ResumenEn el presente documento se expone una pequea

prctica relacionada con la electromiografa (EMG), es decir la

medicin de la actividad elctrica generada por el musculo

estirado, en esta prctica se tienen en cuenta tres bloques

fundamentales, el primero consiste en la adquisicin y

amplificacin de la seal, la segunda consta de un filtro pasa

bandas y la tercera de un filtro rechaza bandas, es decir se

aplicaran conceptos bsicos de electrnica para poder

implementar un sencillo electromigrafo.

Palabras claveFiltro, Frecuencia, electromiografa,

msculo, MatLab, Software.

I. INTRODUCCIN

l uso de software en las aplicaciones biomdicas se ha

convertido en un factor muy importante a la hora de

interpretar las seales o variables de esta disciplina, esto

se debe a su facilidad de uso, interfaces muy llamativas y

entendibles, portabilidad, entre otros muchos factores. En

muchos casos de las aplicaciones de instrumentacin medica

se requiere la implementacin de una circuitera bastante

robusta, por el hecho de que las mediciones tienen que ser

exactas ya que se est hablando de la salud y seguridad del

paciente, sin embargo el hecho de utilizar un montaje

elctrico robusto (en cuanto a circuitera), este aade ms

ruido e inestabilidad (por ejemplo un cambio en la

temperatura), es por ello que el uso del software se ha

convertido en una muy buena opcin de solucin, debido a

que el software es exacto (los integrados y de ms elementos

de un circuito poseen un margen de error y sumando todos

los errores, se tiene a la salida un error de medicin

considerable), no tiene interferencias (como ruido, no le

afecta la temperatura, no se daa, etc), adems brinda

herramientas que facilitan la implementacin de los bloques

(como factor principal los clculos matemticos). Es decir la

utilizacin de software es la solucin a muchos de los

problemas que se presentan en este tipo de aplicaciones.

J. Daz, estudiante de Ingeniera Electrnica, Universidad de Cundinamarca,

Fusagasug Colombia, email: jade7700@gmail.com I. Betancourt, estudiante de Ingeniera Electrnica, Universidad de

Cundinamarca, Fusagasug Colombia, email: ibetancourt@mail.unicundi.edu.co

P. Hurtado, estudiante de Ingeniera Electrnica, Universidad de

Cundinamarca, Fusagasug Colombia, email: pahurtado@mail.unicundi.edu.co

II. MARCO TERICO

A. MatLab

MatLab, el lenguaje del clculo tcnico, es un entorno de

programacin para desarrollo de algoritmos, anlisis de

datos, visualizacin y clculo numrico. La compaa produce

cerca de 100 productos adicionales para tareas especializadas,

como el anlisis de datos y procesamiento de seales.

En los ltimos aos, los ingenieros y los cientficos han

utilizado los productos de MathWorks en la parte mdica

para: avanzar en el diagnstico y tratamiento de trastornos

del tracto gastrointestinal mediante la mejora de la imagen

visual del intestino Delgado y el avance el mapa del genoma

humano por el desarrollo de algoritmos para la secuenciacin

de instrumentos del ADN [1].

B. Filtro Pasa Banda Y Rechaza Banda

Es filtro pasa banda como su nombre lo dice; solo deja

pasar un rango de frecuencias (desde una frecuencia 1 hasta

una frecuencia 2). Los parmetros principales de un filtro son

las frecuencias de paso (Fpass) que son aquella en donde la

frecuencia conserva su amplitud original, la otras son las

frecuencias de parada (Fstop) que consiste en las frecuencias

limite permitidas para que el filtro deje pasar frecuencias, es

decir, un filtro no es como una seal binaria, este posee una

pendiente de bajada y subida, entre ms empinada sea esa

pendiente (entre ms se parezca a un escaln) el filtro

aumentara su orden, por consiguiente ser mayor el gasto

computacional (en circuitos, repercute en que hay que utilizar

ms amplificadores operacionales). Los otros parmetros

importantes son las amplitudes, estas determinan que tanto se

atenuara la seal y as mismo la de paso. A continuacin en

la figura 1, se muestra grficamente lo descrito

anteriormente.

