ergómetro - ipsltodi.est.ips.pt/aabreu/ergometro/relatorio_ergometro_vf.pdf · iii dedicatória...

Setúbal, 29 de Março de 2007.

Departamento de Engenharia Electrotécnica

Projecto Final de Licenciatura em Eng.ª de Electrónica e Computadores

Ergómetro

Orientador:

Prof. António Abreu

Nuno Santos Nº3507 Ricardo Palma Nº3555

ii

Agradecimentos

Em primeiro lugar gostaríamos de agradecer ao nosso orientador de projecto, o

Professor António Abreu, que muitas vezes foi o terceiro elemento do grupo. Com as

suas ideias e criatividade ajudou-nos sempre a encontrar soluções para os problemas que

encontrámos ao longo do desenvolvimento deste trabalho.

Reconhecemos e agradecemos o contributo de José Tacão, licenciado em Educa-

ção Física e colaborador no Clube Desportivo do IPS, que nos alertou para importantes

aspectos fisiológicos relevantes num treino e dos professores Henrique Silva, Jorge Mar-

tins e Tito Amaral pela sua disponibilidade em nos responderem a questões técnicas que

lhes apresentámos.

Por último não podemos deixar de referir a colaboração dos nossos colegas Gus-

tavo Leitão, Pedro Rosa e Rodrigo Caeiro que nos deram importantes dicas sobre a utili-

zação do software de desenvolvimento, e os sempre presentes Rui Pimenta e João Silva

com a sua plena disponibilidade.

iii

Dedicatória

Quero agradecer à minha família pelo apoio, e a todos os que de uma maneira ou

de outra contribuíram para a conclusão do projecto.

Nuno Santos.

Dedico este trabalho aos meus pais pelo seu esforço e paciência em patrocinar a

minha educação, e à Rita pela força dada, para que tudo isto fosse possível.

Ricardo Palma.

iv

Curso: Engenharia de Electrónica e Computadores

Título do projecto: Ergómetro

Autores:

Nuno Santos / nº 3507

Ricardo Palma / nº 3555

Orientador:

Prof. António Abreu

Projecto concluído em 29 de Março de 2007

Resumo:

Reporta-se o desenvolvimento de um sistema de monitorização do sinal

cardíaco e da electromiografia em determinados músculos, aplicado a um atleta que peda-

la numa bicicleta estática. Com a recolha destes dados, combinados com dados mecâni-

cos obtidos a partir da bicicleta, torna-se possível determinar as performances de treino e

a condição física do atleta.

Palavras-Chave: Ergómetro, Electromiografia, Batimento Cardíaco, LabView, Trei-

no, Condição Física, Processamento de Sinal.

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Title: Ergometer

Abstract:

The aim of this project is to develop a system capable of monitoring the cardiac

signal and muscles electromyography, when an athlete strokes on a static bicycle. With

these data, together with mechanical data from a bicycle, it will be possible to gather in-

formation about training performance and the athlete’s physical condition.

Keywords: Ergometer, Electromyography, Heart Beat, Electrocardiogram, LabView,

Physical Training, Physic Condition, Signal Processing.

vi

Índice

1. Introdução .................................................................................................................- 1 - 1.1 Motivação.............................................................................................................- 1 - 1.2 Objectivo ..............................................................................................................- 1 - 1.3 Descrição Resumida............................................................................................- 2 - 1.4 Estrutura do Documento ....................................................................................- 2 -

2. Sinais Bio-eléctricos ..................................................................................................- 4 - 2.1 Sinal Cardíaco .....................................................................................................- 4 -

2.1.1 Ritmo Cardíaco ..............................................................................................- 5 - 2.1.2 Electrocardiograma ........................................................................................- 6 -

2.2 Sinal Electromiográfico ......................................................................................- 8 - 2.2.1 Origem do sinal............................................................................................- 10 - 2.2.2 Características do sinal ................................................................................- 13 - 2.2.3 Eléctrodos ....................................................................................................- 15 - 2.2.4 Amplificadores.............................................................................................- 17 - 2.2.5 Pontos anatómicos para referência...............................................................- 17 - 2.2.6 Principais pontos musculares de aquisição ..................................................- 18 -

2.3 Técnicas de Processamento ..............................................................................- 20 - 2.3.1 Filtragem......................................................................................................- 20 - 2.3.2 Conversão Analógico/Digital.......................................................................- 21 - 2.3.3 Frequência de Amostragem .........................................................................- 21 - 2.3.4 FFT ..............................................................................................................- 22 - 2.3.5 Envolvente ...................................................................................................- 22 - 2.3.6 Energia .........................................................................................................- 23 -

3. Projecto ....................................................................................................................- 25 - 3.1 Hardware ............................................................................................................- 25 -

3.1.1 Aquisição do sinal cardíaco .........................................................................- 25 - 3.1.2 Aquisição do sinal electromiográfico ..........................................................- 29 -

3.2 Bicicleta Estática ...............................................................................................- 33 - 3.3 Microcontrolador PIC ......................................................................................- 34 - 3.4 Comunicação .....................................................................................................- 35 - 3.5 Software ..............................................................................................................- 35 -

3.5.1 Aplicação em tempo real .............................................................................- 36 - 3.5.2 Aplicação para processamento.....................................................................- 38 -

4. Testes ........................................................................................................................- 41 - 4.1 Teste em músculo isolado .................................................................................- 41 -

4.1.1 Experiência nº 1 (Peso 2Kg, duração 41 segundos).....................................- 41 - 4.1.2 Conclusões sobre a experiência com peso de 2Kg ......................................- 47 - 4.1.3 Experiência nº 2 (Peso 3Kg, duração 41 segundos).....................................- 48 - 4.1.4 Conclusões sobre o teste com peso de 3Kg .................................................- 53 - 4.1.5 Experiência nº 3 (Peso 6Kg, duração 41 segundos).....................................- 54 -

4.2 Teste completo ao sistema ................................................................................- 60 - 4.2.1 Conclusões sobre o teste completo efectuado..............................................- 64 -

5. Conclusões e desenvolvimentos futuros ................................................................- 65 - 6. Referências...............................................................................................................- 67 - Anexos ..........................................................................................................................- 69 -

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Lista de Figuras

Figura 1.1 – Representação esquemática da arquitectura do sistema desenvolvido.......- 2 - Figura 2.1 - Constituição de um coração humano [7].....................................................- 5 - Figura 2.2 – Forma típica de um batimento cardíaco [13]..............................................- 7 - Figura 2.3 – Eléctrodo cardíaco. .....................................................................................- 8 - Figura 2.4 – Locais onde são colocados os eléctrodos. ..................................................- 8 - Figura 2.5 – Representação da unidade motora, a partir da coluna vertebral [4]. ........- 10 - Figura 2.6 – Ciclo de polarização/despolarização nas membranas celulares [4]..........- 11 - Figura 2.7 – Diagrama do potencial de acção na membrana celular [4].......................- 12 - Figura 2.8 – Esquemático da zona de despolarização onde são adquiridos os sinais [4]- 12 - Figura 2.9 – Aspecto típico do sinal EMG quando são efectuadas 3 contracções musculares.....................................................................................................................- 13 - Figura 2.10 - Migração da barriga do músculo por baixo dos eléctrodos. Há a notar que na imagem da direita, quando o músculo está contraído, o eléctrodo mais afastado do tronco já não está em cima da área activa do músculo. ................................................- 14 - Figura 2.11 - Exemplo de eléctrodos da Grass Technology usados no projecto. A superfície de contacto é de prata/cloreto de prata [14]. ................................................- 15 - Figura 2.12 – Eléctrodos bipolares de cloreto de prata, descartáveis [15]. ..................- 15 - Figura 2.13 – Configuração bipolar dos eléctrodos usados neste trabalho...................- 16 - Figura 2.14 – Pontos anatómicos para criar referência [4]. ..........................................- 18 - Figura 2.15 – Vista frontal das posições anatómicas recomendadas para a aquisição de electromiografias. [4] ..............................................................................................- 19 - Figura 3.1 – Esquema de um amplificador diferencial. ................................................- 25 - Figura 3.2 – Filtro passa-baixo de 2ª ordem do circuito ECG......................................- 26 - Figura 3.3 – Filtros passa-baixo de 1ª ordem do circuito ECG ....................................- 27 - Figura 3.4 – Filtros passa-alto de 1ª ordem do circuito ECG .......................................- 28 - Figura 3.5 – Esquema eléctrico da placa de aquisição do sinal cardíaco. ....................- 29 - Figura 3.6 - Filtro passa-alto de 2ª ordem.....................................................................- 30 - Figura 3.7 - Filtro passa-baixo de 2ª ordem..................................................................- 30 - Figura 3.8 – Esquemático do andar de amplificação intermédio..................................- 31 - Figura 3.9 – Ligações esquemáticas do integrado AD INA126. ..................................- 32 - Figura 3.10 – Circuito de referência. ............................................................................- 32 - Figura 3.11 – Esquemático geral da placa de aquisição do sinal electromiográfico. ...- 33 - Figura 3.12 – Ilustração do fenómeno provocado pela ampola reed quando ligada a uma resistência de pull-down e sob presença de um íman. ..................................................- 34 - Figura 3.13 – Ecrã de introdução de dados do atleta e do treino. .................................- 36 - Figura 3.14 – Aspecto gráfico do separador de treino. .................................................- 37 - Figura 3.15 – Gráfico do ECG em tempo real. .............................................................- 38 - Figura 3.16 – Diagrama de blocos da aplicação de processamento de sinal ................- 39 - Figura 3.17 – Layout geral da aplicação de processamento do sinal. ...........................- 40 - Figura 4.1 - Sinal filtrado (1ª repetição). ......................................................................- 42 - Figura 4.2 - Sinal filtrado (2ª repetição). ......................................................................- 42 - Figura 4.3 - Sinal filtrado (3ª repetição). ......................................................................- 42 - Figura 4.4 – Gráfico do Integral (1ª repetição). ............................................................- 43 -

