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5/15/2018 TESIS FINALIZADA - slidepdf.com
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
SISTEMA PARA LA DETECCIÓN
DE SEÑALES
ELECTROMIOGRÁFICAS
TESIS
Presentada por:Irving Aaron Cifuentes González
En opción al título de:
Licenciado en Ingeniería en Computación
Asesor:
Dr. Francisco José Heredia López
Mérida, Yucatán, Septiembre 2010
5/15/2018 TESIS FINALIZADA - slidepdf.com
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RESUMEN
Este trabajo presenta el diseño y construcción de un sistema para la
adquisición de señales electromiográficas provenientes de los músculos
bíceps y tríceps, así como la metodología seguida para obtener los
resultados obtenidos. La finalidad del trabajo consiste en plantear la
primera etapa para la construcción de un sistema de prótesis mioeléctrica
que pueda reconocer los potenciales de acción generados por los
músculos y mediante un algoritmo de aprendizaje como el de las redes
neuronales, sea capaz de reconocer los potenciales de disparo de
Electromiografía y catalogarlos como alguno de los movimiento del brazo.
I
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DEDICATORIA
Esta Tesis se la dedico a mis padres:
Ana Gabriela González Salazar
José Guadalupe Cifuentes Kú
II
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AGRADECIMIENTOS
Primeramente agradecer a Dios por estar conmigo en cada momento y
por haber dado una maravillosa familia, por darme salud, bienestar y
consuelo en tiempos difíciles.
Seguidamente agradezco a mi familia por estar a mi lado y apoyarme
siempre, por ser mi soporte y motivación. A mi Madre por todos los
sacrificios hechos para protegerme y asegurarse que tenga educación,
por cuidarme y darme todos los valores que tengo; A mi Padre por todos los esfuerzos hechos para lograr que no nos falte nunca lo indispensable
y por todos sus sabios consejos. Gracias por todo, ni con una vida
completa podría pagarles por todo lo que hicieron y hacen por mí,
Muchas gracias, saben que los quiero mucho y que siempre están en mi
corazón. A mis hermanitos, abuelas, abuelos y tías por todo su cariño y
su apoyo incondicional.
A mi asesor F.J.H.L. y profesores por compartir parte de sus
conocimientos y experiencias, así como también a mis amigos y en
especial a mi mejor amiga L.P.D.C por apoyarme y ayudarme
incondicionalmente cuando lo necesitaba.
Aaron
III
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TABLA DE CONTENIDO PAG.
1. INTRODUCCION……………………………………………………...1
2. MARCO TEORICO……………………………………………………2
2.1 ELECTRODOS...................................................................5
2.2 ELECTROMIOGRAFÍA………………………………………6
2.2.1 ELECTROMIOGRAFÍA INVASIVA…………………7
2.2.1.1 ELECTRODOS DE AGUJA………………..8
2.2.2 ELECTROMIOGRAFÍA SUPERFICIAL……………92.2.2.1 ELECTRODOS SUPERFICIALES……....10
2.2.3 LOCALIZACIÓN DE LOS ELECTRODOS,FORMA, TAMAÑO, DISTANCIA INTER-ELECTRODOY MATERIAL………………………………………………13
2.3 FUNDAMENTOS ELECTRÓNICOS………………………16
2.3.1 AMPLIFICADOR OPERACIONAL………………..16
2.3.1.1 LA CONFIGURACIÓN INVERSORA…....17
2.3.1.2 CONFIGURACIÓN NO INVERSORA…...18
2.3.1.3 EL SEGUIDOR DE VOLTAJE……………19
2.3.1.4 AMPLIFICADOR DIFERENCIAL………...19
2.3.1.5 RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA DEPRECISIÓN…..…………………………………….20
2.3.1.6 CIRCUITO COMPARADOR……………...21
2.3.1.7 CIRCUITO INTEGRADOR……………….22
2.4 EL ELECTROMIÓGRAFO………………………………....23
2.4.1 ETAPA DE PRE AMPLIFICACIÓN……………….24
2.4.2 ETAPA DE FILTRADO………………………….....25
IV
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2.4.3 CONVERSIÓN ANÁLOGA DIGITAL…………......26
3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA……………………………..27
4. OBJETIVO DE LA TESIS………………………………………......28
5. METODOLOGIA……………………………………………………..28
5.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPOPARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALESELECTROMIOGRÁFICAS CON FUENTEBIPOLAR……………………………………..............................29
5.1.1 ELECTRODOS……………………………………..30
5.1.2 ETAPA DE PRE AMPLIFICACIÓN……………….32
5.1.3 ETAPA DE FILTRADO………………………….....37
5.1.4 ETAPA DE AMPLIFICACIÓN FINAL……………..42
5.1.5 ETAPA DE RECTIFICACIÓN DE MEDIA
ONDA...………………………………………………….....42
5.1.6 ETAPA DE PULSOS CUADRADOS……………..44
5.2 CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO IMPRESO…………..465.3 CAPTURA DE REGISTROS DE EMG……………………47
5.4 RESULTADOS……………………………………………….49
5.6 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL
PROTOTIPO DE ADQUISICIÓN DE EMG DE
UN SOLO CANAL LVTTL…...................................................53
5.6.1 ELECTRODOS……………………………………..56
5.6.1.1 CONSTRUCCIÓN…………………………56
5.6.1.2 MONTAJE Y UBICACIÓN………………..58
5.6.2 GANANCIAS………………………………………..59
5.6.3 ETAPA DE PRE AMPLIFICACIÓN……………....60
V
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5.6.3 ETAPA DE FILTRADO…………………………….67
5.6.4 ETAPA DE AMPLIFICACIÓN FINAL……………..69
5.6.5 ETAPA DE RECTIFICACIÓN DE MEDIA
ONDA……………………………………………………….70
5.6.6 PULSOS DIGITALES……………………………....71
5.6.7 CONVERSIÓN ANALÓGICA DIGITAL…………..74
5.6.8 PROGRAMA EN ENSAMBLADOR……..………..79
5.6.9 PROBANDO EL CONVERTIDOR
ANALÓGICO DIGITAL DEL PIC………………………...80
5.6.10 RESULTADOS…………………………………….86
5.7 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
DE ADQUISICIÓN DE EMG DE DOS CANALES.………......91
5.7.1 RESULTADOS……………………………………...94
6. DISCUSION DE LOS RESULTADOS……………………………..95
7. CONCLUSIONES……………………………………………………96 8. TRABAJO FUTURO…………………………………………………97
9. BIBLIOGRAFIA………………………………………………………98
10. APENDICE I……………………………………………………….100
VI
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LISTA DE TABLAS PAG.
TABLA 1. Fuentes de señales bioelestricas sensadas porelectrodos……………………………………………………5
TABLA 2. Tabla comparativa del desempeño de variosbioelectrodos………………………………………………12
TABLA 3. Tabla comparativa de los amplificadores deinstrumentacion usados en el prototipo…………………53
TABLA 4. Tabla comparativa de los amplificadores deoperacionales usados en el prototipo………………......54
TABLA 5. Principales caracteristicas de los amplificadores deauto zero usados en el prototipo………………………...54
TABLA 6. Valores de resistencias y capacitores del INA326…….61
TABLA 7. Principales caracteristicas del PIC16687……………….75
TABLA 8. Carcteristicas del reloj para el ADC……………………..77
TABLA 9. Precios de algunos componentes usados en el
prototipo…………………………………………………….96
VII
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1
1. INTRODUCCION
La ingeniería biomédica es una vertiente de las ciencias exactas que incluye el
estudio, desarrollo e innovación de tecnologías para fines médicos, de terapia o
rehabilitación así como técnicas de administración de recursos hospitalarios. Es
dentro de esta disciplina que se encuentra inmerso el desarrollo de interfaces
mioeléctricas; una interfaz mioeléctrica es un dispositivo electrónico que hace uso
de señales biológicas producidas por los músculos del cuerpo, las cuales son
procesadas por circuitos electrónicos y traducidas para recrear la acción de algún
miembro funcional. Hoy en día el desarrollo de estos dispositivos va en ascenso, y
su uso ya no solo se centra en el desarrollo de aplicaciones terapéuticas y de
rehabilitación, tal es el caso de las prótesis mioeléctricas, las cuales se utilizanpara suplir la perdida de algún miembro, principalmente de brazos, manos o
piernas; estas nuevas tendencias están orillando el desarrollo de interfaces
mioeléctricas para el uso diario, ya sea para facilitar la vida diaria o también para
usos de recreación y entretenimiento; por ejemplo el uso de dispositivos
mioeléctricos en videojuegos o para en un futuro no muy lejano reemplazar
dispositivos de entrada salida de una PC como el mouse o el teclado.
Debido a esto surge la idea de desarrollar una interfaz robusta capaz de
monitorear las acciones producidas por un grupo muscular para posteriormente
tener una aplicación final en el campo de las prótesis inteligentes. Este trabajo
presenta el diseño y construcción de una interfaz que procesa las señales
mioeléctricas para diferentes grupos musculares, el cual puede ser usado para
construir prótesis autoajustables, interfaces para la ejecución de tareas sin
contacto directo por parte del operador o sistemas de simulación y animación en
3D.
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2
2. MARCO TEORICO
La electricidad se encuentra presente de muchas formas en la naturaleza, de tal
forma que el cuerpo humano no es la excepción, en él podemos encontrar
pequeños impulsos eléctricos mediante los cuales se llevan a cabo funciones
importantes del organismo: latir del corazón, respirar, pensar, el fenómeno de la
vista etc. Uno de los primeros en contribuir en el campo de la actividad eléctrica en
el cuerpo fue Luigi Galvani[18] , quien en 1786 descubrió la electricidad animal en
una extremidad de rana haciendo pasar corriente eléctrica en los nervios de la
extremidad y se percató que se producía un movimiento como respuesta al
estimulo eléctrico.
Las funciones realizadas por el cuerpo humano son llevadas a cabo a través de
impulsos eléctricos, estos impulsos son el resultado de la acción electroquímica de
ciertos tipos de células, las cuales generan la diferencia de potencial mediante
partículas ionizadas tales como iones de potasio, calcio, así como la
despolarización de sus membranas celulares [2]. Muchos de estos intercambios de
potenciales tienen lugar en el cerebro, el cual envía la orden en forma de impulsos
electicos, los cuales son transportados a otra parte del cuerpo a través de losnervios [2]. El sistema nervioso se divide en sistema nervioso central y sistema
nervioso periférico; el sistema nervioso central está formado por el cerebro y la
espina dorsal, mientras que el periférico lo conforman los nervios periféricos y sus
terminaciones motoras [4]. La unidad básica del sistema nervioso es la neurona; la
neurona es una célula especializada en recibir y transmitir impulsos eléctricos
denominados potenciales de acción (Figura 1), estas descargas eléctricas viajan
atreves de la membrana celular y es el principal medio de comunicación entre
tejidos y células dentro del cuerpo humano [2].
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3
La comunicación entre neuronas es realizada a través de extensiones celulares
llamadas dendritas, la unión celular entre dendritas es conocida como sinapsis [4].
Existe un tipo de neuronas especializadas que conforman el sistema motor
humano, estas neuronas reciben el nombre de motoneuronas; las motoneuronas
son las encargadas de mandar y recibir impulsos eléctricos desde la espina dorsal
hasta las fibras musculares [2]. El sistema músculo-esquelético está formado
principalmente por motoneuronas, fibras musculares, músculos y el esqueleto, juntos proveen soporte al cuerpo y la capacidad de realizar movimientos [4]. En el
músculo podemos distinguir entre 2 unidades principalmente, la unidad anatómica
y la unidad funcional; la primera es la llamada fibra muscular, mientras que la
segunda recibe el nombre de unidad motora. La unidad motora (UM) (Figura 2) [18]
es un grupo de fibras musculares inervado por una sola neurona motora. Realizar
un simple movimiento requiere la intervención de muchas neuronas tanto
sensoriales como motoras, que trabajando en conjunto logran ejecutar la acciónindicada; el funcionamiento es el siguiente: se genera la orden en el cerebro en
forma de un impulso eléctrico; este impulso viaja a través de la espina dorsal y
llega hasta las motoneuronas responsables de inervar el músculo que realizará la
acción estimulando las fibras musculares, produciendo así la expansión o inhibición
del músculo. Cabe mencionar que para realizar un movimiento complejo, digamos
la extensión o flexión del brazo, intervienen muchas motoneuronas, y no puede
lograrse solo estimulando un solo músculo, el cual está ligado a más de una UM(Figura 3).
