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La Figura 6.2.1 presenta el prototipo final diseñado. La tarjeta de adquisición de las señales de sEMG se encuentra en la parte inferior de la figura, esta tarjeta fue elaborada en el Laboratorio de fabricación de circuitos impresos de la Universidad de los Andes, y para su elaboración se tienen en cuenta las recomendaciones de [16]. Los PCBs de la parte superior del prototipo corresponden a la alimentación del sistema. El primero (de izquierda a derecha) es la alimentación dual de 15 V proveniente de una batería de 18 V a 1 A, el segundo corresponde a la alimentación de la red eléctrica, y también, proporciona al sistema 15 V, estos dos tipos de alimentación son necesarios para el funcionamiento del amplificador de aislamiento.

V13 FREQ = 200 VAMPL = 5 VOFF = 0 {Rv al} Vin- Vin+ 10k 10k 0

Figura 6.2.1. Prototipo final del sistema sEMG diseñado para el diafragma y los músculos intercostales externos.

Las pruebas iniciales sobre la tarjeta diseñada se realizan con un generador de funciones. La señal de entrada es una señal generada por el divisor resistivo de la Figura 6.1.1, como se explico anteriormente. Las pruebas iniciales y los resultados para la cadena de medición del diafragma se presentan a continuación. Los datos son adquiridos por una tarjeta de adquisición a través del programa LabView y graficados en Excel.

1) Colando la señal de entrada con una amplitud conocida y una frecuencia fija, inferior a 2 KHz, se verifica que la ganancia del amplificador de instrumentación INA101 es de 1200V/V.

Figura 6.2.2. Salida del amplificador de instrumentación de la cadena de medición del músculo del diafragma para una entrada de 500 μV.

2) Con la señal amplificada proveniente del INA101 se observa la señal de salida de la etapa de filtrado. Se realiza un barrido en frecuencia y se registra la amplitud de la señal de salida de los filtros para las frecuencias comprendidas en el rango de 0 Hz a 650 Hz variando cada 10Hz. De esta forma se determina cuales son las frecuencias de corte experimentales del filtro pasabandas.

(a) Diagrama de bode en V. (b) Diagrama de bode en dB.

Figura 6.2.3. Diagrama de bode de la etapa de filtrado de la cadena de medición del músculo del diafragma para la entrada proveniente del INA101.

En la Figura 6.2.3.a se observa que la frecuencia de corte del filtro pasa altas es de 95 Hz y la del filtro pasa bajas esta a 510 Hz, presentando un error del 5% y 2% respectivamente en relación con la frecuencia para la cual fueron diseñados. La Figura 6.2.2.b permite observar que la banda pasante presenta una ganancia por encima de los -10dB lo que permite asegurar que el filtro tiene un buen comportamiento.

3) Se observa la salida del amplificador de aislamiento: La Figura 6.2.4 muestra la señal adquirida por medio de LabView de la salida del amplificador de aislamiento (ISO124P) para la cadena de medición del diafragma. Esta señal presenta un ruido con respecto a la señal proveniente del INA101 y de la etapa de filtrado, además esta etapa reduce la señal de entrada presentando una ganancia de 0,81 V/V.

Figura 6.2.4. Salida del amplificador de aislamiento de la cadena de medición del músculo del diafragma para una entrada de 0,75 V de amplitud proveniente de la etapa de filtrado.

Las pruebas iniciales para la cadena de medición de los músculos intercostales se realizan de la misma forma siguiendo los numerales anteriores, pero en el 2) el barrido en frecuencia se realiza en el rango de 0 Hz a 1500 Hz variando cada 50Hz. Los resultados obtenidos se muestran en las figuras 6.2.5 y 6.2.6.

La señal de salida del INA101 para la cadena de medición de los intercostales externos es igual a la señal de la Figura 6.2.2, esta respuesta era de esperarse, puesto que, en la etapa de amplificación y de la red de compensación activa ambas cadenas son idénticas.

