La descripción de cada uno de los bloques del diagrama que conforman el acondicionamiento de la señal electromiográfica se muestra por separado para una mejor comprensión de las características de diseño de cada una de ellos.
A) salida Músculo Preamplificador 50 ≤ Av ≤ 100 Electrodos Activo Referencia Tierra
Filtro pasa altas 10 hz ≤ fc ≤20 hz
Amplificado r
∆ > 20 Filtro pasa bajas
450 hz ≤ fc ≤ 500 hz.
3.1.2.1 Electrodos
El uso de electrodos adecuados es el aspecto más crítico de los aparatos electrónicos que son usados para obtener la señal de EMG. La fidelidad de la señal de EMG, detectada con el electrodo, influye en todo el tratamiento subsecuente de la señal, es por eso que es importante usar electrodos que provean la mínima distorsión de la señal y el menor ruido.
Para entender las bases de las mediciones de señales mioeléctricas es importante saber que la piel está compuesta de dos capas principales: la epidermis y la dermis. La epidermis es la capa externa de la piel, está dividida en stratum corneum (SC) y en stratum germinativum (SG). La SC es la capa superficial, actúa como una barrera de fluidos y por lo tanto tiene características de aislante eléctrico. Esta capa esta constantemente renovándose ya que está constituida por células muertas, las cuales son remplazadas por otras células epiteliales generadas por la capa inferior (SG). La capa SG esta compuesta de células vivas que consisten predominantemente de líquido, y es eléctricamente conductiva.
La dermis, que se encuentra debajo de la SG, contiene componentes vasculares y componentes nerviosos, además se encuentran glándulas sebáceas y también es eléctricamente conductiva. Es en la dermis donde se origina el dolor.
Es indispensable preparar la superficie de la piel donde se quiere realizar el registro de la señal EMG. La preparación consiste en reducir el grosor de la SC, mediante la limpieza y frotación de la piel con alcohol o con una pasta abrasiva. Cuando un electrodo es colocado en una superficie de la piel no preparada, hace que se genere una alta impedancia en el contacto piel-electrodo, ya que no se produce una interfase electroquímica directa electrodo-electrolito con los fluidos del cuerpo, que se refleja en un pobre o nulo registro de la señal electromiográfica, así mismo, para mejorar la conductividad de la piel, se debe colocar un gel electrolítico con alta concentración de iones conductivos. El preparar la piel reduce ampliamente los efectos de la impedancia, el voltaje de DC, el ruido y los artefactos de movimiento.
El modelo real y el circuito equivalente electrodo-piel y de la impedancia de la entrada de un amplificador se muestra en la figura 12, R1 representa la resistividad eléctrica del gel electrolítico, C1 y R2 la impedancia producida en la interfase electroquímica del electrodo con el gel electrolítico, Vb el voltaje de DC y Vn el voltaje ruido ambos producidos por la interfase electrodo-piel. Por otro lado tenemos que la impedancia de entrada amplificador de EMG es modelado como una resistencia (109−1012Ω) Ri, en paralelo con un capacitor Ci (2−10pF) y es por lo tanto dependiente de la frecuencia.
En la práctica se realiza el registro de una señal electromiográfica usando un electrodo activo (-), un electrodo de referencia (+) y un electrodo (tierra) conectado a una zona eléctricamente neutra. En la técnica de EMG superficial el electrodo activo y referencia son colocados a menos de un centímetro de distancia uno del otro sobre la piel del músculo del cual se quiere detectar su actividad eléctrica. En la técnica EMG con aguja monopolar, ésta se usa como electrodo activo (-). Como referencia y tierra se emplean electrodos de copa superficiales. En esta investigación se utilizarán electrodos de superficie y se mostrarán los parámetros a modificar para su utilización con aguja monopolar.