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4
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5
2.1 Electrodos
La manera de obtener información acerca de nuestro entorno y transferirla a algún
aparato electrónico se lleva a cabo mediante un transductor, 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 [20]; entre las señales
biológicas más estudiadas y registradas se en encuentran las Electrocardiográficas
(ECG), Electroencefalográficas (EEG), electromiográficas (EMG), por citar algunas.
(Tabla 1). 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 [17]; 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 [17].
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6
2.2 Electromiografía
Una de las principales técnicas para adquirir información del cuerpo es la
electromiografía. La electromiografía (EMG) es el estudio de los potenciales
eléctrico generados por los musculas durante el movimiento. H. Piper fue el primer
investigador en estudiar EMG en 1912 Alemania, construyó un prototipo basado en
un galvanómetro; en 1924 Gasser y Erlanger hicieron un estudio similar, pero
ahora utilizando un osciloscopio; cuatro años después Proebster observo las
señales producidas por la denervación de los músculos, abriendo así el campo de
la EMG clínica [18]. A partir de 1980 con la introducción de las computadoras se
pudieron realizar grandes estudios y descomposición de las señales EMG en
pocos segundos, unos de los pioneros en ello fueron LeFever y De Luca. [18].
Como la electromiografía tiene por objeto el estudio de la actividad muscular, no se
puede pasar por alto la actividad de las unidades motoras [2]; en una contracción
muscular voluntaria la fuerza es modulada por un serie de cambios en la frecuencia
de la actividad de las UMs, es decir, que la frecuencia de disparo de los
potenciales de las UMs depende de la fuerza aplicada y la velocidad de
contracción muscular. El espectro de frecuencia de las unidades motoras durante
una contracción muscular voluntaria o (MVC) puede apreciarse en la Figura 4
mientras que en la Figura 5 se aprecia la relación entre la contracción muscular
voluntaria y la señal electromiográfica de superficie [8]. En base a estas figuras, se
puede observar que la mayor cantidad de actividad electromiográficas está
presente alrededor de los 50Hz [18]. En una contracción del musculo esquelético,
los rangos de potenciales van desde los 50µV hasta los 5mV [17]. Existen dos
formas principales de registrar las señales electromiográficas; la electromiografía
de superficie o no invasiva y la electromiografía invasiva.
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2.2.1 Electromiografía Invasiva
Entre la electromiografía destacan dos técnicas principales para la adquisición delos potenciales generados por las unidades motoras, estas técnicas son la
electromiografía invasiva y la electromiografía de superficie [17]. Los músculos del
cuerpo están conformados por varias moto neuronas, las cuales inervan una zona
especifica de las fibras musculares; la electromiografía invasiva se encarga de
obtener el registro del potencial generado por una unidad motora en particular; es
una técnica muy útil para diversas especialidades, sobre todo en rehabilitación,
medicina interna o traumatología, sirve para localizar el área lesionada,concretando si es un problema de una mano, brazo o pierna, o si es algo más
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8
difuso, y definiendo si la lesión es de un músculo, nervio, tronco o raíz nerviosa, o
de más de uno [18].
2.2.1.1 Electrodos de aguja
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. La Figura
(6) muestra distintos tipos de electrodos de aguja [18].
La amplitud de la señal registrada por los electrodos de aguja depende del área deregistro que ocupan, así como también de la distancia del electrodo a la fuente de
la señal (UM); siendo la amplitud más grande mientras el electrodo está más cerca
de la unidad motora; la amplitud disminuye mientras más lejano este el electrodo
de la fuente [18].
Debido a que la inserción de los electrodos de aguja es bastante dolorosa y
además requiere la supervisión médica, la electromiografía invasiva se limita a
usos clínicos y de carácter medico, principalmente es usada para diagnosticar
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9
enfermedades motoras, esta característica hace difícil su uso en investigaciones
para el desarrollo de prótesis ya que muchas personas consideran muy molesto el
procedimiento de inserción.
2.2.2 Electromiografía superficial
La electromiografía de superficie o SEMG [18] es una técnica que se basa en el
uso de electrodos superficiales; estos electrodos son colocados directamente sobre
la piel del musculo del cual se quiere obtener información. La SEMG tiene la
peculiaridad de que los registros obtenidos mediante ella muestran actividad
poblacional de las unidades motoras, esto es debido a que los electrodos, al estar
en la superficie del musculo, no son capaces de captar la señal de una sola unidad
motora, sino que por el contrario, captan la información de varias UMs [17]. Es por
esta razón que esta técnica no es muy utilizada para diagnósticos médicos muy
precisos. Por otro lado el uso de los electrodos superficiales es mucho más
adecuado para el estudio del comportamiento promedio de la actividad eléctrica de
un musculo o grupo de músculos, lo cual es muy utilizado para detectar fatiga
muscular y para monitoreo del rendimiento de deportistas; la SEMG es la técnica
que se utiliza principalmente para el desarrollo de prótesis mioeléctricas, donde el
uso de los electrodos de aguja no sería muy cómodo para el paciente. Gracias a
las aportaciones de De Luca [18], se abrió el campo de la descomposición y
detección de señales de EMG superficiales, ya que fue el pionero en sugerir el
estudio de la electromiografía en potenciales de acción unitarios. Figura (7).
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10
2.2.2.1 Electrodos superficiales
Los electrodos superficiales son colocados sobre la piel, estos electrodos son
principalmente superficies de metal, sin embargo, debido al estar en contactodirecto 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[18].
Existen varios tipos de electrodos de superficie, estos se dividen principal mente en
dos grandes grupos: electrodos secos y electrodos húmedos [21]. Los electrodos
húmedos son aquellos en los que entre la placa de metal y la piel se encuentra una
substancia electrolítica o gel conductor [17], esto se hace con el fin de minimizar el
ruido intrínseco que se genera entre el contacto de la piel y el metal, este gel
conductor mejora la conductividad y el flujo de la corriente.
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11
Los materiales de los que se constituyen la mayoría de los electrodos de superficie
son muy variables, entre ellos están la plata, el oro, acero inoxidable, platino entre
otros. En cuanto a los electrodos secos, A. Searle y L. Kirkup [21] realizaron untrabajo de comparación entre electrodos secos construidos, tomando como
antecedentes los trabajos de varios autores que ya habían desarrollado electrodos
secos (Tabla 2). El experimento consistió en ensamblar tres arreglos de electrodos
secos de metales diferentes (aluminio, acero inoxidable y titanio) y fueron
comparados contra los electrodos húmedos de Ag/AgCl Figura 9 [21]. Las
mediciones realizadas fueron sobre la impedancia de contacto; los resultados son
mostrados en la Figura 10 [21], las graficas muestran la impedancia con respectoal tiempo; es importante mencionar que se desea que la impedancia de contacto
entre el electrodo y la piel se mantenga constante en el tiempo o lo mas constante
posible; en los experimentos realizados se observa que la interfaz electrolítica de
Ag/clAg es bastante constante, sin embargo, el propósito de este experimento era
hacer una comparación entre los electrodos de Ag/AgCl y los electrodos secos de
metales altamente conductores, encontrando que los electrodos de titanio y acero
inoxidable presentan una respuesta de impedancia de contacto bastante parecida y
muy aceptable cuando se les compara con los electrodos de Ag/AgCl.
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13
Una de las condiciones deseables en un electrodo, es que no sea polarizado, esto
significa que el potencial en el electrodo no debe de variar considerablemente cada
vez que la corriente pase a través de él; el electrodo de plata cloruro de plata
(Ag/AgCl) ha demostrado tener los estándares adecuados para lograr esta
característica; además, la interfaz piel-plata o piel-Ag/AgCl tiene la mayor
impedancia resistiva en el dominio de la frecuencia en EMG [21].
2.2.3 Localización de los electrodos, forma, tamaño, distancia
inter-electrodo y material.
Uno de los puntos más discutidos en la EMG de superficie es la localización de los
electrodos. Debido a esto, se originó una iniciativa europea para tratar de
estandarizar estos factores; localización, tamaño y forma de los electrodos; es así
que en 1996 surge el SENIAM (Surface Electromiography for Noninvasive
Assessment of Muscles) para tratar de dar ciertas recomendaciones en cuanto a
estas variables [5]. En muchas referencias bibliográficas, en las que su tema es la
SEMG se tienen varios registros de diferentes configuraciones en cuanto al tamaño
y posición de los electrodos la Figura 11 a) muestra los valores del diámetro de
los electrodos tomados por varias publicaciones y trabajos europeos, en ella se
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14
puede observar que las medidas preferidas para diámetro del electrodo son de
10mm [18]. La distancia inter-electrodo es definida como la distancia centro a
centro del área conductiva de los electrodos [18], la figura [11 b)] muestra
información recabada en referencias sobre la distancia inter-electrodo usada en
ellas. La forma del electrodo es definida como el área conductora que entra en
contacto con la piel; la mayoría de las referencias bibliográficas coincide en la
forma circular como la más utilizada [18].
El material más utilizado para los electrodos es el de la combinación plata-cloruro
de plata (Ag/AgCl); estos electrodos son fabricados normalmente por electrolisis.
Se toman dos discos de plata y son sumergidos en una solución salina. El polo
positivo de una fuente de DC es conectada al disco a ser clorado de plata y el polonegativo es conectado al otro disco. Una corriente a una taza de 1mA/cm2 es
pasada a través del electrodo por algunos minutos. Una capa de cloruro de plata
es entonces depositada en la superficie del ánodo [18].
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15
El SENIAM [5] proporciona una serie de pasos antes de realiza las mediciones de
SEMG: (1) selección de los electrodos para SEMG. (2) Preparación de la piel, esto
implica ya sea la amplificación de algún gel conductor o limpiar con alcohol la zona
donde se van a colocar los electrodos. (3) posicionar la paciente en la postura
inicial, esta postura puede variar dependiendo del estudio a realizar. (4) Determinar
la localización de los electrodos. (5) Fijar los electrodos. (6) finalmente testear las
conexiones. Estas medidas por tratar de poner un estándar en los métodos,
materiales, posiciones y tamaño de los electrodos, son bien merecidos, ya que una
medición de SEMG es bastante variable y es muy difícil repetir experimentos y
obtener los [mismos valores [5]; uno de los factores que interviene es que la
amplitud de la señal de SEMG aumenta en relación al desplazamiento longitudinaldel electrodo sobre el músculo. la Figura [12] muestra variaciones en amplitud de la
señal de SEMG en diferentes posiciones.
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2.3 Fundamentos electrónicos
Para la construcción de un electromiógrafo, el cual 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. Antes de hablar de las etapas del
electromiógrafo, es conveniente definir algunos conceptos de electrónica.
2.3.1 Amplificador operacional.
El amplificador operacional es un circuito integrado compuesto por una grancantidad de transistores [1]. Este circuito es muy popular debido a su gran
versatilidad, pueden ser usados en múltiples configuración y son capaces de hacer
operaciones aritméticas tales como la suma, resta, integración y derivación. El
diagrama de un amplificador es presentado en la Figura 13; se aprecian las
terminales con las que cuenta; la terminal Vout es la terminal de salida, la terminal
V- es la entrada no inversora, la terminal V+ es la entrada no inversora, mientras
que las terminales Vs+ y Vs- son las terminales de alimentación, la Vs- es negativay la Vs+ es la alimentación positiva. Los amplificadores operacionales [1] tiene la
característica de amplificar la diferencia de potencial que aparezca en sus
terminales V+ y V- dándole una ganancia A, idealmente infinita; Vout = A(V+ - V-).
Se considera el modelo de amplificador operacional ideal como aquel circuito que
cuenta con las siguientes características [1]: impedancia de entrada infinita, esdecir, que la corriente neta que entra al amplificador por las terminales no inversora
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e inversora es cero; impedancia de salida cero; ganancia de modo común cero,
esto se traduce al hecho de que al aplicar voltajes iguales a las entradas, la salida
del amplificador deberá ser cero [1]; ganancia de lazo abierto A infinita, en otras
palabras, se puede amplificar el factor (V+ - V-) a valores infinitos; y el ancho de
banda es infinito, esto es que los amplificadores operacionales ideales pueden
amplificar señales en los rangos de frecuencias de 0 a infinito con una ganancia
infinita [3]. Sin embargo, estas características no pueden ser alcanzadas del todo
en la realidad, un ejemplo muy simple es el hecho que no podemos dar ganancias
infinitas, ya que el amplificador operacional real solo puede dar un ganancia
dependiendo del rango de sus fuentes de alimentación, dar una ganancia infinita
equivaldría a tener fuentes de alimentación infinitas, lo cual no es posible en la
práctica; mientras que por el lado de las impedancias de entrada infinitas, tampoco
es posible, pero en el mercado existen amplificadores que tienen impedancias de
entrada de varios cientos de mega ohms, con lo que se pueden hacer
aproximaciones al modelo del amplificador operacional ideal.
