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UNIVERSIDAD CATOLICA “NUESTRA SEÑORA DE LA ASUNCION” FACULTAD DE CIENCIA Y TEGNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA E INFORMATICA

ELECTRONICA II INFORME DE PROYECTO FINAL

ELECTROMIOGRAFÍA

Profesor: Dr. Enrique Vargas. Grupo N°1 RIGOBERTO GAUTO LESME MATEO RECALDE

2015

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Índice

Introducción............................................................................................................................3 Algunas utilidades y aplicaciones del EMG…………………………………………………….4 Diseño………………………………………………………………………………………………….............4 Filtrado………………………………………………………………………………………………………....6 Componentes Utilizados………………………………………………………………………………11 Esquemático EMG……………………………………………………………………………………......13 Montaje del circuito……………………………………………………………………………………..14 Relación señal ruido…………………………………………………………………………………….15 PCB EMG en el layout……………………………………………………………………………………16 Placa EMG terminada…………………………………………………………………………………...17 Conclusión……………………………………………………………………………………………………19 Bibliografía…………………………………………………………………………………………………..20

2

Introducción

La electromiografía (EMG) permite registrar los impulsos eléctricos generados por los cambios de voltaje que se dan durante la contracción de las fibras musculares. Las fibras musculares, al contraerse, producen descargas que, recogidas por electrodos dan unos patrones normales o indicativos de lesión a distintos niveles del sistema neuromuscular. La señal eléctrica que detecta los electrodos está en función de la concentración iónica existente en el musculo. El objetivo del proyecto es desarrollar un sistema básico para el registro de la señal EMG que incluya las etapas de amplificación y filtrado.

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1) Algunas utilidades y aplicaciones del EMG Aplicaciones en el deporte: a) Observar cómo se presenta la secuencia de activación muscular: esta aplicación se puede realizar tanto en tiempo real para una valoración cualitativa realizada en presencia del entrenador y el atleta o para una valoración cualitativa y cuantitativa en donde se debe realizar una filtración de los datos y pasar todos los datos gráficos a datos numéricos a través de la aplicación de diferentes programas. b) En un test de secuencia de activación muscular, lo que se está buscando es observar si el atleta cumple con ciertos modelos estereotípicos de acciones técnicas (dinámicas) o si existen alteraciones debidas a desequilibrios musculares o errores en la percepción del desarrollo de la técnica. c) Detectar como varia el impulso en ejecución de un ejercicio especifico versus el desarrollo del gesto motor, para determinar si el estímulo del primero sigue siendo adecuado o si este es de menor intensidad que el último. De esta forma damos al entrenador bases científicas para saber en qué momento debe incrementar o disminuir la intensidad de los estímulos específicos para conseguir los resultados que se buscan. d) Comparar y observar cómo se presenta la contracción en condiciones ideales y de fatiga: Podemos realizar un análisis comparativo y determinar cómo se modifica la frecuencia de señal conforme se acerca la fatiga. 2) Diagrama de bloques del sistema:

Paciente: en esta etapa, se encuentra el paciente a ser examinado. Los electrodos son conectados en los músculos a ser examinado con los cables mallados. Transductor: se encuentra el sensor, cuya función principal es obtener la señal del musculo. Amplificación: se procede a la amplificación de la señal proveniente del musculo mediante un amplificador de instrumentación, consiguiendo una señal apropiada apta para ser procesada en la siguiente etapa. Filtrado: esta etapa es muy importante ya que consiste en eliminar toda señal que no estee dentro del rango de interes y también la señal de ruido de la línea de 50K𝐻𝑧 . Osciloscopio: Se observa la señal de interes mediante las puntas de prueba del osciloscopio 3) Diseño 3.1 Electrodos de superficie: Consiste en una superficie metálica que se aplica a la piel. La piel es un tejido moderadamente conductivo en donde fluye corriente iónica, el metal es un material conductivo cuya corriente es llevada por electrones, por lo tanto tenemos una interfaz electrodo piel intrínsecamente ruidosa. Ruido e Impedancia: Para preparar la interfaz piel electrodo es necesario afeitar bien la piel y lavarla con jabón la parte donde estará el electrodo, si es posible aplicar el electrodo con un gel conductivo. La preparación adecuada de esta interfaz reduce el ruido, impedancia electrodo piel, el voltaje dc. Distancia y colocación de electrodos: Deben colocarse a una distancia de 20mm a 30mm uno de otro.