Diseo e Implementacin de un

Electromigrafo Mediante Matlab

Daz J., Betancourt I., Hurtado P.

E

ENGI Revista Electrnica De La Facultad De Ingeniera Vol. 1 No. 2 Julio Ao 1 ISSN 2256-5612

Figura 1. Comportamiento y parmetros esenciales de un filtro pasa banda

Con el filtro rechaza banda ocurre exactamente lo mismo

que en el pasa banda, la nica diferencia radica en que este

atena nicamente un rango de frecuencias (para este caso,

uno muy pequeo, lo cual se denomina muesca), es decir el

filtro rechaza banda se puede definir como un filtro pasa

banda pero invertido. A continuacin se muestra el

comportamiento de este filtro.

Figura 2. Comportamiento y parmetros esenciales de un filtro rechaza banda

III. PLANTEAMIENTO

Para la implementacin del electromicardiografo son

necesarios tres bloques; un amplificador de instrumentacin

que es el encargado de amplificar las pequeas corrientes

inicas que produce el movimiento de los msculos, un filtro

pasa banda que determina el rango de frecuencias con las

cueles se ha de trabajar, y un filtro rechaza banda que es el

encargado de atenuar las frecuencias generadas por la red

elctrica (en este caso 60Hz), a continuacin en la figura 3 se

muestra el diagrama de bloques funcional del sistema a

implementar.

Figura 3. Diagrama de bloques del sistema a implementar

Los electrodos se colocaran en el msculos de inters, en

este caso se realizaran las pruebas con los bceps. La

ubicacin de los electrodos se puede apreciar en la figura 4,

en donde tambin se puede ver como este musculo se contrae

y se relaja, as mismo aumentan y disminuyen las corrientes

inicas.

Figura 4. Ubicacin de los electrodos en los bceps y movimientos de relajacin

y contraccin del msculo.

El diseo de los filtros se realizara mediante MatLab ya

que es una herramienta bastante buena en cuanto al

procesamiento de seales.

IV. DESARROLLO

A. Diseo E Implementacin

Para ms informacin en cuanto al marco terico y el

diseo de la etapa de amplificacin ver [2], que se refiere al

diseo del electromigrafo haciendo uso de A.O para la

implementacin de los filtros.

Una vez se han ubicado los electrodos en el musculo de

inters y esta seal ha pasado por la etapa de amplificacin,

esta debe ser capturada por el software, en este caso como se

est utilizando MatLab, se har uso de la tarjeta de sonido del

computador, por consiguiente se necesita como elemento

principal para la conexin un simple plug de audio. Para la

adquisicin de la seal se utilizan las siguientes lneas de

cdigo.

%% adquiriendo la seal F= 11025; % frecuencia de muestreo con la que se grabara la seal t= 5; % tiempo que durara la grabacin bits= 16; % nmero de bits y= wavrecord(t*F, F, bits); % graba la seal % se guardara la seal para poder utilizarla en cualquier momento wavwrite(y,Fs,16,'EMG_input.wav')

% leyendo la seal

% en caso de olvidar los parmetros anteriores % [y,F,bits]=wavread('musculo.wav'); [y]=wavread('EMG_input.wav',5*F); % almacena la seal guardada en Y

% comprobacin wavplay(y,F) % reproduce el sonido que produce el movimiento del musculo plot(y) % grafica la seal

Diseo E Implementacin De Un Electromigrafo Mediante Matlab

Para que la adquisicin de la seal tenga xito, se

recomienda que la amplitud mxima de esta no supere los 2

voltios, ya que si se excede este valor se podra causar daos a

la tarjeta de sonido (es una precaucin ya el valor soportado

por la tarjeta son 5V), por otro lado, dependiendo de la

tcnica a utilizar para trabajar con la seal, en ocasiones la

amplitud de la seal ser recortada (normalizada) ente -1 y 1

por consiguiente procurar que no exceda este valor.