Los amplificadores operaciones cuentan con varios tipos de configuraciones, entre
las más utilizadas se encuentran:
2.3.1.1 La configuración inversora
Recibe su nombre debido a la operación que realiza, su diagrama es mostrado en
la Figura 14 [1]; esta configuración da como salida el valor amplificado del voltaje
de entrada Vin en base a la siguiente fórmula [1]:
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18
2.3.1.2 Configuración no inversora.
Esta configuración es mostrada en la Figura 15. Recibe el nombre debido a que la
salida Vout tiene como resultado el valor amplificado del voltaje de entrada (Vin) en
base a la siguiente fórmula [1]:
( )
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19
2.3.1.3 El seguidor de voltaje.
La configuración seguidor de voltaje es bastante simple, el valor del voltaje de
salida es igual al del voltaje de entrada, se dice que la salida sigue a la entrada. Su
configuración es mostrada en la figura 16 [1].
2.3.1.4 Amplificador diferencial
Un amplificador diferencial es aquel que amplifica la diferencia de los potenciales
en sus entradas.
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20
2.3.1.5 Rectificador de media onda de precisión
Un circuito rectificador es aquel que convierte los componentes negativos de una
señal a positivos; existen dos tipos de rectificación: rectificación de media onda y
de onda completa, el de media onda conserva los componentes positivos de laseñal mientras que el de onda completa convierte los componentes negativos de la
señal de entrada a positivos dejando los componentes positivos intactos, los
diferentes tipos de rectificación se muestran en la Figura 18 [2].
El rectificador de media onda de precisión o “súper diodo” [1], recibe su nombre
porque se comporta como un diodo pero no presenta la pérdida de 0.7 volts de
voltaje típica de los diodos [1], de esta manera es capaz de rectificar la señal que
se le aplique con gran exactitud. La Figura 19 muestra la configuración de este
circuito.
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21
2.3.1.6 Circuito comparador
Los circuitos comparadores son muy usados para detectar cuando una señal
sobrepasa un nivel de voltaje [1]; comparan el valor del voltaje de una señal de
entrada (Vin) contra un valor de un voltaje de referencia (Vref), su funcionamiento
es muy simple, únicamente cambia la salda de los valores de saturación –Vsat a
+Vsat a su salida cuando la señal Vin sobre pasa el límite impuesto por el voltaje
de referencia Vref (comparador no inversor) Figura 20. En otras palabras, el
comparador solo tendrá dos salidas:
Vout = +Vsat cuando Vin > Vref
Vout = -Vsat cuando Vin < Vref
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22
2.3.1.7 Circuito Integrador
El circuito integrador es una configuración más del amplificador operacional Figura21 [1]; este circuito tiene como salida un voltaje proporcional al área debajo de la
curva del voltaje de entrada; es decir, la integral del voltaje de entrada pero
invertido en fase, esto se debe a que la configuración de amplificador es la
configuración inversora.
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23
2.4 El electromiógrafo
El electromiógrafo es un dispositivo electrónico usado para registrar la actividad
eléctrica de los músculos, este dispositivo normalmente cuenta con una pantalla en
la cual se puede visualizar los potenciales de acción de las unidades motoras,
también cuenta con varios juegos de electrodos y una pequeña interfaz para
controlar las mediciones [17]. Para registrar EMG se utiliza frecuentemente
electrodos de aguja, los cuales se insertan directamente en el músculo; también es
posible usar electrodos de superficie. Para hacer mediciones de SEMG se
requieren tres electrodos superficiales dos electrodos para captar la diferencia de
potencial en el músculo y un electrodo de tierra, el cual sirve como punto de
referencia para las mediciones. Los electrodos captan los potenciales de acción de
acción de las unidades motoras, el cual es amplificado para poder ser procesado y
mostrado en la pantalla [17].
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24
2.4.1 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 [17]. El preamplificador usado para
EMG es generalmente del tipo diferencial y su impedancia de entrada debe ser de
109 - 1012Ω 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. Otra de las características importantes es el rechazo de
modo común o CMRR por sus siglas en ingles (Common Mode Rejection Ratio) [1],este término se define para los amplificadores diferenciales como:
( )
El CMRR se mide en decibeles y es la razón entre la ganancia de modo diferencia
(V2 – V1) y la ganancia en modo común (idealmente cero). Para las mediciones de
EMG se requiere un rechazo de modo común mínimo de 90db.
Uno de los arreglos con amplificadores operaciones más utilizados como
preamplificador es el amplificador de instrumentación [1]; este circuito consta de
tres amplificadores y tiene la función de amplificar la diferencia de los voltajes
presentes en sus entradas (V1 y V2). El amplificador de instrumentación tiene la
característica de tener impedancias de entrada bastante elevadas y un alta CMRR.
Son utilizados frecuentemente para amplificar señales muy pequeñas, por ejemplo
las señales del cuerpo humano Figura 22.
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25
2.4.2 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 loscuales se construyen filtros analógicos para obtener registros únicamente de EMG,
estas señales se presentan en el rango de frecuencia de 10 a 500Hz [18]. 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. Otra técnica para evitar el ruido de la toma de corriente y del
ambiente es anexar un filtro rechaza bandas de muesca de 50 o 60Hz, sinembargo esto tiene algunas complicaciones, en el caso particular de la EMG el
mayor número de componentes de estos potenciales se encuentran alrededor de
50 y 60Hz [17], por lo que si se aplicará esta técnica de reducción de ruido se
perdería información muy valiosa. Para hacer el filtrado de la señal, se cuenta con
múltiples configuraciones, también se tiene que tomar en cuenta el orden del filtro;
el orden del filtro es un factor importante y ayuda en gran medida a la reducción del
ruido. La Figura 23 [18] muestra un potencial típico de EMG al cual se le ha
aplicado filtrados de primero y segundo orden; es posible observar como el filtrado
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ayuda a procesar mejor las señales reduciendo el ruido y definiendo más los
potenciales de acción.
2.4.3 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 [17]. 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 esta dado por la fórmula 2n-1, donde n es el numero 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
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recibido y asignarle un único valor de salida. Finalmente la etapa de codificación
consiste en traducir el valor cuantificado a un valor binario. Una de las principales
desventajas del proceso de conversión A/D es la perdida de información debido a
truncamientos y redondeos a la hora de codificación y la aparición del efecto
denominado “aliasing”; el efecto “aliasing” consiste en obtener una señal diferente
a la muestreada cuando se intenta reconstruir la señal analógica original. Para
evitar este efecto, es conveniente hacer uso del teorema de muestréo de Nyquist
[18]; este teorema dice que una señal puede ser completamente reconstruida sin
pérdida de información si se muestréa a una frecuencia de cuando menos del
doble del armónico más grande presente en la señal analógica. En el caso de los
músculos, la frecuencia con el armónico más grande para electromiografía de
superficie está en el rango de 400 – 450Hz [18].
3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Las personas que presentan problemas motores, ya sea atrofia muscular,
amputaciones o ausencia de alguna extremidad desde el nacimiento no puedenrealizar ciertas tareas de la vida cotidiana. Sin embargo, gracias a los avances de
la medicina y la electrónica, se desarrolló el campo de las prótesis mioeléctricas,
estos sistemas se encargan de registrar y traducir los impulsos eléctricos del
músculo en los movimientos naturales del brazo. Para ayudar a las personas con
problemas motores surge el campo de las prótesis mioeléctricas cómodas y que no
le presenten dificultades o inconvenientes al paciente Este trabajo se diseñó
tomando en cuenta las necesidades de los pacientes y la versatilidad del
dispositivo final, ya que al ser empleado por ejemplo en una prótesis, esta debe de
ser removida constantemente y esto conlleva al uso de materiales que soporten
estos usos.
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28
4. OBJETIVO DE LA TESIS
La tesis se centra en la adquisición y tratamiento de las señales mioeléctricas,
específicamente de los músculos del brazo para posteriormente obtener un pulso
LVTTL (Low Voltage Transistor –Transistor Logic) [1] correspondiente a las
acciones de los potenciales de las fibras musculares. En un futuro, con esta salida
LVTTL se pretende hacer una etapa de paralelización de tal forma que a cada
movimiento le corresponda un número binario de 10 bits único. El sistema final
actual funciona con 3.3 volts y puede adquirir las señales de los músculos bíceps y
tríceps [4]; este sistema produce pulsos de niveles LVTTL conforme a la excitación
muscular detectada, para en un futuro por ejemplo utilizar estas salidas y
conectarlas a una red neuronal artificial para el reconocimiento de patrones de
movimiento.
5. METODOLOGIA
El desarrollo del sistema se dividió en varias etapas antes de tener el prototipo
finalizado. El primer desarrollo fué un sistema de adquisición con ciertas
limitaciones; este prototipo sirvió de referencia para los desarrollos posteriores,
llamaremos a este prototipo “Prototipo de Adquisición de EMG con Fuente Bipolar”.
El desarrollo siguiente al que denominaremos “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 desarrolló el “Prototipo de Adquisición de EMGde dos Canales“, el cual es capaz de tomar al mismo tiempo las señales de EMG
de dos músculos diferentes.
El sistema de adquisición de señales electromiográficas desarrollado consta de
varias etapas. La Figura 24 muestra el diagrama a bloques del sistema para la
adquisición de EMG de un solo canal.
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5.1 Diseño y Construcción del Prototipo para laAdquisición de Señales Electromiográficas con Fuente
Bipolar
El primer prototipo construido siguió las etapas mostradas en la Figura 24, por lo
cual su desarrollo consta de las etapas de pre amplificación, filtrado, amplificación
final, rectificación y con la única excepción de que en vez de la etapa de
conversión A/D este prototipo hace uso de un circuito comparador para convertirlas señales de EMG a pulsos cuadrados.
Debido a que la señal electromiográfica presenta amplitudes en el rango de 500µV
[17], es necesario hacer una serie de amplificaciones en cascada. En este
prototipo, la cadena de ganancias se muestra en la Figura 25; siendo la
amplificación total del sistema de 2107; de esta forma la señal de EMG de 500µV
tendrá un valor de 1.053 Volts. Para lograr las amplificaciones, se usan
Figura 24 Diagrama a bloques del sistema de adquisición de E.MG
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amplificadores operacionales en configuración no inversora, esto se hace con el fin
de no alterar la fase de la salida.
Un punto importante en la construcción de este prototipo es el uso de dos fuentes
de alimentación (pilas de 9V), de ahí el nombre de “con fuente bipolar”; esta
característica tiene ciertas desventajas, y la más evidente es el uso de las dos pilas
de 9V (Figura 26), esto se debe a las características de los circuitos integrados
usados, ya que estos no fueron fabricados para trabajar a niveles de voltaje másbajos a 5V.
5.1.1 Electrodos
Lo primero para ser considerado antes de la adquisición de las señales de EMG es
el tipo de electrodos que se utilizarán; en este primer prototipo, los electrodos
tienen que cumplir con ciertas características para poder realizar las diversaspruebas de una manera sencilla y practica; estas características son:
Figura 25. Diagrama del proceso de amplificación en cascada del sistema
Figura 26. Alimentación bipolar del circuito con dos pilas de 9V.
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Los electrodos deben poder ser montados y desmontados de una manera
limpia y fácil evitando la supervisión médica.
Los electrodos deben ser capaces de captar la señal de EMG con un nivel
de ruido adecuado.Tomando en cuenta estas características, se optó por trabajar con electrodos
desechables de superficie de Ag/AgCl de la marca 3M Figura 27.
Esto electrodos son muy utilizados para ECG y son capaces de captar señales de
EMG [17]; además no se requiere la supervisión médica en el momento de la
aplicación sobre el musculo. Los electrodos fueron colocados para registrar la
actividad muscular del musculo bíceps. Se usaron tres electrodos para la
adquisición, el electrodo inversor, el no inversor y el de referencia; los electrodos
inversor y no inversor se encuentran separados por una distancia inter electrodo de2cm, mientras que el electrodos de referencia se colocó en la muñeca. La Figura
28 muestra la posición de los electrodos con respecto al brazo.
Figura 27. Electrodos de superficie de Ag/AgCl utilizados.