4

3.2 Obtención de la señal y pre amplificación de la misma: Necesitamos un amplificador diferencial que amplifique señales muy pequeñas considerando que una unidad motora tiene una amplitud de o volts en reposo y de 50 µV hasta alrededor de 1mV durante la contracción, las señales electromiogramas son de bajos valor, el ruido ambiente y el de line de 50 𝐻𝑧 pueden provocar falsos resultados. Por lo tanto, el preamplificador de la unidad de procesamiento necesita ser no solo lo suficientemente sensible como para detectar y amplificar las pequeñas señales sino que también debe discriminar los ruidos de manera a visualizar solo actividad de electromiografía. Los amplificadores diferenciales permiten rechazar gran parte del ruido externo. Los amplificadores de Instrumentación cumplen con esas características y están especialmente construidos para propósitos de instrumentación médica. 3.3 Opciones y elección para la etapa de pre amplificación: Usaremos el amplificador de instrumentación debido a que vamos a realizar un equipo portátil y debe ser de bajo consumo, otra razón es de rechazo común muy elevado, mínimo 90 Db, bajo ruido, tensión y corriente de offset bajo y con pocas derivas. Ina128: Este amplificador tiene como propósito general aplicaciones de instrumentación, ganancia variable ajustando el 𝑅𝐺 , tiene un voltaje de desplazamiento de 50 𝑚𝑉, CMRR de 120dB y un consumo de corriente de 700μA, lo que lo hace ideal para equipos portátiles. Elegimos este integrado por que está disponible.

Esquema interno del ina 128 La Ganancia de dicho amplificador se ajusta buscando los valores adecuados de acuerdo a cuanto queremos que amplifique la señal de entrada.

VCC U3

7 2

V2

GS1 GS2 +

3

V3

+

R2

0

4 100 VOFF = 0 VAMPL = 0.5m FREQ = 45 AC = 0

0

Circuito para prueba del INA128

5

6

R3 1k

INA128/BB

9 VOFF = 0 VAMPL = 1m FREQ = 70 AC = 0

OUT

REF

100

V1 9

-

1 8

V4

5

R1

V+

VEE

V-

VCC

VEE

0 0

0

400mV

0V

SEL>> -400mV V(R3:2) 1.0mV

0V

-1.0mV 0s V(V3:+)

5ms V(V4:+)

10ms

15ms

20ms

25ms

30ms

35ms

40ms

45ms

Time

Para probar el INA128, utilizamos dos fuentes sinusoidales para las entradas inversoras y no inversoras, simulando las señales provenientes del músculo.

Obtenemos el resultado esperado, con la señal diferencial amplificada en la salida 1000 veces, lo que en comportamiento en condiciones reales sería similar. 3.4 Filtrado Una vez adquirida la señal del EMG, la señal pasa a la etapa de filtrado, cuya función es eliminar señales indeseadas. Filtro Paso Alto La señal que se deja pasar es a frecuencias que a partir nos interesa, el fabricante nos provee una configuración paso alto con una frecuencia de corte de 1,59 Hz, la utilizamos seguida del INA 128.

El fabricante nos provee esta configuración, donde el INA se combina con un integrador para acoplar las señales de salida antes de pasar por el filtro paso bajo.

6

50ms

Filtro paso bajo Para el filtro paso bajo utilizamos el filtro de realimentación múltiple, utiliza más de una trayectoria de retroalimentación. Consiste en la etapa pasa bajas 𝑅1 - 𝐶1 , seguida por la etapa de integrador constituida por 𝑅2 , 𝐶2 y el amplificador operacional, por lo que se anticipa una respuesta pasa bajas. La retroalimentación positiva por 𝑅3 debe permitir el control de Q. Las ecuaciones de diseño son: 𝐶1 = 𝐶2 𝑛 𝑛 ≥ 4𝑄 2 (1 + 𝐻0 ) 1 + √1 − 4𝑄 2 (1 + 𝐻0 )/𝑛 2𝜔0 𝑄𝐶2 1 𝑅2 = 2 𝜔0 𝑅3 𝐶2 𝐶1 𝑅3 𝑅1 = 𝐻0 Donde n es la distribución de la capacitancia y 𝐻0 es la magnitud deseada de la ganancia. 𝐻0 = 5 𝑓 ≈ 30𝐻𝑧 𝐶2 = 4,7𝑛𝐹 𝐶1 = 5,8𝜇𝐹 𝑅1 = 𝑅3 = 47𝐾Ω 𝑅2 = 10𝐾Ω 𝑅3 =

R3 VCC

VEE 47k

V3 12Vdc

R1 V4 12Vdc

C2 4.7n

R2 47k

10K

0 1Vac 0Vdc

Vi

C1 5.8u

3

VCC U1 7 V+ + OS2 OUT

2

0

uA741

-

4

OS1 V-

5 6 1

VEE

0

Figura de filtro paso bajo Simulación ideal del filtro paso bajo en el Orcad: 50

-0

-50

-100

-150 1.0mHz 3.0mHz DB(V(C2:2))

10mHz

30mHz

100mHz

300mHz

1.0Hz

3.0Hz

10Hz

30Hz

100Hz

300Hz

1.0KHz

3.0KHz

10KHz

Frequency

Obtenemos la salida del filtro, se puede observar que a partir de 30Hz la señal se va atenuando hasta cero.

