TECNOLGICO NACIONAL DE MXICO

INSTITUTO TECNOLGICO DE MINATITLN

TESIS PROFESIONAL

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:

INGENIERO ELECTRNICO

ESPECIALIZADO EN INSTRUMENTACIN

Y CONTROL DE PROCESOS

PRESENTAN:

Erick Snchez Rojas Jos Vzquez Xolo

MINATITLAN, VER. MARZO DE 2015

DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN

SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE

SEALES ELECTROMIOGRFICAS

DIRECTOR DE TESIS:

Dr. Jos de Jess Moreno Vzquez

i

Siempre llevar en mi mente los recuerdos del tiempo que pas en mi segundo

hogar el Instituto Tecnolgico de Minatitln. Recuerdo como empez todo

cuando me encontraba cursando el ltimo semestre de preparatoria, por

aquellos das mi futuro era incierto y todo apuntaba a que no podra continuar

con mis estudios. Fue mi hermano mayor Adn quin me apoy

econmicamente durante la preparatoria y me aconsej elegir electrnica como

especialidad para despus poder sostener yo mismo mi carrera. Un da mi

madre me regal una camisa color gris que compr en el bazar, yo observ la

camisa y vi un logo en ella, era del Instituto Tecnolgico de Minatitln, sent

deseos de estudiar en esta institucin de la cual muchos de mis compaeros

comentaban, pero que mi situacin econmica la descartaba como una opcin,

aun as tena la inquietud por intentarlo.

Durante mis estudios como Tcnico en Electrnica aprend muchas cosas entre

ellas el mantenimiento de equipos electrnicos, los fines de semana iba por los

pueblos casa por casa preguntando si necesitaban reparar un televisor o algn

otro equipo y ofreca mis servicios como tcnico, el recurso obtenido de este

trabajo era utilizado para cubrir algunos gastos de mi preparatoria, sin

embargo ahorraba una pequea parte de ese dinero pues mis intenciones eran

continuar estudiando al concluir el bachillerato.

Campo Nuevo el lugar donde nac y he vivido se encuentra a 36 Km de

Acayucan donde estudi el bachillerato y a 70 Km aproximadamente de

Minatitln, era demasiado complicado para que la situacin econmica me

permitiera cubrir los gastos que implica viajar esa distancia todos los das, por

otro lado mi hermano solo poda apoyarme durante la preparatoria. An con las

estadsticas en contra decid estudiar en esta institucin, despus de todo solo

tena dos opciones, intentarlo y si todo sala bien terminara la carrera, o

quedarme como estaba y dejar que todo siguiera igual.

Un fin de semana en casa mientras desayunbamos mi madre coment con

cierta tristeza que sus amistades platicaban sobre las universidades donde

estudiaran sus hijos al concluir el bachillerato y ella senta mucho el no poder

apoyarme para que estudiara una carrera por lo que me recomendaba emigrar

al norte del pas donde viven 2 de mis hermanas para trabajar un tiempo y

despus seguir estudiando; en esos momentos yo haba comenzado los trmites

para estudiar en el Tecnolgico de Minatitln sin embargo lo mantuve en

secreto y solo se enteraron hasta el momento en que me inscrib. Al principio

me dijeron que era una mala decisin, pues ellos no podran apoyarme con los

gastos, sin embargo en mi mente nunca hubo un no, de todas formas no haba

nada que perder, pero si mucho que lograr. Transcurrieron los aos y

trabajando como tcnico a domicilio y gracias a Dios y al apoyo de mi madre y

hermanos pude concluir esta maravillosa etapa.

ii

Miro hacia atrs, veo el camino recorrido y pienso como todo comenz con una

camisa bazar, la cual us durante toda mi carrera y que an conservo con

mucho cario, de ella naci todo, en ella estn los ms hermosos valores que mi

madre inculc en m, humildad y perseverancia; en mi mente estn siempre los

fines de semana buscando trabajo en los pueblos, las 4 horas diarias de viaje

para ir de mi casa al Tecnolgico y viceversa, esas noches de desvelo estudiando

para los exmenes, y todas esas limitaciones que implica en ocasiones el

estudiar una carrera.

Si comento todo esto no es para vanagloriarme si no para decirle a quien se

encuentre en una situacin similar, que si se puede, hay que intentarlo, pues

con esfuerzo y perseverancia todo es posible, no perdemos nada al intentarlo y

tenemos mucho por ganar.

Tengo en mi mente tambin todas las vivencias con mis compaeros dentro y

fuera del tc, esos largos ratos frente al pizarrn resolviendo ejercicios, las

tardes despus de clases estudiando cuyas sesiones se extendan hasta la

madrugada y en muchas ocasiones hasta el amanecer; mis ms sinceros

agradecimientos a mis compaeros y amigos: Rogelio, Jos Alberto, Silvano,

Manuel, Abelito, Rubicel, Daro y Erick quien es tambin mi compaero de

tesis, sin ellos nada de esto habra sido posible, muchas gracias por su apoyo

incondicional en cada momento. Pero sobre todo gracias a Dios por darme esta

oportunidad.

Jos Vazquez Xolo

ORGULLOSAMENTE TC MINA

iii

Dedicatoria.

A mi madre.

Quin pese a carencias y dificultades siempre luch para sacarnos adelante, aun en

los momentos difciles siempre estuvo ah. Su amor incondicional, valenta, humildad

y esfuerzo han hecho de m un buen ser humano. Mam, con cario y gratitud este

logro es por usted y para usted.

A mi hermano Adn.

Su trabajo y dedicacin tuvieron siempre como objetivo la superacin familiar, el apoyo

brindado durante preparatoria fue el impulso necesario para poder continuar con la

carrera.

A mis hermanos y hermanas No, Miguelito, Eva, Martha y Guadalupe.

Gracias por el apoyo incondicional, este logro es tambin por ellos, cada uno puso un

granito de arena para que esto fuera posible.

A mi padre.

Aunque las circunstancias de la vida no permitieron que creciramos a su lado, nos

ense siempre a trabajar, a ser personas de bien, esas y otras enseanzas suyas han

forjado mi persona.

Jos Vazquez Xolo

iv

Recuerdo con una gran sonrisa una pequea historia que me conto mi Mam. T padre se conformaba con que pusieras un pie en el INSTITUTO TECNOLOGICO DE MINATITLN. No importara que solo presentaras el examen de admisin y no lo aprobaras. Era su ilusin ms grande. Hoy a ms 5 aos de haber presentado el examen de admisin no solo cumpl uno de los sueos ms grandes de mi padre sino que tambin logre concluir con xito y esfuerzo una Ingeniera. El estudiar la ingeniera no fue un camino fcil ya que estuvo lleno de retos y aventuras cada da como estudiante, le dedique tiempo a cada una de las materias para poder adquirir conocimiento de cada uno de los profesores que con dedicacin impartan sus clases. En el trayecto de la carrera comprend mi compromiso como estudiante y es ah cuando le agarre cario a la Ingeniera Electrnica. Como olvidar los das de clases junto a mis compaeros, las noches de desvelo tratando de resolver algn problema o terminando un proyecto final, las horas en el campo jugando fut-bol y las horas en que nos juntbamos a platicar. Como olvidar que siempre estuvieron conmigo para orientarme, corregirme y apoyarme en los momentos ms difciles. Por ellos que con el paso de tiempo les agarre cario y aprecio: Jos Vzquez Xolo, Rubisel Antonio Montiel, Rogelio Espndola Molina, Manuel Reyes Chvez, Silvano Yuca Valenzuela, Abel Torres Francisco, Daro Alafita Prez, Jos Alberto Santiago Torres, Carmen Luca Prez Martnez, Susana Haydee Sainz Garca, Dulce Martnez Gonzlez a ustedes quiero decirles Mejores compaeros no pude tener. Tengo muy presente aquellos das de juventud a lado de personas con las cuales comprend a distinguir los peligros de la vida y no tener miedo a enfrentarla entre ellos un amigo Oscar Alonzo Linares Gonzlez. Muchas gracias por creer en m, a su lado siempre aprend algo y crdito de este trabajo es para ustedes.

Erick Snchez Rojas

v

Dedicatoria

A Dios: Le agradezco a mi Dios padre y a mi seor Jesucristo por haberme acompaado, guiado y suplido todo a lo largo de mi carrera, por ser mi fortaleza en los momentos de angustia y debilidad, por haberme dado la oportunidad de aprender y tener una nueva visin de vida con nuevas experiencias Gracias Dios.

A mi Madre: Que siempre me llena de Bendiciones, Amor, Cario, Apoyo Incondicional y sus Sabios Consejos para hacerme una persona de bien. Eres la persona ms importante en mi vida. A mi Padre:

Este logro empez con una ilusin tuya hoy es una realidad. Siempre te agradecer el esfuerzo, trabajo y sacrificio que haces por tus hijos.

Erick Snchez Rojas

vi

Agradecimientos.

En primer lugar a Dios y a nuestras familias por estar con nosotros en todo momento.

Al Instituto Tecnolgico de Minatitln por formarnos profesionalmente, llegamos como

estudiantes entusiastas en busca de superacin y hoy nos vamos como Ingenieros.

Cuando comenzamos esta aventura llamada Ingeniera Electrnica no tenamos

nociones de lo extenso que es su campo de aplicaciones. El amplio espectro de esta

tiene ventajas importantes para el ingeniero electrnico pues el campo de accin es

tambin extenso. Al concluir una carrera es comn hacerse estas preguntas hacia

dnde dirigir los esfuerzos? y dnde aplicar el conocimiento adquirido?, nosotros nos

hicimos las mismas preguntas y fue en esta parte donde nuestro asesor el Dr. Jos de

Jess Moreno Vazquez nos brind la orientacin necesaria. Llegamos al departamento

de Posgrado e Investigacin en busca de una oportunidad para realizar las residencias

profesionales, sin una sola idea de un proyecto para realizar y fue el Dr. Moreno quien

nos orient, queremos agradecer en esta parte por darnos un objetivo y por brindarnos

todo el apoyo y asesora necesarios para el desarrollo de este trabajo de investigacin.

Agradecemos al M.I. Oscar Pin Jimnez, quien siempre fue un ejemplo a seguir, nos

sentimos afortunados por la oportunidad de haberlo tenido como profesor en tres

ocasiones distintas, clculo vectorial, algebra lineal y ecuaciones diferenciales,

materias en ocasiones complicadas para el estudiante de ingeniera, sin embargo el

siempre hizo de estas clases algo interesante. La confianza y amistad que siempre

brind a nuestro grupo hizo del proceso de aprendizaje algo sencillo. Sus clases nos

dieron las herramientas necesarias para incursionar en la ingeniera.