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5.1.2 Etapa de Pre amplificación
En la etapa de pre amplificación se usó un amplificador de instrumentación; este a
su vez debe de cumplir con ciertas características para tener un buen rendimiento
en la adquisición de señales biológicas, estas características son principalmente:
Impedancia de entrada debe ser de 109 - 1012Ω || 2 – 10pF.
CMRR ≥ 90dB Corriente de polarización de entrada (input bias current) ≤ 20nA.
Tomando encuentra estas características, se eligió usar el amplificador de
instrumentación INA129 de Texas Instruments (Figura 29), este amplificador tiene
las siguientes características:
Input bias current: 5nA max.
CMRR: 120dB min. Fuente de alimentación de ±2,25V a ±18V.
Figura 28. Electrodos de superficie de Ag/AgCl montados alrededor del musculo bíceps.
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33
Impedancia de entrada diferencial: 1010Ω || 2pF.
El INA129 es uno los amplificadores de instrumentación más usados por tener
características muy buenas, como por ejemplo su alto CMRR (120dB), sin embargo
este amplificador es del tipo de fuente bipolar, es decir, su funcionamiento está
destinado a trabajar con dos fuentes de alimentación.
La ganancia de la etapa de pre amplificación se divide en dos, la ganancia del
amplificador de instrumentación y la ganancia de un amplificador operacional en
configuración no inversora. A continuación se muestra el cálculo de la resistencia
para fijar la ganancia del INA129, teniendo en cuenta que la ganancia deseada esde 10; se hace uso de la fórmula que proporciona el fabricante [8]:
Adicionalmente se integró un circuito de retroalimentación o driver de pierna
derecha propuesto por el fabricante [8] utilizado para registrar señales de
electrocardiografía o ECG (Figura 30). En caso de EMG se modificó la posición de
los electrodos de RA y LA colocándolos alrededor del musculo y el electrodo de RL
como el electrodo de referencia el cual se coloca en la muñeca. Este circuito de
retroalimentación sirve para evitar las corrientes de desbalance y para compensar
problemas de ruido de modo común en la entrada diferencial del amplificador deinstrumentación.
Figura 29. Diagrama del amplificador de instrumentación INA129 de Texas Instruments.
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34
Las modificaciones hechas al circuito de pierna derecha de ECG se muestran en el
diagrama esquemático de la Figura 31; nótese que existe una salida etiquetada
como “Malla”, esta salida va conectada a la capa de blindaje con que debe de
contar el cable conductor de los electrodos. La ventaja de contar con el blindaje de
la malla es que se evitan las corrientes de fuga que pudieran aparecer entre los
conductores de los electrodos.
Figura 31. Circuito de retroalimentación para disminuir las corrientes de desbalance y ruido en modo
común (circuito de pierna derecha) con modificaciones para EMG.
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35
De igual forma se usó un circuito integrador (Figura 32) para disminuir el voltaje de
offset a la salida del amplificador de instrumentación para evitar que el dispositivo
entre en saturación. Este circuito se diseñó tomando en cuenta la frecuencia más
alta esperada, es decir, 500Hz, tomando 10 muestras. Los valores de R y C se
obtuvieron de la siguiente manera [1]:
,
Finalmente la última amplificación de la etapa de pre amplificación es
proporcionada por un amplificador operacional TL074 en configuración no
inversora (Figura 33); a continuación se muestran los cálculos de las resistencias
para obtener la ganancia [1] deseada de 9.2.
Figura 32. Diagrama esquemático del circuito integrador de la etapa de pre amplificación
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La Figura 34 muestra el diagrama esquemático de la etapa de pre amplificación,
cuya salida está conectada directamente a la etapa de Filtrado.
Figura33. Diagrama esquemático del circuito no inversor de la etapa de pre amplificación
Figura 34. Diagrama esquemático de la etapa preamplificadora.
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5.1.3 Etapa de Filtrado
En la etapa de pre amplificación, la señal proveniente de los electrodos es obtenidade manera diferencial por el amplificador de instrumentación, el cual le da una
ganancia de 10; posteriormente se aplica una ganancia de 9.2 por el amplificador
operacional TL074. Desde este punto la señal proveniente de los electrodos ya
está lista para ser filtrada. Para la etapa de filtrado se usaron amplificadores
operaciones en configuración de filtros Sallen Key. Sin embargo existen 3
configuraciones bastante usadas de filtros Sallen Key, estas son la configuración
Butterworth, Chebyshev y Bessel [2], cada uno de los cuales tiene ciertascaracterísticas:
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.
Filtro de Chebyshev, es filtro presenta la respuesta más aguda, pero
también se generan algunas ondulaciones antes de llegar a la frecuencia decorte, estas ondulaciones se reducen conforme aumenta el orden del filtro.
Filtro de Bessel, presenta una variación de fase constante.
Figura 35. Grafica de magnitud vs frecuencia de los diferentes tipos de filtros a una frecuencia
de corte de 10kHz.
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38
La Figura 35 muestra los diferentes tipos de filtros con sus respuestas en
frecuencia características. La Figura 36 muestra la respuesta en magnitud de los
filtros, se puede observar cómo se reducen las ondulaciones del filtro Chebyshev y
como se hace más plana la respuesta del filtro Butterworth.
Teniendo en cuenta las características que presentan los diferentes tipos de filtro,
se eligió usar la configuración de Butterworth debido a que presenta una respuesta
en magnitud muy plana y su pendiente desciende rápido al acercarse a lafrecuencia de corte. En la Figura 37 se muestra la respuesta en magnitud de un
filtro Butterworth variando su orden [3].
Figura 36. Curvas de respuesta de filtros Butterworth, Chebyshev y Bessel de segundo orden.
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39
Se generó un filtro activo pasa banda de 20 a 500Hz a partir de dos filtros activosde segundo orden Butterworth con la configuración clásica de Sallen-Key con la
finalidad de obtener las señales de EMG, las cuales se encuentran en ese rango
de frecuencias. El filtro pasa bandas se diseñó en forma de cascada, es decir,
primero se presenta un filtro pasa altas dejando pasar frecuencias mayores a 20Hz
y a la salida de éste se conecta un filtro pasa bajas para evitar el paso de
frecuencias mayores de 500Hz. En la Figura 23 podemos observar que después
del orden 1 las variaciones no son muy significativas, es por esa razón que seeligió construir el filtro activo de segundo orden.
Para el diseño del filtro pasa altas con frecuencia de corte (f c) a 20Hz de Sallen
Key se usó la siguiente fórmula [3]:
Figura 37. Variación de la respuesta en magnitud del filtro Butterworth a distintos órdenes.
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40
Como se desea una configuración Butterworth de segundo orden, el filtro debe
tener una ganancia de aproximadamente 1.58 [3], donde R2 es la resistencia a
tierra y R1 es la que une la salida no inversora con la salida del amplificador.
Tomando los siguientes valores de R, tenemos:
El diseño del filtro pasa bajas se realizo como sigue:
De igual manera que en el filtro pasa altas, el filtro pasa bajas (Figura 39) tiene
configuración Butterworth por lo que los valores de la ganancia son similares al del
filtro pasa altas [3]. La Figura 40 muestra el filtro completo.
Figura 38. Diagrama esquemático del filtro pasa altas de 20Hz
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41
Figura 40. Diagrama esquemático del filtro pasa bandas 20-500Hz
Figura 39. Diagrama esquemático del filtro pasa bajas de 500Hz
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42
5.1.4 Etapa de Amplificación Final
Esta etapa tiene como finalidad estabilizar la señal filtrada y amplificarla por un
factor de 9.2 Figura 41. El cálculo de los valores de las resistencias se muestra a
continuación [1]:
, ,
5.1.5 Etapa de rectificación de media onda
Un solo potencial de acción (Figura 42) está compuesto por una señal con un
componente positivo y uno negativo, es por esta razón que se eligió el método de
rectificación de media onda, así evitamos tomar los componentes negativos y solo
tomamos los positivos por cada potencial de acción [18].
Figura 41 Diagrama esquemático del amplificador final en configuración no inversora
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43
El circuito rectificador usado es un rectificador de media onda de presición, tambienconocido como super diodo[1] (Figura 43).
Figura 42 Diferentes potenciales provenientes de las UM.
Figura 43. Diagrama esquemático del rectificador de media onda de precisión,
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44
5.1.6 Etapa de pulsos cuadrados.
Con la señal rectificada, se procede a hacer uso de un circuito comparador no
inversor; este circuito tiene la función de transformar la información de la duración
(segundos) del potencial de acción de la UM a un pulso cuadrado con igual
duración. Este proceso se lleva acabo haciendo una comparación de la señal
rectificada con un promedio de la misma; de esta forma, cuando se presente un
potencial de acción, la señal superara al promedio de la misma y el comparador
dispara un pulso cuadrado, en este caso el pulso generado tendrá un valor que irá
desde 0 Volts hasta el voltaje de saturación positivo que en este caso es 9V; para
el comparador se usó un amplificador especifico para realizar la función (LM311)
[16]. Para realizar el promedio de la señal se construyó un arreglo de capacitor yresistencia cuyos valores fueron calculados de forma experimental. La Figura 44
muestra el diagrama esquemático del circuito que genera los pulsos. Finalmente se
puede apreciar el diagrama esquemático de todo el sistema (Figura 45).
Figura 44. Diagrama esquemático del circuito comparador que genera los pulsos cuadrados,
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45
Figura 45. Diagrama esquemático del sistema completo para la adquisición de señales EMG con
fuentes bipolares
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46
5.2 Construcción del circuito impreso
El diseño del PCB del circuito de este primer prototipo fue desarrollado con el
programa Proteus. Fue elaborado en varias tarjetas de circuito impreso (Figura 46)
debido a que se trataba de un prototipo experimental; en la tarjeta principal se
encuentra la etapa de pre amplificación, filtrado y amplificación final, en otra tarjeta
se encuentran la etapa de retroalimentación, en otra el circuito integrador y en otra
más la etapa de rectificación de media onda y la etapa de pulsos cuadrados
(Figura 47).
Figura 46. Primer prototipo construido para la adquisición de señales de EMG
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47
5.3 Captura de registros de EMG
Una vez funcionando el prototipo, era necesario tomar muestras y guardar los
registros capturados por el sistema; en primera instancia se podían observar los
potenciales en el osciloscopio, sin embargo surge la necesidad de tener los
registros de estos potenciales en la computadora para poder graficarlos y
compararlos con registros posteriores, es por eso que se utilizó una herramienta
muy poderosa en el campo de la instrumentación electrónica, la instrumentación
virtual. La instrumentación virtual es una forma de hacer mediciones yprocesamiento de señales sin la necesidad de contar con el hardware con el que
normalmente se haría en un laboratorio de electrónica; es un software en el que se
pueden realizar procesamiento de señales tanto analógicas como digitales sin la
necesidad de tener equipo físicamente, sino más bien se hace de manera “virtual”,
se pueden programar todas las funciones que se necesiten. Este concepto nace
con la idea de usar la PC para hacer mediciones, por ejemplo de temperatura,
presión, etc. La instrumentación virtual es una capa de software y hardware que lepermiten al usuario el uso de herramientas personalizadas hechas a la medida del
usuario.
En nuestro caso, se usó la instrumentación virtual para digitalizar los potenciales
EMG y guardarlos para graficarlos posteriormente. Para esta tarea se uso el
software LabView de National Instruments. Para realizar la tarea de la digitalización
de los datos de EMG se usó la tarjeta de adquisición de National Instruments NI-
USB-6009. La tarjeta NI-USB-6009 se configuró para tener una tasa de muestreo
Figura 47. Acercamiento a la tarjeta principal y a la tarjeta de rectificación con los pulsos
cuadrados.
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48
de 10kHz, tomando una escala de voltaje de 5V máximo y el modo de adquisición
que se le configuro al DAQ fué el referenciado.
Posteriormente se desarrolló una pequeña aplicación en Lab View para graficar y
guardar los datos de adquisición al presionar un botón (Figura 48).
Figura 48. Programa en Lab View para guardar los registros de EMG.
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49
5.4 Resultados
Con el prototipo conectado a un voluntario se realizaron registros de actividad
EMG, y por medio de la tarjeta de adquisición de datos de National Instruments fue
posible la conversión analógico-digital de dichas señales. Los movimientos
registrados fueron los de flexión suave y fuerte. La Figura 49, muestra un registro
correspondiente al movimiento de flexión suave, se capturaron 1000 muestras en
1segundo valiéndonos de la tarjeta de adquisición de datos NI-USB-6009.