7

30KHz

100KHz

Simulación practica (real) en el laboratorio del filtro paso bajo, montado en el protoboard.

En la figura observamos la señal de entrada y salida a 14hz, por lo que nuestro filtro debe dejar pasar sin problemas.

En la figura observamos que a una frecuencia mayor (100Hz) nuestro filtro ya no deja pasar, CH2 que es de nuestra entrada y CH1 la de nuestra salida.

8

Filtro Notch Utilizaremos este filtro para rechazar la frecuencia de 50 Hz que es generada por la línea de la ande. Se encargara exclusivamente de rechazar el ruido de 50 Hz para entregar en la salida una señal completamente libre de distorsiones. Nuestro circuito se comporta como un TWIN-T, que puede ajustarse a un rango significativo de frecuencias con un solo potenciómetro en este caso los tres capacitores deben ser idénticos, y el resistor fijo debe ser exactamente 6 veces el resistor ajustable de abajo El potenciómetro de 50k se ajusta (solo una vez) para máxima profundidad de la muesca, el de 20 KΩ es el selector de la frecuencia que se desea atenuar y es sintonizable de 25 Hz a 100 Hz.

Figuras de circuitos que se comportan como un TWIN-T, el de la derecha mejorada para la práctica. VCC

Vee R4

V1

R7

9 V2

9

1Vac 0Vdc

C5 100n

OUT 2 C3 100n

C4

0

0

470k

50k SET = 0.75

V3

3

R5

1k

1

R8

50k SET = 0.34

6

68k

-

4

OS1 V-

U2 uA741 5 6 1

V

Vee

100n R9

VCC 7 V+ + OS2

5

Vee 4 VOS1 -

U3 uA741 2

OUT OS2 7

+

3

R6 20k

V+

VCC

SET = 0.375

0

Figura del filtro notch 20

0

-20

SEL>> -40 DB(V(U2:-)) 100d

0d

-100d 1.0mHz 3.0mHz P(V(U2:-))

10mHz

30mHz

100mHz

300mHz

1.0Hz

3.0Hz

10Hz

30Hz

100Hz

300Hz

1.0KHz

3.0KHz

10KHz

30KHz

Frequency

Salida del circuito notch, magnitud y fase con discriminación a la frecuencia de 50 Hz. Podemos ver la salida sintonizada a la frecuencia notch, esto servirá para implementar en nuestro circuito.

9

100KHz

𝑓𝑛𝑜𝑡𝑐ℎ =

1 2𝜋𝐶√3𝑅9 𝑅8

≈ 55,76𝐻𝑧

Simulación practica (real) en el laboratorio del filtro notch, montado en el protoboard.

En las figuras observamos el comportamiento de nuestro filtro Notch a distintas frecuencias, con lo que vemos que nuestro filtro no actúa en el rango de 25 Hz a 100 Hz aproximadamente.

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4) Componentes Utilizados

Capacitor electrolítico 100u F 25V Básicamente, un condensador o capacitor, está formado por dos placas metálicas (conductoras de la electricidad) enfrentadas y separadas entre sí por una mínima distancia, y un dieléctrico, que se define como el material no conductor de la electricidad (aire, mica, papel, aceite, cerámica, etc.) que se encuentra entre dichas placas. La magnitud del valor de capacidad de un capacitor es directamente proporcional al área de sus placas e inversamente proporcional a la distancia que las separa. Es decir, cuanto mayor sea el área de las placas, mayor será el valor de capacidad, expresado en millonésimas de Faradios [μF], y cuanto mayor sea la distancia entre las placas, mayor será la aislación o tensión de trabajo del capacitor, expresadas en unidades de Voltios, aunque el valor de capacidad disminuye proporcionalmente cuanto más las placas se separan. Capacitor cerámico 100nF Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existen diferentes tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas. Utilizadas para eliminar ruido de frecuencias bajas. Potenciómetro de 20kΩ Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera, indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie. Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca corriente. Para circuitos de corrientes mayores, se utilizan los reóstatos, que pueden disipar más potencia. Potenciómetro Multivuelta 50kΩ Potenciómetros multivuelta. Para un ajuste fino de la resistencia existen potenciómetros multivuelta, en los que el cursor va unido a un tornillo desmultiplicador, de modo que para completar el recorrido necesita varias vueltas del órgano de mando.