viii

Figura 4.5 – Gráfico do Integral (2ª repetição). ............................................................- 43 - Figura 4.6 – Gráfico do Integral (3ª repetição). ............................................................- 43 - Figura 4.7 – Gráfico da média do sinal adquirido (1ª repetição). .................................- 44 - Figura 4.8 – Gráfico da média do sinal adquirido (2ª repetição). .................................- 44 - Figura 4.9 – Gráfico da média do sinal adquirido (3ª repetição). .................................- 44 - Figura 4.10 – Gráfico da FFT (1ª repetição).................................................................- 45 - Figura 4.11 – Gráfico da FFT (2ª repetição).................................................................- 45 - Figura 4.12 – Gráfico da FFT (3 ª repetição)................................................................- 45 - Figura 4.13 – Gráfico da Envolvente do sinal (1ª repetição). .......................................- 46 - Figura 4.14 – Gráfico da Envolvente do sinal (2ª repetição ). ......................................- 46 - Figura 4.15 – Gráfico da Envolvente do sinal (3ª repetição). .......................................- 46 - Figura 4.17 – Gráfico do sinal muscular obtido com 3Kg (1ª repetição). ....................- 48 - Figura 4.18 – Gráfico do sinal obtido usando um peso de 3Kg (2ª repetição). ............- 48 - Figura 4.19 – Gráfico do sinal obtido usando um peso de 3Kg (3ª repetição). ............- 48 - Figura 4.20 – Integral do sinal muscular, obtido com 3Kg (1ª repetição). ...................- 49 - Figura 4.21 – Integral calculado a partir do sinal adquirido na 2ª repetição com 3Kg.- 49 - Figura 4.22 – Gráfico do integral obtido na 3ª repetição..............................................- 49 - Figura 4.23 – Gráfico da média do sinal muscular (1ª repetição).................................- 50 - Figura 4.24 – Média do sinal adquirido na 2ª repetição com 3Kg................................- 50 - Figura 4.25 – Gráfico da média do sinal da 3ª repetição com 3Kg. .............................- 50 - Figura 4.26 – Gráfico da FFT na 1ª repetição com 3Kg. ..............................................- 51 - Figura 4.27 – FFT obtida com o sinal da 2ª repetição com 3Kg. .................................- 51 - Figura 4.28 – FFT do sinal da 3 ª repetição com 3Kg. .................................................- 51 - Figura 4.29 – Gráfico da envolvente na 1ª repetição com 3Kg. ...................................- 52 - Figura 4.30 – Envolvente obtida com o sinal adquirido no 2º teste com 3Kg..............- 52 - Figura 4.31 – Envolvente do sinal no 3º teste com 3Kg. ..............................................- 52 - Figura 4.33 – Sinal adquirido na 1ª repetição com 6Kg. ..............................................- 54 - Figura 4.34 – Sinal adquirido na 2ª repetição com 6Kg. ..............................................- 54 - Figura 4.35 – Gráfico correspondente ao integral do sinal adquirido na 1ª repetição. .- 55 - Figura 4.36 – Integral do sinal adquirido (2ª repetição). ..............................................- 55 - Figura 4.37 – Média do sinal na 1ª repetição. Teste com 6Kg duração 41 segundos...- 56 - Figura 4.38 – Aspecto gráfico da média do sinal na 2ª repetição com 6Kg. ................- 56 - Figura 4.39 – FFT obtida do sinal adquirido na 1ª repetição com 6Kg. .......................- 57 - Figura 4.40 – Aspecto gráfico da FFT na 2ª repetição com 6Kg..................................- 57 - Figura 4.41 – Envolvente do sinal adquirido (1ª repetição)..........................................- 58 - Figura 4.42 – Aspecto gráfico da envolvente do sinal na 2ª repetição com 6Kg. ........- 58 - Figura 4.43 – Sinais EMG1 e EMG2 adquiridos no teste geral....................................- 60 - Figura 4.44 – Integração de ambos os sinais EMG. .....................................................- 61 - Figura 4.45 – Gráfico das médias dos sinais EMG1 e EMG2. .....................................- 62 - Figura 4.46 – Gráfico das médias dos sinais EMG1 e EMG2. .....................................- 63 - Figura 4.47 – Gráfico do sinal ECG. ............................................................................- 64 -

ix

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 – Fórmula de Tanaka.....................................................................................- 6 - Tabela 2.2 – Relação entre a impedância à superfície da pele e as condições de medição da EMG [4]. ..................................................................................................................- 20 - Tabela 4.1 - Valores relevantes obtidos na 1ª experiência............................................- 47 - Tabela 4.2 - Valores relevantes obtidos na 2ª experiência............................................- 53 - Tabela 4.3 - Valores relevantes obtidos na 3ª experiência............................................- 59 -

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Lista de Acrónimos

ADC Analog-to-Digital Converter

CMRR Common-mode rejection ratio

DAQ Data acquisition

ECG Electrocardiogram

EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory

EMG Electromyogram

FC Frequência de Corte

FFT Fast Fourier Transform

IDE Integrated Development Environment

LED Light Emitting Diode

PDA Personal Digital Assistant

PIC Programmable Interrupt Controller

RISC Reduced instruction Set Computer

RMS Root Mean Square

TFD Transformada de Fourier Discreta

USB Universal Serial Bus

INTRODUÇÃO

- 1 -

1. Introdução

1.1 Motivação

A motivação para o desenvolvimento deste projecto é fruto de um trabalho já rea-

lizado pelos mesmos autores. Nesse projecto foram adquiridos o ritmo cardíaco e os

sinais mecânicos da bicicleta, que serviam para calcular as calorias gastas por um ciclista

numa bicicleta de estrada. Esse primeiro trabalho foi projectado para ser completamente

autónomo e portátil, capaz de fornecer em tempo real ao ciclista os valores mecânicos da

bicicleta, ritmo cardíaco e calorias gastas.

No presente trabalho focalizamos a atenção nos sinais eléctricos produzidos nos

músculos, utilizando ferramentas de alto nível em computador, ganhando capacidade de

processamento em detrimento da portabilidade do sistema.

O âmbito geral do trabalho – o desporto, também foi um factor motivante para a

sua realização. Praticar desporto é uma das melhores formas de descontracção e de liber-

tação do stress da rotina diária. Aliás, o exercício físico é uma componente essencial para

o equilíbrio do nosso corpo e mente, e nem sempre a falta de técnica ou experiência a

praticar uma modalidade é a causa das lesões; elas ocorrem também devido ao excesso de

esforço. Portanto, a monitorização, sistematização e análise de treinos é uma demanda

para a evolução do atleta.

1.2 Objectivo

O projecto aqui reportado tem como objectivo desenvolver um sistema de monito-

rização do batimento cardíaco e da electromiografia em determinados músculos, quando

um atleta pedala numa bicicleta estática. Com a recolha destes dados, combinados com

dados mecânicos obtidos a partir da bicicleta, será possível determinar as performances

de treino e a condição física do atleta.

INTRODUÇÃO

- 2 -

1.3 Descrição Resumida

Resumidamente, o projecto divide-se em 3 partes funcionais: a aquisição, a digita-

lização e o processamento. A aquisição visa a recolha dos sinais através de hardware

desenvolvido para o efeito, adquirindo as amostras cardíacas, miográficas e mecânicas

(bicicleta). Depois dos sinais terem sido recolhidos, são digitalizados através dos ADC’s

de um microcontrolador PIC e enviados através de USB para o computador, que os irá

processar. Iremos sobretudo abordar a vertente de análise dos sinais para então permitir a

possibilidade de se tirar conclusões acerca de técnicas e métodos de treino.

Figura 1.1 – Representação esquemática da arquitectura do sistema desenvolvido.

1.4 Estrutura do Documento

Este documento tem como objectivo transmitir com clareza os aspectos relativos

ao desenvolvimento do sistema de aquisição de sinais e seu processamento.

No segundo capítulo iremos abordar a caracterização dos sinais bio-eléctricos,

bem como a sua aquisição no corpo humano. Também serão apresentadas as técnicas de

INTRODUÇÃO

- 3 -

processamento que nos permitem extrair a informação desejada, levando ao estudo analí-

tico que é feito sobre eles.