-1.30
-0.80
-0.30
0.20
0.70
1.20
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 V
o l t a j e ( V )
Número de muestrasen 100ms
EMG
Movimiento: Flexión suaveEMG
Figura 49. Registro de la señal de EMG. El registro corresponde al movimiento de flexión suave.
Los registros corresponden a 1000 muestras tomadas a una frecuencia de 10kHz, correspondiendo
la captura a 100ms.
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50
La Figura 50 muestra una gráfica de los mismos datos registrados
correspondientes al movimiento de flexión suave, mostrando 500 muestrastomadas en 500ms. En esta grafica se puede apreciar la señal de EMG, la señal de
EMG rectificada y los pulsos cuadrados generados por el circuito comparador; se
puede observar claramente como los pulsos cuadrados corresponden exactamente
a los potenciales de acción.
-1.50
0.50
2.50
4.50
6.50
8.50
10.50
0 100 200 300 400 500
V o l t a j
e ( V )
Número de muestras en 500ms
Captura de señales EMG y salida digital
Movimiento: Flexión suave
EMG
EMG Rectificada
Pulsos digitales
Figura 50. Registro del movimiento de flexión suave. En la grafica se observa la señal de EMG
pura (azul), la señal EMG rectificada (roja) y los pulsos cuadrados generados por cada
potencial de acción (verde).
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51
Figura 51. Registro del movimiento de flexión fuerte del brazo durante 100ms.
Figura 52. Placa principal capturando una señal de EMG.
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52
La Figura 51 muestra los registros de la actividad de EMG correspondientes a la
flexión del brazo haciendo fuerza con el musculo bíceps; se observa que esta señal
es superior en amplitud a la graficada en la Figura 49. . La imagen de la Figura 52
muestra una captura de EMG hecha con el osciloscopio durante una flexión fuerte
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
5.50
6.006.50
7.00
7.50
8.00
8.50
9.00
9.50
0 100 200 300 400 500
V o l t a j e ( V )
Numero de Muestras en 500ms
Captura de señales EMG y salida digital
Movimiento: Flexión fuerte
EMG
EMG Rectificada
Pulsos digitales
Figura 53. Registro del movimiento de flexión fuerte. En la grafica se observa la señal de
EMG pura (azul), la señal EMG rectificada (roja) y los pulsos cuadrados generados por
cada potencial de acción (verde).
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53
del brazo. La grafica de la Figura 53 muestra los pulsos generados con el circuito
comparador durante el movimiento de flexión fuerte, este movimiento genera más
actividad poblacional de potenciales de acción así como el aumento de la amplitud
de estos potenciales; de igual forma se nota que los pulsos cuadrados coinciden en
duración con los potenciales de acción.
5.6 Diseño y construcción del Prototipo de Adquisición de
EMG de un Solo Canal LVTTL
Este prototipo presenta varias mejoras con respecto al anterior, una de ellas es eluso de circuitos integrados más precisos, las Tablas 3, 4, 5 muestran una
comparación de las características más significativas de los chips usados en la
construcción del prototipo anterior y los chips usados en el nuevo prototipo.
INA129
(Prototipo fuente
bipolar)
INA326
(Prototipo
LVTTL)
Unidades
CMRR 120 114 dB
Voltaje de Offset 50 100 µV
Impedancia de
entrada
1010 || 2 1010 || 2 Ω || pF
Fuentes de
alimentación
±2.25 a ±18 +2.7 a +5.5 V
Ruido a 1kHz 8 33 nV/ √
Corriente de
polarización
5 ±2 nA
nica fuente de
alimentación
No Si
Tabla 3 .Tablas comparativas de los amplificadores de instrumentación usados en los prototipos.
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54
TL074
(Prototipo fuente
bipolar)
OPA4376
(Prototipo
LVTTL)
Unidades
Voltaje de Offset 50 5 µV
CMRR 85 90 dB
Fuentes de
alimentación
±18 2 a 5.5 V
Ruido a 1kHz 15 0.8 nV/ √
OPA2333
(Prototipo
LVTTL)
OPA2335
(Prototipo
LVTTL)
Unidades
Voltaje de Offset 23 5 µV
CMRR 130 130 dB
Fuentes de
alimentación
2.7 a 5.5 2.7 a 5.5 V
Uno de los cambios más significativos con los que cuenta el prototipo de LVTTLcon respecto al Bipolar, es el uso de una sola fuente de alimentación, la cual es de
3.3V a diferencia de la alimentación usada anteriormente (±9V), de ahí el nombre
LVTTL (Low Voltage Transistor –Transistor Logic). Debido a que los potenciales de
EMG presentan componentes positivos y negativos, es necesario manejar dos
niveles de voltaje, uno más positivo y otro menos positivo. Por este motivo se
implemento una referencia o “tierra virtual” haciendo un divisor de voltaje activo.
Esta “tierra virtual” tendrá el valor de la mitad de la fuente de alimentación de 3.3V
(1.65 V) y es sobre esta referencia de voltaje que estará montada la señal de EMG,
Tabla 4 .Tablas comparativas de los amplificadores operacionales usados.
Tabla 5. Principales características de los amplificadores operacionales de auto cero usados
en el prototipo LVTTL.
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55
mientras que las fuentes de alimentación de los chips serán de 0V para V- y de
3.3V para V+.
Un problema que hay que considerar es el consumo y la vida útil de la fuente de
alimentación que se usará para alimentar al sistema; en nuestro caso, el sistemadebe ser capaz de funcionar con baterías ya sean de Ion-Li, de Carbón o de Níquel
metal Hidruro. Al trabajar con baterías se deben de tener en cuenta algunos
aspectos, por ejemplo se debe de mantener un voltaje en la alimentación lo más
invariante que se pueda; esto se debe a que el convertidor A/D tomará como
referencia de la conversión los valores de la fuente de alimentación y si estos
varían con el tiempo, se tendrá un dato erróneo al finalizar la conversión. La
solución fue incorporar un circuito de bomba de carga el cual tiene como entrada elvoltaje proveniente las baterías; estos circuitos se encargan de mantener un voltaje
en un nivel fijo sin importar los cambios de la fuente de alimentación, es decir, si el
voltaje está por encima del valor deseado (3.3V) entonces actúa como regulador y
disminuye el valor de voltaje a 3.3V mientras que si se encentra en un nivel inferior
a 3.3, por ejemplo 2V entonces actúa como un circuito step-up el cual eleva el
valor de voltaje a los 3.3V deseados; el circuito utilizado para realizar esta tarea fue
el REG-711[15] de la Texas Instruments , el cual admite voltajes de entrada de1.8V a 5.5V teniendo como salida un valor de 3.3V. La Figura 54 muestra el
diagrama esquemático del divisor de voltaje activo y el circuito de bomba de carga.
Figura 54. Diagrama esquemático para regular el voltaje de entrada y establecer el voltaje de
referencia o “tierra virtual”.
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56
5.6.1 Electrodos
Se realizaron cambios en cuanto al tipo de electrodos usados; anteriormente se
usaron los electrodos de plata cloruro de plata (Ag/AgCl), estos electrodos son
desechables y vienen con una capa de gel conductor que se encarga de mejorar el
contacto entre el metal y la piel. La desventaja presente en este tipo de electrodos
es su uso limitado, ya que solo se usan una vez y usarlos por un largo periodo de
tiempo propicia que la orilla auto adherible con la que cuenta pierda su adherencia
y con esto se caiga del cuerpo, limitando así los registros; es por esta razón que se
diseñaron electrodos secos [18] de superficie de acero inoxidable. Esto electrodos
tienen forma rectangular, cuyas dimensiones se muestran en la Figura 55.
5.6.1.1 Construcción
El material usado para la construcción fue acero inoxidable; los rectángulos de
1.5cm x 1.2cm fueron cortados de una lámina de acero de inoxidable de 30cm x
30cm. Se procuró lijar y limpiar bien la cara de la plaquita conductora que estaríaen contacto con la piel, Figura 56, mientras que en la otra cara se soldó un tornillo
de acero inoxidable para que en un futuro el electrodo pueda ser atornillado a una
placa de circuito impreso donde se localizaría el amplificador de instrumentación
Figura 57. Antes de llegar a las medidas finales (1.5 x 1.2cm), se hicieron pruebas
con rectangulos de varios tamaños, principalmente se buscaba hacer más pequeña
el area de la placa conductora; sin embargo, las pruebas realizadas con placas con
dimensiones más pequeñas a 1cm no fueron muy alentadoras debido a que la
señal EMG no podia ser registrada.
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5.6.1.2 Montaje y ubicación
En total fueron 3 electrodos los que se construyeron, el electrodo inversor, el no
inversor y el de referencia. Estos electrodos fueron montados en una banda para
ajustarse alrededor del bazo Figura 58.
La distancia de separación entre los electrodos inversor y no inversor fue de 1 cm,
se trató de usar la distancia de separación más pequeña posible, ya que de esta
forma se obtiene una mejor selectividad [5]. También se hicieron modificaciones en
cuanto a la ubicación del electrodo de referencia, el cual en el prototipo anterior se
colocaba en la muñeca, en esta ocasión fue colocado en el centro del musculo
tríceps, tal como muestra la Figura 59.
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59
5.6.2 Ganancias
Debido al cambio de la distancia inter electrodo, es necesario cambiar la cadena de
ganancias en cascada, esto se debe a que la señal de EMG de superficie depende
de la distancia inter electrodo; a mayor distancia de separación, mayor amplitud de
la señal y a menor distancia menor amplitud; sin embargo si se excede en esta
distancia ya sea muy grande o muy pequeña tendrá como resultado la distorsión
de señal o la desaparición de la misma. La distancia inter electrodo usadaanteriormente fue de 2 cm y la actual es de 1cm, sin embargo estas variables
(distancia inter electrodo y amplitud de EMG) no tienen una relación directamente
proporcional, es por esto que se calculó la nueva cadena de ganancias de manera
experimental, quedado finalmente con una ganancia total de 2205.85. (Figura 60).
Figura 59. Nueva Posición de los electrodos.
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60
5.6.3 Etapa de Pre amplificación
En la etapa de pre amplificación se utilizo el amplificador de instrumentación
INA326. Este amplificador presenta unas cuantas diferencias en cuanto a su
estructura interna, con lo cual la forma de calcular la ganancia cambia
significativamente (Figura 61).
La Tabla 6, muestra los valores de resistencias en paralelo con el capacitorrecomendado por el fabricante para conseguir la ganancia deseada, cabemencionar que los valores cambian si se usa una configuración unipolar o bipolar.
Figura 60. Nuevos valores de ganancias por etapas.
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61
En este caso como la ganancia deseada es de 10, y la configuración es unipolar,
se tomaron los valores de R1 = 40k y R2 || C2 = 200k || 0.5nF.
De la misma manera que en el prototipo de fuente bipolar, se incluyó un circuito de
pierna derecha como el que se propone en la hoja de datos del INA129 [8]; con la
única diferencia que en vez de tomar como referencia la tierra 0V se tomó la “tierravirtual” como la nueva referencia; además en vez de usar los amplificadores TL074
se usaron amplificadores de auto cero de la familia OPA2333 tal como se
recomienda por la hoja de datos. El esquemático del circuito de pierna derecha
modificado se muestra en la Figura 62.
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62
La salida denominada como “Malla” se conecta la malla del blindaje con que
cuenta el cable de los electrodos; como se mencionó en el diseño del prototipo
bipolar, la malla tiene la finalidad de mantener bajos los niveles de corrientes de
fuga. El cable usado fue uno blindado con tres conductores internos uno para el
electrodo no inversor, uno para el inversor y uno para el electrodo de referencia;
esta cable a su vez tiene un conector DB9 el cual se usó para conectarlo a latarjeta de adquisición en la que se encuentra el amplificador de instrumentación y
la demás circuitería. La Figura 63 muestra el cable usado para la conexión de los
electrodos, mientras que la Figura 64 muestra la conexión de los cables
conductores de los electrodos y la malla con el conector DB9.
Figura 62. Diagrama esquemático del circuito de pierna derecha para el prototipo
de 3.3V.
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63
Figura 63. Cable de tres conductores recubierto con una malla conductora usado
para la conexión de los electrodos y la placa de circuito impreso.
Figura 64. Conexión entre el conector DB9 y los cables conductores.
