-UNIVERSIDAD AUTORIOMA METROPOLITANA Casa abierta al tiempo UNIDAD IZTAPALAPA División de Ciencias Básicas e Ingeniería

E Q U I P O BIORRETR~OALIMENTADOR PARA LA REEDUCACION

MUSCULAR

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA

AREA: INGENIERIA BIOMEDICA

MIGUEL ANGEL BAüTiSTA LEON JACQUELINE ViDAL ROSADO

EQUIPO BIORREX'ROALIMENTADOR

PARA LA REEDUCACIÓN MUSCULAR

Miguel Angel Bautista León, Jacqueline Vidal Rosado

Area de Ingeniería Biomédica Departamento tie Ingeniería Eléctrica

UAM-Iztapalnpa

ÍNDICE

1. ANTECEDENTES

2. OBJETIVOS

3. METODOLOGÍA DEL DISEÑO

4. VALORACI~N CLÍNICA

5. CONCLUSIONES

6 . BIBLIOGRAFÍA

APÉNDICE A MANUAL DE USUARIO

APÉNDICE B DIAGRAMAS ELECTR~NICOS

APÉNDICE C TARJETAS DE CIRCUITO IMPRESO

11

17

24

2

ANTECEDENTES

El aumento de reflejos y la pérdida del movimiento voluntario pueden ser ocasionados-por un traumatismo o afección que curse un sujeto, por lo que se hace necesario reeducar al músculo para que éste recupere su actividad normal [ 11. Esto último puede llevarse a cabo por medio de la técnica de Biorretroalimentación que, para este caso, consiste en monitorear y desplegar la actividad electromiográfica que se genera di: manera voluntaria o involuntaria en el músculo a tratar. La señal es presentada hacia el paciente de forma visual y/o auditiva, permitiendo a éste, al reproducirla, ganar en forma progresiva algúri control sobre la misma [2,3].

La aplicación de esta técnica en el medio clínico, se lleva a cabo generalmente por medio de un electromiógrafo [4], para lo cual se requiere la supervisión del paciente por parte del personal médico, dada la complejidad y costo de estos equipos. Lo anterior ha llevado al diseño de equipos de biorretroalimentación que facilitan la aplicación de esta técnica, sin embargo el precio de éstos aún es elevado y las formas de despliegue auditivo y visual no son lo suficientemente inteligibles para el sujeto.

Por tales razones, se diseñó un equipo biorretroalimentador [ 5 ] el cual fue valorado clínicamente, determinándose así, que su tuncionalidad aún podía ser mejorada tanto en la parte electrónica, como en la de despliegue de información hacia el paciente. Una vez efectuadas las modificaciones pertinentes [6] , el equipo fue valorado nuevamente encontrándose que su desempeño es óptimo.

OBJETIVOS

Proveer un equipo que:

coadyuve en el restablecimiento de la actividad muscular normal por medio de la técnica de biorretroalimentación.

despliegue en forma clara y comprensiblle para el paciente la información acerca del estado actual del músculo, así como la evolucióri del mismo.

sea reproducible a bajo costo para permitir el acceso a un mayor número de pacientes.

METODOLOGÍA DE DISENO

7

La consideración de los siguientes punto:;, determinó las características de las etapas de amplificación, filtrado y despliegue de información.

1 CIRCUITO

DE GUARDA

I) La experiencia clínica del personal médico que utiliza este tipo de aparatos, de la cual fueron considerados los rangos útiles de amplificaciíim de la señal electromiográfica.

2) La determinación experimental del ancho cle banda de la señal electromiográfica, realizada en el medio clínico, contando para ello con la 'colaboración de pacientes que presentaban alguna disfunción muscular, así como aquellos cuya rehabilitación había concluido [7, 81.

3) La comprensión del estímulo por parte del paciente, la cual depende de la forma en que se despliega la información, permitiendo con ello optimizar la rehabilitación muscular.

Las figuras 1, 2 y 3 muestran los diagrama:; de bloques de la etapas que conforman el equipo biorretroalimentador; éstas se distribuyeron en tres tarjetas de circuito impreso de doble cara, diseñadas con el paquete CAD "SMART-WC)RK" y se exhiben en el Apéndice C.

7- 1 4--p CORRECTOR

Figura 1. Diagrama de bloques de la tarjeta 1 .