O terceiro capítulo é dedicado aos aspectos técnicos do projecto, onde são apre-

sentados as componentes de hardware, software e as funcionalidades do sistema.

O quarto capítulo resume os testes realizados e no quinto capítulo serão apresen-

tadas as conclusões que este sistema nos permite tirar.

SINAIS BIO-ELÉCTRICOS

- 4 -

2. Sinais Bio-eléctricos

2.1 Sinal Cardíaco

O batimento, ou contracção, do coração é produzido por um tecido situado na

aurícula direita – nódulo sinoatrial - que possui propriedades específicas, pois é uma zona

que actua como um pacemaker eléctrico natural. O pacemaker, uma espécie de vela de

ignição, dispara impulsos eléctricos que provocam a contracção das fibras musculares de

ambas as aurículas. Esta contracção bombeia, por sua vez, o sangue simultaneamente

para diante, da aurícula para o ventrículo respectivo, e para trás, para os vasos, originando

a pulsação destes (ver figura 2.1, que apresenta a constituição anatómica do coração).

Escassos milissegundos após o disparo do pacemaker, os estímulos eléctricos progridem

através de um sistema de condução especializado, que logo a seguir é formado por célu-

las musculares más condutoras. A esse nível a progressão dos estímulos eléctricos conhe-

ce um atraso de um décimo de segundo, após o que vai excitar os músculos dos ventrícu-

los, que, por sua vez, comprimem o sangue intraventricular, aumentando a respectiva

pressão. É esta pressão ventricular que fecha as válvulas aurículo-ventriculares e abre as

válvulas das câmaras de saída ventriculares para a artéria pulmonar (que conduz o sangue

aos pulmões) e para a artéria aorta (que conduz ao resto do corpo) [9]. E assim termina

um ciclo cardíaco; um de alguns milhares de milhão ao longo da vida.

O Sinal cardíaco caracteriza-se por ter tipicamente uma amplitude que não ultra-

passa a dezena de milivolts e uma frequência entre os 3 e os 16Hz.


- 5 -

Figura 2.1 - Constituição de um coração humano [7].

2.1.1 Ritmo Cardíaco

O ritmo cardíaco talvez seja a forma mais usada e útil de determinar a intensidade

de um exercício. Este método baseia-se no princípio de que existe uma relação directa

entre o aumento da frequência cardíaca e a intensidade do exercício. Consequentemente

surge a questão: qual é a frequência cardíaca máxima (FCmax)? Este valor varia de pessoa

para pessoa. A frequência cardíaca máxima é o mais alto ritmo cardíaco que uma pessoa

pode atingir durante o exercício, sem sentir dores musculares e/ou articulares de magni-


- 6 -

tude suficiente para justificar a sua interrupção, e sem desenvolver anormalidades cardía-

cas significativas.

A forma mais frequente para determinar a frequência cardíaca máxima de um

atleta é submetê-lo a um teste de esforço numa passadeira rolante ou numa bicicleta está-

tica. Este método é chamado “Teste de esforço máximo limitado por sintomas, com

acompanhamento do electrocardiograma e da pressão sanguínea” [5]. A expressão “limi-

tado por sintomas” significa que o atleta faz o exercício até não conseguir continuar ou

até apresentar certas anormalidades no ECG, que serão a indicação para o médico ou

fisiologista terminar o teste.

Todas as pessoas que se submetem a exercícios físicos deveriam efectuar um teste

de esforço para conhecer as suas capacidades fisiológicas. No entanto, existem fórmulas

que poderão dar uma informação útil em caso de ausência de um teste rigoroso. Actual-

mente a fórmula mais utilizada para determinar a FCmax é ( idade−220 ). Esta é a fórmula

elementar apresentada por Karvonen em 1957. Contudo, há várias críticas a este cálculo,

pois o resultado não é adequado para idosos [11].

O método de cálculo que utilizamos no nosso projecto é a fórmula de Tanaka [9],

onde a idade é ponderada por um factor multiplicativo, não subestimando tanto a capaci-

dade cardíaca dos idosos. A fórmula é apresentada na seguinte tabela:

Grupo Fórmula

Indivíduos em geral 208 - (0.7 * (idade [anos]))

Sedentários 212 - (0.7 * (idade [anos]))

Atletas de competição 205 - (0.6 * (idade [anos]))

Tabela 2.1 – Fórmula de Tanaka.

2.1.2 Electrocardiograma

Um electrocardiograma não é mais do que um registo da actividade eléctrica do

coração, obtido através de pequenos eléctrodos colocados no peito. Ao observarmos um

destes registos vemos que ele é constituído por diferentes ondas, que correspondem à


- 7 -

passagem da corrente eléctrica pelas diferentes áreas do coração. Assim, resumidamente,

podemos dizer que existe uma onda P que corresponde à passagem da corrente pelas

aurículas (despolarização das aurículas), um complexo QRS formado por três ondas que

correspondem à passagem pelos ventrículos (despolarização dos ventrículos), e uma onda

T que representa o breve "período de descanso" do coração entre os batimentos em que

há a repolarização dos ventrículos, isto é, em que há como que uma recarga eléctrica (ver

figura 2.2). Não se visualiza qualquer onda correspondente à repolarização das aurículas

porque esta coincide temporalmente com o complexo QRS, pelo que o seu registo fica

ocultado [13].

Figura 2.2 – Forma típica de um batimento cardíaco [13].

Surge agora a questão: para que serve o electrocardiograma? O traçado do elec-

trocardiograma, para além de mostrar a frequência e o ritmo cardíacos, dá também infor-

mações importantes acerca de lesões do miocárdio (músculo cardíaco) e do pericárdio

(membrana que rodeia o coração), permitindo distinguir um enfarte do miocárdio antigo

de um que esteja em progresso. Permite também visualizar alterações da actividade eléc-

trica do coração decorrentes de algum desequilíbrio químico no sangue, como sejam

níveis anormais de cálcio ou potássio. Por fim, sabemos que o ECG permite ainda visua-

lizar a acção de certos medicamentos que actuam sobre o coração, como por exemplo os

digitálicos [9].

No sistema desenvolvido os eléctrodos cardíacos usados são simples condutores

metálicos rodeados de material aderente (para se fixarem no corpo humano), contendo


- 8 -

uma substância gelatinosa para uma melhor condutividade entre a superfície corporal e o

eléctrodo, como apresentado na figura 2.3.

Figura 2.3 – Eléctrodo cardíaco.

Existem vários métodos de obtenção do electrocardiograma no que respeita à

quantidade e localização dos eléctrodos aplicados. No projecto utilizámos o simples pro-

cesso de triangulação de eléctrodos: com apenas 3 eléctrodos consegue-se adquirir as

principais características do sinal cardíaco [9].

Figura 2.4 – Locais onde são colocados os eléctrodos.

2.2 Sinal Electromiográfico

A electromiografia (EMG) é uma técnica experimental relativa à aquisição e aná-

lise de sinais mioeléctricos. Estes são gerados por variações fisiológicas nas membranas

das fibras musculares. O facto da electromiografia ser menos divulgada do que o electro-


- 9 -

cardiograma leva-nos, neste documento, a debruçar um pouco mais no que consiste esta

técnica.

Ao contrário da clássica EMG neurológica, onde uma estimulação artificial faz

com que um músculo responda ao estímulo em condições estáticas, a EMG cinesiológica

pode ser descrita como o estudo da activação neuromuscular das fibras dos músculos em

determinadas tarefas, como por exemplo os movimentos funcionais do corpo humano,

movimentos efectuados no local de trabalho, movimentos de reabilitação ou situações de

treino. Neste trabalho, a EMG em questão é a cinesiológica, analisada em condições de

treino de um atleta. Há a referir que dentro deste tipo de EMG existem duas formas dife-

rentes de recolher os sinais: EMG de superfície e EMG de profundidade. [6]

A EMG de profundidade (EMGpro) baseia-se na colocação de eléctrodos no inte-

rior do músculo, em contacto directo com as fibras musculares. O registo obtido é resul-

tado dos potenciais de acção de um conjunto de fibras musculares localizadas na proxi-

midade do eléctrodo de detecção. Este tipo de EMG apresenta várias desvantagens,

nomeadamente as consequentes sensações dolorosas e derrame intramuscular quando o

objectivo é estudar o comportamento motor em situação mais próxima possível da situa-

ção natural. Como é facilmente compreensível, a EMGpro é muito pouco utilizada em

áreas como a cinesiologia e o controlo motor [6].

A EMG de superfície (EMGsup) é a mais utilizada na área cinesiológica, e é

sobre ela que nos vamos debruçar neste projecto. Podemos já adiantar que na EMGsup os

potenciais que ocorrem no sarcolema1 das fibras activas são conduzidos pelos tecidos e

fluidos envolventes até à superfície da pele. Os eléctrodos colocados sobre a pele permiti-

rão o registo da soma da actividade eléctrica de todas as fibras musculares activas.