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64
Se modifico adecuadamente el circuito integrador usado en el prototipo de fuente
bipolar con el fin de adecuarlo a la tierra virtual. Los valores de capacitor y
resistencia mantuvieron su valor. El amplificador operacional utilizado fue el
OPA2335 [11] (Figura 65). El cálculo de las resistencias se muestra a continuación,
tomando un valor de 10 muestras de la señal con el componente más alto en
frecuencia de la señal de EMG (500Hz).
,
Inmediatamente después del amplificador de instrumentación, se colocó una etapa
de amplificación con un valor de 11, el diagrama esquemático es mostrado en la
Figura 66. Se uso un amplificador OPA4376 [12] en configuración no inversora. El
cálculo de las resistencias se muestra a continuación:
Figura 65. Diagrama esquemático del circuito integrador con los cambios
necesarios para trabajar a 3.3V usando en OPA2335.
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65
La Figura 67, muestra el diagrama esquemático de la etapa de pre amplificación
del prototipo de 3.3 Volts. Ahora todas las referencias de los amplificadores están
conectadas la tierra virtual.
Figura 66. Diagrama esquemático del circuito amplificación a la salida del INA326
y antes de entrar a la etapa de filtrado.
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66
Figura 67. Diagrama esquemático de la etapa de pre amplificación.
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67
5.6.3 Etapa de Filtrado
Para la etapa de filtrado se siguió el mismo criterio que en el prototipo anterior; se
consideraron componentes de EMG con frecuencias de 20 a 500Hz solo que se
cambio la referencia de la señal ya que ahora está montada sobre la “tierra virtual”.
Para realizar el filtrado se usó un filtro pasa altas (20Hz) (Figura 68) seguido por un
filtro pasa bajas (500Hz), (Figura 69), para formar el filtro pasa bandas 20-500Hz.
De igual manera los filtros tienen configuración Butterworth de segundo orden [3]:
Tomando los siguientes valores de R, tenemos:
El cálculo de los valores del filtro pasa altas [3] se muestra a continuación:
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68
El diseño del filtro pasa bajas [3] se realizo como sigue:
El diagrama esquemático completo del filtro pasa bandas 20-500Hz se muestra en
la figura 70.
Figura 69. Diagrama esquemático del filtro pasa altas de 500Hz de segundo orden
configuración Butterworth.
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69
5.6.4 Etapa de Amplificación Final
La ganancia de la etapa de amplificación (Figura 71) fue de 8, usando un
amplificador no inversor; el cálculo de las resistencias para fijar la ganancia se
presenta a continuación:
,
Figura 70. Diagrama esquemático del filtro pasa bandas completo de de 20- 500Hz.
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70
5.6.5 Etapa de rectificación de media onda
Luego de ser filtrada y amplificada la señal de EMG, se procede a la etapa de
rectificación de media onda; Figura 72 en esta etapa se usó un amplificador de
auto cero OPA2335; la salida de esta etapa se conecta a la etapa de pulsos
digitales o directamente hacia en convertidor analógico digital.
Figura 71. Diagrama esquemático del amplificador final en configuración no inversora
Figura 72. Diagrama esquemático de circuito de rectificación de media onda.
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71
5.6.6 Pulsos digitales
La etapa de pulsos digitales fue agregada con el fin de obtener información de las
señales de EMG en forma digital. En esta etapa, los pulsos digitales generados
tienen una amplitud de 3.3V, por lo que pueden ser interpretados por cualquier chip
que trabaje con tecnología LVTTL. Se utilizó un circuito comparador TLV302 de la
Texas Instruments para realizar la comparación entre la señal de EMG rectificada y
el promedio de la misma, de esta forma en el momento que se presente un
potencial de alguna unidad motora, la señal de EMG rectificada superará a su
promedio y por lo tanto el comparador cambiará su estado actual (0V) por el estado
de saturación positiva de 3.3V (comparador no inversor), de esta forma se genera
un pulso cuadrado de igual duración que el potencial de acción de la UM. La Figura73 muestra el diagrama esquemático del circuito comparador.
Sin embargo esta salida es de forma serial, y consiste en un tren de pulsos
continuos, y para una aplicación futura con una red neuronal artificial se requiere
una salida en forma paralela.
Figura 73. Circuito comparador encargado de generar los pulsos digitales de 3.3V.
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72
Las redes neuronales artificiales están construidas imitando en lo posible la
arquitectura de una red neuronal biológica, esto es se usan “neuronas” que están
arregladas en capas, conexiones o “sinapsis” entre las neuronas y estas
conexiones pueden ser excitatorias o inhibitorias.
Así una red neuronal artificial tiene n número de entradas, kr numero de capas
intermedias y m número de salidas (Figura 74).
Una forma de crear una compatibilidad entre los trenes de pulsos digitales y la
entrada de una red neuronal es usando un circuito de cambio (shift register) [23].Estos circuitos realizan la conversión de una señal TTL de entrada serial a una con
el mismo valor TTL pero paralela (Figura 75), de esta forma pudiéramos usar un
circuito de este tipo y en su entrada serial conectarle la salida de los pulsos
digitales para posteriormente tener la salida paralela. Sin embargo, se presenta
una dificultad; los circuitos de registros de cambio requieren un reloj interno o
externo para realizar la conversión; de esta forma requeriremos un circuito que
opere a una frecuencia de por lo menos 10kHz, ya que la frecuencia más alta de
Figura 74. Red neurona artificial de n entradas y 1 salida.
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73
EMG es de 500Hz, de esta forma se tendría tiempo suficiente para entregar la
salida de hasta 20 datos paralelos.
El introducir un circuito de registro de cambio serial- paralelo presenta varias
dificultades, como por ejemplo encontrar uno que pueda operar con una frecuencia
de reloj interno de cuando menos 10kHz; y que sea compatible con la lógica
LVTTL, es por esta razón que en el desarrollo del sistema para adquisición de
EMG no se tomó en cuenta este circuito; en su lugar se optó usar un convertidor
análogo digital.
Figura 75. Circuito de cambio de serial a paralelo con 4 salidas.
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74
5.6.7 Conversión analógica digital
Con la señal de EMG rectificada, se procede a la etapa de conversión analógico
digital. Para seleccionar un convertidor A/D adecuado era necesario hacerse
preguntas como por ejemplo: ¿A qué frecuencia de muestreo?
Debido a que los componentes más grandes en frecuencia de la señal de EMG
tienen lugar al rededor de los 500Hz y por el teorema de muestreo de Nyquist, se
requiere un convertidor que muestree la señal a una frecuencia cuando menos del
doble del armónico mayor (500Hz), entonces se requiere como mínimo una
frecuencia de muestreo de 1kHz.
En el mercado existen muchos convertidores analógicos digitales; sin embargo,estos circuitos requieren otros componentes complementarios, por ejemplo
osciladores, circuitos de referencia de voltaje, reguladores etc. Por otro lado están
los convertidores analógico digitales internos de los micro controladores, estos
circuitos tienen la ventaja de ser configurados por software y presentan mucha más
versatilidad al menos para esta aplicación en particular; en cuanto a los bits de
resolución, estos convertidores nos ofrecen de 8 a 10 bits.
Una de las principales ventajas que ofrece el convertidor A/D interno de un micro
controlador, es el poder presentar el valor de la conversión en los pines de salida
con los que cuenta el micro, de esta forma obtenemos la entrada en paralelo que
requiere la red neuronal artificial.
Para la conversión se utilizó el convertidor analógico digital interno de un micro
controlador PIC de Microchip: PIC16F687 [7] (Figura 76), el cual fue alimentado
con un voltaje (VDD) de 3.3V; las principales características de estemicrocontrolador son mostradas en la Tabla 7.
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75
Características del PIC16F687
Oscilador interno de 8Mhz – 32kHz
Oscilador externo de 4Mhz – 20MHz
Voltaje de operación de 2.0V a 5.5V
12 canales de Conversión A/D con 10 bit de resolución
Interfaz RS-23217 pines de entrada/salida y 1 pin como entrada únicamente
Una vez elegido el microcontrolador, se centró la atención en las características de
su convertidor A/D, principalmente en la frecuencia de muestreo y los bits de
conversión.
Primero se debe de establecer el voltaje de referencia para la conversión, en base
a este voltaje se medirá la señal de EMG rectificada la cual tiene 1V de amplitud
promedio, por tanto se necesita un valor de voltaje de referencia mucho mayor a
1V, pero recordemos que la señal de EMG está montada sobre 1.65V, por lo tanto,
en realidad necesitamos un voltaje mayor que 2.65V. El PIC16F687 da la opción
de elegir un voltaje de referencia externo (el cual debe de colocarse en el PIN RA1)
o usar el voltaje de alimentación del PIC (3.3V); así que para ahorrarse
Figura 76. Diagrama de pines del PIC16F687
Tabla7. Principales características del PIC16F687
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76
componentes extras se prefirió usar VDD (3.3V) como voltaje de referencia para el
convertidor A/D. Recuérdese que en este diseño el voltaje de 3.3V es suministrado
por un circuito de bomba de carga el cual se encarga de mantener siempre fijo el
nivel de voltaje (lo regula).
Para realizar sus funciones, el convertidor A/D necesita un oscilador o reloj
mediante el cual se fijará su frecuencia de muestreo; en el caso del A/D del
PIC16f687 existe la posibilidad de elegir usar un oscilador interno el cual trabaja de
32kHz a 8Mhz o un oscilador externo de 4MHz a 20MHz; sin embargo, debido a
que las señales biológicas que se procesan son demasiado propensas al ruido y
considerando que el oscilador externo puede interferir con estas, se prefirió usar el
oscilador interno a la frecuencia de 8MHz, de este modo cada ciclo de instruccióndel microcontrolador solo toma 0.5µs. Una vez elegido el oscilador, lo siguiente es
seleccionar la frecuencia de muestreo del A/D; ésta estará en proporción a la
frecuencia del oscilador (FOSC=8MHz), la Tabla 8 muestra los diferentes valores
de frecuencias para la conversión recomendadas por el fabricante.
Un punto importante es el tiempo para completar la conversión de un solo bit
(TAD); ya que para completar una conversión de 10 bits se requieren 11 TADs.
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77
Reloj ADC Frecuencia del dispositivo (FOSC)
20MHz 8MHz 4MHz 1MHz
FOSC/2 100ns(2) 250ns(2) 500ns(2) 2.0µs
FOSC/4 200ns(2)
500ns(2)
1.0µs(2)
4.0µsFOSC/8 400ns(2) 1.0µs(2) 2.0µs 8.0µs(3)
FOSC/16 800ns(2) 2.0µs 4.0µs 16.0µs(3)
FOSC/32 1.6µs 4.0µs 8.0µs(3) 32.0µs(3)
FOSC/64 3.2µs 8.0µs 16.0µs(3) 64.0µs(3)
FRC 2-6µs(1,4) 2-6µs(1,4) 2-6µs(1,4) 2-6µs(1,4)
Debido a que una conversión completa de 10bits al usar la frecuencia del oscilador
interno (FOSC/16) toma típicamente 11*TAD y un TAD para voltajes mayores a
3.0V toma 2µs, entonces el tiempo completo para realizar la conversión de 10bits
nos toma:
Este tiempo de conversión () equivale a una frecuencia de muestreo de:
Como la frecuencia mínima a la que deberíamos de muestrear la señal de EMG
para evitar el “aliasing” es de 1kHz, y nuestra frecuencia de muestreo obtenida
para la conversión de los 10 bits es de 45.45kHz, entonces podemos muestrear la
señal de EMG sin problemas.
Tabla 8. Las celdas grises indican un valor no recomendado.
Notas (súper índices):
(1): El TAD para FCR tiene un tiempo típico de 4µs para VDD>3.0V
(2): Estos valores violan en TAD mínimo requerido.
(3): Para conversiones más rápidas, seleccionar otro reloj.
(4): Cuando la frecuencia del dispositivo es más grande de 1MHz, el FCR solo se recomienda con
el modo sleep.
5/15/2018 TESIS FINALIZADA - slidepdf.com
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78
Se usaron los 10 bits de conversión para el dato digital, de esta forma tenemos 2 n-
1 valores (1023). Tomando en cuenta que la amplitud promedio de las señal de
EMG está alrededor de 1V y que está montada sobre el nivel de voltaje de 1.65V
(tierra virtual), se tiene un valor de voltaje de 1V + 1.65V = 2.65de valor promedio.
La Figura 77 muestra la señal de EMG rectificada medida desde los 0 Volts, estos
valores de voltaje son los que tomará el convertidor analógico digital. Finalmente el
circuito del convertidor analógico queda como se muestra en la Figura 78.