Resistencias Las resistencias se caracterizan por tener cuatro bandas. Las aplicaciones más tradicionales de estos componentes son los Instrumentos de Medición, Máquinas Herramienta y Electro medicina, entre otros.

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Conector Estos conectores son utilizados para introducir señal o alimentación a circuitos, o adquirir señal de una parte que se desea. Integrado INA 128 El INA128 e INA129 son de baja potencia, en general amplificadores de instrumentación objetivo que ofrece una excelente exactitud. El diseño amp 3-op versátil y pequeño tamaño los hacen ideales para una amplia gama de aplicaciones. Circuitos de entrada de corriente de retroalimentación proporciona amplio ancho de banda, incluso a alta ganancia (200 kHz en G = 100). Una sola resistencia externa establece ninguna ganancia de 1 a 10.000. El INA128 proporciona una ganancia estándar de la industria. Utilizados para: Puente amplificador, Amplificador Termopar, Sensor amplificador RTD, Instrumentación Médica. Integrado OPA2251 Son específicamente diseñados para la alimentación por batería, aplicaciones portátiles. Además con el consumo de energía muy bajo (25 mA), estos amplificadores posee una tensión característica de bajo offset, serie OPA251 está optimizado para fuentes de alimentación. Pueden funcionar ya sea sola (2.7 V a 36 V) o de alimentación duales (± 1,35 V a ± 18 V), el rango de voltaje de modo común de entrada se extiende por debajo de 200 mV la oferta ideal negativo para aplicaciones de suministro individual. Son de ganancia unitaria estables y pueden conducir grandes cargas capacitivas. Consideraciones especiales de diseño aseguran que estos productos son fáciles de usar. Utilizados para: Instrumentos que operan a batería, Dispositivos portátiles, Instrumentos médicos, Equipos de prueba. Integrado OPA27GP El OPA27 es ultra bajo ruido, de alta precisión amplificadores operacionales monolíticos. Resistencias de película delgada láser recortado proporcionan una excelente compensación de voltaje estabilidad a largo plazo y permitir tensión superiores a compensar en comparación con las técnicas de Zener zap comunes. APLICACIONES Instrumentos de precisión ADQUISICIÓN DE DATOS EQUIPO DE PRUEBA EQUIPO DE AUDIO PROFESIONAL AMPLIFICADORES TRANSDUCTOR EQUIPO DE RADIACIÓN DURO