A electromiografia é uma técnica em franco crescimento e bastante utilizada prin-

cipalmente em quatro áreas, nomeadamente: análise médica (aconselhamento de cirurgia,

posturas correctas e ortopedia), reabilitação (auxílio à terapia e recuperações cirúrgicas),

1 Membrana plasmática das células do tecido muscular.


- 10 -

ergonomia (prevenção de riscos e certificação de produtos) e ciência desportiva (biome-

cânica, análise de movimentos e testes de condição física).

2.2.1 Origem do sinal

A unidade funcional mais pequena que descreve o controlo neurológico da con-

tracção muscular é chamada “unidade motora”. Os neurónios motores Alfa estimulam as

ligações nervosas que por sua vez irão excitar as membranas musculares.

Figura 2.5 – Representação da unidade motora, a partir da coluna vertebral [4].

A excitabilidade das fibras musculares através do controlo neurológico tem uma

importância extrema na fisiologia dos músculos. Este fenómeno pode ser explicado pelo

modelo da “membrana semi-permeável”, onde são descritas as propriedades eléctricas do

sarcolema. Um equilíbrio iónico entre o interior e o exterior de uma célula muscular for-

ma uma energia potencial de repouso, que é aproximadamente -80 mV quando o músculo

não está contraído. Esta diferença de potencial, que é mantida por processos fisiológicos,


- 11 -

nomeadamente as trocas iónicas, resultam numa carga negativa intracelular comparada

com a superfície externa do músculo. A activação dos neurónios motor Alfa (induzidos

pelo sistema nervoso central) resulta na condução da excitação ao longo do nervo motor.

Após a libertação das substâncias transmissoras, é formada uma diferença de potencial

entre a fibra muscular e o nervo motor. Neste momento, a difusão celular característica da

fibra muscular é ligeiramente alterada, e os iões de sódio flúem para dentro da célula

muscular. Isto causa uma despolarização da membrana, que é imediatamente reposta por

uma troca inversa de iões com o mecanismo de reposição iónica, a chamada polarização

[4].

Figura 2.6 – Ciclo de polarização/despolarização nas membranas celulares [4].

Se um determinado nível é excedido aquando da entrada dos iões de sódio para

dentro da célula muscular, a despolarização da membrana causa uma diferença de poten-

cial que rapidamente motiva uma alteração de -80mV para 30mV. É uma descarga eléc-

trica monopolar que é automaticamente reposta pela fase de polarização.


- 12 -

Figura 2.7 – Diagrama do potencial de acção na membrana celular [4].

Resumindo, neste modelo o sinal electromiográfico baseia-se na alteração da dife-

rença de potencial existente na membrana celular das fibras musculares quando ocorrem

os processos de despolarização e polarização. A extensão da zona de despolarização é

descrita como tendo aproximadamente 1 a 3 mm2.

Figura 2.8 – Esquemático da zona de despolarização onde são adquiridos os sinais [4].


- 13 -

O ciclo despolarização/polarização forma uma onda ou dipolo eléctrico. Tipica-

mente, os eléctrodos bipolares e os amplificadores diferenciais são usados para medir as

EMGs cinesiológicas.

2.2.2 Características do sinal

Devido à sua natureza, os picos do gráfico da EMG têm uma forma aleatória, ao

contrário do que acontece com a ECG. Este aspecto prende-se com a disponibilidade e

interoperabilidade dos neurónios motores, ou seja, se ocasionalmente dois ou mais neu-

rónios motores disparam ao mesmo tempo e o “alvo” está localizado perto dos eléctrodos,

então será produzido um efeito de sobreposição de picos.

Figura 2.9 – Aspecto típico do sinal EMG quando são efectuadas 3 contracções musculares.

É importante salientar que os picos da EMG podem atingir os 5000 µV de ampli-

tude (em atletas) de amplitude, e as frequências variam entre os 6 e os 500 Hz. No entan-

to, as frequências mais significativas de análise localizam-se entre os 20 e os 250 Hz.

Existem diversos factores que condicionam a qualidade da EMG adquirida, em

que os mais importantes são as características do tecido humano, o cross-talk fisiológico,


- 14 -

as mudanças da geometria do músculo quando existe contracção e o ruído [4], tal como

de seguida se descreve.

A nível dos tecidos humanos, sabemos que o corpo é um razoável condutor eléc-

trico. Com efeito, a condutividade varia com o tipo de pele, a espessura, e as alterações

com a temperatura, humidade, etc. Estas condições podem variar significativamente de

indivíduo para indivíduo, o que proíbe uma comparação quantitativa da amplitude do

EMG entre indivíduos.

O cross-talk fisiológico é a interferência provocada pelos músculos vizinhos do

músculo do qual pretendemos analisar a EMG. Tipicamente, este cross-talk não excede

os 15%, mas, pode adicionar picos de amplitude elevados capazes de aumentar involunta-

riamente a EMG do músculo em questão. Há ainda a salientar que o batimento cardíaco é

também um factor que pode adicionar componentes ao espectro electromiográfico.

Quando se faz força o músculo é contraído, alterando a sua geometria entre o

estado de repouso e os diferentes níveis de contracção, o que pode provocar uma altera-

ção do local original do eléctrodo, e como tal do próprio sinal, podendo a detecção ser

efectuada ou não. Este é um problema sentido por todos os estudos da EMG cinesiológi-

ca, incluindo o nosso, pois os eléctrodos não acompanham com exactidão todos os movi-

mentos musculares.

Figura 2.10 - Migração da barriga do músculo por baixo dos eléctrodos. Há a notar que na imagem da

direita, quando o músculo está contraído, o eléctrodo mais afastado do tronco já não está em cima da área

activa do músculo.

O ruído externo deve, também, ser levado em consideração. Tem de haver um

especial cuidado em fazer os testes de EMG em locais longe de ambientes de ruído eléc-


- 15 -

trico. Um dos principais problemas prende-se com a componente de 50Hz e suas harmó-

nicas, provenientes da rede eléctrica.

2.2.3 Eléctrodos

Os eléctrodos de cloreto de prata têm mostrado possuir características superiores

aos eléctrodos simplesmente de prata, quando se adquirem pequenos sinais AC e DC. Os

eléctrodos de cloreto de prata apresentam um menor ruído de baixa frequência relativa-

mente aos eléctrodos de prata simples e aos eléctrodos de ouro. Os eléctrodos utilizados

no projecto são construídos a partir de prata pura e depois clorados para proporcionar

estabilidade e baixo ruído na aquisição de sinais.

Figura 2.11 - Exemplo de eléctrodos da Grass Technology usados no projecto. A superfície de

contacto é de prata/cloreto de prata [14].

A selecção do tipo de eléctrodos depende do tipo de análise que se pretende efec-

tuar, ou seja, um único tipo de eléctrodo não serve para todo o tipo de análises electro-

miográficas. O estado da arte dos eléctrodos são aqueles aos quais se junta um andar de

pré-amplificação logo após a superfície de contacto, com vista a tornar o sinal a adquirir

mais imune ao ruído externo. A superfície de contacto normalmente não é reutilizável.

Figura 2.12 – Eléctrodos bipolares de cloreto de prata, descartáveis [15].


- 16 -

Quando os testes que se pretendem fazer têm um carácter de continuidade, como

por exemplo estudar a evolução de um atleta em cada treino, o uso de eléctrodos descar-

táveis torna o estudo muito caro. Surge então a hipótese de utilizar eléctrodos reutilizá-

veis com um andar de amplificação na proximidade da superfície de contacto. O proble-

ma que isto traz é o facto dos eléctrodos de cloreto de prata precisarem de ser regenera-

dos, ou seja, ser reintroduzido cloro na superfície da prata. Se tivermos a electrónica de

amplificação perto dos eléctrodos, não podemos submeter os eléctrodos ao banho iónico.

A utilização de um encaixe para permitir remover o eléctrodo do andar de amplificação

poderia levar a que qualquer ruído provocado pela ligação seria imediatamente amplifi-

cado, o que seria indesejável.

No nosso projecto optámos pelos eléctrodos sem pré-amplificação, visto verifi-

carmos que havendo uma boa fixação e entrançando os cabos dos eléctrodos, o ruído

adquirido na espaço entre a superfície de contacto e a placa de aquisição é praticamente

desprezável quando estamos num ambiente com pouco ruído eléctrico.

A aquisição do sinal é feita com eléctrodos bipolares cujos sinais irão entrar num

amplificador diferencial. Isto reduz significativamente o ruído provocado por artefactos

mecânicos do corpo (por exemplo o batimento cardíaco) e outros tipos de ruído. Tipica-

mente os dois eléctrodos devem estar afastados entre 1 a 2 cm.

Figura 2.13 – Configuração bipolar dos eléctrodos usados neste trabalho.


- 17 -

2.2.4 Amplificadores

Os amplificadores usados na EMG e ECG são amplificadores de instrumentação,

visto que são amplificadores diferenciais indicados pela sua excelente capacidade de

efectuar medições e teste de sinais fracos. As suas características relativamente aos

amplificadores operacionais são o facto de terem um nível baixo de componente DC, bai-

xo ruído, elevado ganho em malha aberta, alta impedância de entrada e um elevado

CMRR [1].