Una vez se ha obtenido la seal deseada se prosigue al

diseo de los filtros, en este caso un pasa banda que va desde

los 4Hz hasta los 400Hz y un rechaza banda de 60Hz (55Hz a

65Hz). Para el diseo de estos filtros se toman en cuenta las

figuras 1 y 2, ya que son los parmetros que se tienen en

cuenta para el diseo de los filtros. A continuacin se

muestran las funciones creadas para cada filtro, esto con el fin

de hacer ms sencillo el trabajo de procesamiento de la seal,

as mismo se mostrara el comportamiento de los mismos.

function Hd = PasaBanda %Ejemplo para utilizar la funcin: %FP=PasaBanda; %se almacena el filtro en una variable FP %fvtool(FP) %para visualizar el filtro %OutFiltPass=filter(FP,y); % aplicar el filtro FP a una seal de entrada Y %plot(OutFiltPass) % para ver la seal filtrada

% todas las frecuencias estn en Hz. Fs = 1000;% Frecuencia de muestreo tiene que ser por lo menos el doble de la

seal a trabajar(nyquist)

Fstop1 = 4; % First Stopband Frequency Fpass1 = 7; % First Passband Frequency Fpass2 = 400; % Second Passband Frequency Fstop2 = 410; % Second Stopband Frequency Dstop1 = 0.0001; % First Stopband Attenuation Dpass = 0.057501127785; % Passband Ripple Dstop2 = 0.0001; % Second Stopband Attenuation dens = 20; % Density Factor

% calcular el orden de los parmetros usando FIRPMORD. [N, Fo, Ao, W] = firpmord([Fstop1 Fpass1 Fpass2 Fstop2]/(Fs/2), [0 1 ... 0], [Dstop1 Dpass Dstop2]);

% calcular los coeficientes usando la funcin FIRPM b = firpm(N, Fo, Ao, W, {dens}); Hd = dfilt.dffir(b);

La respuesta del filtro se puede observar en la grfica 1, en

donde se muestra que efectivamente el filtro nicamente

dejara pasar las frecuencias que se encuentren en el rango de

4Hz a 400Hz, cabe resaltar que el filtro es de orden 397.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Frecuencia (Hz)

Magnitud (

dB

)

Respuesta en magnitud del filtro pasa banda (dB)

Grafica 1. Respuesta en magnitud del filtro pasa banda (4Hz a 400Hz)

Lo mismo se realiz para el diseo del filtro rechaza

banda, que en este caso es de 60Hz debido a la frecuencia que

se maneja en la red elctrica del pas, en la grfica 2 se puede

observar el comportamiento del filtro (este filtro es de orden

142), a continuacin se muestra la funcin creada para dicho

filtro:

function Hd = RechazaBanda %Ejemplo para utilizar la funcin: %FR=RechazaBanda; %se almacena el filtro en una variable FR %fvtool(FR) %para visualizar el filtro %OutFiltStop=filter(FR,y); % aplicar el filtro FR a una seal de entrada Y %plot(OutFiltStop) % para ver la seal filtrada

% todas las frecuencias estn en Hz. Fs = 200; % Frecuencia de muestreo tiene que ser por lo menos el doble de la

seal a trabajar (nyquist)

Fpass1 = 55; % First Passband Frequency Fstop1 = 58; % First Stopband Frequency Fstop2 = 62; % Second Stopband Frequency Fpass2 = 65; % Second Passband Frequency Dpass1 = 0.057501127785; % First Passband Ripple Dstop = 0.001; % Stopband Attenuation Dpass2 = 0.057501127785; % Second Passband Ripple dens = 20; % Density Factor

% calcular el orden de los parmetros usando FIRPMORD. [N, Fo, Ao, W] = firpmord([Fpass1 Fstop1 Fstop2 Fpass2]/(Fs/2), [1 0 ... 1], [Dpass1 Dstop Dpass2]);

% calcular los coeficientes usando la funcin FIRPM b = firpm(N, Fo, Ao, W, {dens}); Hd = dfilt.dffir(b);

DAZ, BETANCOURT, HURTADO.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Frecuencia (Hz)

Magnitud (

dB

)Respuesta en magnitud del filtro rechaza banda (dB)

Grafica 2. Respuesta en magnitud del filtro rechaza banda (55Hz a 65Hz) (una

ventana ms pequea ocasionara un filtro de mayor orden y por consiguiente un

mayor nmero de amplificadores o en este caso un mayor gasto computacional)

B. Resultados

Haciendo uso de las funciones se puede realizar el anlisis,

sin embargo es mucho ms fcil y visible, si se hace mediante

la herramienta sptool [3] (el cdigo que maneja la

herramienta es exactamente igual al mostrado anteriormente,

por consiguiente es vlido usar ya sean la funciones o usar la

herramienta). Inicialmente se tiene la seal de entrada, la

seal EMG a procesar, que fue la que se obtuvo inicialmente.

