Eletromiograma de superfície

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO ESPÍRITO SANTO

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃOCOORDENAÇÃO SISTÊMICA DE PESQUISA

PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA

Relatório Final de Projeto de Iniciação Científica

Título do

Projeto de Pesquisa:

Confecção de uma placa de aquisição de sinais mioelétricos

Título doPlano de Trabalho:

Desenvolvimento de um protótipo de órtese ativa de membro inferior com atuadores elétricos

Área do Conhecimento:Engenharias

Referência da Chamada:

( ) PIBIC ( ) PIVIC (x) PIBITI ( ) PIVITI

( ) PROGRUPOS ( ) PIBIC - EM

( ) Jovens Talentos para a Ciência

Edital: 06/2015

Agência Financiadora:( ) CNPq ( ) Fapes ( ) Facitec (x) Ifes

( ) Voluntariado: sem financiamento

Nome do Orientador do Plano de Trabalho:

Tiago Zanotelli

E-mail: [email protected]

Tel./Cel.: (27)988845419

Nome do estudante (bolsista ou voluntário):

Ursula Passamani da Silva

E-mail: [email protected]

Tel./Cel.: (27)998640807

Campus: São Mateus

Data: 27/07/2015

RELATÓRIO FINAL DE PLANO DE TRABALHO DOPROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA – IFES

1. Introdução e Justificativa

A eletromiografia(EMG) é a aquisição do sinal bioelétrico do músculo, que tem um potencial de

50mV a 5mV e uma faixa de frequência de 1 a 500Hz.(BALBINOT et al, 2013)

O sinal eletromiográfico é gerado pela diferença de potencial entre o potencial de repouso do

músculo(distribuição iônica dentro e fora da membrana celular) e o potencial de ação(excitação da

célula muscular que ativa as proteínas contráteis e gera uma corrente eletroquímica que percorre a

membrana celular). O impulso elétrico que é propagado pelo motoneurônio chega à junção

neuromuscular e determina a excitação da membrana da fibra muscular. O tecido muscular conduz

potenciais elétricos de modo semelhante ao potencial de movimento que é executado. Esse sinal

elétrico é chamado de potencial de ação de unidade motora(m.u.a.p), e os eletrodos de superfície ou

invasivos medem a soma algébrica de todos os m.u.a.p transmitidos pela fibra muscular naquele

instante.

Existem dois tipos de aquisição desse sinal, que dependem de aonde são colocados os

eletrodos. A eletromiografia de profundidade é feita com os eletrodos colocados no interior do

músculo, entrando em contato direto com as fibras musculares. Esse método é pouco utilizado por

ser complexo de se fazer por ser invasivo, e por não ter um registro representativo quando se quer

estudar a atividade global do músculo. A eletromiografia de superfície é feita com os eletrodos

colocados sob a pele, captando a soma da atividade elétrica de todas as fibras musculares ativas. É

um método não invasivo e de fácil execução. A área da superfície de detecção (do eletrodo) afeta a

impedância e o volume de detecção do eletrodo, e dessa forma determina o número de fibras

musculares ativas cujo potencial é medido. Quanto maior for essa superfície, menor será a

impedância e maior o volume de detecção. A forma de onda da tensão extraída é a diferença de

potencial entre dois eletrodos posicionados sobre o local do músculo.

Por ser um valor muito pequeno de tensão, esse sinal sofre grandes interferências e ruídos

externos. Sendo assim, esse sinal precisa ser amplificado e filtrado por um amplificador biopotencial.

Esse amplificador amplificará e ao mesmo tempo filtrará o sinal, removendo interferências com filtros

passa-baixa e passa-alta, que de acordo com o posicionamento dos capacitores e resistores e de sua

resistência e capacitância, não deixam passar frequências que não são do sinal eletromiográfico.

Os sinais de EMG são utilizados em clínicas médicas na detecção de disfunções musculares

inflamatórias ou degenerativas, na fisioterapia para a obtenção de padrões musculares, detectar

problemas musculares, podem ser utilizados no tratamento como biofeedback(quando o paciente

recebe uma resposta de como está o movimento e com isso pode tentar melhorá-lo) e também

checar a eficácia de tratamentos (Instituto de Ortopedia e Fisioterapia).

2. Objetivos

Produzir um eletromiograma de superfície para a detecção de movimentos musculares dos

braços(flexão e extensão), e utilizar essa informação para o acionamento de uma órtese bípede.

