protesis mioelectrica2
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UPS
Jaime V, José C, Juan A, Miguel I, Gustavo D.
Resumen.- La amplitud de las señales EMG varía desde
los μV hasta un bajo rango de mV (menor de 10mV).Este proyecto consiste en usar la señal EMG para
realizar un análisis en Labview. Las señales serán
ingresadas con la ayuda de una tarjeta DAQ 6212.Una vez procesada la señal se manejara la prótesis.
1. INTRODUCCIÓN.
Con el avance tecnológico, cada vez se logra mejorar la
Construcción de sistemas de prótesis como extensiones
de algún miembro del cuerpo humano con características
esenciales como: flexibilidad, estética cosmética, peso
ligero y multifuncionalidad. Igualmente, la ciencia y la
ingeniería han realizado grandes avances en el área deprocesamiento digital de señales biomédicas como las
señales electromiográficas superficiales (EMG) y sus
aplicaciones en el control de dispositivos activos como
las prótesis mioeléctricas.
La amplitud, y las propiedades de las señales EMG tanto
en el dominio del tiempo como en la frecuencia
dependen de factores tales como:
El tiempo.
La intensidad de la contracción muscular. La distancia entre el electrodo y la zona de
actividad muscular. Las propiedades de la piel (por ejemplo el
espesor de la piel y tejido adiposo).
Las propiedades del electrodo y el amplifica
y la calidad del contacto entre la piel y
electrodo.
Los aspectos más importantes relacionados conadquisición y el análisis de señales EMG de superf
fueron tratados recientemente en un conse
multinacional llamado SENIAM: Surface EMG for
Non-Invasive Assessment of Muscles, donde se disc
desde la construcción del electrodo hasta su ubicación
La medición y la representación de las señales EMG
superficie dependen de las propiedades de los electro
y su interacción con la piel, el diseño del amplificado
la conversión y subsecuente almacenamiento de la se
de formato análogo a digital (A/D).
2. SEÑALES EMG.
Las señales EMG superficiales son esencialmente
patrón unidimensional, por lo que cualquier técnica
procesamiento de señales para extracción
características y reconocimiento de patrones se pu
aplicar a este tipo de señales.
La tendencia en el control de prótesis a partir de señaEMG obedece a que se constituye en la técnica m
sencilla de implementar por su facilidad en la obtencdel paciente.
La calidad de la señal EMG medida es usualmedescrita por la relación entre la señal EMG medida
ruido. La meta es maximizar la amplitud de la se
mientras se minimiza el ruido.
En gran parte la relación señal-ruido está determin
Señales Mioeléctricas.
Signals Myoelectric.Jaime F. Vele, José D. Cusco, Miguel F. Illescas.
Director: Ing. Fernando Urgiles.
Universidad Politécnica Salesiana.
[email protected], [email protected], [email protected].
Cuenca-Ecuador
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por los electrodos y el contacto con la piel. La siguiente
tabla muestra la magnitud y ancho de banda de la señales
biomédicas.
Tabla 1. Señales biomédicas.
3. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO.
El proyecto está estructurado de tal manera que se puede
seguir un orden y un análisis desde el musculo del
paciente hasta el tratamiento de la señal.
Paciente ElectrodosPre
AmplificaciónFiltro Pasa
Bajo
LABVIEW DAQPROTESIS
Figura 1. Diagrama de bloques.
3.1 ELECTRODOS.
Se pueden obtener señales Electromiográficas para el
estudio del movimiento utilizando electrodos de
superficie o intramusculares generalmente por pares(bipolares). La amplitud y anchura de banda de la señal
EMG no están determinada únicamente por las fuentes
electrofisiológicas y sus distancias hasta los electrodos,
sino también por los tipos y tamaños de electrodos
utilizados y por el espaciamiento entre electrodos. Loselectrodos de superficie van unidos a la piel sobre el
segmento muscular que se está estudiando. Para la
obtención de la señal se usa la configuración bipolar
se puede ver en la figura 2.
Figura 2. Ubicación Bipolar.