A continuacin en la grfica 3 se puede observar dicha seal.

Grafica 3. Seal capturada mediante MatLab a la cual se le realizara el

procesamiento.

Despus de obtener la seal, esta se debe filtrar, e

inicialmente se le aplica el filtro pasa banda de 4Hz a 400Hz,

al hacer esto la seal pierde amplitud considerablemente, ya

que las frecuencias que estn por fuera de ese rango son

atenuadas, debido a que las frecuencias ms importantes para

el anlisis son las estipuladas, a continuacin en la grfica 4

se muestra la seal filtrada (la escala de la graficas en cuanto

amplitud estn atenuadas x10, por consiguiente, si se

encuentra 0.1 se refiere a 1).

Grafica 4. Seal filtrada con el pasa banda de 4Hz a 400Hz

Como se puede observar la seal ha cambiado bastante, no

solo en amplitud, tambin en su forma, en donde tambin se

puede apreciar que en los fragmentos de la seal cuando el

musculo est en reposo se ha reducido considerablemente el

ruido. En la grfica 5 se muestra la comparacin entre las dos

grficas, para que se puedan apreciar mejor las diferencias,

haciendo nfasis en el fragmento de la seal que esta ente los

ejes verticales que la encierran, en la grfica 6, se muestra

esta misma comparacin pero ms ampliada en cuento al eje

de tiempo para poder apreciar como influyo en filtro en el

cambio de la seal.

Grafica 4. Comparacin entre la seal original y la filtrada (la que posee una

amplitud menor se refiere a la filtrada)

Grafica 5. Comparacin entre la seal original y la filtrada (ampliada) (la que

posee una amplitud menor se refiere a la filtrada)

Como se puede observar en la grfica 5, la seal filtrada es

mucho ms limpia, propia para que un especialista de la salud

pueda analizar fcilmente, sin embargo an falta aplicar el

filtro rechaza banda para atenuar las frecuencias que se

asocian a la red elctrica, a continuacin en la grfica 6, se

puede observar la comparacin entre la seal resultante del

filtro pasa banda y esta misma filtrada con el rechaza banda.

Diseo E Implementacin De Un Electromigrafo Mediante Matlab

Grafica 6. Comparacin entre la seal que paso por el filtro pasa banda de 4Hz a

400Hz y que nuevamente se filtr con el rechaza banda de 60Hz (la seal que

esta punteada es la del filtro pasa banda)

Como se puede observar en la grfica anterior, el filtro

rechaza banda no influye demasiado, lo nico que hace es

desfasar la seal, muy probablemente no haban interferencias

fuertes en el momento de tomar la seal, sin embargo es

aconsejable tener este filtro. Finalmente en la grfica 7, se

puede observar con claridad nicamente la seal resultante

(ampliada en el eje de tiempo), con la que el especialista

puede analizar su comportamiento y dar un diagnstico.

Grafica 7. Seal totalmente filtrada lista para ser analizada por el especialista

mdico o interesado en la aplicacin.