Nuestro sincero agradecimiento a nuestros profesores: Ing. Eduardo Zendejas Ubieta,

Ing. Flor de Azalia Lopez Roblez, Ing. Paciano Jurez Lpez, Ing. Alberto Gonzlez

Facundo, Ing. Alfredo Herrera Jauregui, Dr. Anastasio Wilfrido Garca Nez, Ing.

Elvia Martnez Arrazola, M.C. Ral Antonio Ortiz, M.C. Marcia Lorena Hernndez

Nieto, M.I. Vicente Vega Soto, M.E. Nstor Gutirrez Reyes, MC. Jos Luis Minaya

Cantn, MDU. Antonia Zamudio Radilla, Ing. Senn Barrientos Gmez, Dr. Aldo

Rafael Sartorius Castellanos, Dra. Ana Estela Ruz Linares todos ellos profesores del

rea de Ingeniera Electrnica. Un agradecimiento especial a la Ing. Elsa Nohem

Palomo Morales jefa del departamento de Ingeniera elctrica y electrnica por su

comprensin, humanismo y apoyo durante la carrera.

Este prototipo es parte del proyecto denominado Sistema de rehabilitacin para

extremidades inferiores del cuerpo acadmico Diseo de Sistemas Elctricos y

Electrnicos, de la divisin de Posgrado e Investigacin del Instituto

Tecnolgico de Minatitln, por lo que expresamos nuestro agradecimiento a los

profesores miembros de este cuerpo acadmico por darnos la oportunidad de

contribuir al desarrollo de este proyecto.

Erick Snchez Rojas

Jos Vazquez Xolo

vii

CONTENIDO Introduccin..... 1 Planteamiento del problema 2 Justificacin..... 3 Objetivo general y especficos del proyecto............................................ 3

CAPTULO I

ANATOMA MUSCULAR Y SUS BIOSEALES

1.1 Anatoma muscular 4 1.1.2 Unidad motora.. 6

1.1.3 Estructura del msculo. 7 1.2 Msculos del muslo... 9 1.3 Bioseales.. 10

1.3.1 Potencial de reposo... 13 1.3.2 Potencial de accin... 14

1.4 Electromiografa 15 1.4.1 Tcnica EMG de Superficie. 17 1.5 Electrodos para adquisicin de seales mioelctricas... 18 1.5.1 Interfaz electrodo electrolito. 18 1.5.2 Potencial de semicelda (voltaje de media celda).. 19 1.5.3 Modelo elctrico de la interfaz electrodo electrolito..... 20 1.5.4 La interfaz electrodo Piel.. 21 1.6 Electrodos superficiales. 22 1.6.1 El electrodo de plata / cloruro de plata. 23 1.7 Artefactos.. 25 1.8 Colocacin de los electrodos para SEMG en los msculos del cudriceps... 25

CAPTULO II

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

2.1 Las terminales del Op Amp... 28 2.2 Amplificador operacional ideal..... 29 2.3 Amplificador operacional real... 31 2.4 Amplificador inversor 31 2.5 Amplificador no inversor... 32 2.6 Seguidor de tensin....................... 33 2.7 Amplificador de instrumentacin.. 34 2.7.1 Funcionamiento y clculos... 34 2.7.2 Etapa Pre-Amplificacin.. 36 2.7.3 Etapa diferencial... 37 2.8 El amplificador AD620..... 39 2.8.1 Descripcin del Amplificador AD620................................. 39 2.8.2 Teora de operacin del Amplificador AD620..... 40 2.9 Sistema de excitacin de pierna derecha... 41

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CAPTULO III

FILTROS PARA ACONDICIONAMIENTO DE BIOSEALES

3.1 Filtros analgicos... 44 3.2 Filtros especiales.... 45 3.3 Filtro pasa bajas..... 46 3.3.1Filtro Butterworth pasa bajas de -60 dB/dcada 47 3.3.2 Consideraciones para el diseo del filtro Buterworth pasa bajas de

-60dB/dcada....48 3.3.3 Respuesta del filtro...49

3.4 Filtro Pasa altas..49 3.4.1 Filtro Butterworth pasa altas 60 dB/dcada. 50 3.4.2 Consideraciones para el diseo del filtro Butterwoth pasa altas de

60 dB/dcada.... 51 3.4.3 Comparacin de magnitudes y ngulos de fase............................ 51

3.5 Filtro pasa banda............52 3.5.1 Ancho de banda.................... 53 3.5.2 Factor de calidad. 53 3.5.3 Circuito del filtro banda angosta.. 53 3.5.4 Funcionamiento.... 54 3.6 Filtro de muesca......................................... 55 3.6.1 Procedimiento para construir un filtro de muesca........ 56

CAPTULO IV

DISEO E IMPLEMENTACIN DEL PROTOTIPO

4.1 Diagrama a bloques del sistema.57 4.2 Diseo del bioamplificador....58 4.2.1 Ganancia del amplificador de instrumentacin.............................59 4.3 Diseo del filtro de muesca (60Hz)...60 4.4 Diseo del filtro pasa banda 15 150 HZ............. 64 4.4.1 Filtro pasa altas fc=15 HZ.................................... 65 4.4.2 Filtro pasa bajas fc=150 HZ. 68 4.4.3 Respuesta del filtro pasa banda.....72 4.5 Pruebas preliminares.................. 73 4.5.1 Etapa de amplificacin final..... 75 4.6 Diseo de la PCB... 77 4.7 Pruebas y resultados...... 83 4.7.1 Visualizacin de seales EMG en osciloscopio y pc86 Conclusiones y trabajos futuros... 90 Bibliografa.. 91

1

INTRODUCCIN

La electromiografa (EMG) es una tcnica usada en el estudio de la actividad electrofisiolgica del sistema muscular. Consiste en el registro de los potenciales elctricos que se generan en el msculo esqueltico el cual va unido al hueso por medio de tendones y que es el responsable de crear movimiento cuando este se activa. Es til en la evaluacin del estado de los nervios que controlan la musculatura, permite detectar el grado de compresin o sufrimiento de estos; adems ayuda a medir la velocidad del desplazamiento del estmulo elctrico aplicado durante terapias de rehabilitacin, as como la respuesta del msculo al ser estimulado para identificar sus diferentes estados: fatiga, tensin, contraccin y relajacin. El equipo mdico utilizado para realizar este anlisis recibe el nombre de electromigrafo. Este anlisis consiste en la colocacin de electrodos sobre o dentro del msculo bajo diagnstico para capturar las seales EMG que se generan en l, estas se analizan para buscar patrones que permitan identificar posibles patologas, o caracterizar la seal para el control de una prtesis binica. Existen dos tcnicas electromiogrficas EMG superficial y EMG de aguja, las seales caractersticas se encuentran entre 0.1 mV y 1 mV para para el primer caso, y entre 0.1 mV y 5 mV para el segundo, esta es la razn por la que deben ser amplificadas para poder visualizarse. La naturaleza milivoltaica de esta seal la hace vulnerable a la contaminacin por cualquier ruido, por lo que debe filtrarse antes de tomarse como correcta. Una amplificacin final al orden de los volts entrega una seal til para visualizarla o darle algn procesamiento segn se requiera. Los amplificadores y configuraciones utilizados en el anlisis electromiogrfico deben tener una alta ganancia, baja vulnerabilidad al ruido, y un alto CMRR por tratarse de un equipo mdico y de las responsabilidades que conlleva la informacin que este entrega.

2

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Las enfermedades y traumatismos que afectan al sistema msculo-esqueltico y generan discapacidades, son considerados en la actualidad un grave problema de salud pblica, debido a su magnitud, impacto y trascendencia. Sin embargo, muchas veces se carece de informacin suficiente y oportuna que facilite llevar a cabo un anlisis con el objetivo de establecer acciones de prevencin, diagnstico, tratamiento y rehabilitacin oportuna y eficiente as como realizar las medidas correctivas.

La discapacidad constituye uno de los ms graves problemas de salud pblica, que en los ltimos aos se ha incrementado; considerndose un fenmeno multidimensional y multifactorial, donde la desigualdad y la pobreza constituyen factores que la generan y facilitan su gravedad y perpetuacin, afectando el resto de la vida del paciente discapacitado y su entorno. En Mxico, se estima que el 10 % del total de la poblacin padece alguna discapacidad, pero de acuerdo con datos del Instituto Nacional de Estadstica, Geografa e Informtica de Mxico (INEGI), en el 2010 el 5.1 % de la poblacin, sufra de alguna discapacidad severa, es decir unos 5, 739,270 habitantes estn seriamente daados, de los que el 51.1 % estaba integrado por las mujeres y el 48.9 % por hombres [1]. Todo tratamiento de alguna enfermedad o padecimiento requiere adems de medicamentos, de equipo muchas veces sofisticado; los altos costos de los equipos mdicos necesarios para el diagnstico y tratamiento de este tipo de enfermedades son el principal factor por el cual se carece de ellos en muchos hospitales; esta situacin es mucho ms frecuente en zonas urbano-marginadas y comunidades rurales. Una causa importante de discapacidad son las lesiones relacionadas con la fractura de piernas o propiamente lesiones en la rodilla, a la cual estn expuestos no solo los deportistas si no cualquier persona que desarrolle actividades que conlleven riesgo alguno para esta parte del cuerpo [1]. El tratamiento de las discapacidades provocadas por enfermedades msculo-esquelticas y lesiones, requiere de equipos como rayos x para tomar radiografas y electromigrafos para realizar los diagnsticos pertinentes; estos equipos son comerciales, aunque el ltimo es muy poco comn y en la mayora de las ocasiones solo se cuenta con l en clnicas ortopdicas o centros especializados en medicina del deporte. El electromigrafo mide las seales elctricas que aparecen en las fibras musculares; dichas seales conocidas como mioelctricas o electromiogrficas (EMG) se producen en los msculos cuando estos se contraen o relajan.

3

El estudio de las seales mioelctricas (electromiografa) brinda la oportunidad de conocer el estado del msculo, pues un msculo sano presenta seales caractersticas distintas a uno atrofiado [2]. Pese a lo costoso de un equipo para electromiografa, si este se desarrolla en escuelas de nivel superior o centros de investigacin y si se cuenta con la colaboracin de centros mdicos, puede tenerse un ahorro significativo, con la ventaja de no depender de tecnologa extranjera, adems de que el equipo puede ser diseado con las caractersticas requeridas, acorde a los problemas a resolver, o necesidades a suplir.