En cuanto a los diagramas de bode de la Figura 6.2.5 se aprecia en la figura (a) que las frecuencias de corte de esta etapa son: para el filtro pasa altas de 16 Hz y para el pasa bajas de 1100 Hz, el error en este caso para el ancho de banda del filtro pasabandas es de 4 Hz para el filtro pasa altas y de 100 Hz para el filtro pasabajas. En esta etapa de filtrado, a diferencia de la cadena de medición del músculo del diafragma, el filtro Notch es de vital importancia para no perder una parte significativa de la señal. La frecuencia central experimental de este se encuentra a 62 Hz, sin embargo se presenta una buena atenuación a 60 Hz, la cual era la frecuencia de interés a eliminar por este filtro. La Figura 6.2.5.b permite ver la respuesta del filtro en dB, acá se puede apreciar que la banda de interés presenta una ganancia superior a las -3dB y por consiguiente permite afirmar que tiene una buena atenuación para las frecuencias fuera de la banda de interés.

(a) Diagrama de bode en V. (b) Diagrama de bode en dB. Figura 6.2.5. Diagrama de bode de la etapa de filtrado de la cadena de medición de los músculos

intercostales externos para la entrada proveniente del INA101.

Figura 6.2.6. Salida del amplificador de aislamiento de la cadena de medición de los músculo intercostales externos para una entrada de 0,75 V de amplitud proveniente de la etapa de filtrado.

Para el amplificador de aislamiento de esta cadena de medida se observa una respuesta muy similar a la de la Figura 6.2.4, donde hay una ligera atenuación, puesto que, este amplificador de aislamiento presenta una ganancia de 0,81 V/V y se observa un ruido con respecto a la señal proveniente de los filtros.

Después de esta caracterización realizada con el generador de señales se caracteriza el sistema tomando señales electromiografías ante contracciones musculares del brazo izquierdo. Esta caracterización permite validar el correcto funcionamiento de la redes de compensación activa de cada una de las cadenas diseñadas. Los electrodos para la señal diferencial se ubican en la parte inferior del antebrazo a 3 cm de distancia centro-centro cada uno, y la referencia se ubica en el codo. Los datos son adquiridos por medio de LabView para cada uno de los módulos por 30 segundos para aproximadamente 20 contracciones del puño, y posteriormente son graficados en Matlab.

Caracterización de la cadena del diafragma con un músculo del brazo

1. Señal de salida del amplificador de instrumentación: Esta señal presenta un nivel offset y no sigue una línea recta como se puede ver en la Figura 6.2.8.a. Se pueden apreciar los cambios en la amplitud de la señal ante cada contracción del puño.

Figura 6.2.7. Salida del amplificador de instrumentación vista en LabView.

(a)Salida del INA101 tomada en 30 segundos (b) Acercamiento de los primeros 5 segundos. Figura 6.2.8. Salida del amplificador de instrumentación graficada en Matlab.

2. Señal después de la etapa de filtrado: Comparando la señal obtenida en la Figura 6.2.10 con la de la Figura 6.2.8 se puede observar claramente la importancia de la

etapa de filtrado para la señal. Con esta etapa se elimina el nivel offset de la señal, además, se elimina el ruido no deseado de la señal, permitiendo obtener una señal de las contracciones del músculo del antebrazo más nítidas y donde se puede observar más claramente las contracciones.

Figura 6.2.9. Salida de la etapa de filtrado vista en LabView.

(a)Salida de la etapa de filtrado registrada por 30 s.

(b) Acercamiento de los primeros 5 segundos. Figura 6.2.10. Salida de la etapa de filtrado graficada en Matlab.

3. Señal de salida del amplificador de aislamiento: En cuanto al amplificador de aislamiento las Figuras 6.2.11 y 6.2.12 muestran que esta etapa distorsiona considerablemente la señal de sEMG adquirida. De esta etapa se puede concluir que el ruido introducido por el ISO124P generará problemas cuando la señal adquirida sea la de los músculos del diafragma y los intercostales externos porque el nivel de voltaje de las señales del brazo es 10 veces mayor al que se detecta para los músculos inspiratorios.