3

Tarjeta 1 : En ésta se adquiere la señal electi-omiográfica por medio de electrodos de superficie de barra y disco [9, 101; los cables de éstos han sido blindados para que, en conjunto con un circuito de guarda, se reduzca el efecto de la interferencia generada en el medio circundante [ 1 11. Seguido a esto, la señal es amplificada en una primera etapa, por un factor de 40, para posteriormente eliminar el ruido de 60 Hz, por medio de uin filtro de ranura de 4" orden [12,1-31. Esta señal a su vez, es retroalimentada ai preamplificador de instrumentación, por medio de un circuito corrector de basal, con lo cual se logra eliminar la componente de comente directa que se genera debido a la interfase electrodo-piel.

FILTRO AMPLIFICADOR PASA-BANDA DE GANANCIA 9. ORDEN VARIABLE

RECTWCADOR DE INTEGRADOR

ONDA COMPLETA

I CIRCUITO

1 CALIBRACION 1

Figura 2. Diagrama de bloques de la tarjeta 2.

Tarjeta 2: La señal proveniente de la tarjeta anterior, es filtrada en un ancho de banda estrecho (25 a 325 Hz) para eliminar las componentes de alta frecuencia, y amplificada por una de las cinco posibles ganancias, que se eligen de manera externa y acorde ai nivel de la señal electromiográfica detectada (50 a 3150 microvolts) [14]. Posterior a esto, y dada la naturaleza estocástica de la señal, es necesario adecuada mediante la rectificación e integración [15], para poder desplegar su información de manera clara y comprensible.

I i

CIRCUITO DESPLIEGUE a-$ COMPARACION DE LUMINOSO I I 1

A

SELECTOR DE

ESTIMULO

DESPLIEGUE

AUDITIVO

CODIFICADOR I TONOS DE

Figura 3. Diagrama de bloques de la tarjeta 3.

Tarjeta 3: Aquí, la señal procesada es codificada en niveles de voltaje, que se transducen en estímulos visuales y auditivos [12], los cuales indican de manera cualitativa la amplitud de la señal electromiográfica que se está registrando. Tales estímulos se despliegan a través de 6 indicadores luminosos (LEDs), y un altoparlante, en el que se emiten igual número de tonos que están relacionados con la escala musical.

Por otra parte, los diagramas electrónicos correspondientes al diseño del equipo de biorretroalimentación, se muestran y describen de manera detallada en el Apéndice B.

VALORACI~N CLÍNICA

El equipo biorretroalimentador fue utilizado por un período de tres meses en veinte pacientes que presentaban pérdida del movimiento volunt,ario; de éstos, se formaron tres grupos; el primero incluía a cinco sujetos que fueron sometidos a cirugía de mano; el segundo, a siete que habían sufrido lesiones menores; y el tercero a ocho que presentaban neuropatía diabética en miembros superiores y/o inferiores. En todos los casos, el médico estimó el nivel de actividad muscular presente en cada uno de los pacientes, en base a una escala clínica cualitativa (de Lovett), que determina por medio de movimientos predeterminados el grado de fuerza muscular. Esta escala consta de los sigueintes niveles.

6

0 Nivel O. Parálisis. 0

0 Nivel 2. Desplazamiento.

0 Nivel 5. Movimiento normal.

Nivel 1. Movimiento palpable sin desplazamiento.

Nivel 3. Desplazamiento en contra de la gravedad. Nivel 4. Desplazamiento en contra de una fierza aplicada, adicional a la gravedad.

Una vez realizado lo anterior, se indicó el tipo de movimiento a realizar para tratar de lograr la recuperación fisica. Los avances de ésta se evaluaron quincenalmente, utilizando para ello la misma escala. Los datos reportados por el mlédico se exhiben de manera mensual y porcentual en las gráficas de la figura 4.

En todos los casos, los pacientes manifestaron comprensión al estímulo que estaban recibiendo, ya que a través de él se percataban si la forma en1 que realizaban la terapia era la adecuada.

Es importante mencionar que el aporte de información por parte del equipo biorretroalimentador coadyuvó a restablecer totalmente el movimiento en 16 pacientes; los cuatro restantes tuvieron recuperación entre 40% y 60%, siendo éstos, pacientes con neuropatía diabética, para los cuales se requerirá de un tratamiento más prolongado, dado el nivel de afección muscular.

CONCLUSIONES

El equipo biorretroalimentador diseñado, penn-e optimizar la forma de aplicación ~ i z la terapia de rehabilitación, así como los recursos humanos empleados en ella, al reducir los requerimientos de supervisión por parte del personal médico, canalizando a éste a los casos que requieran de una mayor atención. Asimismo, permite llevar a cabo una evaluación rápida y cualitativa de la amplitud de la señal electromiográfica que :se detecta en el músculo de interés, con lo cual el médico puede conocer el grado de afección del mismo.