JUSTIFICACIN

El anlisis de patrones de los msculos involucrados en el movimiento de la rodilla es de suma importancia en el rea mdica, ya que a travs de ellos pueden determinarse posibles patologas y con antelacin proporcionar una rehabilitacin temprana que evite complicaciones futuras al paciente. Adems, en caso de necesitarse una ciruga, las seales EMG pueden ser de utilidad para controlar rtesis que ayuden al paciente a recuperarse ms rpidamente, por ello, es de suma relevancia contar con una tarjeta de adquisicin de seales electromiografas que permita monitorear las seales bioelctricas de estos msculos.

OBJETIVO GENERAL

Disear e implementar un sistema para la adquisicin y acondicionamiento de seales mioelctricas generadas en los msculos que intervienen en el movimiento de la rodilla.

OBJETIVOS ESPECFICOS

- Realizar una investigacin sobre la anatoma muscular dando nfasis a los msculos del cudriceps y sus bioseales caractersticas, para detectar patrones en el movimiento de la rodilla.

- Disear una etapa de alta ganancia para amplificar las seales EMG, utilizando un amplificador de instrumentacin.

- Disear una etapa de filtrado para eliminar las seales no deseadas en el sistema electromiogrfico por medio de un filtro de tercer orden.

- Verificar mediante simulaciones la respuesta de las etapas diseadas usando el software Multisim.

- Implementar las diversas etapas, e interconectarlas para formar el sistema completo.

- Comprobar el correcto funcionamiento del sistema, mediante pruebas con un paciente.

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CAPTULO I: ANATOMA MUSCULAR Y SUS BIOSEALES

5

1.1.- ANATOMA MUSCULAR. Los msculos son los encargados de darle movilidad y estabilidad al cuerpo humano. Tienen como caracterstica principal las propiedades de:

- Contraccin: Capacidad de acortar sus fibras. - Elasticidad: Caracterstica que les permite recuperar su forma despus de una

contraccin. - Excitabilidad: Capacidad de responder a los estmulos.

Los msculos pueden clasificarse de acuerdo a su estructura y caractersticas histolgicas (aspecto al microscopio). Usando esta clasificacin hay tres tipos de msculos.

Msculo liso: Recubre las estructuras internas, como la pared intestinal, vejiga, bronquios, vasos sanguneos, etc. Su movimiento es involuntario.

Msculo cardiaco: Es de gran excitabilidad y conductividad, esto determina su capacidad de presentar contracciones rtmicas y frecuentes, las cuales establecen el ritmo cardiaco (80 contracciones por minuto en un adulto). Su movimiento es involuntario.

Msculo estriado: Puede realizar contracciones rpidas o lentas, y a diferencia de los anteriores este msculo llega a la fatiga. Su movimiento puede ser controlado a voluntad propia [3].

El tipo de msculo en el que se centra esta investigacin es el msculo estriado, estos msculos como ya se mencion pueden ser controlados voluntariamente, como en el caso de los involucrados en la movilidad de brazos y piernas que pueden flexionarse y relajarse a voluntad. Tambin puede clasificarse a los msculos segn su disposicin anatmica:

Visceral.

Cardiaco.

Esquelticos. Cada uno se corresponde con los de la anterior clasificacin respectivamente. En el msculo se distinguen dos tipos de unidades: las anatmicas y las funcionales. La unidad anatmica es la fibra muscular, mientras que la unidad funcional es la unidad motora.

6

En la figura 1.1 se muestran los diversos msculos del cuerpo humano, cabe destacar que esta investigacin se centrar solo en los msculos de la extremidad inferior.

Figura 1.1. Msculos del cuerpo humano [4].

7

1.1.2.- UNIDAD MOTORA. Una unidad motora (U.M) es un grupo de fibras musculares inervadas por una sola motoneurona de la mdula espinal o de un ncleo motor del tallo cerebral. Una unidad motora comprende: una motoneurona, su axn, sus ramificaciones y el conjunto de fibras musculares sobre los que estos hacen contacto sinptico (sinapsis). En la figura 1.2 se muestra la disposicin de la motoneurona en la unidad motora.

Si la motoneurona sufre una despolarizacin, esta recorre todo el axn hasta las terminaciones sinpticas y provoca la despolarizacin, casi sincrnica en el conjunto de fibras musculares de la unidad motora [3].

En la figura 1.3 se observa en detalle la unidad motora, la mdula espinal, y las terminales nerviosas tanto del msculo como de la piel.

Cuerpo

celular

Ncleo

Axn

Sinapsis

Fibra

muscular

En la medula

espinal

En el

msculo

Figura 1.2. Unidad motora [5].

8

Figura 1.3. Mdula espinal y unidad motora [6].

1.1.3.- ESTRUCTURA DEL MSCULO.

Un msculo puede considerarse como un conjunto de unidades motoras dispuestas en paralelo, entre las cuales se encuentran otras fibras musculares modificadas llamadas Husos Musculares que contienen elementos sensoriales que perciben las contracciones en el msculo y sirven para el servo control de la posicin del msculo [3]. En los msculos estriados, la fuente principal de energa para la contraccin muscular es el ATP (Adenosntrifosfato) el cual al entrar en contacto con las protenas fibrosas de actina y miosina produce el acortamiento de estas fibras. La figura 1.4 muestra la estructura de un musculo estriado y la disposicin de la actina y miosina en este tipo de msculos.

Figura 1.4. Estructura del msculo esqueltico o estriado [7].

9

Las fibras musculares que se especializan en la actividad de alta potencia durante

periodos cortos de tiempo se llaman fibras blancas o tipo I y son las que usan ms la

va energtica del ATP a travs del mecanismo de la Gliclisis (tomando molculas

de glucosa del glicgeno almacenado en el msculo). Por sus propiedades

mecnicas se les llama tambin fibras de contraccin rpida, fatigables o (FF).

Las fibras musculares que deben permanecer en actividad por periodos largos de

tiempo se llaman fibras rojas o tipo II. Son las primeras en ser activadas en la

contraccin muscular cuando se requiere un nivel bajo de potencia. Por sus

propiedades mecnicas se les llama tambin fibras de contraccin lenta resistentes a

la fatiga (SR).

Hay otras fibras musculares cuyas propiedades mecnicas se encuentran entre las

dos anteriores (FF y SR). Generan una contraccin relativamente rpida, pero

tambin son relativamente resistentes a la fatiga y se les llama fibras resistentes a la

fatiga o (FR) [3].

Cuando un msculo entra en actividad pueden presentarse tres fenmenos [4]:

A) El msculo activo se acorta acercando sus dos extremos. A esto se le conoce como contraccin isotnica. Un ejemplo es la contraccin del msculo bceps, cuando se levanta un objeto pesado.

B) El msculo est activo, pero su longitud se mantiene constante. A esto se le llama contraccin isomtrica. La accin del bceps del brazo cuando se soporta una carga pesada con los brazos es un ejemplo de ello.

C) El msculo se activa, pero sus extremos se alejan, alargando el msculo. A esto

se le llama contraccin excntrica. Un ejemplo de esto es la accin de los msculos del brazo en el momento de lanzar una pelota.

Con base en lo anterior puede clasificarse a los msculos de la siguiente forma:

1 Abductores: Son los que se encargan de alejar las extremidades del eje central del cuerpo. Ejemplo: Levantar una pierna a los lados.

2 Aductores: Son los encargados de llevar las extremidades hacia el eje central del cuerpo. Ejemplo: Llevar un brazo hacia adentro del cuerpo, como poner el codo a nivel del ombligo.

3 Pronadores: Son los que hacen girar las extremidades hacia adentro. Ejemplo: Girar la mano hacia adentro.

4 Supinadores: Son los que permiten la inclinacin de las extremidades. Ejemplo: Inclinar la mano hacia los lados.

5 Flexores: Son los que permiten la flexin de las extremidades. Ejemplo: La flexin de la pierna sobre el muslo o del brazo sobre el antebrazo.

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6 Extensores: Son los que permiten la extensin de las extremidades. Ejemplo: La extensin de la pierna sobre el muslo o del antebrazo sobre el brazo [4].

1.2.- MSCULOS DEL MUSLO.

La tarjeta para electromiografa objeto de este trabajo, se centra en la obtencin de seales EMG de los msculos del muslo relacionados con el movimiento de la rodilla, esa es la razn por la que en lneas posteriores se describe brevemente su anatoma, pero se estudia en especial a 3 msculos: vasto medio, vasto lateral y recto femoral. El muslo humano, tambin conocido como regin femoral, es el segundo segmento de la extremidad inferior, entre la cintura por arriba y la pierna por abajo. Muslo y pierna se articulan en la rodilla. Esta parte del cuerpo est formada por un solo hueso largo: el fmur. Los msculos que conforman el muslo se agrupan en tres compartimientos: anterior, medial y posterior. El propsito de este trabajo es medir las seales EMG que aparecen en los msculos del compartimiento anterior por lo que solo se dar nfasis a este. Cudriceps o compartimiento anterior. El compartmiento anterior o tambin conocido como cudriceps por estar compuesto por 4 cabezas msculares, es el msculo ms potente y voluminoso de todo el cuerpo humano, se encuentra en la cara anterior del fmur. A continuacin se mencionan los msculos que componen este compartimiento.

Msculo recto femoral o recto anterior: Cubre el vasto intermedio y parte de los vastos medial y lateral. Se origina en la espina ilaca anteroinferior y ceja cotiloidea, ambas en el hueso coxal.

Msculo vasto medial o vasto interno: Cara antero-medial (hacia la lnea media o cara interna) del muslo. Se inserta en la rtula y tibia. Tiene un origen extenso que va desde la parte distal (extremo medial inferior) de la lnea intertrocantrea hasta el labio medial de la lnea spera, ambas lneas pertenecientes al fmur.

Msculo vasto lateral o vasto externo: Cara antero-lateral (cara externa) del muslo. Se origina en la parte superior de la lnea intertrocantrea, en el trocnter mayor, y borde lateral de la lnea spera.

Msculo vasto intermedio o crural: Situado entre los dos anteriores, en la cara anterior del fmur y debajo del recto femoral. Es el ms profundo de los 4 vientres del cudriceps. Se origina en los dos tercios superiores de las caras anterior y lateral del fmur.

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El cudriceps es el extensor mximo de la rodilla. Por otra parte, el recto femoral tambin es flexor de la cadera. Esta funcin es esencial para andar y correr ya que impulsa la pierna hacia delante [8]. La figura 1.5 resume los msculos del compartimiento anterior o cudriceps. Puede observarse que los cuatro vientres o cabezas musculares convergen y forman un tendn muy grueso y potente. Este tendn es conocido como cuadricipital, el cual se inserta en la base y lados de la rtula de la rodilla. Luego este tendn pasa a constituir el ligamento o tendn rotuliano, el cual va desde el vrtice de la rtula hasta la tuberosidad anterior de la tibia.