Como objetivos específicos esse trabalho tem:

confecção fonte de alimentaçao e filtros

• Confecção de um bioamplificador;

RELATÓRIO FINAL DE PROJETO DOPROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA – IFES

• Aquisição digital do sinal analógico

3. Material e métodos

A aquisição do sinal foi feita pelos eletrodos, que foram posicionados no antebraço e no tornozelo do

voluntário, esse sinal então vai ser amplificado e filtrado, como pode ser visto na figura abaixo:

Figura 1 – Diagrama de blocos do EMG

3.1) AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO

Figura 2 – Circuito do AD620 internamente

O amplificador de instrumentação é um amplificador operacional, que compara a tensão da entrada

não inversora com a entrada inversora, e amplifica a diferença das duas, como ele faz isso

internamente pode ser visto na figura 2. A primeira parte do circuito do amplificador biopotencial é

feita por um amplificador operacional de instrumentação AD620, e utilizando um TRIMPOT de 1k para

regular o ganho do amplificador. Os ganhos medidos com tensões de entrada de 10mV e 50mV estão

mostrados nas tabelas 1 e 2.


O ganho do AD620 é estimado pela equação (ANALOG DEVICES, 2014):

49,4kΩ + 1

Rg

Tabela 1 – Ganhos teóricos e práticos:

Circuito AD620

R(Ω) Ganho Teórico Vin RMS(mV) Vout RMS(mV) Ganho prático Erro(%)

590 84,73 10 800 80 5,9

323 154 10 1800 180 14,4

250 199 10 2000 200 0,5

977 51,5 50 2400 48 7,3

590 84,73 50 3330 66,6 27,2

323 154 50 3740* 74,8 -

* = Saturação

Na tabela pode ser observada uma saturação quando a tensão de saída se aproxima de 4V RMS, o

que é perto do esperado, sendo a alimentação do AD620 5V e -5V.

3.2) FILTROS PASSA BAIXA E BAIXA ALTA.

Um filtro passa alta é um filtro que atenua os sinais que tem frequências baixas e deixa passar as

frequências altas. Enquanto um filtro passa baixa é um filtro que atenua os sinais que têm frequências

altas, e deixa passar os que tem frequências baixas(MALVINO, A. P., 2010).

Nesse trabalho sinal passa por dois filtros passa alta e dois filtros passa baixa, como pode ser visto

na figura 3, utilizando o DPA4227, para remover interferências e ruídos. Segundo Balbinot et al(2013),

a frequência do sinal miográfico está entre 1 e 500Hz aproximadamente, portanto neste circuito

foram utilizados filtros que deixam passar apenas uma faixa de frequência entre 18 e 744Hz. Nos

filtros 1 e 2, que são filtros passa alta, apenas frequências maiores que 18,95Hz passarão, pois

quanto menor a frequência, maior serão as impedâncias dos capacitores C4, C5, C6 E C7 que

atenuarão esse sinal. Nos filtros 3 e 4, que são filtros passa baixa, apenas frequências menores que

744Hz passarão, pois o capacitor C9 funcionará como um curto para as altas frequências, e elas irão

direto para o terra do circuito.


Figura 3 – Circuito do amplificador e filtros

Frequências de corte:

Filtro 1 = 20,65Hz

Filtro 2 = 18,95Hz

Filtro 3 = 790,8Hz

Filtro 4 = 744,3Hz

3.3) AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DE SINAIS

Os sinais foram coletados utilizando a placa de coleta de sinais DAQ 6002 (Nacional Instruments), 16

bits de resolução, com frequência de amostragem de 10 kHz. Os sinais foram armazenados em um

arquivo .txt para um processamento offline. Aos sinais coletados foi aplicado um filtro notch de 60 Hz.

3.4) FONTE DE ALIMENTAÇÃO

Figura 4- Circuito da fonte de alimentação


Para a fonte de alimentação, como mostra a figura acima, foram utilizadas duas baterias de 9V, que

passaram um por um regulador de tensão 7805, e a outra por um regulador de tensão 7905, para

obter as tensões de 5V e -5V, necessárias para alimentar o AD620 e o DPA4227.