Con respecto a los equipos comerciales, el presente diseño ofrece ventajas adicionales en cuanto a la forma de despliegue de información, :ya que éste genera sonidos definidos (tonos) e indicaciones luminosas que permanecen activas por períodos más prolongados. Estas características permiten proporcionar al paciente de manera clara y sencilla los estímulos, facilitando con ello la comprensión de los mismos.

Por otra parte, dado el bajo costo de inversiih que implica su construcción, podrá tenerse mayor acceso a este tipo de equipos en las instituciones de salud pública.

No. DE PIClENTES

:i GRUPO 1

ClRUGlA DE MANO

GRUPO 2 LESIONES MENORES

No. DE PMENTES

lor. YES 20. YES 3.r. YES

Na DE PACIENTES GRUPO 3 NEUROPATIA DIAEETICA

20

la. YES 2a YES 3u. YES

Figura 4. Los porcentajes de recupera.ción se calculan considerando la actividad muscular normal como el 100?4 (nivel 5 en la escala de Lovett).

BIBLIOGRAFÍA

1. KIMUR4 J. "Electrodiagnosis in diseases of nerve and muscle." F. A. Davis Company (Philadelphia); 1984, pp. 3-26.

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4. BASMAJIAN J. V., DE LUCA C. J. "Muscles alive: Their functions revealed by electromyography." Williams & Wilkins CBaltimore); 1985, pp. 65-100, 168-186.

5. BAUTISTA L. M. A., VIDAL R. J., SUAFEZ F. A., HERNANDEZ M. E. Diseño y evaluación preliminar de un equipo para aplicar la técnica de biorretroalimentación en la reeducación muscular. Rev. Méx. Ing. Bioméd., 14(2): 279-284; 1993.

6. BAUTISTA L. M. A., VIDAL R. J., LEON J. S., HERNANDEZ M. E. Rediseño de un biorretroalimentador para reeducación muscular. Rev. Méx. Ing. Bioméd., 16(2): 53-61 1995.

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9

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10

APÉIVDICE A

MANUAL DE USUARIO

I. DESCRIPCI~N

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1 Selector de estímulos.

2 Selector de estímulo Auditivo o Visual

3 Calibración a cero.

4 Indicador de batería baja.

5 Selector de escaia para la detección de la actividad electromiográfica: 50-150, 150-350, 350- 750, 750-1550 y 1550-3150 pV.

6 Indicador de calibración a cero.

7 Escala luminosa de 6 LEDs.

12

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8 Encendido/Apagado.

9

10 Bocina.

1 1 Conectores para cabIes de electrodos.

Conector para cargador de batería.

13

ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO

ELÉCTRICAS

0 Alimentación:

0 Consumo de comente:

Estímulo Auditivo:

Estímulo Visual:

Ambos estímulos:

0 Impedancia de entrada diferencial:

0

0

0 Filtro pasa-banda:

Relación de Rechazo en Modo Común:

Rechazo diferencial en 60 Hz:

Pendiente del filtro pasa altas:

Pendiente del filtro pasa bajas:

MECANICAS

Peso:

Alto:

0 Ancho:

Largo:

1.07 kg

10 cm

20.4 cm

27.5 cm

2 Baterías recargables de 9 Volts.

58 mA.

47 mA.

67 mA.

12 Megohms.

120 dB.

50 dB.

25 a 325 Hz.

120 áB/dec

180 dB/dec

14

II. PREPARACI~N

Localice el punto motor del músculo que se desea rehabilitar. Esto se hace midiendo la distancia entre el origen e inserción del rnúsculo de interés, y considerando el punto medio de esta longitud.

Limpie la zona de piel donde ha ubicado el punto motor, y coloque sobre éste el electrodo de barra, en forma paralela a la disposición tie las fibras musculares.

Coloque el electrodo de disco, que servirá como referencia, sobre la región Ósea más cercana ai punto motor.

Inserte las terminales de los electrodos en los bomes (1 1).

rn. OPERACI~N

Posterior a la preparación, realice la calibración del equipo como se indica a continuación.

Encienda el equipo (8) e indique al pacilente que mantenga en reposo el músculo a tratar, verifique que el indicador luminoso (6) se encuentre encendido, de no ser así gire el control (3) hasta que éste se ilumine. Una vez encendido, ajuste lentamente hasta el momento preciso en el que se apague.

0 Seleccione la forma de estímulo a utilizar durante la sesión de terapia, mediante (1). En la posición "AMBOS", los dos estímulos serán desplegados de manera simultánea; en la posición "AUDITIVOMSUAL" podrá elegirse uno de los dos posibles estímulos por medio del interruptor (2).