Figura 1.5. Msculos del compartimiento anterior del muslo o cudriceps [8].

1.3.- BIOSEALES. Una bioseal o seal bioelctrica es propiamente el registro macroscpico de la superposicin de diferentes potenciales de accin asociados a un rgano o tejido determinado. Al igual que en telecomunicaciones donde una seal es un medio de transmisin, cuya adquisicin permite obtener informacin de la fuente que la envi, para el caso de las bioseales las fuentes son los diferentes sistemas fisiolgicos del organismo y la captacin de estas permite extraer informacin sobre el funcionamiento de los diferentes rganos.

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El estudio clnico de las seales bioelctricas brinda la informacin necesaria para realizar un diagnstico de la parte del cuerpo que se est evaluando. Esta informacin puede ser obtenida y registrada por medio de circuitos electrnicos diseados acorde al tipo de seal que se busca registrar, esta es la razn por la cual existe una amplia gama de equipos dedicados a estos fines. Las bioseales registradas ms comunes son:

- E.C.G (electrocardiograma) - E.M.G (electromiograma) - E.R.G (electroretinograma) - E.E.G (electroencefalograma) - E.O.G (electrooculagrama) -

En la tabla 1.1 se detallan las caractersticas y especificaciones de algunas seales que pueden registrarse y se resalta la EMG superficial, pues es esta la tcnica en la que se usar el sistema bajo diseo.

Tabla 1.1. Bioseales ms registradas [3].

Seal Niveles de

voltaje

Z Electrodo Tipo de

Electrodo

Ancho de banda

ECG 0.5 a 4 mV 1 a 100k

(Media alta) De superficie 0.05 a 100 Hz

EEG 5 a 300 V 100 a 500 K

(alta)

Electrodo tipo

Scalp 0.05 a 300 Hz

EMG

superficial

0.1 a 1mV 200 a 5K (baja media)

Electrodo

Superficial

10 Hz a 2 Khz

EMG de

aguja

0.1 a 5mV 100k

(Media alta) Electrodo de

aguja

0.05 Hz a 10 Khz

EOG 50 V a 3.5mV Alta De superficie DC a 50 Hz ERG 0 a 900 mV Alta De superficie Dc a 50 Hz

EGG 1 mV a 10 mV Media De superficie DC a 1 HZ

Las bioseales no son solo de carcter elctrico, como ya se mencion una seal es un medio de transmisin de informacin. Tomando este razonamiento, existen tambin seales biolgicas de tipo mecnicas, acsticas, biomagnticas, imgenes, impedancias, y seales bioqumicas. La tabla 1.2 muestra una clasificacin ms completa de las bioseales empleadas en el anlisis clnico, se muestra tambin el rango en amplitud y frecuencia de estas.

13

Tabla 1.2. Rango de algunas seales biomecnicas, biomagnticas, impedancias y bioqumicas [9].

14

1.3.1.- POTENCIAL DE REPOSO.

La membrana celular est compuesta de un complejo lipoprotenico muy delgado (de 7 a 15 nanmetros), generalmente impermeable a las protenas e iones existentes en el interior de la clula. No obstante, presenta diversos grados de permeabilidad a algunas especies inicas como el Na+, K+ o Cl-, entre otras. La diferencia de permeabilidades entre estos iones se debe fundamentalmente a la presencia de poros o canales selectivos a cada tipo de iones.

El hecho de disponer de dos medios diferentes (interno y externo a la clula) separados por una membrana con estas caractersticas implica la aparicin de dos flujos de iones a travs de la membrana. El flujo de difusin se debe a la diferencia de concentracin a ambos lados de la membrana, y alcanzara un estado estacionario cuando se igualaran las concentraciones. El flujo elctrico aparece debido a que los iones presentan carga elctrica, y el movimiento de cargas a travs de la membrana da lugar a un potencial elctrico a ambos lados de la misma que se opone a dicho flujo de difusin. Finalmente se alcanza un estado estacionario cuando el flujo de iones debido a la difusin se iguala con el debido al de la diferencia de potencial, consiguindose un potencial neto entre el interior y el exterior de la clula llamado potencial de reposo. El potencial, medido respecto al exterior de la clula, vara segn el tipo entre -60 mV y -100 mV [9]. Esta situacin de equilibrio con diferentes concentraciones en el interior y exterior de la clula requiere un flujo de iones en ambos sentidos de acuerdo con sus respectivos gradientes de difusin (ver figura 1.6). Este mecanismo de transporte activo de iones, que utiliza energa de la clula para mantenerse, se conoce como bomba de Na-K, y extrae Na+ del interior de la clula a la vez que bombea K+ desde el exterior en una proporcin 3Na+ : 2K+, produciendo un potencial neto intracelular negativo [2].

Figura 1.6. Mecanismo de la bomba de sodio-potasio que muestra las concentraciones de los iones Na+ y K+ cuyo intercambio inico de sodio hacia afuera de la clula, y de potasio hacia el interior de esta establece un voltaje negativo conocido como potencial de membrana en reposo. Donde ATP es difosfato de adenosina; ATP, trifosfato de adenosina; Pi, in fosfato [9]. [2].

15

1.3.2.- POTENCIAL DE ACCIN.

Al estimular la clula, la membrana cambia sus caractersticas. El estmulo puede deberse a diferentes causas. Por ejemplo, en tejidos de rganos sensoriales, los canales de las membranas celulares estn conectados a receptores del tipo de energa al que son sensibles, produciendo sta la estimulacin. En el resto de membranas, la estimulacin se produce por cambios en el potencial transmembrana. Por ltimo, el estmulo puede ser externo, producido por algn tipo de estimulador artificial. En condiciones normales (sin excitacin), se mantiene una situacin de equilibrio a ambos lados de la membrana con un potencial negativo en el interior de la clula (potencial de reposo). En este estado, se dice que la clula est polarizada [2].

El cambio de caractersticas inducido por la estimulacin produce una variacin de las permeabilidades a los diferentes iones que presentaba la membrana durante el potencial de reposo. Adems, este cambio depende de la tensin (se requiere una amplitud mnima o umbral por debajo de la cual no se produce el cambio de estado celular) y del tiempo (las modificaciones inducidas por la estimulacin en las permeabilidades revierten al cabo de un cierto tiempo a sus valores originales). Estas modificaciones afectan especialmente a las permeabilidades del Na+ y K+. Tras la estimulacin, al incrementarse la permeabilidad al Na+, la membrana comienza a admitir este tipo de iones. La entrada de stos la hace a su vez ms permeable, producindose un efecto de avalancha en el que gran cantidad de Na+ entra en la clula, desalojando a algunos K+, pero tan slo en una pequea proporcin. El efecto neto es que la clula queda cargada positivamente (despolarizada), a un valor de aproximadamente +20 mV. Este valor se denomina potencial de accin. Una vez alcanzado este nuevo estado de equilibrio, la membrana vuelve a impedir la entrada a nuevos iones. La evacuacin de los mismos (proceso de repolarizacin), est asociado a la dependencia temporal de la nueva permeabilidad de la membrana, que retorna al cabo de cierto tiempo a sus caractersticas iniciales, y por tanto a las concentraciones en reposo. La duracin del potencial de accin depende del tipo de clula, yendo desde un valor en torno al milisegundo para clulas musculares y nerviosas, hasta los 150-300 msg del msculo cardaco [2]. La figura 1.7 muestra las amplitudes de los potenciales de accin y reposo de una clula nerviosa. Los postpotenciales que aparecen al final de la fase de repolarizacin se corresponden con el desfase existente entre las modificaciones de las permeabilidades del Na+ y K+.

16

Figura 1.7. Amplitudes de los potenciales de accin y reposo a travs de la membrana celular [9].

1.4.- ELECTROMIOGRAFA.

La electromiografa es una tcnica de adquisicin y estudio de seales que aparecen en los msculos producto del intercambio inico de sodio y potasio en las membranas celulares que forman las fibras musculares.

Una de las principales aplicaciones de las tcnicas electromiogrficas es el estudio de la actividad elctrica muscular. La activacin de cada fibra del msculo se produce en respuesta a un potencial de accin transmitido a travs de la fibra nerviosa motora (axn), que inerva la fibra muscular. La combinacin de la clula nerviosa motora en la espina dorsal, su axn, y las fibras musculares que inerva forman la unidad funcional bsica del sistema muscular, esta es la denominada unidad motora. Cuando el potencial de accin nervioso alcanza la unin compuesta de tejido especializado entre el nervio y el msculo, cierta cantidad de transmisor qumico se produce, convirtiendo el potencial de accin nervioso en otro muscular que se propaga por la fibra muscular completa [3]. Existen tres tipos de tcnicas para electromiografa [9]:

Electromiografa de fibra nica SFEMG (Single Fiber Electromyography): Los potenciales de accin de una nica fibra muscular tienen una duracin de 1 msg aproximadamente, con amplitudes de algunos milivolts. El ancho de banda es de 500Hz-10kHz. Aunque el SFEMG contiene bajas frecuencias, se suelen eliminar minimizando as la contribucin de fibras distantes (que tienen la mayor parte de su potencia en el rango bajo debido al efecto del conductor volumtrico). El SFEMG se utiliza clnicamente para detectar distrofias musculares.

Potencial de accin de la unidad motora MUAP (Motor unitaction potential): Los potenciales de unidad motora son el resultado de la suma de distintos potenciales de accin de grupos de fibras musculares que se estn contrayendo casi sincronizadamente. Pueden ser monofsicos, bifsicos o trifsicos y, en ocasiones, polifsicos con cinco o ms fases. Su duracin es de 2-15 ms y su amplitud de 100 V a 2 mV. El ancho de banda es de 5 Hz-10 kHz. Si la contraccin muscular se hace muy intensa, se obtiene lo que se

17

conoce como patrn de interferencia: los MUAP se superponen, siendo difcil distinguir sus caractersticas individuales. La morfologa de los MUAP tambin se ve afectada por diferentes patologas, as como del estado del msculo bajo estudio, esta situacin se muestra en la figura 1.8.

Figura 1.8. a) MUAP de un paciente saludable; b) MUAP polifsicos patolgicos; c) MUAP al

incrementar el nivel de contraccin muscular [10].

EMG de superficieSEMG (Surface Electromiography): La seales, obtenidas mediante electrodos superficiales localizados sobre la piel, dan informacin sobre la actividad elctrica total asociada con la contraccin muscular, obtenindose un rango de 50 V a 5 mV. El ancho de banda para msculos estriados oscila entre los 2 Hz y 500 Hz, y para msculos lisos entre 0.01Hz y 1Hz. En la figura 1.9 se muestra un ejemplo de seal SEMG.