A comparacin de los resultados obtenidos mediante la

implementacin de los filtros de forma anloga, con MatLab

son mucho ms cmodos de analizar los resultados, adems la

visualizacin es mucho mejor, por otro lado es mucho ms

exacto y como se pudo ver se definieron filtros de orden 397,

lo cual haciendo uso de amplificadores operacionales sera

una tarea imprctica, sin embargo los resultados obtenidos

mediante la implementacin del filtro anlogo son tambin

muy buenos ya que como se puede observar en las figuras 5 y

6, el comportamiento es muy similar a las grficas 3 y 4, en

donde el fragmento de la seal cuando el musculo est en

reposo al ser filtrada se elimina considerablemente el ruido,

adems la seal filtrada tambin disminuye su amplitud

(fijarse en la escala de osciloscopio CH1 2.00V figura 5 y

CH2 1.00V figura 6). Los dos resultados fueron buenos, pero

el anlisis que se pudo realizar con MatLab muy difcilmente

se hubiera podido realizar mediante la otra forma en que se

realiz el filtro anteriormente [2], adems la seal resultante

es mucho ms pulcra, lo cual hace que sea mucho ms

cmodo su anlisis.

Figura 5. Captura tomada del osciloscopio a la salida del AD620

Figura 14. Captura tomada del osciloscopio a la salida de los filtros

V. CONCLUSIONES

A la hora de tomar las mediciones con los electrodos, por

lo generar se imagina que la fuerza es el factor principal por

el cual se producen los cambios de voltaje a la salida del

electromigrafo, sin embargo el factor ms significativo es la

posicin del musculo, es decir se puede hacer un analoga

entre la galga extensiometrica y el musculo ya que esta

proporciona un cambio de tencin ante una deformacin, lo

mismo ocurre con el musculo, es decir este sera el sensor que

le indica a los mdicos el estado de salud de los mismo, o el

sensor que le indica a un deportista como est deformando su

galga (alongando su musculo) para as determinar si esta

realizado un movimiento apropiado a la hora de lanzar una

pelota por ejemplo. Esto no quiere decir que la fuerza no sea

un factor importante ya que tambin influye bastante ya que

genera corrientes inicas debido al esfuerzo y tambin ayuda

a que el musculo se alongu ms. Por consiguiente el estudio

de los msculos puede ser aplicado a diversas disciplinas y

DAZ, BETANCOURT, HURTADO.

esto gracias a uno de los elementos principales que toma las

seales, el electromigrafo.

El uso de software para el desarrollo de la aplicacin ha

sido de gran ayuda debido a la facilidad de implementacin

de los filtros, porque no hay que realizar ningn clculo

matemtico para el diseo de cada filtro, no hay que

preocuparse por el orden del mismo, por consiguiente se

puede ser tan exigente como se requiera con el diseo del

mismo, a tal punto que en este caso se obtuvieron filtros de

orden 142 y 397 lo cual es excelente ya que si se deseara

implementar un filtro de esta magnitud se requerira un

circuito elctrico demasiado extenso (si se usan

amplificadores operacionales como se hizo en la primer

practica [2]). Por otro lado MatLab permite un anlisis mucho

ms detallado de la seal ya que la visualizacin del mimo es

mucho ms amigable y se puede manejar al antojo del

diseador debido a la facilidad del manejo de los ejes (tiempo

y amplitud). La nica desventaja en cuanto al mtodo

utilizado para el procesado de la seal, es que no se puede

realizar en tiempo real debido a la forma en que se capturo la

misma, por consiguiente si se quisiera trabajar en tiempo real

se requerira de una tarjeta de adquisicin de MatLab o una

placa de Arduino.

REFERENCIAS

[1] Matworks, Products [Online], Disponible en la pgina de internet

[Citado 13

de octubre del 2012].

[2] Jhon Daz, Ivn Betancourt, Pedro Hurtado, Diseo E Implementacin De Un Electromgrafo [Online], Articulo IEEE, Pdf, Disponible en la pgina

de internet [Citado 13 de octubre

del 2012].

[3] Matworks, Documentation, Open interactive digital signal processing tool [Online], Disponible en la pgina de internet

[Citado 13 de

octubre del 2012].

AUTORES

JOHN ALEXANDER DAZ

Estudiante de X Semestre Ingeniera Electrnica

IVN DARO BETANCOURT

Estudiante de X Semestre Ingeniera Electrnica

PEDRO HURTADO

Estudiante de X Semestre Ingeniera Electrnica

Fecha Recepcin: 30 de Octubre 2012

Fecha Aprobacin: 28 de Febrero 2013

Diseo E Implementacin De Un Electromigrafo Mediante Matlab