En primer lugar, ¿que es la electromiografia(EMG)?

Es el proceso de  registro de la actividad eléctrica producida por los músculos esqueléticos, para monitorear estas señales es necesario de electrodos, que pueden ser de dos tipos :

1. electrodos intramusculares,  a través de electrodos insertados dentro de los músculos
2. electrodos superficiales, a través de electrodos en la superficie de la piel sobre el músculo

Después de la colocación de los electrodos, contraiga el músculo, por ejemplo, doblando el brazo. La actividad eléctrica observada en el monitor suministra información sobre la capacidad del músculo para responder cuando se estimulan los nervios que van a dichos músculos.

¿Que aplicaciones puede tener la EMG?

1.  Es usado por científicos para estudiar el sistema neuromuscular.
2. Por médicos para el diagnóstico de enfermedades neuromusculares.
3. Por fisioterapeutas para monitorear la activación de músculos de un paciente.
4. Para desarrollar prótesis de extremidades amputadas
5. Control de otros dispositivos a través de tus impulsos eléctricos.

El objetivo de este estudio se centra en los dos últimos puntos.

 

Algo un poco mas técnico.

las señales EMG son generadas por el intercambio de iones a través de las membranas de las fibras musculares debido a una contracción muscular.

Lo que se suele  considerar normalmente un músculo ( el bíceps de los brazos) consta de miles de células individuales, envueltas en tejido conectivo

Las fibras musculares están dispuestas en haces llamados fascículos, que se encuentran envueltos en tejido conectivo.

la medición de este tipo de señales EMG refleja las fuerzas que son generadas por los músculos y la temporización de los comandos motores. Además, puede usarse en el diagnóstico de patologías que afectan al Sistema Nervioso Periférico:

• Neuropatía alcohólica
• Esclerosis lateral amiotrófica (ALS)
• Disfunción del nervio axilar
• Distrofia muscular de Becke
• ETC

La amplitud de las señales EMG varía desde los μV hasta un bajo rango de mV (menor de 10mV), pero dependen de muchas  particularidades, por mencionar alguna, serian:

• El tiempo y la intensidad de la contracción muscular
• La distancia entre el electrodo y la zona de actividad muscular
• Las propiedades de la piel
• Las propiedades del electrodo y el amplificador
• La calidad del contacto entre la piel y el electrodo.

Los aspectos mas importantes para tomar señales EMG fueron discutidas en un consenso multinacional llamado SENIAM( Surface EMG for the Non-Invasive Assessment of Muscles)

La calidad de la señal EMG medida es usualmente descrita por la relación entre la señal EMG medida y las contribuciones de ruido indeseadas por el ambiente. La meta es maximizar la amplitud de la señal mientras se minimiza el ruido

 

¿cómo hacer su propio circuito sensor de músculo / EMG ?

En este articulo nos vamos a centrar en los sensores que utilizamos para captar las señales EMG.

 

LISTA DE MATERIALES

Lista de materiales para llevar a acabo el proyecto.

chips
3x TL072 IC Chip 
1x INA106 IC Chip

Cables y Electrodos
1x EMG Cables
3x EMG Electrodes

Power
2x 9V Baterias

condensadores
• 2x 1.0 uF Tant 
• 1x 0.01 uF Ceramic Disc
• 1x 1.0 uF Ceramic Disc 

Resistencias
• 3x 150 kOhm 1%  
• 2x 1 MOhm 1% 
• 2x 80.6 kOhm 1%
• 6x 10 kOhm 1%
• 1x 100 kOhm Trimmer 
• 1x 1 kOhm 1%

Miscelánea
• 2x 1N4148 Diode

FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Para empezar las cosas, que necesita tanto una fuente de tensión de alimentación positiva y negativa. Haremos esto utilizando dos baterías de 9V.

Dos baterías en serie (por ejemplo, el terminal positivo de la batería 1 conectado al terminal negativo de la batería 2) y mida la tensión del terminal negativo de la batería 1 y el terminal positivo de la batería 2, el voltaje medido es igual a la suma de las tensiones de 1 batería y la batería 2.

Podría ayudar a pensar en lo que significa en realidad tensión de tensión … es una diferencia de potencial eléctrico. La palabra clave aquí es la diferencia. Los voltajes son sólo tiene sentido en términos del punto de referencia (o más comúnmente conocida como tierra). Un voltaje es el potencial eléctrico entre este punto de referencia y el punto que se está midiendo.

ADQUISICIÓN DE SEÑAL

A continuación, vamos a trabajar en la fase de adquisición de la señal de su circuito EMG que utilizaremos para medir los impulsos eléctricos del sistema nervioso de su cuerpo que se utilizan para activar las fibras musculares.

 

En primer lugar,insertar el chip INA106 IC (chip A)  como se ilustra . El INA106 es un amplificador diferencial que medirá y amplificara (G = 110)  la diferencias de voltaje entre los dos electrodos se coloca en su músculo, ya que estas serán muy pequeñas.

A continuación, coger dos  resistencias de 1M ohmios, doblarlas y luego conectarlos a su tablero al igual que los dos ejemplos que se muestran.

 

 

 AMPLIFICACIÓN

En esta fase, vamos a tomar esas pequeñas señales medidas en la fase de la señal de adquisición y las amplifican.

Vamos a construir la primera un amplificador inversor con una ganancia de -15.Para ello, necesitaremos uno de los chips TL072 (chip B), una resistencia de 150 kOhm y un 10 kOhm resistencia. 

La resistencia de 10 kOhm es la de la patilla 6 del chip y la de 150 kOhm la de la patilla 6 y 7.