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5) Esquemático EMG

Referencia y masa R9

R8

Alimentación 0 100n C13

390k

0

Etapa de recepción R6

390k

0

C25 100n

C24 100n

VCC

VEE

J1 Alimentacion

1 2 3

VCC

Signal IN

J3

6

1

2 1

A

ina128 C14

C15

Ref erence

R5

2

3

A

2

+

7 U3A

-

OPA2107/AA

VEE

1

8

-

VEE 100u

5

100u

V1

C2

0

U4B OPA2107/BB

V2 9

9

0

C7 100n

100u

0

6

VCC

100

C12 100n

VEE

4

8 +

2

4

3

4 1 5

2 1

-

J2

VCC

100

+

7 8

U7

0

C8 100n

0

0

R7 10k

0 C9 100n

Filtro Paso Alto/Bajo

2 VCC

8

U1A

-

R18 1K SET = 0.5

1

100n R11

4

B 470k

VEE

C18 100n

0

C4 100n

C17

1

VCC

22K

5u

R3 47K

0

7

6

C20

R19 1K SET = 0.5

R16 68k

-

0

C22

Signal OUT

100n 2 3

R17 1K SET = 0.5

C21 VEE C5 100n

0

13

1 2

0

6

C11 4.7n

J4

VEE UA741 U8

B

VEE

100n

1 7

C10

+

4

6

1k R13

U1B

8 0

R4

-

100n

OPA2107/BB 5

+

2

0

C23 100n

0 R2 47K

C16 100n

3

4 5

OPA2107/AA

U9 UA741

7 1

+

2

5 4

3

R1 1M

VCC

-

0

C19

0

+

C3 100n

Filtro Tipo Notch

0 VCC

100n

0

0

C1 100u

En la etapa de recepción tenemos al INA128, encargada de recibir las señales de entrada provenientes de los electrodos, la etapa de referencia y masa también por configuración de la hoja de datos técnicos del INA128 utilizamos un OPA2251 que recibe la señal amplificada del INA128 y por otra parte admite la referencia de los cables mallados como también de la referencia ubicada en el codo del paciente, las salidas del INA128 accede a la etapa de filtro paso alto/bajo constituido por un circuito acoplador que también nos proporciona la hoja de datos técnicos, luego transita por el filtro paso bajo para la eliminación de frecuencias no deseadas. Por ultimo nuestra señal ingresa a la etapa filtro tipo notch, que es la encargada de eliminar una banda de señales comprendidas entre 25 𝐻𝑧 a 100 𝐻𝑧 por consiguiente logramos nuestra señal de salida final “limpia” a medir en el osciloscopio. Limitaciones Se debe medir en lugares donde no haya interferencias electromagnéticas. Los cables deben ser mallados caso contrario se notara mucho ruido en las mediciones. Montaje del circuito 5)

Figura del circuito en el protoboard Obtención de la señal

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Figura de las contracciones musculares Las señales son obtenidas contrayendo los músculos, en estas dos imágenes vemos en una 4 contracciones consecutivas y en la otra 3, estas mediciones fueron hechas en el laboratorio. Con esta señal la persona que monitorea puede ver en el caso deportivo, el rendimiento de los músculos, ya que a medida que se contrae varias veces disminuye en amplitud y se demuestra que la respuesta a los pulsos y reacciones disminuye con el esfuerzo, de ser una persona de buena preparación física las contracciones consecutivas no se ven alteradas tan rápidamente en su amplitud ya que sus músculos se encuentran entrenados para una actividad física prolongada. De esta forma se evalúan los problemas que deseamos detectar. Relación señal ruido La presencia de ruido degrada la calidad en una señal y establece el límite superior de las señales que pueden ser detectadas, medidas e interpretadas en forma exitosa. La calidad de una señal en presencia de ruido se especifica mediante la relación señal ruido (SNR) 𝑿𝒔 𝟐 𝑺𝑵𝑹 = 𝟏𝟎𝒍𝒐𝒈𝟏𝟎 𝟐 𝑿𝒏 En nuestro proyecto tenemos: SNR = 10log10

(650m)2 = 49,02 (2,3m)2

Este valor en condiciones reales es bastante aceptable ya que idealmente se espera un SNR de 60 en suposiciones teóricas. Para calcular el SNR hallamos su componente de ruido en rms, con los músculos en reposo obtuvimos 2,3mV, contaremos el musculo al máximo para obtener el valor pico pico de la señal que nos da 650mV.

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PCB EMG en el LAYOUT (botton y top respectivamente)

Consideraciones para el diseño de la placa: a) Se evita pistas que tengan 90 grados. b) El ancho de las pistas es de 0,6 mm, ya que no circula mucha corriente. c) El ruteado de la fuente y los capacitores de desacoplo fueron hechos en el top.

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Placa EMG terminada

Vista del botton copper

Vista del top copper

Circuito EMG en placa

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Baterías utilizadas para fuente de alimentación, logrando los ±9 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠 requeridos para el funcionamiento del circuito

Trabajo terminado y listo para ser presentado.

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Conclusión Al finalizar este proyecto, pudimos comprobar que el método de la división en bloques es de gran ayuda al momento de analizar un sistema total, y no solo en el análisis, también nos ahorró muchísimo tiempo en la detección de errores y fallas, ya que fuimos poniendo metas por etapas, y nos aseguramos del correcto funcionamiento de cada parte que forma el total de dispositivos. Si algo no funcionaba como esperábamos, recurríamos a probar bloque por bloque hasta percatarnos del inconveniente. En cuanto a la teoría que adquirimos en el curso, podemos concluir que fue de fundamental ayuda para el desarrollo del proyecto, pudimos comprobar que el margen de error entre lo teórico y lo práctico es despreciable, ya que partiendo de los cálculos en papel llegamos a resultados reales en la práctica muy similares a los calculados. Nos dimos cuenta que montando y detectando errores consolidamos nuestros conocimientos teóricos y comprendimos así la gran importancia del trabajo practico.

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Bibliografías

1) http://www.efdeportes.com/efd169/la-electromiografia-en-el-deporte.htm 2) The Art of Electronics - Horowitz & Hill 3) Diseño con amplificadores operacionales y circuitos integrados analógicos, 3ra Edición - Sergio Franco 4) http://www.monografias.com/trabajos94/electromiografo/electromiografo.s html

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