(a)Salida del ISO124P registrada por 30 s. (b) Acercamiento de los primeros 5 segundos. Figura 6.2.12. Salida del amplificador de aislamiento graficada en Matlab.

Caracterización de la cadena de los músculos intercostales externos con un músculo del brazo

Para la caracterización de la cadena de medición de los músculos intercostales externos se realiza el mismo procedimiento mostrado anteriormente, y como era de esperarse, se obtuvo el mismo resultado. De esto se puede concluir que ambas cadenas presentan un funcionamiento adecuado y se procede a realizar la caracterización del sistema para los músculos en estudio: el diafragma y los intercostales externos.

El electromiograma está muy condicionado por las características del potencial de acción que se propaga a lo largo de la fibra muscular. Los factores que se deben tener en cuenta para realizar un registro electromiográfico son los siguientes:

Temperatura: la velocidad de conducción de las fibras musculares cambia con la temperatura muscular, por lo general aumenta con el aumento de la temperatura y disminuye al bajar la temperatura. En consecuencia las bajas temperaturas tienden a resultar en bajas frecuencias del espectro de EMG y producen efectos que son similares a los observados con la fatiga de los músculos. Además, la amplitud de la señal de EMG aumenta cuando la temperatura muscular disminuye [1]. Por lo tanto, es importante mantener la temperatura constante en la sala de examen o de laboratorio.

El diámetro de la fibra muscular y la morfología del músculo: Hakansson (1956) [1] registró una relación lineal entre el diámetro y la velocidad de conducción (VC) de las fibras de la rana. La velocidad de conducción también aumenta con el umbral de reclutamiento de la unidad motora y es mayor cerca de la región distal del tendón y más baja en la parte proximal.

Tipo de fibra: El VC de las fibras de contracción rápida es superior a la de fibras de contracción lenta del músculo [1].

Longitud muscular: La amplitud del EMG varía con la longitud del músculo. Con el estiramiento pasivo, la amplitud de los potenciales de acción de las fibras musculares disminuye. Las características de la frecuencia de los PAUMs dependen de la longitud de la fibra muscular, éstos tienden a frecuencias más bajas cuando la longitud del músculo aumenta [1].

Tejido de filtrado: Diferentes registros han demostrado que la amplitud del potencial de acción decae al aumentar la distancia de la fibra muscular. Cuando se utilizan electrodos superficiales se observa que las características de amplitud y frecuencia de la señal se ven afectadas por el tejido intermedio entre los electrodos y la fibra muscular [1]. Este tejido crea un efecto de filtro pasa bajas y su efecto aumenta al aumentar la distancia.

Otros factores: las fibras musculares aumentan su velocidad de conducción con la edad, siendo más rápido en los adultos que en niños [1].

La Figura 6.2.13 se muestra la ubicación de los electrodos en un paciente para realizar la caracterización de ambas cadenas de medición. Los datos se tomaron por un minuto para cada uno de los bloques, tanto para la cadena del diafragma como para la de los intercostales.

Figura 6.2.13. Ubicación de los electrodos en un paciente.

Caracterización de la cadena para el músculo del diafragma

1. Salida del amplificador de instrumentación (INA101) para el diafragma: En la Figura 6.2.14 y 6.2.15 se ve como no se detecta ningún tipo de señal inspiratoria, puesto que, la interferencia generado por el ECG es muy fuerte. Aunque, como un criterio de selección de ubicación de los electrodos se tuvo en cuenta que estuvieran al lado derecho del cuerpo para que tuvieran la menor cercanía posible con el corazón, su interferencia sigue siento bastante notoria.

(a)Salida del INA101 registrada por 60 s. _{(b) Acercamiento de los primeros 5 segundos.} Figura 6.2.15. Salida del amplificador de instrumentación graficada en Matlab.

2. Salida de la etapa de filtrado: después de filtrar la señal de salida del amplificador de instrumentación se obtiene la señal de la Figura 6.2.16 y 6.2.17 En estas señales se puede ver la señal inspiratoria del paciente, aunque sigue siendo un poco visible la señal de ECG se pueden detectar las inspiraciones. En la Figura 6.2.16 se pueden apreciar dos inspiraciones.