A amplificação diferencial amplifica as diferenças de potencial entre os eléctro-

dos, eliminando as interferências externas. Tipicamente, o ruído chega aos dois eléctro-

dos sem alteração de fase e amplitude, o qual é rejeitado por este tipo de amplificadores.

Por este motivo, a escolha de um amplificador com um bom CMRR (>60 dB) torna-se

imperativo para a aquisição da EMG.

2.2.5 Pontos anatómicos para referência

Para adquirirmos os sinais, além dos eléctrodos que se colocam no músculo que

se pretende analisar, há ainda que colocar um eléctrodo de referência. A figura 2.14 apre-

senta os principais pontos para referência. No projecto usamos o acrómio para a EMG e a

crista ilíaca para o ECG.


- 18 -

Figura 2.14 – Pontos anatómicos para criar referência [4].

2.2.6 Principais pontos musculares de aquisição

A figura 2.5 mostra os músculos da parte frontal do corpo humano que tipicamen-

te servem de estudo na área cinesiológica. No lado esquerdo da figura estão representados

os músculos onde se efectua a EMG de profundidade, ou seja, o local onde são colocadas

as agulhas/eléctrodos. No lado direito estão indicados os pontos onde se captam os sinais

da EMG de superfície. O par de pontos amarelos indica a orientação que os eléctrodos

bipolares devem apresentar para a obtenção de melhores resultados.


- 19 -

Figura 2.15 – Vista frontal das posições anatómicas recomendadas para a aquisição de electromiogra-

fias [4].

Um dos factores importantes para uma boa aquisição do sinal electromiográfico é

a preparação da pele. Esta deve ser ligeiramente esfoliada para remover as células mortas

da derme (epitélio), bem como qualquer gordura que poderá existir. Finda esta operação,


- 20 -

a impedância medida entre os 2 eléctrodos deverá ser a menor possível. A tabela 2.2 resu-

me as condições de aquisição mediante a impedância.

Impedância (KΩ) Condição

1 – 5 Condição recomendada

5 – 10 Boa condição

10 – 30 Aceitável

30 – 50 Menos boa, deverão ser tomadas medidas

> 50 Deve ser evitada

Tabela 2.2 – Relação entre a impedância à superfície da pele e as condições de medição da EMG [4].

2.3 Técnicas de Processamento

2.3.1 Filtragem

Para adquirir e processar sinais analógicos, tal como a EMG e o ECG, os filtros

electrónicos têm uma elevada importância. Temos então de realçar os dois principais

tipos de filtros usados: passa-baixo e passa-alto. O passa-baixo é caracterizado por permi-

tir a passagem de baixas frequências e atenuar ou eliminar a amplitude das frequências

maiores (acima da frequência de corte). O inverso do passa-baixo é o passa-alto, pois ate-

nua ou elimina as amplitudes das baixas frequências deixando passar todas acima da fre-

quência de corte.

Se combinarmos as frequências de corte destes filtros, podemos obter filtros rejei-

ta-banda e passa-banda. Os filtros rejeita-banda são compostos por um filtro passa-baixo

com uma frequência de corte inferior à frequência de corte do filtro passa-alto. Por sua

vez, os filtros passa-banda são constituídos por um filtro passa-alto com uma frequência

de corte inferior à frequência de corte do filtro passa-baixo.


- 21 -

No nosso trabalho podemos referir a importância do filtro passa-banda para obter a faixa

de frequências da EMG e o filtro rejeita-banda para eliminar a componente de 50Hz

induzida pela rede eléctrica.

2.3.2 Conversão Analógico/Digital

Depois de adquiridos os sinais electromiográficos e cardíacos, adquiridos é neces-

sário digitaliza-los para que o computador possa interpretar a informação recebida. Para

tal usamos o ADC do microcontrolador usado, o PIC 18F4550. Digitalizámos os sinais

ECG e EMG com 8 bits de resolução, ou seja, com 255 patamares discretos. Este PIC

permite 10 bits de resolução máxima, no entanto esta família de microcontroladores é de

8 bits, logo iriam ser necessários mais ciclos de relógio para digitalizar o sinal com 10

bits, baixando a taxa de amostragem. Na nossa opinião os 8 bits são suficientes para

representar o sinal em termos de amplitude, visto que não precisamos de caracterizar o

sinal EMG com mais rigor, porque tem invariavelmente vários sinais sobrepostos (as ten-

sões provocadas por várias membranas celulares na imediação da superfície de contacto

dos eléctrodos).

2.3.3 Frequência de Amostragem

Para além da resolução do sinal amostrado, outro aspecto importante na digitali-

zação é a frequência de amostragem. Para se digitalizar correctamente, a frequência de

amostragem deve ser no mínimo o dobro da frequência do sinal, segundo o teorema da

amostragem de Nyquist [17]. Se esta condição não estiver satisfeita surgem os efeitos do

aliasing.

Como referido anteriormente, as frequências da EMG situam-se entre os 6 e os

500Hz. Assim, para respeitar o teorema da amostragem de Nyquist, o mínimo aceitável

seriam 1000 amostras por segundo. No projecto utilizámos uma frequência de amostra-


- 22 -

gem de 2300 amostras por segundo, ou seja, 4.6 vezes a frequência máxima do sinal elec-

tromiográfico.

2.3.4 FFT

A Fast Fourier Transform (FFT) consiste numa implementação rápida da Trans-

formada de Fourier Discreta (TFD), tirando partido da estrutura repetitiva do cálculo. A

TFD pode-se escrever como o produto de uma matriz por um vector. A matriz é chamada

matriz de transformação e o vector contém as amostras do sinal a transformar. O sucesso

da FFT deve-se, por um lado, ao vasto número de aplicações, e por outro à estrutura par-

ticular da TFD que faz com que a matriz de transformação possua uma grande redundân-

cia nos seus elementos, facilitando a sua implementação recursiva. Deste modo, a FFT

permite decompor qualquer sinal periódico ou não periódico numa soma de sinusóides,

cada uma terá a sua própria frequência e amplitude [17].

A FFT é uma ferramenta interessante para aplicar ao sinal EMG, pois permite

observar a distribuição de frequências do espectro da EMG. Sabendo-se que a fadiga

pode ser detectada através da diminuição das componentes de alta-frequência [4], do uso

da FFT poderá resultar uma boa análise da fadiga.

2.3.5 Envolvente

A extracção da envolvente de um sinal é o processo de obter os limites do sinal

em amplitude. Em diversos tipos de sinal, nomeadamente aqueles com diversas compo-

nentes de frequência, a envolvente dá-nos o esboço do sinal ou o seu comportamento

médio. Contudo, esse esboço pode ser mais ou menos preciso dependendo do tipo de

envolvente que pretendemos calcular.

Na nossa aplicação a envolvente é calculada através de uma média numa janela

cuja largura é modificável, controlando o grau de pormenor do sinal que se expõe. Isto irá


- 23 -

naturalmente conduzir a um sinal mais “liso” em termos de picos de alta-frequência. Con-

cluindo, a envolvente permite-nos fazer uma primeira avaliação do significado que os

dados em bruto nos fornecem.

2.3.6 Energia

A medida da “capacidade” de um sinal é crucial para determinadas aplicações. É

útil, por exemplo, saber a quantidade de energia usada num desfibrilhador que não cause

danos físicos ao paciente.

Numa função em que a amplitude varia com o tempo, mede-se a energia do sinal

como sendo a área abaixo da curva. Contudo, esta área pode conter partes negativas, não

devendo estas ter menor expressão do que as áreas positivas no cálculo da energia. Isto

obriga a elevar ao quadrado o sinal, ou obter o seu valor absoluto para se contabilizar a

parte negativa do sinal. Para calcular a área avalia-se o integral do módulo ao quadrado,

indicando a energia do sinal. [17]

A energia é então dada por:

A potência é por sua vez a energia média do sinal, a energia por unidade de tempo [17],

ou seja:

O interesse de calcular a energia do sinal é mais importante na EMG do que no

ECG. Na electromiografia podemos comparar a energia dispendida por dois músculos

semelhantes; por exemplo, comparar a energia dos músculos recto-femural de cada perna


- 24 -

quando o atleta pedala na bicicleta, pois sabe-se que a simetria do corpo humano não é

perfeita, quantificando-se assim essa diferença.

A potência, como valor médio da energia que é, permite retirar a dependência da

duração do treino, o que também nos parece interessante.

PROJECTO

- 25 -

3. Projecto

3.1 Hardware

3.1.1 Aquisição do sinal cardíaco

A amplitude dos sinais cardíacos é muito baixa e constantemente afectada por ruí-

dos e estática presente no nosso corpo. Assim, precisamos de um circuito que consiga

eliminar qualquer ruído presente na entrada e amplificar a diferença entre as tensões dos

eléctrodos. O circuito usado na aquisição do sinal ECG é uma aplicação comum em

amplificadores diferenciais - o amplificador de instrumentação.