Los electrodos de superficie se utilizan para estudia
actividad de todo el músculo superficial. espaciamiento entre electrodos determina el volumen
registro o recepción del tejido, resultando
espaciamientos más pequeños en registros m
selectivos. Los electrodos de superficie suelen serranura, con pasta de electrodo llenando la cavidad p
conseguir más contacto con la piel y reducir
impedancia de los electrodos.
Los electrodos comercializados pueden ser desechab
como los electrodos Electrocardiográficos (ECG)reutilizables con una protección de plástico y un cu
adhesivo por ambos lados. Su diámetro va de 2 a 10 mpara la parte activa del electrodo. Los electrodos
cloruro de plata-plata (Ag-Ag Cl) con pasta de clorur
utilizan invariablemente debido a sus propiedadesestabilidad y reducción del ruido.
Figura 3. Electrodo Desechable.
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3.1.1 DISTANCIA ENTRE ELECTRODOS.
La normatividad define la distancia entre electrodos
como “la distancia entre centr os de las áreas de
conductividad de los electrodos”. Con respecto a la
distancia entre electrodos se recomienda que:
Los electrodos bipolares EMG de superficie
tengan una distancia entre electrodos de entre
20mm y 30mm.
Cuando los electrodos bipolares están siendo
aplicados sobre músculos relativamente
pequeños, la distancia entre electrodos no debe
superar 1/4 de la longitud de la fibra muscular.
Las señales están altamente relacionadas con la posición
del electrodo sobre el músculo de interés. El objetivo alubicar los electrodos es conseguir una ubicación estable
donde se pueda obtener una buena señal
electromiográfica.
Los electrodos se pueden ubicar sobre la superficie de lapiel de manera longitudinal, o transversal.
Longitudinal: la recomendación es ubicar el
electrodo bipolar en la zona media del músculo.
Transversal: la recomendación es ubicar el
electrodo bipolar sobre la zona media del
músculo, de tal forma que la línea que une los
electrodos, sea paralela con el eje longitudinal
del músculo.
Figura 4. Ubicación de electrodos.
4. TARJETA DAQ 6212 National Instrument
16 entradas analógicas (16 bits, 400 kS/s)
2 salidas analógicas (16 bits a 250 kS/s), 32 E
digitales, dos contadores de 32 bits
Energizado por bus USB para una mayormovilidad, conectividad de señal integrada
NI signal streaming para transferencia de dato
bidireccional a alta velocidad en USB; la vers
OEM está disponible
Compatible con LabVIEW, ANSI C/C++, C#
Visual Basic .NET y Visual Basic 6.0
El software de NI-DAQmx y software
interactivo LabVIEW SignalExpress LE para
registro de datos
Figura 5. DAQ 6212. [11]
5.
PREAMPLIFICACIÓN.La señal generada por un musculo tiene una amplitud
0 volt (en reposo, es decir, cuando no existe contraccmuscular) y 250 µV durante la contracción.
Debido a que las señales mioeléctricas son de bajo va
ruidos o artefactos como el ruido ambiente o en ma
medida el ruido de línea (50Hz – 60Hz) pueden provouna falsa interpretación de los resultados.
Por lo tanto, el preamplificador de la unidad procesamiento necesita ser no solo lo suficienteme
sensible como para detectar y amplificar las peque
señales sino que también debe discriminar los ruido
artefactos de manera de visualizar solo activi
Electromiográfica.
Los amplificadores diferenciales permiten rechazar g
parte del ruido externo. Los amplificadores
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Instrumentación cumplen con esas características y están
especialmente construidos para propósitos de
instrumentación médica.
Figura 6. Preamplificación.
El acople de aislamiento e impedancia del electrodo de
referencia: Tiene dos objetivos, el primero es colocar el
electrodo de referencia a una tierra activa aislada de la
tierra eléctrica del circuito con el propósito de
suministrar seguridad eléctrica al paciente; y el segundo,
atenuar el voltaje de modo común que afecta los
terminales de entrada del amplificador de
instrumentación.
Figura 7. Referencia y Apantallamiento.
