, R y Louis Nashelsky “Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos eléctricos” 8° edición , Pearson Education, 2003. 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