A continuación, vamos a añadir un filtro activo de paso alto para deshacerse de cualquier DC offset y ruido de baja frecuencia. Para ello se necesitan dos resistencias de 150 kOhm y un condensador 0.01uF

las dos resistencias de 150 kOhm son las conectadas al pin 2 del chip y el condensador es el amarillo.

 

RECTIFICACIÓN DE ONDA

 

En esta fase, vamos a estar rectificando la señal activa mediante un rectificador. Nuestro rectificador se llevará a la parte negativa de nuestra señal y convertirla positiva, para que toda la señal este dentro de la región de voltaje positivo. Vamos a utilizar este junto con un filtro de paso bajo para dirigir la señal de CA a una tensión de corriente continua, preparando la señal que se hace pasar a un micro-controlador.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tendrá cinco de las resistencias de 10 kOhm, y dos diodos 1N4148, y un segundo chip TL072.

las 5 resistencias de 10 kOhm son las azules nuevas respecto a la imagen del paso anterior, ahora los dos diodos 1N4148. Los Diodos están polarizados, así que asegúrese de prestar atención qué dirección hay que conectarlos, viene indicado en la imagen de esta fase.

 

SUAVIZANTE + AMPLIFICADOR

En esta última fase del montaje del circuito, vamos a introducir un filtro de paso bajo activo para filtrar las ondas de nuestra señal,generando así uno señal mas suave para nuestro micro-controlador.

 

Necesitaremos un chip TL072 (chip D), dos resistencias de 80.8 kOhm, la kOhm recortadora 100, la resistencia de 1 kOhm y el condensador de cerámica del disco de  1.0 uF.

las resistencias conectadas al pin 6 del ultimo chip son las dos de 80.8 kOhm mientras que la que esta paralela a los pin 1 y 8 es la de 1 kOhm. el amarillo es el condensador de cerámica de 1.0 de uF.

Mediante el uso de un destornillador y girando la resistencia de ajuste, será capaz de ajustar la ganancia de la señal para dar cuenta de las diferentes intensidades de las señales, de los diferentes grupos musculares. Comience bastante bajo y desde ahí subir  (~ 20 kOhm).

 

CONEXIÓN DE ELECTRODOS Y MICRO-CONTROLADOR

Después de determinar qué grupo muscular que se desea medir y limpiar la piel a fondo, colocar un electrodo en la piel, por encima de la mitad de la longitud del músculo deseado. Llamemos a esto el electrodo muscular media.

A continuación, coloque un segundo electrodo en un extremo del músculo.Llamaremos a este electrodo el músculo final.

Por último, colocamos el tercer electrodo en una parte ósea de su cuerpo cerca del grupo muscular. Llamaremos a este electrodo de referencia.

Un ejemplo con el bíceps:

Un ejemplo con varios canales:

 

¿Como conectar los electrodos a la placa?

Exactamente como viene en la siguiente imagen.

Para estos necesitas unos cables EMG, y quitarles el material aislante en los estemos
dejando así el material conductor al descubierto, es el que se colocara donde indica la imagen.

Por último, hay que añadir algún tipo de protección de circuito a través condensadores. Condensadores Tanthium que están polarizados como los diodos que usamos antes. Estos son más fáciles de decir cuál es el pin pin positivo y negativo, ya que uno siempre está marcado con un signo + indica pin positivo.Conecte un 1,0 uF tante. El condensador se coloca  entre el carril + 9V y la linea del GND, con el extremo positivo conectado al carril + 9V. Conecte el otro 1,0 uF a los carriles -9V y GND, con el extremo positivo conectado al carril GND.

 

¿Como conectar los la placa al controlador?

 

 

Conectar el pin 1 del chip TL072 ultimo  a un pin de entrada analógica del micro-controlador y el carril de GND al pin GND de su micro-controlador. Como viene indicado en la imagen.

AVISOS

1. la medición EMG de los músculos no tiene que hacerse después de someterse a ejercicio físico, la señal no sera valida.
2. después de usar un electrodo no debe volver a usarse ya que los datos que registren en sus posteriores usos no serán validos(depende del tipo de electrodo).

 

 

ESQUEMA DEL CIRCUITO

El esquema en el que esta basado este proyecto.

 

Captura de señales EMG para los dedos de una protesis

Existen muchos proyectos para señales EMG básicas donde nos muestran como controlar otros dispositivos o prótesis básicas con poco grado de libertad.

¿Pero que pasaría si quisiéramos tener un control mas sofisticado de estas prótesis, es decir un mayor grado de libertad, o controlar todos los dedos de la mano por separado?

Para este proyecto utilizaremos este mapa de los músculos del brazo en distintos ángulos, que luego usaremos para mostrar donde se tienen que colocar los electros.

Puedes ver que la mano tiene músculos “por dentro” (intrínseco) y «por fuera» (extrínseco), imaginemos que queremos utilizar nuestros sensores para recoger las señales de nuestros dedos.

¿Seriamos capaces? La respuesta es no, es obvio que captaríamos por cada sensor un grupo de músculos, para asilarlos necesitaremos usar múltiples electrodos, colocados de la siguiente manera:

Esto nos proporcionara una salida analógica por cada sensor, necesitaremos exactamente 5 sensores uno por cada dedo, pero la activación de una de estas salidas no tiene porque ser producida por la contracción de ese dedo, puede darse el caso de que al contraer el dedo adyacente el sensor de este también registre actividad eléctrica.

 

REDES NEURONALES

 

Para diferenciar las señales se podría usar  una red neuronal que por aprendizaje vaya adaptándose mediante un entrenamiento a los movimientos de cada persona que la use,la siguiente imagen  es un modelo de como deberían quedar los sesgos  de la red neuronal.