Observando o circuito da figura 3.1, podemos ver que são usadas duas entradas e

que o circuito é um espelho de si próprio em relação a essas entradas. Em seguida pode-

mos reparar que a saída é retirada de apenas um transístor. A tensão obtida na saída é a

diferença entre as duas entradas. Quando as duas entradas são iguais dá-se o nome de

entrada em modo comum, mas quando são diferentes dá-se o nome de entrada diferencial

em modo normal. Num amplificador diferencial deseja-se um CMRR (nível de rejeição

em modo comum) elevado.

Figura 3.1 – Esquema de um amplificador diferencial.

O circuito da figura 3.2 apresenta o esquemático da placa de aquisição do sinal

ECG. Se seguirmos as duas entradas, vemos que ambas estão ligadas ao circuito através

de condensadores e depois a resistências de valor elevado, na ordem da dezena de

PROJECTO

- 26 -

megaohms. De notar que nunca se deve tentar passar corrente através da pele nas proxi-

midades do coração. Cada entrada está também ligada à entrada diferencial do ampop

LM324. O potenciómetro R5 regula o ganho, que varia entre 100 e 10000. Este valor é

experimentalmente ajustado para captar os sinais bio-eléctricos pretendidos.

Uma vez que as células nervosas no músculo do coração são relativamente lentas

(na ordem dos milissegundos), foram introduzidos filtros passa-baixo para eliminar qual-

quer ruído de alta-frequência que possa estar presente no sinal a adquirir. Esses filtros

podem ser visualizados através das diversas combinações RC no circuito (R8 com C7, R9

e C8, R10 e C9). Foram também utilizados filtros activos passa-baixo de 2ª ordem. Estas

combinações filtram com eficácia qualquer ruído de alta-frequência existente, deixando o

sinal cardíaco impoluto para análise.

O sinal de saída é acoplado a um indicador LED (LED1) que acende sempre que

o transístor Q1 é ligado. Decidimos também incorporar um amplificador de áudio

(LM386) para dar ganho a um pequeno altifalante e ouvir o batimento cardíaco.

Para eliminar ruído indesejado no sinal ECG são utilizados filtros, como referido

anteriormente. Em seguida serão calculadas as frequências de corte de cada um deles.

Figura 3.2 – Filtro passa-baixo de 2ª ordem do circuito ECG

Entrada do filtro passa-baixo

Saída do andar do amplificador de instrumentação.

PROJECTO

- 27 -

Para calcular a frequência de corte do filtro passa-baixo aplica-se a seguinte equa-

ção:

78672

10

RRCCf

×××××=

π [1]

Pelo que se obtém uma frequência de corte de:

Hz 15,911001001,01,02

10 =

×××××=

KKf

µµπ

Em seguida temos dois filtros passa-baixo de 1ª ordem representados na figura

3.3. Um filtro é constituído pela resistência R9 e condensador C8 e o outro filtro pela

resistência R10 e condensador C9.

Figura 3.3 – Filtros passa-baixo de 1ª ordem do circuito ECG

A frequência de corte para estes filtros é dada por:

CRf

×=

10 [1]

Desta forma temos para cada um dos filtros frequências de corte de:

HzKCR

f 91,151,0100

1

89

10 =

×=

×=

µ

HzKCR

f 91,151,0100

1

910

10 =

×=

×=

µ

Entrada do filtro pas-sa-alto de 2ª ordem

Saída do filtro passa-baixo de 2ª ordem

PROJECTO

- 28 -

Um filtro passa-alto é também utilizado nesta montagem para que seja formado

um filtro passa-banda. Na figura 3.4 está apresentado o filtro referido.

Figura 3.4 – Filtros passa-alto de 1ª ordem do circuito ECG

Para calcular a frequência de corte do filtro passa-alto aplica-se a seguinte equa-

ção:

10112

10

CRf

×××=

π [1]

Pelo que se obtém uma frequência de corte de:

Hz 38,3107,42

10 =

×××=

µπ Kf

Finalmente, com vista a tornar o circuito o mais seguro possível ao atleta e elimi-

nar ruídos provenientes da rede eléctrica, que poderiam afectar o funcionamento da placa

foi utilizada uma bateria de 9V como alimentação.

A vista geral do circuito para a aquisição do sinal cardíaco está presente na figura

3.5.

Entrada do amplificador de audio

Entrada analógica da PIC

Saída dos filtros passa-baixo

PROJECTO

- 29 -

Figura 3.5 – Esquema eléctrico da placa de aquisição do sinal cardíaco.

3.1.2 Aquisição do sinal electromiográfico

Como referido anteriormente, os filtros são extremamente necessários na realiza-

ção de placas de aquisição de sinais. Eles têm como principal função eliminar ruídos e

frequências não desejadas no sinal EMG. Como já foi referido, o sinal EMG está situado

na banda dos 20 aos 250Hz, pelo que é necessária a aplicação de um filtro passa banda.

Isto foi conseguido com a utilização de dois filtros: um passa-alto seguido de um passa-

baixo, ambos de 2ª ordem. A utilização de filtros de 2ª ordem deveu-se ao facto da sua

facilidade de implementação, bem como o facto de este ser bastante preciso no corte das

frequências indesejadas.

R5

Alimentação dos integrados

PROJECTO

- 30 -

Figura 3.6 - Filtro passa-alto de 2ª ordem.

O filtro passa-alto de 2ª ordem realizado tem uma frequência de corte dada por

)65(4762

10

RRRCCf

+×××××=

π [1]

A frequência de corte vale:

HzMMnFnF

f 09,20216,56,52

10 =

Ω×Ω××××=

π

O filtro passa-baixo realizado é o que se apresenta na figura 3.7.

Figura 3.7 - Filtro passa-baixo de 2ª ordem

Entrada do andar de amplificação

Referência

Saída do amplificador de instrumentação

Entrada analógica do PIC

Referência

Saída do andar de amplificação

PROJECTO

- 31 -

Para o filtro passa-baixo de 2ª ordem a frequência de corte é dada por:

98982

10

RRCCf

×××××=

π , [1]

Pelo que podemos extrair a frequência de corte do filtro:

HzKKnFnF

f 3043241742,22,22

10 =

Ω×Ω××××=

π

Entre o filtro passa-alto e o filtro passa-baixo foi introduzido um andar amplifica-

dor intermédio. Neste andar é possível o ajuste do ganho através de um potenciómetro. A

figura 3.8 ilustra a realização do mesmo.

Figura 3.8 – Esquemático do andar de amplificação intermédio.

Uma vez que os sinais provenientes do músculo têm amplitudes muito pequenas,

é necessário utilizar uma montagem que permita detectar as pequenas variações do sinal,

o que é feito através de uma amplificador de instrumentação. O amplificador de instru-

mentação utilizado é o INA126, com um ganho ajustado para 1707. Este amplificador

tem um CMRR elevado, na ordem dos 94dB.

Entrada do filtro passa-baixo de 2ª

ordem

Referência

Saída do filtro passa-alto de 2ª ordem

PROJECTO

- 32 -

Figura 3.9 – Ligações esquemáticas do integrado AD INA126.

O ganho deste amplificador é dado por:

1

805

R

KG

Ω+=

Substituindo o valor de R1 temos um ganho de 1707.

Por último, há que referir o circuito de referência que se apresenta na figura 3.10.

Figura 3.10 – Circuito de referência.

Entrada do filtro passa-alto de 2ª

ordem

Alimentações

Referência

Alimentação dos integrados

Referência

PROJECTO

- 33 -

Este circuito tem como principal objectivo criar uma referência para os restantes

eléctrodos. No nosso projecto foi decidida a utilização de uma tensão de referência de

4,5V que equivale a metade da tensão fornecida pela pilha de 9V.

O circuito completo da electrónica de aquisição da EMG é apresentado na figura

3.11, que ajuda a ter uma visão completa dos circuitos apresentados.

Figura 3.11 – Esquemático geral da placa de aquisição do sinal electromiográfico.

3.2 Bicicleta Estática

A bicicleta que usámos para treino do atleta tem um sistema que permite visuali-

zar a velocidade instantânea, bem como a distância percorrida. Esses valores são necessá-

rios para integrar com os restantes dados produzidos pelo nosso projecto. Por este motivo

desligámos a electrónica da bicicleta, aproveitando a sua ampola reed (ou interruptor

reed), a qual, ligada a uma resistência de pull-down no nosso sistema, provoca um impul-

so quadrado a cada passagem completa do pedal (que tem um íman).

Entrada analógica do PIC

PROJECTO

- 34 -

Figura 3.12 – Ilustração do fenómeno provocado pela ampola reed quando ligada a uma resistência de pull-

down e sob presença de um íman.

Visto que a bicicleta não se move, mas disponibiliza a distância percorrida no seu

visor, tivemos de calcular a distância que cada pedalada produzia. Verificámos que após

15 pedaladas o odómetro marcava 100 metros percorridos, com o pedal na posição de

início, o que corresponde a 6,66 metros por pedalada. Neste momento, a partir do impul-

so quadrado ficamos a saber a velocidade a que o ciclista pedala bem como a distância

percorrida.