Figura 1.9. Seal caracterstica obtenida mediante electromiografa de superficie [11].

18

1.4.1.- TECNICA EMG DE SUPERFICIE.

La electromiografa de superficie es una tcnica que recoge seales de las fibras musculares mediante el uso de electrodos superficiales. Los electrodos constituyen un transductor entre la corriente electrnica en el sistema de registro y la corriente inica del tejido biolgico [12]. De la tabla 1.1 se tiene que las seales EMG de superficie se encuentran entre los 10 Hz y los 2 KHz. Sin embargo, cuestiones prcticas en msculos del cudriceps demuestran que la actividad de importancia se encuentra entre los 15 y 120 Hz, donde la zona de mayor concentracin de energa est alrededor de los 50 y 55 Hz [13]. Las seales electromiogrficas tienen ciertas caractersticas elctricas que deben tomarse como referencia, tanto para realizar mediciones con equipos comerciales como en el diseo de un equipo para tales fines. Entre estas caractersticas como ya se mencion, se tiene: el espectro de importancia, energa dominante o zona de mayor concentracin, la vulnerabilidad del sistema al ruido elctrico de 60 Hz, las amplitudes milivolticas, y una ltima, que si bien no depende tanto de las caractersticas del equipo pero que juega un papel importante en la calidad de las seales obtenidas es la posicin de los electrodos en el msculo [12]. La figura 1.10 muestra un modelo bsico de colocacin de electrodos en el brazo, como puede observarse los electrodos de deteccin siempre se colocan lo ms cercano posible entre ellos, mientras que el electrodo de referencia es colocado lo ms alejado posible de estos. Cabe sealar que los mdicos usan un modelo similar, colocando los electrodos de deteccin y el de referencia al paciente, despus mientras se monitorea la pantalla del equipo el paciente realiza una serie de ejercicios que repite con cierta periodicidad en un tiempo previamente establecido. Las seales capturadas en ese lapso de tiempo se analizan para detectar patrones o posibles anomalas en el msculo.

Figura 1.10. Modelo bsico para captura de seales EMG [14].

19

1.5.- ELECTRODOS PARA ADQUISICIN DE SEALES MIOELCTRICAS.

Los electrodos son la conexin entre el tejido biolgico o clula y la entrada del preamplificador en un equipo electromiogrfico. A diferencia de cualquier otra medicin utilizando puntas de prueba, en biomdica los electrodos en contacto con el tejido vivo generan condiciones de interfaz muy diferentes pues estos establecen contacto hmico con el tejido "va un electrolito" [3]. Existen diferentes tipos de electrodos utilizados con propsito clnico y de diagnstico, cuyas caractersticas varan de acuerdo a su aplicacin. Los electrodos elegidos para el registro de la actividad en un msculo o nervio depende del objetivo de la investigacin, del nmero de fibras que se van a examinar y del nmero de fibras que estn activas sobre la distribucin espacial del electrodo [15]. Hay sofisticados microelectrodos y electrodos tipo aguja, pero ninguno de estos es prctico cuando se requiere ergonoma en el procedimiento; tal como sucede en el de anlisis de fatiga de un msculo durante el ejercicio, en cuyo caso no pueden utilizarse electrodos de aguja pues impediran el libre movimiento del msculo que se est evaluando.

1.5.1.- INTERFAZ ELECTRODO-ELECTROLITO.

Los electrodos para bioseales o bioelectrodos estn compuestos de una combinacin metal-electrolito, el electrolito es una sustancia susceptible de ser descompuesta por electrlisis; si se sita el elemento metlico en contacto con una disolucin inica, ocurren intercambios de iones y electrones establecindose una interfaz entre electrodo y disolucin que, en equilibrio, produce un potencial de contacto. Esto sucede porque los electrones del metal tienden a entrar en la solucin electroltica y los iones del electrolito se combinan con los del metal del electrodo [16]. La interfaz electrodo-electrolito consiste en electrones que se mueven en una direccin opuesta a la de la corriente en el electrodo, cationes (C+) movindose en la misma direccin de la corriente, y aniones (A-) movindose en una direccin opuesta a la de la corriente en el electrolito (ver figura 1.11). El catin se descarga en el electrolito, mientras que el electrn permanece como un portador de carga en el electrodo; el anin que llega a la interfaz puede oxidarse a tomo neutro, dndole uno o ms electrones libres al electrodo.

20

Figura 1.11. Esquemtico de la interfaz electrodo electrolito [16].

1.5.2.- POTENCIAL DE SEMICELDA (VOLTAJE DE MEDIA CELDA):

Es una diferencia de potencial, determinada por la naturaleza del metal involucrado, la concentracin de sus iones en solucin y la temperatura. El potencial de semicelda se produce cuando se coloca un metal en una solucin que contiene iones (cationes) de este metal. Cuando el metal entra en contacto con la solucin, inicialmente, la reaccin predomina a la derecha o a la izquierda, dependiendo de la concentracin de cationes en solucin y las condiciones de equilibrio particulares. La concentracin local de cationes en la solucin en la interfaz cambia, lo cual tambin afecta la concentracin de aniones en este punto, lo que da como resultado la diferencia de potencial en el electrolito que rodea al metal [16]. Este potencial que aparece a travs de la interfaz electrodo-electrolito se caracteriza por ser variable y dependiente de los siguientes factores:

- Pureza del material empleado para fabricar el electrodo. - Homogeneidad del contacto (interfaz). - Homogeneidad del electrolito empleado para el registro. - Movimientos del paciente (artefactos) [10].

Para medir el potencial de media celda de un electrodo, este se coloca en la misma solucin donde se encuentra otro conocido como electrodo de flujo de hidrgeno el cual se utiliza como referencia, y se mide la diferencia de potencial que aparece entre estos por medio de un voltmetro de muy alta impedancia de entrada. El potencial de media celda a 25C de algunos materiales y aleaciones ms utilizadas en la fabricacin de electrodos, se muestra en la tabla 1.3. La polaridad del potencial es referida al electrodo de flujo de hidrgeno.

21

Tabla 1.3. Potencial de media celda de algunos materiales y aleaciones utilizados en la fabricacin de electrodos [16].

1.5.3.- MODELO ELCTRICO DE LA INTERFAZ ELECTRODO-ELECTROLITO.

Las caractersticas corriente-voltaje de la interfaz electrodo-electrolito no son lineales, son sensibles a la densidad de corriente, y dependientes de la forma de onda y frecuencia. Para entradas senoidales, las caractersticas terminales de un electrodo tienen tanto una componente resistiva como una reactiva, esto se puede modelar como una resistencia en paralelo con una capacitancia. El modelo elctrico de la interfaz electrodo-electrolito se muestra en la figura 1.12 donde puede apreciarse el voltaje de media celda representado por la fuente de cc, este modelo considera la variacin de la impedancia del electrodo en funcin de la frecuencia, cuyas impedancias se representan por medio de un circuito RC en paralelo donde a frecuencias bajas la impedancia es puramente resistiva. Combinando este circuito con una fuente de voltaje que represente el potencial semicelda y una resistencia en serie que represente la resistencia del electrolito y el alambre del conector, se obtiene el circuito equivalente para un electrodo biopotencial [17].

Figura 1.12. Modelo elctrico de un electrodo para medicin de biopotenciales, donde Ecell es el voltaje de media celda, Cd y Rd la impedancia del electrodo y Rs la resistencia del electrolito y el alambre del conector [17].

22

1.5.4.- LA INTERFAZ ELECTRODO-PIEL.

Al tomar biopotenciales de la superficie de la piel se debe considerar una interfaz adicional, la interfaz entre el electrodo-electrolito y la piel, esto ayuda a comprender el comportamiento del electrodo. Casi siempre para unir un electrodo a la piel se utiliza un gel para electrodos transparente el cual contiene Cl como principal unin para mantener un buen contacto. Entre este gel y el electrodo hay una interfaz que es la interfaz electrodo-electrolito, pero la interfaz entre el electrolito y la piel es diferente [17]. La piel consiste de tres capas principales que rodean el cuerpo para protegerlo del medio ambiente. Para representar la conexin entre un electrodo y la piel por medio de un gel se debe ampliar el circuito de la figura 1.12 al siguiente circuito ilustrado en la figura 1.13:

Figura 1.13. Interfaz electrodo-piel [17].

El circuito equivalente a la interfaz electrodo-electrolito es el que est al lado del gel-

electrodo, Rs es la resistencia efectiva entre la piel y el electrodo, y el estrato corneo

se puede considerar como una membrana semipermeable a iones, de tal modo que

si hay una diferencia en la concentracin de iones a lo largo de la membrana hay una

diferencia de potencial Ese.

El otro circuito RC es debido a que el fluido secretado por las gandulas y conductos

sudorparos contiene iones Na+, K+ y Cl-, este solo se toma en cuenta cuando se

mide la respuesta electrodermica.

La capa epidrmica tiene una impedancia elctrica y se comporta como un circuito RC en paralelo, para 1cm2 la impedancia de la piel se reduce desde 200k a 1 Hz

23

hasta 200 a 1 MHz, la dermis y las capas subcutneas se comportan como resistencias [18]. En la tabla 1.4 se muestran las impedancias de la piel bajo ciertas condiciones.

Tabla 1.4. Impedancias de la piel [18].

1.6.- ELECTRODOS SUPERFICIALES.

Los electrodos superficiales son aptos para medir potenciales en la superficie del cuerpo en aplicaciones como ECG y EMG. Un electrodo de este tipo consiste en una superficie metlica que se conecta al equipo de medida por medio de un conductor. En la parte inferior del electrodo se aplica gel electroltico y se pone en contacto con la piel por medio de succin, correas elsticas o superficies adhesivas. Cuando se emplean electrodos superficiales, la seal observada proviene de una porcin relativamente grande de tejido, de millones de clulas nerviosas o musculares que trabajan en conjunto [16]. En la figura 1.14 se muestran los electrodos superficiales ms comunes para su uso en ECG Y EMG.

Figura 1.14. Tipos de electrodos superficiales. a) Electrodo de lmina metlica, b) Electrodo desechable, c) Electrodo de succin, d) Electrodo flotante, e) Electrodo flexible, f) Electrodo activo [16].

24

1.6.1.- EL ELECTRODO DE PLATA/ CLORURO DE PLATA.