Figura 12 Modelo y circuito equivalente piel-electrodo
R1 Resistividad del gel C1 y R2 Impedancia electrodo-gel Vb Voltaje de CD
3.1.2.2. Preamplificador
Es deseable obtener una señal de EMG que contenga la mayor cantidad de información de la señal de EMG y la mínima cantidad de contaminación por ruido eléctrico. Por lo tanto la maximización de la razón de señal a ruido, la cual se define en la ecuación 3.1, debe ser hecha con la mínima distorsión de la señal EMG.
ruido señal db V V SNR =20log (3.1)
Donde Vseñal es el voltaje de la señal de interés y Vruido es el voltaje del ruido aditivo. Debido al bajo nivel de voltaje de la señal EMG en orden de los µvolts no es posible amplificar la señal en una sola etapa sin eliminar el ruido presente junto con la señal de interés. Independientemente del tipo de adquisición (superficial o intramuscular) se utiliza un amplificador de instrumentación con alta impedancia de entrada (100MΩ se considera aceptable pero 1000MΩ es preferible). Otra característica importante del amplificador de instrumentación es el CMRR o relación de rechazo de modo común (que necesita estar en el rango de 100-120dB), el cuál describe la capacidad del amplificador de rechazar voltajes de modo común, por lo que cualquier señal (ruido) que esté presente en ambas señales será cancelado y la diferencia, que es la señal de EMG, será amplificada eliminando así el ruido de modo común. El CMRR se define en la ecuación 3.2.
) / log( 20 Ad Ac
CMRRdB= (3.2)
Donde Ad=Vout/Vd es la ganancia de modo diferencial (siendo Vd el voltaje de modo diferencial entre las dos entradas) y Ac=Vout/Vc la ganancia de modo común (donde el voltaje Vces el voltaje de modo común o ruido común y es aplicado a ambas entradas).
3.1.2.3. Filtro pasa altas
Cuando se tiene la señal suficientemente preamplificada para ser perceptible, se hace pasar esta señal por un filtro pasa altas con una frecuencia de corte de entre 10 Hz. a 20 Hz. Con ello eliminamos los artefactos de movimiento provocados por la interfase entre la superficie de detección del electrodo y la piel, y por el cable conectado entre el electrodo y el preamplificador. Estas señales de ruido eléctrico tienen la mayor parte de su energía en un rango de frecuencia de 0 a 20 Hz. Para detecciones intramusculares este filtro deba ser modificado a una frecuencia de corte de entre 50 y 100 Hz.
En algunos casos un filtro análogo notch puede ser usado para reducir la interferencia de 60 Hertz, pero en lo general esto no es recomendable ya que 1) remueve una banda de frecuencia donde la señal EMG muestra una gran densidad de energía. 2) Este filtro introduce una rotación de fase que se extiende a frecuencias abajo y sobre la frecuencia central que dramáticamente cambian la forma de onda de la señal (no mucho la de la energía). Este último punto no es importante si sólo se desea la amplitud o la energía de la señal electromiográfica.
3.1.2.4 Amplificador
Después de haberse eliminado los artefactos de movimiento y ruidos de baja frecuencia la señal se amplifica de nuevo. Debido a que la señal de EMG se encuentra en un rango de algunos cientos de µvolts, el factor de amplificación de este bloque combinado con el preamplificador debe ser mayor de 1000, para poder tener una señal salida perceptible y utilizable (aproximadamente mayor a 0.5 V). Este factor puede ser aumentado estableciendo una ganancia diferente a uno en uno de los filtros o con otro bloque amplificador colocado después del filtro pasa bajas. A este nivel ya podemos tener certeza de que la señal amplificada contendrá el menor nivel de ruido.
3.1.2.5 Filtro pasa bajas
En esta última etapa del modelo de acondicionamiento de señal se coloca un filtro pasa bajas con una frecuencia de corte de entre 400 y 500 Hertz para eliminar cualquier ruido de frecuencia mayor a la frecuencia de corte. Para adquisición intramuscular es necesario modificar este filtro a una frecuencia de corte aproximado de 1000 Hertz.
3.1.2.6 Consideraciones adicionales en la toma de señales electromiográficas superficiales
Otros puntos que deben tomarse en cuenta para el registro de la señal de EMG es utilizar el mismo tipo de cable para los tres electrodos y verificar que tengan aproximadamente el mismo largo el cable del electrodo activo y el de referencia.
Es bueno considerar el utilizar un electrodo plano como electrodo de tierra para poder tener mayor superficie de contacto, y recordar colocarlo en un tejido eléctricamente inactivo, es decir, donde la actividad muscular sea mínima, dependiendo del lugar de registro es recomendable utilizar la muñeca, la palma de la mano o el tobillo.