Figura 77. Grafica que muestra los valores de la señal de EMG rectificada correspondiente al
movimiento de flexión, medida desde los 0V.
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79
5.6.8 Programa en Ensamblador
Para tener un mejor desempeño y realizar las operaciones de conversión de datos
con el convertidor A/D con mayor velocidad, se usó el lenguaje ensamblador. El
diagrama de flujo del programa desarrollado se muestra en la figura 79, y el listado
del programa se encuentra en el apéndice 1. Básicamente el trabajo del
microcontrolador es realizar la conversión A/D y desplegar el dato binario en sus
puertos; adicionalmente se toma a consideración la red neuronal la cual tomará el
valor binario entregado por el micro; esto se hace de la siguiente manera: cuando
el PIC termina la conversión A/D pone a uno lógico su pin (RB5) “LISTO” para
indicarle a la red neuronal que puede tomar el dato completo, inmediatamente
después el microcontrolador se pone a esperar que la red le indique que ha leído el
dato binario mediante el monitoreo continuo de uno de sus pines, el RB7, el cual
tiene asociada la variable “RECIBIDO” y se pondrá a uno lógico cuando la red
termine de leer el dato binario.
Figura 78. Diagrama esquemático del PIC16f687
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80
5.6.9 Probando el Convertidor Analógico Digital del PIC
Una vez cargado el programar al microcontrolador se procedió a realizar una
prueba; esta consistió en tomar los 10 bits entregados por los puertos del PIC y
hacerles una conversión de digital a analógico (DAC) por medio de la tarjeta de
adquisición de datos de National Instruments NI-USB-6009; de esta forma
obtendremos una vista rápida de la capacidad del convertidor analógico del PIC
para captar las señales de EMG. El programa que se encarga de hacer la
conversión de digital a analógico fue hecho en Labview y la tarea realizada esbastante simple, primero se adquiere el dato binario de 10 bits y se obtiene el
Figura 79. Diagrama de flujo del programa en ensamblador del PIC16F687.
5/15/2018 TESIS FINALIZADA - slidepdf.com
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81
numero decimal que representa; al ser un valor de 10bits este número puede tomar
valores del 0 al 1024, seguidamente este valor escalar se multiplica por una
constante de escala (C); esta constantes es conocida como el paso del convertidor
analógico digital y se calcula dividiendo el voltaje de referencia de ADC entre el
número de bits con que cuenta el convertidor; la constante se calculo de la
siguiente manera:
Finalmente el valor resultante entre la multiplicación de la constante C y el dato
decimal nos da el valor analógico correspondiente a la conversión de digital a
analógico. El programa se presenta en la Figura (80):
Figura 80. Programa en Labview para la conversión de Digital a analógico.
5/15/2018 TESIS FINALIZADA - slidepdf.com
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82
Una vez preparado el programa para la conversión de Digital a Analogico, se
procedió a conectar los 10 bits de salida del convertidor analógico digital de PIC al
convertidor de digital analógico de NI-USB-6009 y se realizaron varias pruebas de
conversión de datos de EMG. El resultado de esta conversión fue graficado para
mostrar los patrones de las señales de EMG, los cuales pueden apreciarse en las
Figuras (89 - 90); también se muestran registros de la señal de EMG rectificada
(Figura 91 -92) registrada con el ADC de la tarjeta NI-USB-6009.
Figura 81. Grafica de la señal de EMG adquirida por el ADC del PIC, fueron tomadas 1000
muestras en 1 segundo. La captura corresponde al movimiento de flexión fuerte tomada del
musculo bíceps.
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83
Figura 82. Grafica de la señal de EMG adquirida por el ADC del PIC, fueron tomadas 1000
muestras en 1 segundo. La captura corresponde al movimiento de flexión fuerte del bíceps.
Figura 83. Grafica de la señal de EMG adquirida por el ADC de la tarjeta NI-USB-6009, fueron
tomadas 1000 muestras en 1 segundo. La captura corresponde al movimiento de flexión fuerte
tomada del musculo bíceps.
5/15/2018 TESIS FINALIZADA - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tesis-finalizada 92/110
84
De los registros capturados y mostrados en las graficas anteriores se observa que
la información adquirida por el convertidor analógico digital de PIC es muy similar a
la captada por en NI-USB-6009.
Finalmente la Figura (81) muestra el diagrama esquemático correspondiente a este
prototipo de adquisición de EMG a 3.3V.
Figura 84. Grafica de la señal de EMG adquirida por el ADC de la tarjeta NI-USB-6009,
fueron tomadas 1000 muestras en 1 segundo. La captura corresponde al movimiento de
flexión fuerte tomada del musculo bíceps.
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85
3 . 3 v
B i t 7
C 1 3
1 n
- +
U 2 A
OP A 2 3 3 3
3 2
1
84
C 1 7 4
.7 u
B i t 2
C 1 0
.1 u
3 . 3 V
3 . 3 v
B i t 6
3 . 3 v
U 5
P I C 1 6 F 6 8 7
8 7 9 6 1 2 3 4 5
2 0
1 9
1 8
1 7
1 6
1 5
1 4
1 3
1 2
1 1
1 0
R C 6
R C 3
R C 7
R C 4
V D D
R A 5
R A 4
R A 3
R C 5
V S S
R A 0
R A 1
R A 2
R C 0
R C 1
R C 2
R B 4
R B 5
R B 6
R B 7
M al l a
C 9
0 .2 2 u
R 7
1 0 k
3 . 3 v
3 . 3 V
R 5 1
0 K
R 5
8 2 k
C 1 6
4 .7 u
C 6
0 . 5
n
R 3
3 3 k
D 1
D 1 N 4 1 4 8
3 . 3 V
- + U 4 B
OP A 2 3 3 5
5 6
7
8 4
B i t 1
R 1 9
1 0 k
C 2
1 u
C 1 9
0 .1 u
- +
U 4 B
M C P 6 0 2 1
5 6
7
84
R 1 4
2 0 k
R 8
3 . 3 k
U 4
R E
G7 1 1 - 3 . 3
8
1 2 3 4
5 6 7
V O U T
N C
E N
V I N
GN D
P GN D
C p um p-
C p um p +
C 1 1
1 n
R 1 3
1 0 k
R 1 2
1 0 0 k
R 6
8 2 k
C 4
1 n
- +
U 1 B
OP A 4 3 7 6
5 6
7
411
S al i d a
R
4
3 . 3 k
3 . 3 v
3 . 3 v
B i t 0
C 1 5
0 .1 u
R 1 7
2 0 k
- +
U 1
A
OP A 4
3 7 6
3 2
1
411
E l e c t r o d oV +
C 7 0
.1 u
R 2 0
8 2 0
R 6
8 2 k
R 2
8 2 k
3 . 3 v
E M G r e c t i f i c a d a
C 1 4
0 .1 u
V 1
1 . 8 - 5 . 5 V
R
1 5
5
6 k
- +
U 4 B
T L V 3 7 0 2
5 6
7
84
B i t 9
3 . 3 V
U 6
I N A 3 2 6
2 3 4
6
7 5 1 8
-V I N
+V I N
V -
V O
V +
R 2
R 1
R 1
R 1 2
1 0 0 k
C 1 3
1 n
E l e c t r o d o d er ef er en c i a
- + U 2 A
OP A 2 3 3 5
3 2
1
8 4
B i t 8
C 3
0 .1 u
- +
U 2 C
OP A 4 3 7 6
1 0 9
8
4 11
E l e c t r o d oV -
3 . 3 v
R 9
3 9 0 k
C 1 8
4 .7 u
R 1 6 5
6 k
3 . 3 v
C 9
4 .7 u
- + U 2 B
OP A 2 3 3 3
5 6
7
8 4
3 . 3 k
C 5
0 .1 u
C 2 0
0 .1 u
- +
U 1 D
OP A 4 3 7 6
1 2
1 3
1 4
4 11
R 1 0
3 3 k
R 1
2 0 0 k
R 1 1
3 9 0
k
B i t 5
C 2 1
2 .2 u
R 2 1
2 7 0 k
B i t 3
3 . 3 v
B i t 4
S al i d a d i gi t al
Figura 85. Diagrama esquemático del sistema de adquisición de EMG de 3.3V.
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86
5.6.10 Resultados
Este segundo prototipo fue desarrollado en una solo placa de circuito impreso, a
diferencia del primer prototipo. La Figura (86) muestra la vista de la parte de arriba
de la placa de circuito impreso construida, la parte de debajo de circuito es
mostrada en la Figura 87, en la cual se encuentran soldados los integrados de
montaje superficial,
Figura 86. Placa de circuito impreso del sistema de adquisición de EMG, vista por arriba.
Figura 87. Placa de circuito impreso del sistema de adquisición de EMG, vista por debajo.
Los chips de montaje superficial aparecen encerrados en círculos amarillos.
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87
Para la adquisicion de los registros de EMG se usó el mismo programa de
LabVIEW que sirvió en el prototipo anterior. Las grafica presentada en la Figura 88
muestra el registro de la señal de EMG correspondiente a un movimiento de flexión
suave en un perido de tiempo de 700ms; en esta grafica tambien se muestran los
pulsos digitales y se puede observar que van desde -1.65 V hasta 1.65 V, teniendo
una amplitu de 3.3V, a diferencia del prototipo anterior el cual generaba pulsos
cuadrados con amplitudes de 9V.
Figura 88. Grafica de EMG correspondiente al movimiento de flexión suave durante 700ms.
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88
La grafica de la Figura 89 muestra la señal de EMG correspondiente al movimiento
de flexion fuerte; se puede apreciar que el numero de potenciales de accion es
mayor que los presentes en la grafica de la Figura 88 correspondiente a la flexion
suave, de igual forma se aprecia que los potenciales presentan una amplitud
mucho mayor; la Figura 90 presenta la comparacion entre la señal de EMG de
flexion suave y la señal de EMG correspendiente a la flexion fuerte.
Figura 89. Grafica de EMG correspondiente al movimiento de flexión fuerte durante 700ms.
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89
Figura 90. Comparación entre las señales de EMG registradas correspondientes a la flexión
suave y la flexión fuerte.
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90
A continuación se muestran los registros capturados de la actividad muscular
durante un segundo a una frecuencia de 10kHz en el musculo tríceps, estas
señales ya fueron rectificadas (Figuras 91 y 92).
Figura 91. Registro de actividad de EMG tomada del musculo Tríceps al realizar un
movimiento de flexión aplicando fuerza.
Figura 92. Registro de actividad de EMG tomada del musculo Tríceps al realizar un
movimiento de flexión de forma relajada.
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91
5.7 Diseño y Construcción del Prototipo de Adquisición
de EMG de dos Canales
Finalmente se construyó el prototipo de adquisicion de EMG de dos canales; esteprototipo resulta ser una extención del prototipo visto anteriormete el cual solo
podía monitorear un canal, y por ende un solo musculo. El desarrollo de este
último prototipo consistió en la union de dos sistemas de adquisicion de EMG de un
solo canal identicos al presentrado en el diagrama esquematico de la Figura 81.
Esta union se hace de tal forma que los dos sistemas compartan el electrodo de
referencia; teniendo de esta forma el electrodo inversor 1. Inversor 2, no inversor 1
, no inversor 2 y un solo electrodo de referencia. El diagrama esquematico de este
sistema se muestra en la Figura 93.