3.3 Microcontrolador PIC

Entre a aquisição dos sinais e o processamento de alto nível efectuado em compu-

tador, utilizamos um microcontrolador PIC 18F4550, por estar disponível no nosso labo-

ratório e reunir as características desejadas, nomeadamente uma interface de comunica-

ção USB nativa.

Os dispositivos PIC pertencem a uma família de microcontroladores fabricados

pela empresa Microchip Technology, que processam dados de 8 bits. São caracterizados

por terem uma arquitectura Harvard, um conjunto de instruções RISC (reduced instruc-

PROJECTO

- 35 -

tion set computer) com recursos de programação por memória flash e EEPROM, e pro-

cessam uma instrução por cada ciclo (4 ciclos de oscilador).

3.4 Comunicação

Após os sinais terem sido adquiridos pelas respectivas placas, e seguidamente

digitalizados pelo microcontrolador, havia a necessidade de os transferir para o computa-

dor a fim de se efectuar o seu processamento numa linguagem de alto nível, neste caso no

LabView.

Actualmente, e cada vez mais, a comunicação entre periféricos e o computador é

feita por USB, por isso decidimos que o nosso sistema também iria utilizar este tipo de

comunicação, por todas as vantagens que a caracteriza e pelo facto de muitos computado-

res pessoais já não possuírem portas RS232.

À entrada do microcontrolador estão, nos respectivos portos, os dois sinais EMG,

o sinal ECG e o sinal proveniente da bicicleta. Em cada ciclo do programa do PIC, os

quatro sinais são amostrados e enviados num “pacote” de 4 bytes para o porto USB. Esta

informação viaja até ao computador, onde é interpretado como um sinal semelhante ao da

porta RS232, devido ao driver escolhido, permitindo um fácil manuseamento pelo Lab-

View. O facto do sinal ser interpretado como sendo do tipo RS232 não prejudica a efi-

ciência da transmissão, visto que amostrando o sinal à taxa de 2300 amostras por segun-

do, uma baud rate de 19200 bits por segundo é o suficiente para não haver perda de

dados.

3.5 Software

O software utilizado para desenvolver este projecto foi o LabView, assente no sis-

tema operativo Windows XP. O LabView é uma plataforma de desenvolvimento de pro-

gramação visual da National Instruments, e tem como ponto forte a facilidade de uso de

componentes externos de hardware.

PROJECTO

- 36 -

Para a interface com o utilizador, o software desenvolvido é composto por duas

aplicações. Uma aplicação analisa os sinais em tempo real, permitindo ao utilizador, atra-

vés de variáveis definidas no início do treino, escolher o tipo de exercício e visualizar

informação importante para o atleta, de que falaremos mais adiante. A outra aplicação

deve ser utilizada após o treino e está relacionada, quase na sua totalidade, com a análise

dos sinais EMG adquiridos, havendo também possibilidade de observar o sinal ECG ao

longo do tempo de treino.

3.5.1 Aplicação em tempo real

A aplicação que denominamos de tempo real é constituída por 3 separadores. O

primeiro separador permite a introdução de valores relacionados com o atleta e com o

tipo de treino. A figura 3.13 ilustra o separador referido. Estes valores vão ser necessários

para vários cálculos no decorrer do treino.

Figura 3.13 – Ecrã de introdução de dados do atleta e do treino.

O segundo separador tem como nome “Treino”, e, tal como o nome indica, tem

como função principal dar informação sobre o decorrer do treino. Este separador dispõe

de informação sobre a frequência cardíaca (FC) do atleta, tanto gráfica como numerica-

mente, sobre níveis cardíacos e número de calorias gastas. Este separador também con-

tém a velocidade do atleta durante todo o exercício, distâncias percorridas por si e pelos

PROJECTO

- 37 -

seus adversários. Adicionalmente, existem dois botões que permitem iniciar e parar o

treino, permitindo assim começar e parar a escrita dos valores adquiridos num ficheiro.

Os valores guardados (os dois sinais EMG e o sinal ECG) são processados na segunda

aplicação. Um relógio existente na aplicação conta o tempo de prova.

O nível de dificuldade dos adversários (i.e, se são rápidos ou lentos) depende do

que o utilizador introduziu no separador “Dados do atleta e de treino”.

Figura 3.14 – Aspecto gráfico do separador de treino.

O cálculo das calorias gastas não é um aspecto fundamental do nosso projecto, no

entanto vamos referir como foram calculadas. A equação que usamos tem como variáveis

o número de batimentos por minuto (B em bpm), o peso do ciclista (P em Kg), e o tempo

do treino (t em minutos), variáveis estas que são medidas pelo nosso sistema, excepto o

peso. O valor das calorias gastas mostrado refere-se ao consumo energético desde o início

do treino [5].

Escolhemos esta equação em detrimento de outras propostas, por reunir o maior

número de dados adquiridos pelo nosso sistema.

PROJECTO

- 38 -

Apresentamos em seguida a equação usada:

tPBGE ×−×+×−×+= ))40(0887.05.3())100(0276.01( [Cal]

O terceiro separador, que tem como nome “Electrocardiograma”, permite ao atleta

visualizar em tempo real o seu sinal cardíaco.

Figura 3.15 – Gráfico do ECG em tempo real.

3.5.2 Aplicação para processamento

A segunda aplicação tem como principal função fazer o processamento de dois

sinais EMG e apresentar graficamente o sinal ECG adquirido durante todo o treino. Dis-

ponibilizamos dois sinais EMG para se poder avaliar simultaneamente dois músculos. A

aplicação é composta por seis separadores: sinal filtrado, integral, média do sinal, FFT,

envolvente e sinal ECG.

O processamento dos sinais EMG é de seguida explicado. O sinal guardado no

ficheiro é passado por um filtro rejeita-banda do tipo Butterworth de 2ª ordem (filtro

PROJECTO

- 39 -

efectuado pelo software da nossa aplicação) com frequência de corte inferior de 48 Hz e

frequência de corte superior de 53 Hz para eliminar o ruído de 50 Hz que possa surgir no

sinal. A FFT é também calculada a partir do sinal guardado no ficheiro. De seguida é cal-

culado o valor absoluto do sinal para depois se calcular a média, que é feita através de

uma janela deslizante com tamanho 150, fazendo assim média de 150 amostras de cada

vez. O sinal resultante é elevado ao quadrado e calcula-se a envolvente. O sinal elevado

ao quadrado é também utilizado para calcular o integral. Para o cálculo da potência, o

sinal integrado é somado após cada amostra e dividido pelo número total de amostras. Na

figura 3.13 encontra-se o diagrama de blocos que corresponde a esta descrição.

Figura 3.16 – Diagrama de blocos da aplicação de processamento de sinal

PROJECTO

- 40 -

A aplicação de processamento do sinal apresenta assim o seguinte aspecto:

Figura 3.17 – Layout geral da aplicação de processamento do sinal.

No canto superior esquerdo encontram-se os separadores para navegação entre os

diversos tipos de processamento, e no resto do ecrã estão os gráficos correspondentes a

cada análise de sinal, bem como os valores que são de interesse para o utilizador: potên-

cia e valor RMS.

TESTES

- 41 -

4. Testes

Neste capítulo vamos apresentar os resultados dos testes efectuados, o que permi-

te comprovar a funcionalidade do sistema e tirar conclusões. Os testes da electromiogra-

fia foram efectuados em duas fases, primeiro com um músculo do braço e efectuando

força com diferentes pesos, e numa segunda fase com um músculo das pernas pedalando

numa bicicleta estática.

4.1 Teste em músculo isolado

Usou-se para este efeito pesos de 2, 3 e 6Kg. O músculo que serviu de base para

os testes foi o músculo bíceps braquial do braço direito. O eléctrodo de referência foi

colocado na crista ilíaca e o par bipolar de eléctrodos (positivo e negativo) foi colocado

no músculo atrás referido (ver figuras 2.14 e 2.15 para melhor percepção da localização

dos músculos e referências). A zona de contacto dos eléctrodos com a pele foi devida-

mente preparada utilizando toalhetes embebidos em álcool isopropílico. Os eléctrodos,

positivo e negativo, foram colocados paralelamente ao sentido das fibras do músculo em

estudo, como deverá acontecer sempre.

Em seguida apresentam-se os resultados obtidos nas experiências feitas. O exercí-

cio foi executado com o braço perpendicular ao corpo, com um peso colocado na mão,

mantendo o braço firme a segurar o peso durante um dado tempo.

4.1.1 Experiência nº 1 (Peso 2Kg, duração 41 segundos)

Foram realizadas 3 repetições desta experiência, tentando manter sempre as mes-

mas condições. Os eléctrodos mantiveram-se colocados no mesmo local e o tempo do

exercício foi igual em cada um deles. Entre testes foi dado um período de recuperação

muscular, de modo a tornar a garantir as mesmas condições do estado do músculo.

TESTES

- 42 -

Figura 4.1 - Sinal filtrado (1ª repetição).