3.4) COLETA DE SINAIS

Os eletrodos utilizados foram do tipo Cloreto de prata descartável. O primeiro eletrodo foi colocado

no início do antebraço, o segundo foi colocado no final do antebraço, e a referência foi colocada no

tornozelo, em cima do osso medial, os locais foram limpos com álcool antes de serem posicionados

os eletrodos. O movimento feito foi o de flexão e extensão do antebraço, a cada 5 segundos. O

processamento do sinal foi feito no LabView, utilizando o DAQ 6002 para coletar o sinal.

4. Resultados e discussão

Na figura 3, é mostra um sinal de EMG coletado. Nota-se na figura a variação do sinal a cada

movimentação.

6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6

-0 . 0 6

-0 . 0 4

-0 . 0 2

0

0 . 0 2

0 . 0 4

0 . 0 6

0 . 0 8

T e m p o ( s )

Te

nsã

o (

V)

Figura 4 – Sinal de EMG coletado

No gráfico é possível ver, a partir das somas algébricas de cada m.u.a.p, a contração muscular no

momento de 7s, onde ocorre uma maior atividade elétrica, visto no gráfico. Depois o esforço do

músculo para manter a contração até 8s, mostrado por uma pequena diminuição na atividade elétrica

e de 8s a 11s o relaxamento e o período de repouso do músculo, onde pode ser vista uma atividade

elétrica quase nula. Essa interface pode ser usada para detecção de doenças musculares e


acompanhamento de melhorias(feedback) em tratamentos de fisioterapia, a partir da análise pelo

profissional da saúde, que detectará padrões fora do normal nos sinais. Foi detectada uma grande

interferência de 60Hz, que foi atenuada com o processamento do sinal no LabView.

5. Conclusão

O bioamplificador funcionou como esperado mostrando a contração e relaxamento do músculo do

antebraço, e o sistema pode ser futuramente utilizado por médicos e fisioterapeutas para detecção de

doenças musculares.

6. Cronograma do Projeto

Estágios Meses

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1-1,1-2

1-3,1-4

1-5

2-1

2-2

3-1

3-2

4

5

6

Estágios:

1) Revisão de literatura:

1.1) Potenciais relacionados aos movimentos musculares;

1.2) Filtos analógicos;

1.3) Conversores Analógico/Digital;

1.4) Processamento de sinais digitais;

2) Confecção do eletromiograma (EMG);

2.1) Simulação e protótipo do biamplificador;

2.2) Confecção do bioamplificador;

3) Algoritmos de processamento e detecção do EMG:

3.1) Aquisição do sinal Digital;

3.2) Coleta de dados e Processamento de sinais;

4) Integração da órtese com o EMG;


5) Validação do sistema;

6) Confecção dos relatórios.

Houve problemas com a confecção do bioamplificador, e isso consumiu mais tempo que o esperado,

além disso, a órtese não ficou pronta o que impossibilitou a integração da órtese com o EMG, o

estágio 4.

7. Participação em eventos técnico-científicos

8. Referências

Instituto de Ortopedia e Fisioterapia. O uso da Eletromiografia na Fisioterapia. Disponível

em:<http://www.iof.com.br/int_default.php?p=artigos/art_eletromiografia> Acesso em:12/07/2015.

BALBINOT et al. Instrumentação e Fundamentos de Medidas. 2ª Edição. LTC. Pg 409. 2013.

ROCHA, Daniel N. “Desenvolvimento de um sistema de controle para órtese funcional de

mão da UFMG”/ Daniel Neves Rocha. Belo Horizonte, MG, 2007.

USAKLI, A. B. On the Use of Electrooculogram for Efficient Human Computer Interfaces. Hindawi

Publishing Corporation Computational Intelligence and Neuroscience, 2010.

DE JESUS, Igor R. T. Análise de componentes principais do Eletromiograma no domínio da

frequência em exercícios cicloergométricos. Rio de Janeiro, 2010.

ANALOG DEVICES. Datasheet AD620. Disponível em:<http://www.analog.com/media/en/technical-

documentation/data-sheets/AD620.pdf> Acesso em: 13/07/2015.

http://www.iof.com.br/int_default.php?p=artigos/art_eletromiografia


ANEXO I

AVALIAÇÃO DO ORIENTADOR QUANTO AO DESEMPENHO DO BOLSISTA

PARECER

Aluna desenvolveu as atividades de acordo com o cronograma.

30/07/2015 Tiago Zanotelli

Data Nome do orientador(a)

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