El electrodo de plata cloruro de plata (Ag/AgCl), consiste en un metal cubierto con una capa delgada de un compuesto inico (AgCl) soluble de ese metal con un adecuado anin. Toda la estructura es inmersa en un electrolito que contiene el anin (Cl-) en concentraciones relativamente altas. Estos electrodos por su eficiencia son comunes en aplicaciones de electromiografa, existen en presentaciones reutilizables y desechables (ver figura 1.15), cabe destacarse que al estar en contacto directo con la piel por cuestiones higinicas es preferible utilizar electrodos desechables, pues estos incluyen gel electroltico y este suele contaminarse con polvo u otros agentes presentes en el ambiente, adems el adhesivo suele deteriorarse [19].

Figura 1.15. Electrodos desechables de Ag/AgCl de la firma mediatrace.

Las propiedades electroqumicas del material o aleacin con el que se fabrica el electrodo y el electrolito utilizado, tienen una influencia importante en el resultado que se obtiene al medir la bioseal, pues de estas propiedades depende la impedancia del electrodo, factor fundamental a considerar cuando se disea el amplificador pues si no se adaptan las entradas a dicha impedancia, la seal se distorsiona o se pierde. La tabla 1.5 muestra los materiales para fabricacin de electrodos ms comunes y sus impedancias.

25

Tabla 1.5. Caractersticas elctricas de los materiales utilizados en la fabricacin de electrodos [19].

26

1.7.- ARTEFACTOS.

En ingeniera biomdica se utiliza el trmino artefacto para referirse a cualquier seal diferente a la que se desea medir. Este trmino es parecido al de ruido empleado en electrnica. Son artefactos la interferencia elctrica, el ruido propio generado por el instrumento de medicin, las variaciones provocadas por cambios de temperatura, seales captadas por falsos contactos del electrodo ocasionados por el estrato corneo, o que ocurren cuando el paciente realiza algn movimiento y en general cualquier seal inesperada que se presente ocasionalmente [16]. Cuando hay dos electrodos en interfaz con un electrolito y uno se mueve con respecto a otro aparece una diferencia de potencial durante el movimiento esto se llama artefacto por movimiento, lo cual causa gran interferencia al medir biopotenciales. El artefacto por movimiento se minimiza con un electrodo no polarizable, sin embargo cuando se toman seales de baja frecuencia es cuando ms se encuentra ruido. Filtrar la seal puede ser efectivo pero en algunos casos esto distorsiona la seal. Se puede reducir el efecto del estrato corneo removindolo de debajo del electrodo, hay varios mtodos para remover este estrato como frotar la piel con una gasa humedecida en acetona o alcohol, esto ayuda a la estabilidad de la seal [18]. Quitar el estrato corneo de la piel reduce este artefacto, pero hace que esta regin sea ms susceptible a irritarse, adems este estrato se regenera en 24 horas incrementando de nuevo el artefacto por movimiento. El estiramiento de la piel causa un cambio en el potencial de esta de 5 a 10 mV, este cambio se considera tambin como un artefacto por movimiento [20].

1.8.- COLOCACIN DE LOS ELECTRODOS PARA SEMG EN LOS MSCULOS DEL CUDRICEPS. Esta investigacin se centra en la deteccin de seales EMG relacionadas especficamente con la articulacin de la rodilla, informacin bibliogrfica recomienda que para tal fin esa seal debe tomarse de 3 msculos que forman parte del cudriceps: vasto medio, vasto lateral y recto femoral [13].

Factores de estudio para la ptima orientacin de los electrodos en los msculos recto femoral, vasto medio y vasto lateral.

El RF (recto femoral) es un msculo, que se origina en la espina iliaca antero superior (ASIS) y se inserta en el pice de rtula. El VL (vasto lateral) se origina en la parte superior de la lnea intertrocantrica y se inserta en el borde externo de la rtula, mientras que el VM (vasto medio) se origina en la parte inferior de la lnea intertrocantrica y se inserta en el borde interno de la rtula. La lnea de accin del msculo est dada por la lnea trazada entre su punto de origen y su punto de insercin. Estas son llamadas Lneas de Referencia definidas para cada msculo. Para el RF y el VM se toma las lneas de referencia como est descrito en [21],

27

mientras que para el VL se define la lnea de accin entre el trocnter mayor y el pice lateral de la rtula [22], como se muestra en la figura 1.16.

Figura 1.16. Definicin de las lneas de referencia para los msculos VM, VL y RF [13].

El primer factor de estudio es la posicin longitudinal del electrodo. Esta posicin est dada por la distancia d entre el pice de la rtula y el punto donde se debe poner el centro del electrodo. La direccin de ese vector est dada por el ngulo , formado entre la lnea de referencia del recto femoral y el punto donde se ubica el electrodo en cualquiera de los tres msculos. En la figura 1.17 se observa un ejemplo del trazado para medir la distancia.

Figura 1.17. Ejemplo del vector que define la posicin longitudinal del electrodo en el VM. Es el ngulo y d la distancia al punto desde el pice de la rtula [13].

El segundo factor de estudio es la orientacin del electrodo. La orientacin es el ngulo en el que se han de colocar los electrodos de modo que siga la direccin de las fibras, ya que esta es la direccin que lleva el potencial de accin. La orientacin se mide desde la lnea de referencia de cada msculo definida anteriormente. A la orientacin de los electrodos del VL le corresponde el ngulo , al del VM el ngulo y al RF los ngulos y - como se observa en la figura 1.18.

28

Figura 1.18. ngulos que definen la orientacin de los electrodos. a) y - para el RF, b) para el VL, para el VM, c) Ejemplo para el VL [13].

La seal electromiogrfica es sensible al movimiento de la rodilla en el plano sagital [22], por tal razn el tercer factor de estudio es el ngulo de extensin de la rodilla variando en 90, 120 y 150. En estos msculos se halla mayor valor eficaz (RMS) de la seal ante los factores de estudio designados como: a) la posicin longitudinal del electrodo, b) la orientacin del electrodo y c) el ngulo de extensin de la rodilla. Los autores de la referencia [13], despus de realizar un estudio de movimiento de la rodilla concluyen que la mejor orientacin para los electrodos es de 0 para el vasto lateral (VL), 70 para el vasto medio (VM), y -20 para el recto femoral (RF). La mejor distancia es de 22,59 2,84% para el VL, 29,44 1,88% para el VM y 66,28 0,38% para el RF, medido desde el pice de la rtula.

29

CAPTULO II:

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

30

Un amplificador operacional (op amp), es un componente con una gran ganancia,

cuyo circuito bsico o de partida es un par diferencial. Su modo de operacin, est

determinado por el lazo de realimentacin (positiva, negativa), el tipo de elementos

contenidos en el mismo, as como su disposicin en dicho lazo, consiguindose de

esta forma, que el mismo op amp sea capaz de realizar distintas operaciones [23].

El trmino amplificador operacional, u op amp en forma abreviada, fue acuado por

John R. Ragazzini en 1974, para denotar un tipo especial de amplificador que, con la

seleccin adecuada de sus componentes externos, poda configurarse para diversas

operaciones tales como la multiplicacin, la adicin, la diferencia y la integracin. Las

primeras aplicaciones de los op amp tuvieron lugar en computadoras analgicas. Su

capacidad para ejecutar operaciones matemticas fue el resultado de combinar la

ganancia elevada con la retroalimentacin negativa [24].

2.1.- LAS TERMINALES DEL OP AMP

Desde un punto de vista de seales, el op amp tiene tres terminales: dos terminales

de entrada y uno de salida. En la figura 2.1 se muestra el smbolo utilizado para

representarlo. Los terminales 1 y 2 son terminales de entrada, y el terminal 3 es el

terminal de salida.

Figura 2.1. Smbolo de circuito para op amp [25].

Normalmente los amplificadores de circuito integrado requieren dos fuentes de

alimentacin de cd, en la figura 2.2a puede verse un ejemplo, los terminales 4 y 5,

salen del paquete y se conectan a un voltaje positivo y a un voltaje negativo ,

respectivamente.

En la figura 2.2 b se muestran las dos fuentes de alimentacin de cd como bateras

con una tierra comn. El punto de referencia a tierra de un op amp es el terminal

comn de las dos fuentes de alimentacin [25].

31

Figura 2.2. Op amp alimentado con 2 fuentes de alimentacin de cd [25].

2.2.- AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL.

El amplificador operacional ideal tiene una impedancia de entrada infinita, una

impedancia de salida igual a cero y una ganancia en lazo abierto infinita, su smbolo

es el mostrado en la figura 2.3, sin embargo para comprender su funcionamiento es

necesario modelarlo elctricamente.

Figura 2.3. Smbolo para el amplificador operacional ideal [26].

En la figura 2.4 se presenta el modelo elctrico para el amplificador operacional, este

contiene una fuente de tensin dependiente, misma que est en funcin de la tensin

de entrada, la impedancia de salida se representa con una resistencia de valor . El

amplificador est excitado por dos tensiones de entrada, y . Las dos terminales

de entrada se conocen como entradas no inversora e inversora respectivamente.

Figura 2.4. Circuito equivalente para el amplificador operacional [26].

32

De manera ideal, la salida del amplificador no depende de las magnitudes de las dos

tensiones de entrada, sino de la diferencia entre ellas. Se designa una nueva tensin

de entrada como la diferencia,

(2.1)

donde es la tensin diferencial de entrada. Puede observarse en la figura 2.4 que

la impedancia de entrada del amplificador operacional se representa como una

resistencia.

La tensin de salida es proporcional a la entrada, y la relacin se designa como la

ganancia de lazo abierto, AV. Por tanto, la tensin de salida es:

( ) (2.2 a)

Ejemplo: si hay una entrada E sent (E suele ser una amplitud pequea) aplicada a la entrada inversora con la terminal no inversora a tierra, lo que produce una salida

AV (E sent). Cuando la misma fuente de seal se aplica a la entrada no inversora, con la terminal inversora a tierra, la salida es AV (E sent).

El amplificador operacional ideal se caracteriza como sigue:

1. Resistencia de entrada

2. Resistencia de salida, = 0

3. Ganancia de tensin de lazo abierto, AV

4. Ancho de banda

5. cuando (la ganancia en modo comn es cero y el CMRR se

aproxima a infinito).

Se comprende lo que implica el hecho de que la ganancia de lazo abierto sea infinita,

si se reescribe la ecuacin (2.2a) como:

(2.2 b)

Y se hace que AV se aproxime a infinito, entonces se ve que

(2.2 c)

Por tanto, la tensin entre las dos terminales es cero, o

33

(2.2 d)

Como la resistencia de entrada , es infinita, la corriente en cada entrada inversora

y no inversora, es cero.

Los amplificadores operacionales prcticos tienen ganancia de tensin alta (por lo

general en baja frecuencia), pero esta ganancia varia con la frecuencia. Por esta

razn, no se utiliza un amplificador en la forma mostrada en la figura 2.3. Esta

configuracin se conoce como lazo abierto por que no existe retroalimentacin de la

salida a la entrada. La configuracin ms comn para aplicaciones lineales es el

circuito de lazo cerrado con retroalimentacin [26].