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92
3.3v
R6
82k
R282k
3.3V
-
+
U1B
OPA4376
5
67
4
1 1
3.3v
-
+
U2A
OPA23333
21
8
4
C14
0.1u
R19
10k
R5 82k
R16
56k
R11 390k
C4
1n
R282k
-
+
U2C
OPA4376
10
98
4
1 1
3.3v
R7
10k
-
+
U1A
OPA4376
3
21
4
1 1
Bit 1
C7
0.1u
R6
82k
R21270k
C20
0.1u
R21270k
R12
100k
C13
1nSalida
R5
10K
3.3V
-
+
U4B
OPA2335
5
67
8
4
R15
56k
C5
0.1u
3.3v
R9390k
C18
4.7u
-
+
U1D
OPA4376
12
1314
4
1 1
3.3v
C3 0 .1 u
C3 0 .1 u
3.3v
Bit 9
Malla
Bit 3
C6
0.5n
Bit 2
Salida
Bit 5
Bit 3
-
+
U1D
OPA4376
12
1314
4
1 1
3.3v
-
+
U2A
OPA23333
21
8
4
C7
0.1u
C13
1n
R4 3.3k
R13
10k
Electrodo2 V+
Electrodo1 V-
3.3v
Electrodo de referencia
-
+
U1A
OPA4376
3
21
4
1 1
3.3 V
C1
0.1u
-
+
U4B
MCP60215
67
8
4
C15
0.1uC9
0.22u
R8
3.3k
-
+
U2C
OPA4376
10
98
4
1 1
3.3v
R15
56k
R5
10K
R5 82k
C164.7u
R7
10k
R13
10k
R1
200k
3.3v
R19
10k
R12100k
R6
82k
R17
20k
U5
PIC16F687
87
9
6
12345
2019181716
15141312
1110
RC6RC3
RC7
RC4
VDDRA5RA4RA3RC5
VSSRA0RA1RA2RC0
RC1RC2RB4RB5
RB6RB7
3.3v
3.3k
R6
82k
C21
2.2u
C174.7u
R8
3.3k
-
+
U2A
OPA2335
3
21
8
4
C9
4.7u
C1
0.1u
Bit 9
3.3v
Bit 6
Bit 8
3.3v
U6
INA326
23
4
6
7
518
-VIN+VIN
V-
VO
V+
R2R1R1
Bit 1
Bit 6
3.3v
Electrodo1 V+
Electrodo2 V-
EMG rectificada
Bit 8
R14
20k
-
+
U1B
OPA4376
5
67
4
1 1
R3 33k
C13
1n
-
+
U4B
OPA2335
5
67
8
4
D1
D1N4148
R16
56k
3.3k
R10 33k
U4 REG711-3.3
81
2
3
4 5
6
7
VOUTNC
EN
VIN
GN D PGN D
Cpump-
Cpump+
Malla
R4 3.3k
R14
20k
R3 33k
C11
1n
U5
PIC16F687
87
9
6
12345
2019181716
15141312
1110
RC6RC3
RC7
RC4
VDDRA5RA4RA3RC5
VSSRA0RA1RA2RC0
RC1RC2RB4RB5
RB6RB7
C11
1n
3.3v
C5
0.1u
3.3v
C6
0.5n
C20
0.1u
U6
INA326
23
4
6
7
5
18
-VIN+VIN
V-
VO
V+
R2R1R1
3.3 V
3.3v
V11.8 -5.5 V
C4
1n
-
+
U2A
OPA2335
3
21
8
4
Bit 2
Bit 4
R17
20k
Bit 0
Bit 5
Bit 4
Bit 0
Bit 7
3.3 V
R1
200k
R10 33k
-
+
U2B
OPA2333
5
67
8
4
Bit 7
D1
D1N4148
EMG rectificada
C13
1n
Figura 93. Diagrama esquemático del sistema de adquisición de EMG de dos canales.
5/15/2018 TESIS FINALIZADA - slidepdf.com
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93
Para el desarrollo del sistema de adquiscion de EMG de dos canales se usaron
dos placas de circuito impreso de adquisición de un solo canal. Estas placas se
unen de tal forma que comparten el electrodo de referecia. La Figura 94 muestra el
circuito impreso correspondiente al segundo canal de adquisición de EMG, en la
Figura 95 se observa como se unen las dos placas para el monitoreo de las
señales musculares.
Figura 94. Vista del circuito impreso correspondiente al canal 2 para registro de EMG.
Figura 95. Placas de circuito impreso que conforman el sistema de adquisición de EMG de dos
canales
5/15/2018 TESIS FINALIZADA - slidepdf.com
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94
5.7.1 Resultados
La Figura 96 muestra la gráfica de los datos registrados por el sistema de
adquisición de EMG de dos canales correspondientes a los musculos biceps y
triceps durante el movimiento de flexión suave; se puede observar que la señal
producida por el biceps es ligeramente mayor en amplitud a la señal del triceps,
esto se debe a que al realizar el movimiento de flexión, el musculo biceps realiza
más esfuerzo que el triceps y esto se ve reflejado en la actividad de los potenciales
de acción y por ende en las graficas.
Figura 96. Gráfica de la señal de EMG adquirida de los músculos bíceps (rojo) y tríceps (verde).
El registro del bíceps se encuentra desplazado 0.5 volts para que no se monte con el registro del
5/15/2018 TESIS FINALIZADA - slidepdf.com
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95
6. DISCUSION DE LOS RESULTADOS
En este trabajo de investigacion se presenta un sistema de adquisición de señales
de EMG usando electrodos secos, los cuales resultan mas convenientes que los
electrodos desechables de Ag/AgCl debido a que pueden reutilizarce sin mayor
problema y como se pudo observar con los resultados graficados, estos electrodos
son capaces de captar las señales de EMG sin mayor problema. Se observó
variaciones de las señales de EMG, las cuales son dependientes de la posición,
ubicación, tamaño y material de los electrodos con los que son registradas, de
igual manera, estas señales ganan amplitud conforme se aplica mas fuerza sobreel musculo en el cual se realiza el registro.
La idea del sistema de adquisición de señales de EMG es que sea capaz de
adquirir información de los impulsos electricos de mas de un músculo, es por esta
razón que se optó por usar dos juegos de electrodos para monitorear un grupo
muscular, por ejemplo, el grupo muscular del brazo, en este caso en particular, los
electrodos fueron colocados sobre el músculo biceps y sobre el músculo triceps,
esto con la intención de que se tengan varias respuestas o combinaciones de
patrones de EMG al ejecutar algun movimento complejo, por ejemplo flexiones,
estirar, o rotar el brazo.
Para realizar los prototipos, se trató de usar componentes que sean faciles de
conseguir, se usaron componentes principalmente de la empresa Texas
Instruments, ya que presentaba muchas opciones en cuanto a chips para diseños
analógicos.
A continuacion se presenta el presupuesto (Tabla 9) para realizar el prototipo para
la adquiscicion de señales de EMG de un solo canal a 3.3V; este presupuesto fue
hecho tomando en cuenta los precios en dolares de un proveedor por internet de
circuitos integrados (http://www.newark.com/).
5/15/2018 TESIS FINALIZADA - slidepdf.com
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96
Circuito integrado Precio (Dolares) Descripcion Cantidad
INA326 $5.00 Instrumentation
Amplifier IC
1
OPA2333 $4.12 Operational Amplifier(Op-Amp) IC
1
OPA2335 $4.15 Operational Amplifier(Op-Amp) IC
1
OPA4376 $3.50 Operational Amplifier(Op-Amp) IC
1
Reg-711 $1.86 DC/DC Converter 1
PIC16F687 $1.45 8-Bit MicrocontrollerIC
1
7. CONCLUSIONES
Hasta ahora se ha completado la adquisición de las señales de EMG usando
electrodos secos de superficie de Acero inoxidable; se construyó un dispositivo de
registro de potenciales de acción muscular de dos canales, teniendo de esta
manera los registros de dos músculos a la vez. Esta información además se
digitaliza y se entrega en forma paralela. Estos datos pueden pasarse en el futuro
posiblemente a una red neuronal para que sean aprendidos por este dispositivo, de
esta forma un movimiento sería descrito por la actividad mioeléctrica de un par de
músculos: Por ejemplo para el movimiento de flexión, extensión, pronación y
supinación se tendrá la información del músculo bíceps y tríceps.
Este sistema es la base para una posible aplicación en una prótesis inteligente, sin
embargo su utilidad se podría extender a otros usos, tales como exoesqueletosrobóticos, simulaciones en 3D para una interface de usuario tele operado, entre
Tabla 9. Precios de los circuitos integrados usados en el prototipo.
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otras. La meta final de este prototipo a largo plazo es tener una prótesis inteligente
que se adapte al usuario y no viceversa, haciendo más fácil el proceso de
adaptación clínico y reduciendo el costo para que pueda estar al alcance de la
mayoría de la población.
8. TRABAJO FUTURO
El trabajo a futuro para este prototipo consiste en incluir la red neuronal artificial
para completar el sistema de reconocimiento de patrones. Tambien se puede
mejorar el sistema de adquisición, especificamente en cuanto a los electrodos
usados (en forma de rectangulos), los cuales pueden ser reemplazandos por los
electrodos propuestos en el trabajo de H. K. Bhullar [6], en el que se describe la
construcción de un electrodo concentrico seco para tomar registros de EMG de
superficie, asegurando que se obtiene más selectividad [6]. Otra mejora que se
puede considerar es cambiar los dispositivos pasivos (resistencias y capacitores)
por componentes de montaje superficial para reducir el tamaño del circuito
impreso.
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9. BIBLIOGRAFIA
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estudio por regiones del cuerpo humano”.
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[9] Hoja de datos INA326 Texas Instruments.
[10] Hoja de datos OPA2333 Texas Instruments.
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technology, Sydney, Broadway, NSW, 2007, Australia.
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10. APENDICE I
Programa en ensamblador
LIST P=PIC16F687
#INCLUDE<P16F687.INC>
__config 0x00C4
;; Oscilador Interno.
;; WatchDog disable.
;; Power up timer on.
;; Code protection disable.
;; Brown-out Reset disable.
;; Fail safe clock monitor disable.
ERRORLEVEL -302
UDATA
BIT8 res 1 ;Variable donde se guarda la parte baja de 8 bit del dato de la conversion
BIT2 res 1 ;Variable donde se guarda la parte Alta de 10 bit del dato de la conversion
VALOR1 res 1 ;Variable para el retardo de 7 micro segundo
VALOR2 res 1 ;Variable par el retardo de 7 micro segundos
LISTO res 1 ;Bandera para indicar que la conversión A/D ha terminado
RECIBIDO res 1 ;Bandeta para indicar que el dato binario ha sido leido por la red neuronal
ORG 0X00
;---------configuracion del oscilador interno a 8Mhz---------
BANKSEL OSCCON
MOVLW b'01110111'
MOVWF OSCCON
;------------------------------------------------------------
;SELECCION DE LOS CANALES A/D
BANKSEL ANSEL
CLRF ANSEL
BANKSEL ANSELH
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CLRF ANSELH
BANKSEL ANSEL
BSF ANSEL,1 ;Set RA1 to analog
;-------------------------------------------------------------
BANKSEL PORTB
CLRF PORTB
BANKSEL TRISB
CLRF TRISB ;CONFIGURA EL PORTB COMO SALIDA
;------------------------------------------------------------
BANKSEL PORTC
CLRF PORTC
BANKSEL TRISC
CLRF TRISC ;CONFIGURA EL PORTC COMO SALIDA
;-------------------------------------------------------------
BANKSEL ADCON1
MOVLW b'01010000' ;ADC INTERNAL OSCILATOR 8MHz FOSC/16 = 2us
MOVWF ADCON1
BANKSEL TRISA ;PONER EL RA1 COMO ENTRADA
BSF TRISA,1 ;Set RA1 to input
BANKSEL ANSEL
BSF ANSEL,1 ;Set RA1 to analog
BANKSEL ADCON0
MOVLW B'10000101' ;Right justify,
MOVWF ADCON0 ; Vdd Vref, AN1, On
CALL SAMPLETIME ;Acquisiton delay
;-------------------------------------------------------------
INICIO
BSF ADCON0,GO ;inicia la conversión
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BTFSC ADCON0,GO ;se completo la conversión?
GOTO $-1 ;No, esperar a que se termine
;CONVERSION TERMINADA
BANKSEL ADRESL ;
MOVF ADRESL,W ;leer la parte baja del dato binario
BANKSEL PORTC
MOVWF PORTC ;MOSTRAR EN PORTC
BANKSEL ADRESH ;leer la parte lata del dato binaro
CLRF BIT2 ;limpiar la variable BIT2
BTFSC ADRESH,0 ;preguntar si el bit 0 de la variale BIT2 es 0
BSF BIT2,4 ;el bit 0 de BIT2 es 1, pone en lato el bit 4 de BIT2
BTFSC ADRESH,1 ;pregunta si el bit 6 de BIT2 es 0
BSF BIT2,6 ;el bit 6 de BIT2 es 1, pone a uno logico el bit 6 de BIT2
MOVF BIT2,w ;despliega el valor en el pueto B
MOVWF PORTB
BSF LISTO,0 ;poner a uno logico la bandera de LISTO
BTFSS RECIBIDO,0 ;pregunta si la bandera RECIBIDO vale 1 logico
GOTO $-1 ;esperar hasta que la bandera RECIBIDO sea uno logico.
BCF LISTO,0
GOTO INICIO
;----------------------------------------------------------------
SAMPLETIME ;funcion de retardo de 7 micro segundos
MOVLW 04H
MOVWF VALOR1
UNO
decfsz VALOR1,f
goto UNO
return
END