La Pre-Amplificación: Para este propósito se utilizó un
amplificador de Instrumentación de configuración típica
con la diferencia en que el pin 5 (Ref) no va conectado a
tierra, sino a un circuito que tiene como función elim
las señal DC presente en los circuitos.
6. ACONDICIONAMIENTO.
Con este circuito se realiza un filtro pasa bajo p
eliminar las señales que pueden generar aliasing
además se tiene una ganancia de 100.
Figura 8. Acondicionamiento DAQ.
7. PROGRAMA EN LABVIEW.
Figura 9. Programa Labview.
Ingreso 1
Ingreso 2
SALIDA
X
3
26
4
7
8 5
1
U2
AD620
R6
470k
R7
470k
C122p
R8
2.6k
R9
2.6k
+9V
-9V
10
98
4
1 1
U1:C
TL074
C2
100n
R10
1.3M
Referencia
Apantallamiento de la Referencia
X
3
21
4
1 1
U1:A
TL074
5
67
4
1 1
U1:B
TL074
R1
10k
R2
10k
R3
10k
-9V
9V
R410k
R5
10k
PREFILTRADO
C3
220n
R1110k
12
1314
4
1 1
U1:D
TL074
R12
10k
R13
100k
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8. FILTRADO DIGITAL.
La gran ventaja de trabajar con labview es que la
mayoría de procesos matemáticos se encuentran en
bloques que pueden ser usados en la programación. Por
ejemplo existe un bloque para filtrado como el siguiente.
Figura 10. Bloque de Filtrado.
Características:
Pasabanda.
Frecuencia 1 = 80Hz.
Frecuencia 2 =500Hz.
Tipo = Butterworth
Orden = 20.
Salida como señal.
9. ESPECTRO DE FRECUENCIAS.
En labview es tan sencillo graficar el espectro de
frecuencias. Esta herramienta es de gran ayuda para
poder visualizar las frecuencias predominantes en cada
movimiento de los dedos en estudio. Según la intensidad
de la contracción se puede observar un incremento en los
picos de frecuencia. En este proyecto se está usando un
ventaneado de hanning que permite eliminar los tallos
del espectro.
Figura 11. Bloque que calcula espectro.
10. CONCLUSIONES.
El objetivo planteado fue el de tomar la mayor canti
de señales posibles para poder reconocer el movimie
de los diferentes dedos de la mano.
Con el uso de cables de paciente y electrodos de clor
de plata las señales medidas son de mejor calida
permiten obtener datos más confiables.
Cuando el musculo esta en reposo la amplitud de la se
no supera los 0.3V, en cambio cuando ocurre
contracción se tiene pulsos de hasta 4V.
La tarjeta DAQ se encarga de obtener la señal desde
amplificadores para luego dar tratamiento y poder te
una salida que pueda manejar la prótesis.
La señal obtenida está limitada al rango entre 20 y
Hz ya que las frecuencias dominantes se encuent
dentro de este rango.
Como el análisis se lo realizo en tiempo simplement
uso un bloque que calculaba el valor RMS de la seña
ingreso. El principio de funcionamiento es el siguie
este bloque toma automáticamente varias muestras p
luego aplicar la fórmula del valor RMS, este proceso
ejecuta de forma continua. Este valor es comparado
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un umbral y de esta manera es detectado el movimiento
de los dedos.
Luego se realiza el control de los servos existentes en la
mano robot.
11. REFERENCIAS.
[1] www.dalcame.com
[2] Relation of human Electromyogram to muscular
tension.VERNE T. INMAN.
[3] Feature Extraction & Classification Techniques for
Biosignal Processing. E.M. Tamil, N.S. Bashar.
[4] Signals and Systems in Biomedical Engineering.
Suresh R. Devasahayam.
[5] DAS EMG-Buch. Christian Bischoff, Bastian
Conrad.
[6] EMG-NLG Christian Bischoff, Bastian Conrad.
[7] Surface Electromyography. Eleanor Criswell.
[8] Electromyography. Roberto Merletti.
[9] EMG-ENG Peter Vogel.
[10] Manual Inventor 9.0
[11]http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/20
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