0 Dé inicio a la sesión de tratamiento, eligiendo para ello la escala de menor amplitud, por medio del control (5). Si todos los indica.dores de nivel (7) se iluminaran, cambie a la siguiente escala. Realice este procedimiento hasta encontrar la escala en donde no ocurra lo anterior.

0 Verifique la calibración nuevamente en la escala ya seleccionada.

0 Para evaluar de manera cualitativa el nivel de actividad muscular alcanzado, en microvolts, en base a la ganancia seleccionada y la lectura de la escala luminosa, refiérase a la siguiente tabla.

LED 1

LED 2

LED 3

LED 4

LED 5

LED 6

Tabla para evaluación del nivel de actividad muscular en microvolts.

GANANCIA 1 GANANCIA 2 GANANCIA 3 GANANCIA 4 GANANCIA 5

50 150 350 750 1550

70 190 430 910 1870

90 230 5 10 1070 2190

110 270 590 1230 25 10

130 3 10 670 1390 2830

150 350 750 1550 3 150

APÉNDICE B

DIAGRAMAS ELECTRÓNICOS

17

DESCRIPCX~N . << ...

11. CIRCUITO DE GUARDA

Debido a que las señales que serán amplificadas son de un nivel de amplitud bajo (microvolts), éstas pueden ser contaminadas con ruido y potenciales de hga. Con el propósito de evitar esto, en lugar de utilizar un sólo cable por cada electrodo (tres), se emplean cables blindados, lo que originará que se conduzca ruido idéntico; éste aparecerá como una componente en modo común debido a R7 y R8, siendo ésta eliminada posteriormente por el amplificador de instrumentación ~3,141.

In. AMPLIFICADOR Y FILTROS

La amplificación y filtrado de la señal electromiográfica se realiza por medio de los circuitos mostrados en las figuras 2 y 3, que a continua.ción se describen.

a) PREAMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION

Utiliza tres amplificadores operacionales de bajo nivel de ruido, bajas corrientes de polarización y alto rechazo en modo común [ 1 11. El circuito proporciona una ganancia de 40 y un rechazo en modo común de 120 dB. Dado que esta confíguración tiene un circuito retroalimentado, que permite eliminar los niveles de corriente directa que se generan en la interfase electrodo-piel, así como los voltajes de error propios de los amplificadores operacionales, no es necesario utilizar ningún circuito adicional para ajustar la salilda del preamplificador a cero volts cuando no hay señal de entrada (voltaje de offset) [SI.

b) FILTRO DE RANURA

Consiste de un filtro rechazabanda de 60 Hz (de 4" orden (U4 a U7), el cual está formado por dos filtros doble "T" de 2" orden con factor de calidad ajustable por medio de los potenciómetros Pl,P2 [5,12]. Asimismo, por medio de éstos, se puede controlar las regiones de transición de los filtros, siendo, en este caso en particular, de 2 Hz para cada una.

c) CIRCLJITO CORRECTOR DE CD Y AJIJSTE DE Ch4RR

Una vez que la señal electromiográfica pasa a través del filtro de ranura, ésta es integrada e invertida por medio de U8 para, posteriorniente, ser retroalimentada al circuito que realiza la operación de resta (U2). Lo anterior tiene como finalidad eliminar las componentes de voltaje de corriente directa, así como el de minimizair ia componente de 60 Hz que aún pudiera estar presente en la señal detectada. Finalmente, el ajuste del CMRR se realiza por medio de P3 [14].

b .VCC

U* 1Y

a4

I ,

FIG. 2. Preamplificador con corrector de basal, filtro de ranura de 60 Hz y circuito reductor de interferencia.

d) FILTRO PASABANDA

Proporciona un ancho de banda de 25 a 325 Ek. Está formado por un filtro pasa-bajas de 9" orden (U9, U10, U1 1), y un filtro pasa-altas de 6" orden (U12, Vi;) [13]. Es importante mencionar que io angosto de las bandas de transición, dado el orden de cada uno de los filtros, tiene como

19

propósito el incrementar la selectividad de :los mismos, lo cual repercutirá en obtener una señal con menos componentes de ruido de alta frecuencia.

e) AMPLIFICADOR DE GANACIA VARIABLE

Utilizando una llave de cambio se puede elegir una de las cinco diferentes ganancias entre 16000, 6900, 3200, 1500 y 760, fijadas por las resistencias R35 a R45. Con estas ganancias se pueden detectar señales del orden de 50 a 3 150 microvolts [9].

Por otra parte, dado que el nivel de amplificación en esta etapa puede ser muy alto, el potenciómetro P4 compensa el voltaje de comente directa que genera el amplificador operacional (U14), ya que este puede ocasionar su saturación.

at , , a, --

-- FIG. 3. Filtro prisabanda y amplificador de ganancia variable.