Figura 6.2.16. Salida de la etapa de filtrado para el diafragma visualizada en LabView.

(a)Salida de la etapa de filtrado por 60 s. (b) Acercamiento de los primeros 10 segundos. Figura 6.2.17. Salida de la etapa de filtrado graficada en Matlab.

3. Salida del amplificador de aislamiento (ISO124P): Como se puede apreciar en la Figura 6.2.18 y 6.2.19 la etapa de aislamiento de la tarjeta diseñada daña la señal adquirida y filtrada. En la figura 6.2.20 es casi indetectable la señal inspiratoria porque el ruido presenta una amplitud más grande que la señal adquirida. En la etapa de filtrado se tiene que la amplitud máxima aproximada a la que puede llegar una inspiración es de 50mV, mientras que en la etapa de aislamiento se pude ver que la señal alcanza valores de hasta 400mV, los cuales son debido al

ruido del amplificador de aislamiento y por esta razón se pierde la señal. En la Figura 6.2.19.b, donde se acerca la señal para apreciar los primeros 10 segundo se detecta mínimamente la señal, pero no es una apreciación confiable.

Figura 6.2.18. Salida del amplificador de aislamiento para el diafragma visualizada en LabView.

(a)Salida del ISO124P por 60 s. (b) Acercamiento de los primeros 10 segundos. Figura 6.2.19. Salida del amplificador de aislamiento graficada en Matlab.

Caracterización de la cadena para los músculos intercostales externos

De la misma forma como se caracterizo la cadena del diafragma, ahora se miran los tres bloques principales para la señal adquirida de los músculos intercostales externos.

1. Salida del amplificador de instrumentación: en este caso se puede observar que la interferencia generada por el ECG es menor que la detectada para el diafragma, sin embargo su presencia también se detecta y no se puede apreciar ningún tipo de movimiento inspiratorio (ver Figura 6.2.20 y 6.2.21).

Figura 6.2.20. Salida del amplificador de instrumentación para los músculos intercostales externos visualizada en LabView.

(a)Salida del INA101 por 60 s. (b) Acercamiento de los primeros 3 segundos. Figura 6.2.21. Salida del amplificador de instrumentación graficada en Matlab.

2. Salida de la etapa de filtrado: en la Figura 6.2.22 y 6.2.23 se puede ver que después de filtrada la señal se puede detectar la señal inspiratoria del paciente, aunque esta no es tan definida como la señal del diafragma. Esto se debe a que las frecuencias de corte de los filtros de cada una de las cadenas son diferentes. Para los intercostales externos la etapa de filtrado es de 16 Hz a 1100 Hz (resultado experimental) y esto ocasiona que esta señal se vea más afectada por el ruido de bajas frecuencias y también, este rango de frecuencias no elimina completamente la señal de ECG, como si ocurre en el diafragma.

Figura 6.2.22. Salida de la etapa de filtrado para los músculos intercostales externos visualizada en LabView.

(a)Salida de la etapa de filtrado por 60 s. (b) Acercamiento de los primeros 13 segundos. Figura 6.2.23. Salida de la etapa de filtrado graficada en Matlab.

3. Salida del amplificador de aislamiento: De la misma forma que ocurre con la señal registrada del diafragma, en la Figura 6.2.24 y 6.2.25 también se observa como el amplificador de aislamiento deteriora completamente la señal inspiratoria. La

señal inspiratoria registrada sobre los músculos intercostales externos es más débil que la registrada por el diafragma, del orden de 20mV después de la epata de filtrado, y en la etapa de aislamiento se presenta un ruido del donde de 400mV el cual deteriora la señal de respiración del paciente.

Figura 6.2.24. Salida del amplificador de aislamiento visualizada en LabView.

(a)Salida del ISO124P por 60 s. (b) Acercamiento de los primeros 10 segundos. Figura 6.2.25. Salida del amplificador de aislamiento graficada en Matlab.