2.3.- AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL.

Las caractersticas anteriores no se pueden alcanzar en la realidad, pero los valores

reales se aproximan bastante a los ideales [23]:

1. Ganancia de tensin en lazo abierto muy alta: a 2. Gran ancho de banda, desde corriente contina hasta 1 MHz. 3. Resistencia de entrada muy elevada, superior a 1 M. 4. Resistencia de salida muy baja, del orden de unos pocos ohms 5. Ganancia en modo comn distinta de cero, tiende a ser nula. 6. CMRR o relacin de rechazo en modo comn entre 90 y 110dB. Esta

caracterstica es una medida de la capacidad de rechazar una seal en modo comn, se define como la ganancia de tensin dividida por la ganancia de tensin en modo comn, normalmente se utiliza el decibel como su unidad, y se expresa matemticamente como sigue:

CMRR =

(2.3)

Donde A es ganancia y ACM la ganancia en modo comn.

Los amplificadores operaciones se utilizan en varias configuraciones las cuales se

estudian a continuacin.

2.4.- AMPLIFICADOR INVERSOR.

El amplificador inversor es un circuito bsico que utiliza realimentacin negativa para

estabilizar la ganancia de tensin total (ver figura 2.5). La razn por la que se

necesita estabilizar la ganancia de tensin total es por que (ganancia en lazo

abierto) resulta demasiado grande e inestable para ser til sin alguna forma de

realimentacin. Por ejemplo, el circuito integrado 741C tiene una mnima de

20.000 y una mxima de ms de 200.000. Una ganancia de tensin impredecible de

esta magnitud y variabilidad no es beneficiosa sin realimentacin [27].

34

Figura 2.5. Amplificador inversor [23].

Esta configuracin da como voltaje de salida en base a la siguiente ecuacin:

(2.4 a)

La ganancia de tensin en lazo cerrado del amplificador inversor es:

(2.4 b)

El signo menos en la ecuacin anterior indica que la fase de esta invertida con

respecto a . Por esta razn, el circuito de la figura 2.5 se denomina amplificador

inversor [28].

2.5.- AMPLIFICADOR NO INVERSOR.

El amplificador no inversor es otro circuito que utiliza realimentacin negativa para

estabilizar la ganancia total de tensin, en esta configuracin la realimentacin

negativa tambin provoca incremento en la impedancia de entrada y la disminucin

de la impedancia de salida, pero a diferencia de la configuracin inversora en este

caso la seal no sufre cambios de fase [27]. Este circuito aparece en la figura 2.6.

Figura 2.6. Amplificador no inversor [27].

Esta configuracin da como voltaje de salida en base a la siguiente ecuacin:

(

) (2.5 a)

35

La ganancia de tensin en lazo cerrado del amplificador operacional no inversor es

[27]:

(2.5 b)

2.6.- SEGUIDOR DE TENSION.

El circuito de la figura 2.7 se denomina seguidor de voltaje,

tambin se conoce como: Seguidor de fuente, amplificador no inversor de ganancia

unitaria, aislador (bfer) o amplificador de aislamiento. Puede observarse que toda la

tensin de salida se realimenta hacia la entrada inversora. Adems, este circuito

presenta una impedancia de entrada muy alta al mismo tiempo que una impedancia

de salida muy pequea. Esta configuracin permite que fuentes de alta impedancia

alimenten cargas de baja impedancia sin prdida de tensin y se tiene un ancho de

banda mximo. El seguidor de tensin se utiliza en aplicaciones como aislamiento de

etapas, refuerzo de corriente y adaptacin de impedancias.

Debido a la existencia del cortocircuito virtual entre las entradas del amplificador

operacional, la tensin de salida es igual a la tensin de entrada:

(2.6)

Lo que significa que la ganancia de tensin enlazo cerrado es:

(2.7)

De los circuitos con op amp, el seguidor de tensin es el que presenta caractersticas

ms prximas a las ideales en trminos de impedancia de entrada y salida y salida

[28].

Figura 2.7. a) Seguidor de voltaje de ganancia unitaria, b) seguidor de voltaje con fuentes de alta

impedancia [23]. [27].

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2.7.- AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN.

El amplificador de instrumentacin es un amplificador diferencial, cuya ganancia

puede establecerse de forma muy precisa ya que ha sido optimizado para operar de

acuerdo a sus propias especificaciones an en un entorno hostil. Es un elemento

esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque

funcional que ofrece caractersticas propias e independientes de los restantes

elementos con los que interacta.

Estos circuitos amplifican la diferencia entre dos seales de entrada y rechazan cualquiera que sea comn a ambas, se utilizan principalmente para amplificar seales diferenciales muy pequeas en procesos industriales, medicin, adquisicin de datos y aplicaciones mdicas. Ante las exigencias de medida que imponen los sensores, estos circuitos deben cumplir algunos requisitos generales:

1. Ganancia: seleccionable, estable y lineal. 2. Entrada diferencial: con CMMR alto. 3. Error despreciable debido a las corrientes y tensiones de offset. 4. Impedancia de entrada alta. 5. Impedancia de salida baja.

2.7.1.- FUNCIONAMIENTO Y CLCULOS.

La configuracin ms utilizada como amplificador de instrumentacin est constituida por tres amplificadores operacionales y se suele dividir en dos etapas;

1. Etapa pre-amplificacin 2. Etapa diferencial La primera etapa consiste en dos amplificadores operacionales que actan como un preamplificador. Mientras que la segunda se encarga de amplificar la diferencia de tensiones provenientes de AO1 y AO2 (ver figura 2.8).

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Para el anlisis del amplificador de Instrumentacin, se utilizar el esquema mostrado en la figura 2.9.

Figura 2.9. Amplificador de instrumentacin basado en tres op amp [29].

Figura 2.8. Amplificador diferencial de tres operacionales [26]. [29].

38

2.7.2.- ETAPA PRE-AMPLIFICACIN.

La primera etapa consiste en dos amplificadores operacionales que actan como un preamplificador. El diseo de la primera etapa es muy interesante, lo que lo hace tan ingenioso es el papel del punto de conexin de RG el cual es la unin entre las dos resistencias R1. Este punto acta como una tierra virtual para una seal de entrada diferencial y como un punto flotante para la seal en modo comn. Debido a esta funcin, la seal diferencial se amplifica, pero la seal en modo comn no.

Las caractersticas de esta etapa son:

Aumento de la impedancia de entrada del conjunto, gracias a su configuracin no inversora se iguala la impedancia del circuito a la del op amp.

Suelen utilizarse operacionales con entradas basadas en FET, para conseguir bajas corrientes de polarizacin.

A continuacin, se procede al anlisis de esta parte del circuito. Suponiendo que los amplificadores operacionales son ideales, se obtienen las siguientes expresiones: (2.8 a)

(2.9 a) Teniendo eso en cuenta, se obtienen las siguientes ecuaciones de las corrientes.

(2.10)

(2.11)

(2.12)

Puesto que el amplificador operacional no extrae ninguna corriente, mediante la aplicacin de las leyes de Kirchhoff para las corrientes se tiene:

(2.13)

(2.14)

(2.15)

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Se resuelven las ecuaciones 2.8 b y 2.9 b para conseguir VA y VB en funcin de V1 y V2:

(

) (2.8 b)

(

) (2.9 b)

Restando ambas expresiones, se obtiene:

( ) (

) (2.16)

Lo contenido dentro del segundo parntesis en la ecuacin 2.16 representa la ganancia diferencial de la etapa preamplificadora, donde al variar RG, se puede variar la ganancia. 2.7.3.- ETAPA DIFERENCIAL.

Esta parte del esquema se encarga de amplificar la diferencia de tensiones provenientes de AO1 y AO2, el anlisis de esta etapa se realiza a continuacin.

Aplicando las leyes de Kirchhoff, se obtienen las siguientes expresiones de las corrientes:

(2.17 a)

(2.18 a)

(2.19 a)

(2.20 a)

Suponiendo que el amplificador operacional es ideal:

(2.21)

Sustituyendo V3- por V3+ en las ecuaciones 3.8a, 3.9a, 3.10a y 3.11a se obtiene:

(2.17 b)

40

(2.18 b)

(2.19 b)

(2.20 b)

Puesto que el amplificador operacional no extrae ninguna corriente y aplicando las leyes de Kirchhoff para las corrientes:

(2.22)

(2.17 c)

(2.18 c)

De manera que dichas ecuaciones se pueden escribir de la siguiente forma:

(2.8 c)

(2.9 c)

Se despeja Vout de la primera expresin y V3+ de la segunda:

( )

(

) (2.8 d)

(2.9 d)

Sustituyendo V3+ en la expresin de Vout:

( ) (2.23)

Por ltimo, se sustituye la expresin (VB-VA) conseguida en la etapa pre-

amplificadora en la ecuacin anterior:

( ) (

) (2.24)

Observar que con RG se puede ajustar la ganancia. Aun as, debe tenerse en cuenta que el ajuste no es lineal, ya que RG est en el denominador [29].

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2.8.- EL AMPLIFICADOR AD620.

Normalmente los amplificadores instrumentales antes vistos no se montan con elementos discretos, sino que los fabricantes proporcionan una de las etapas o el circuito completo ya integrados como el caso del AD620 de Analog Devices. Utilizar un circuito integrado como este, tiene como ventaja principal que la precisin de las resistencias internas es mucho mejor comparada con el valor nominal de una resistencia comercial, esto permite conseguir por tanto un CMRR muy alto. Estructuras como esta consiguen un CMRR de aproximadamente 130 dB. Por otra parte, mediante la RG colocada se puede variar la ganancia del amplificador segn las necesidades que se presenten. Esto es muy til, ya que normalmente el amplificador est conectado a la salida de un sensor que, de acuerdo a lo que est midindose puede dar salidas dentro de un rango muy distinto.

2.8.1.- DESCRIPCIN DEL AMPLIFICADOR AD620.

El AD620 es un amplificador de instrumentacin encapsulado de bajo costo, con una

alta precisin y que tan solo requiere una resistencia externa ( ) para ajustar ganancias en un rango de 1 a 1000 [30]. Este dispositivo se puede adquirir en los encapsulados SOIC o DIP de 8 terminales, como se aprecia en la figura 2.10.

Figura 2.10. Presentacin del AD620 en el encapsulado SOIC o DIP de 8 terminales [30].

El fabricante proporciona la relacin entre la ganancia y de la siguiente manera:

(

) (2.25)

En la tabla 2.1 se muestran los valores de correspondientes a ganancias 1, 10,100 y 1000.