20

111. CONVERTIDOR DE SENAL.

Debido a la naturaleza estocástica de la señal electromiográfica, es necesario adecuada para, posteriormente, desplegar la información de manera comprensible hacia el paciente; esta etapa lleva a cabo tal adecuación.

a) CIRCUITO DE VALOR ABSOLUTO

El valor absoluto de la señal electromiográfica se lleva a cabo por medio de un rectificador de precisión de onda completa, el cual utiliza un rectificador de media onda de doble polaridad (U16A) y un amplificador en cofiguración tipo sustractor de ganancia unitaria (U16B) que se obtiene al utilizar resistencias del mismo valor [7].

b) INTEGRADOR

Considerando que la actividad eléctrica del músculo genera una señal no determinística, con la cual no es posible desplegar información de ,manera comprensible hacia el paciente, se plantea la necesidad de traducir la señal electromiográfica en una forma de onda que sea más sencilla de manipular. Para este caso en particular, se determinó que un voltaje de corriente directa, que &era proporcional a la señal detectada, era lo más adecuado [3,4,10].Con la finalidad de obtener este voltaje, la señal electromiográfica rectificada, es integrada a través de los componentes pasivos R51 y C36.

Por otra parte, debido a que la señal rectificada no tiene una relación 1:l con el nivel de voltaje que se obtiene del integrador, éste es amplificado por medio de U16D a fin de obtener dicha proporción.

c) AMPLIFICADOR DE DIFERENCIAS

Aún cuando la señal electromiográfica es filtrada en un ancho de banda estrecho, existe señal de ruido que altera la información que se proporciona al paciente; esto se ve reflejado en la parte de integración de la señal como un nivel de voltaje adicional. El amplificador U16C permite eliminar dicho nivel, al restar un voltaje de umbral que se ajusta de manera externa por medio de P7; este voltaje se determina, cuando el paciente tiene colocados los electrodos de superficie y no efectúa movimiento alguno; en tal caso, U18C detecta que la salida de U16C está a cero volts, lo que

21

causa que un diodo emisor de luz (LED7) se apague, indicando que el equipo está en condiciones de desplegar exclusivamente la señal electroniiográfica.

d) CIRCUITO DE COMPARACION

El circuito proporciona seis niveles de voltajle de comente directa (U17, U184 U18B) [SI; cada uno de éstos depende de la magnitud de la señal electromiográfica registrada y de la ganancia seleccionada por medio de la llave de camb,io de U14. Esta, a la vez, fija diferentes voltajes. de referencia (R63 a R67) que, junto con U20, determinan la resolución de la escala de comparación.

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FIG. 4. Convertidor de señal.

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22

<& ...

V. DESPLIEGUE AUDITIVO

Esta etapa proporciona desde 1 hasta 6 tonos distintos y, al igual que en el despliegue visual, el número de ellos que sean emitidos será proporcional a la amplitud de la señal electromiográfica. Por otra parte, con la finalidad de hacer más agradables al oído dichos tonos, sus fiecuencias han sido seleccionadas de acuerdo a la escala musical.

L o anterior se lleva a cabo al sumar la salida de cada uno de los divisores de voltaje (R82 a R94) por medio del amplificador U19C, con lo cual, este Último proporciona voltajes específicos al convertidor de voltaje a fiecuencia ( U 9 4 U19B) [ i l l .

Por otra parte, para evitar que se genere sonido, cuando no se ha alcanzado el nivel mínimo de señal requerido para activar la salida de U1 7C:, el transistor Q2 desactiva la etapa de amplificación de audio (Q3, Q4).

U01

PPI i m -

4

44-- m

BOCINA -

FIG. 5. Despliegue auditivo.

Extraído de Rev. Mex. de Ing. Biom., Vol. 16, No. 2, Diciembre 1995, págs. 53-61.

23

APÉ:NDICE c

TARJETAS DE CIRCUITO IMPRESO

o O 0 0 0 o O O Q O o o O

o 0 0 0 0 o O 0 O 0 0 0 o

O 0 o

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O O O

TARJETA 1.

Preamplificador con corrixtor de basal y filtro de 60 Hz.

25

O O 0

O 0

O O O O

O 0

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O

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O

O

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TARJETA 2.

Amplificador de ganancia variable con filtro y convertidor de señal.

26

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TARJETA 3.

Despliegue: auditivo y visual.

27

DISTRIBUCI~N DE COMPONENTES.

Tzyeta 1.

Tzyeta 2.

Tarjeta 3.