Tabla 2.1. Valores correspondientes de correspondientes a ganancias 1, 10,100 y 1000 [30].

Ganancia 1 10 5.489 k

100 499

1000 49.5

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Por otra parte, el bajo nivel de ruido, la baja corriente de polarizacin de entrada, y bajo consumo de potencia del AD620 hacen que sea muy adecuado para aplicaciones mdicas, tales como medidores ECG y monitores de presin arterial no invasivos [30].

2.8.2.- TEORA DE OPERACIN DEL AMPLIFICADOR AD620.

El AD620 es un amplificador de instrumentacin monoltico basado en una modificacin del clsico mtodo de 3 amplificadores operacionales. El ajuste del valor absoluto permite al usuario programar ganancias exactamente con slo un resistor (para 0.15 % en G = 100). Los transistores Q1 y Q2 proporcionan un nico par diferencial de entrada bipolar de alta precisin (ver figura 2.11), y ofrecen una corriente de polarizacin de entrada 10 veces menor gracias al procesamiento Superbeta. La retroalimentacin a travs del bucle Q1-A1-R1 y el bucle Q2-A2-R2 mantiene constante la corriente del colector de los dispositivos de entrada Q1 y Q2, imprimiendo de ese modo la tensin de entrada a travs de la ganancia externa, estableciendo la resistencia RG. Esto crea una ganancia diferencial de las entradas a las salidas A1 / A2 dadas por P = (R1 + R2) / RG + 1). El restador de ganancia unitaria A3 elimina cualquier seal de modo comn, produciendo una salida de un solo extremo referido al potencial del pin REF.

Figura 2.11. Esquema simplificado del AD620 [30].

El valor de RG tambin determina la transconductancia de la etapa de pre-amplificacin. Como RG es reducido para mayores ganancias, la transconductancia aumenta asintticamente para la entrada de los transistores.

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Esto tiene tres ventajas importantes: a) La ganancia de lazo abierto es amplificada para incrementar la ganancia programada, haciendo as ms pequeos los errores relacionados con la ganancia. b) El producto de ganancia ancho de banda (determinado por C1, C2 y la transconductancia de pre amplificacin) incrementa con la ganancia programada, optimizando as la respuesta en frecuencia. C) La tensin de offset de entrada es reducida a un valor de 9 nV/Hz, determinado principalmente por la corriente de colector y la resistencia de base a la entrada de los dispositivos. Los resistores de ganancia internos, R1 y R2, son fabricados a un valor absoluto de 24.7K, permitindole a la ganancia ser programada exactamente con un solo resistor externo.

- VENTAJAS DEL AMPLIFICADOR AD620.

Las ventajas de usar el AD620 son:

1. Mejor rendimiento sobre los montados con 3 amplificadores operacionales, menor tamao, menos componentes externos y menor consumo de corriente.

2. Independientemente del sistema en el cual sea utilizado, el AD620 ofrece

mayor precisin, a baja potencia y precio.

3. Corriente de polarizacin de entrada baja.

- APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR AD620.

Algunas aplicaciones tpicas del AD620 son [31]:

1. Monitores de presin arterial no invasivos

2. Aplicaciones en ECG

3. Medicin de la presin

2.9.- SISTEMA DE EXCITACIN DE PIERNA DERECHA.

Los efectos de voltajes de interferencia en modo comn pueden minimizarse con alta CMRR. Pero es posible reducir an ms la interferencia utilizando un sistema de excitacin de pierna derecha (ver figura 2.12). En aplicaciones mdicas como lo es el objetivo de esta investigacin, por razones de seguridad elctrica, el paciente debera ser desconectado de tierra para evitar los efectos de eventuales altos voltajes entre el paciente y tierra. Si en los electrodos

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aparece un voltaje alto, el amplificador auxiliar se satura, y la resistencia efectiva entre el paciente y tierra es lo suficientemente alta para protegerlo. En la figura 2.12 se puede observar un ejemplo de circuito de conexin de pierna derecha, utilizado en el registro de seales ECG (Electrocardiografa), basado solo en un amplificador operacional, este circuito tambin es aplicable a seales EMG [32].

. Figura 2.12. Circuito ECG con retroalimentacin de pierna derecha [32].

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En la figura 2.13 se proporciona otro ejemplo de circuito de pierna derecha recomendado por el fabricante del C.I AD620 para mediciones de ECG y que al igual que el esquema anterior tambin puede usarse en la medicin de seales EMG.

Figura 2.13. Circuito de pierna derecha en un ECG [32].

El valor del condensador C1 se elige para mantener la estabilidad del bucle de la unidad de la pierna derecha. Salvaguardias adecuadas, como el aislamiento, deben aadirse a este circuito para proteger al paciente de posibles daos.

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CAPTULO III: FILTROS PARA ACONDICIONAMIENTO DE

BIOSEALES

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Una parte importante en el acondicionamiento de seales es el filtrado, esta etapa hace uso de componentes pasivos, activos o incluso microcontroladores en el caso de los filtros digitales para discriminar determinada banda de frecuencias. Existen diversas aplicaciones de los filtros como lo son detectores de tono en ecualizadores de audio, separacin de conversaciones que se transmiten simultneamente en un mismo medio en comunicaciones telefnicas, sintonizacin de seales en demodulacin, eliminacin de interferencias y ruido de las seales procedentes de sensores en robtica e instrumentacin biomdica. Los filtros utilizados en el desarrollo del prototipo propsito de esta investigacin son analgicos, por lo que este captulo se enfoca a su estudio. 3.1.- FILTROS ANALGICOS.

El filtro analgico es utilizado para eliminar componentes de frecuencia de una seal, es til cuando la seal a medir, tiene un contenido de frecuencia que es diferente a las frecuencias de seales deseables y que por lo tanto necesitan eliminarse [33].

- FILTROS ACTIVOS: Utilizan transistores, amplificadores operacionales,

adems de resistencias, inductores y capacitores.

- FILTRO PASIVOS: Se implementan en general con resistencias, inductores y

capacitores [28].

- ALGUNAS APLICACIONES DE LOS FILTROS ACTIVOS Y PASIVOS:arial

1. Acondicionamiento de seales de entrada.

2. Digitalizacin de seales.

3. Acondicionamiento de seal producida.

- CLASIFICACIN DE LOS FILTROS.

Dependiendo del rango de frecuencias de la banda de paso, los filtros se clasifican

en:

1. Pasa Bajo 2. Pasa alto 3. Pasa banda 4. Rechaza banda

- CARACTERSTICAS GENERALES DE LOS FILTROS ANALGICOS. 1. Banda de paso conformada por el rango de frecuencias que pasan sin ser

filtradas. 2. Variacin de la ganancia de voltaje en la banda de paso. 3. Banda de rechazo, formada por el rango de frecuencias que son rechazadas.

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4. Regin de transicin, comprendida entre la banda de paso y la banda de rechazo en la cual la ganancia cae de uno a cero.

5. Frecuencia de corte o de esquina, donde la amplitud cae en 3 dB de su valor en la banda de paso.

6. Desfase, entre la entrada y la salida en funcin de la frecuencia [33].

- ORDEN Y PENDIENTE.

Los filtros son agrupados por orden, segn el nmero de elementos reactivos que lo componen. Cada orden est caracterizado por su propia pendiente de atenuacin especfica. Esto se representa en decibelios por octava (dB/oct), y es el ritmo con el cual el filtro rechazar las frecuencias indeseadas. Entonces de forma sencilla los filtros pasa alta y pasa bajas se clasifican:

Filtro de primer orden: atena 6dB/octava fuera de la banda de paso.

Filtro de segundo orden: atena 12dB/octava fuera de la banda de paso.

Filtro de tercer orden: atena 18dB/octava fuera de la banda de paso.

Un filtro de primer orden, produce un descenso de 6dB/oct ms all de la frecuencia de corte. Por ejemplo, un pasa-bajas de primer orden, que filtra con una frecuencia de corte de 500Hz; dejar el paso intacto a las frecuencias menores logrando una atenuacin de -3dB en 500 Hz, despus de lo cual se recibir una atenuacin de -6dB a la primera octava (1KHz), -12dB a la segunda octava (2KHz), -18dB en la tercera octava (4 KHz) y as sucesivamente en las octavas siguientes, con una pendiente constante de 6dB para cada octava siguiente [34]. Un filtro de segundo orden produce un descenso de -12dB/oct despus de la frecuencia de corte. Refirindonos al ejemplo anterior; tendremos siempre -3dB a los 500 Hz, pero, en 1 KHz la atenuacin se incrementar en -12dB, mientras que en 4 KHz el incremento de atenuacin ser de -36dB. Un filtro de tercer orden provoca un descenso de -18dB/oct despus de la frecuencia de corte y un filtro de cuarto orden de -24dB/oct, etc. Esta descripcin indica un aumento de -6dB de la pendiente de atenuacin en el incremento de cada orden del filtro [34]. 3.2.- FILTROS ESPECIALES.

Los filtros mencionados anteriormente son usados en aplicaciones no crticas donde

la respuesta exacta en frecuencia no es necesaria. Los filtros de Butterworth, Bessel,

Chebyshev, y transitorio que se mencionan a continuacin son diseados para

cumplir con requerimientos ms crticos, tales como una ganancia constante para

todas las frecuencia en la banda de paso, una cada rpida en la transicin de la

banda de paso a la banda de rechazo [33].

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El filtro de Butterworth, tiene una respuesta plana en la banda de paso y una suave

cada en la regin de transicin, la rapidez de la cada en la regin de transicin

aumenta con el orden del filtro. Normalmente se usa como filtro antialiasing para

seales analgicas que van a ser muestreadas.

El filtro de Chebyshev, tiene una regin de transicin ms pequea que la del

Butterworth, para un filtro del mismo orden, pero presenta Riple (rizo) en la banda de

paso. La pendiente de la zona de transicin es mayor cuando aumenta el orden del

filtro, as como el nmero de riples en la banda de paso.

El filtro de Bessel, presenta variacin lineal de la fase en las frecuencias de la banda

de paso y por lo tanto tiene un retardo constante en este rango. Una seal que pase

por este filtro no tendr distorsin en su forma pero si un retardo en la salida.

El filtro de transicin, presenta unas caractersticas intermedias entre el filtro de

Butterworth y el filtro de Bessel.

3.3.- FILTRO PASA BAJAS.

Son aquellos que introducen muy poca atenuacin a las frecuencias que son

menores que una determinada, llamada frecuencia de corte . Las frecuencias que

son mayores que la de corte son atenuadas fuertemente [34].

- DISEO DEL FILTRO

La frecuenci