Nas figuras 4.1, 4.2 e 4.3 apresentam-se os três sinais após filtragem. De notar o

valor da potência dos sinais e o valor RMS dos mesmos. Visualmente os sinais parecem

semelhantes potência, o que é reforçado pela semelhança dos valores da potência e RMS.

TESTES

- 43 -

Na figura 4.4, 4.5 e 4.6 apresenta-se o integral do sinal EMG em cada repetição.

Embora a forma seja semelhante, pois o esforço é contínuo em cada repetição, o valor

máximo em ordenada é diferente. Sendo o integral uma acumulação, não é de estranhar

que o valor final seja diferente em cada repetição.

Figura 4.4 – Gráfico do Integral (1ª repetição).



TESTES

- 44 -

Nas figuras 4.7, 4.8 e 4.9 apresentam-se os gráficos da média nas três repetições.

Figura 4.7 – Gráfico da média do sinal adquirido (1ª repetição).



Reconhecemos que estes gráficos revelam-se difíceis de comparar.

TESTES

- 45 -

A FFT de cada sinal encontra-se representada nas figuras 4.10, 4.11 e 4.12,

respectivamente. Nestas figuras estão também apresentadas as características das fre-

quências dominantes nos sinais EMG.

Figura 4.10 – Gráfico da FFT (1ª repetição).

Figura 4.11 – Gráfico da FFT (2ª repetição).

Figura 4.12 – Gráfico da FFT (3 ª repetição).

TESTES

- 46 -

Nas figuras 4.13, 4.14 e 4.15 estão apresentadas as envolventes dos sinais. Elas

dão uma vista geral dos sinais, ou seja, a percepção da utilização muscular ao longo do

tempo.

Figura 4.13 – Gráfico da Envolvente do sinal (1ª repetição).

Figura 4.14 – Gráfico da Envolvente do sinal (2ª repetição ).

Figura 4.15 – Gráfico da Envolvente do sinal (3ª repetição).

TESTES

- 47 -

4.1.2 Conclusões sobre a experiência com peso de 2Kg

Comparando as três repetições efectuadas e começando pelo gráfico do sinal

adquirido e filtrado, podemos ver primeiramente a semelhança entre gráficos. A potência

do sinal nos testes efectuados é relativamente próxima. As diferenças devem-se ao facto

de nem sempre o esforço efectuado ser o mesmo. Também o valor RMS acompanha as

variações das potências nas três repetições efectuadas. No gráfico do integral vemos que

as rectas são idênticas, o que indica que o esforço foi praticamente uniforme.

Nos gráficos da média podemos ver que todos rondam a amplitude 100, visto que

os sinais adquiridos são semelhantes. Relativamente aos gráficos da FFT, verifica-se que

as frequências presentes nos dois primeiros testes se assemelham razoavelmente. No

entanto há a salientar que do ponto de vista fisiológico é-nos difícil justificar esta distri-

buição de frequências/amplitudes na EMG. A existência de uma componente DC nos grá-

ficos da FFT deste trabalho, estão directamente relacionados com o algoritmo de cálculo

da FFT por parte do Labview.

O gráfico da envolvente dá-nos uma perspectiva mais ampla sobre o que aconte-

ceu durante o tempo de esforço, comparativamente com o sinal original.

Potência

RMS

Componentes de

frequência

36,7961

74,7177

1ª Repetição

6,90824

2,63

87,6802

62,5285

74,6845

2ª Repetição

7,69486

2,77

87,2359

20,3368

40,8082

3ª Repetição

8,76633

2,96

70,6880

Tabela 4.1 - Valores relevantes obtidos na 1ª experiência.

TESTES

- 48 -


As figuras 4.17, 4.18 e 4.19 ilustram os sinais obtidos (após filtragem) nas 3 repe-

tições efectuadas com 3Kg.

Figura 4.17 – Gráfico do sinal muscular obtido com 3Kg (1ª repetição).

Figura 4.18 – Gráfico do sinal obtido usando um peso de 3Kg (2ª repetição).

Figura 4.19 – Gráfico do sinal obtido usando um peso de 3Kg (3ª repetição).

TESTES

- 49 -

Na figura 4.18 apresenta-se uma descontinuidade na amplitude do sinal, devido a

um pequeno relaxamento do músculo, deliberado. Aprecie-se também o facto de, compa-

rativamente com a experiência anterior, haver um efeito de modulação da amplitude.

As figuras 4.20, 4.21 e 4.22 apresentam o integral calculado sobre o sinal EMG

obtido, deixando claro o efeito da modulação previamente mencionado.

Figura 4.20 – Integral do sinal muscular, obtido com 3Kg (1ª repetição).

Figura 4.21 – Integral calculado a partir do sinal adquirido na 2ª repetição com 3Kg.

Figura 4.22 – Gráfico do integral obtido na 3ª repetição.

TESTES

- 50 -

A diferença entre as três repetições é confirmada com os gráficos do integral. Esta

experiência, comparativamente à anterior, justifica o interesse do cálculo do integral, pois

permite observar a distribuição da acumulação do esforço ao longo do tempo.

Os gráficos apresentados nas figuras 4.23, 4.24 e 4.25 ilustram os gráficos da

média de cada sinal ao longo do tempo.

Figura 4.23 – Gráfico da média do sinal muscular (1ª repetição).

Figura 4.24 – Média do sinal adquirido na 2ª repetição com 3Kg.

Figura 4.25 – Gráfico da média do sinal da 3ª repetição com 3Kg.

TESTES

- 51 -

De seguida apresentam-se, nas as figuras 4.26, 4.27 e 4.28, os gráficos da FFT e

as respectivas características das frequências dominantes.

Figura 4.26 – Gráfico da FFT na 1ª repetição com 3Kg.

Figura 4.27 – FFT obtida com o sinal da 2ª repetição com 3Kg.

Figura 4.28 – FFT do sinal da 3 ª repetição com 3Kg.

TESTES

- 52 -

A envolvente de cada sinal adquirido em cada repetição apresenta-se nas figuras

4.29, 4.30 e 4.31, respectivamente.

Figura 4.29 – Gráfico da envolvente na 1ª repetição com 3Kg.

Figura 4.30 – Envolvente obtida com o sinal adquirido no 2º teste com 3Kg.

Figura 4.31 – Envolvente do sinal no 3º teste com 3Kg.

TESTES

- 53 -

4.1.4 Conclusões sobre o teste com peso de 3Kg

A variação da actividade muscular nas 3 repetições é mais patente nesta experiên-

cia.

Observando as figuras 4.17, 4.18 e 4.19, que correspondem ao sinal adquirido nas

três repetições, podemos verificar que as amplitudes dos sinais aumentaram em relação à

experiência anterior (com peso de 2Kg). Isto era esperado, uma vez que o peso é maior, o

que necessariamente implica uma maior força muscular. Em relação à potência do sinal,

podemos ver que nas três repetições a potência subiu quando comparado com as potên-

cias obtidas na primeira experiência. Os gráficos dos integrais obtidos são menos idênti-

cos entre si, relativamente ao caso anterior. Verifica-se assim que a produção de força

muscular não foi tão linear como no caso anterior. A diferença que existe na segunda

repetição em relação às outras duas deve-se ao facto de não ter havido actividade muscu-

lar devido ao ligeiro baixar de braço. Nos gráficos da FFT podemos ver que os valores 60

e 74Hz são recorrentes nesta experiência e também na anterior. Aliás, a frequência 74Hz

é visível nas figuras 4.26 a 4.28. Assim esta frequência parece ter uma importância ele-

vada no tipo de esforço efectuado. A tabela 4.2 resume os valores da experiência.

Potência

RMS

Componentes de fre-

quência

-

63,3469

1ª Repetição

50,9606

7,14 74,7556

74,7664

74,7927

2ª Repetição

37,9479

6,16 74,8387

60,0583

73,8162

3ª Repetição

29,9536

5,47 74,8316


TESTES

- 54 -


Os gráficos dos sinais filtrados, bem como os respectivos valores de potência e

RMS, em duas repetições com 6Kg e duração de 41 segundos, apresentam-se nas figuras

4.33 e 4.34.

Figura 4.33 – Sinal adquirido na 1ª repetição com 6Kg.

Figura 4.34 – Sinal adquirido na 2ª repetição com 6Kg.

TESTES

- 55 -

As figuras 4.35 e 4.36 apresentam os gráficos dos integrais obtidos na experiência

com 6Kg.

Figura 4.35 – Gráfico correspondente ao integral do sinal adquirido na 1ª repetição.

Figura 4.36 – Integral do sinal adquirido (2ª repetição).

TESTES

- 56 -

A média do sinal obtido em cada repetição com 6Kg encontra-se apresentada nas

figuras 4.37 e 4.38, respectivamente.

Figura 4.37 – Média do sinal na 1ª repetição do teste com 6Kg e duração 41 segundos.

Figura 4.38 – Aspecto gráfico da média do sinal na 2ª repetição com 6Kg.

TESTES

- 57 -

A FFT obtida a partir dos sinais adquiridos nas repetições da experiência com

6Kg está representada nas figuras 4.39 e 4.40, onde também se caracterizam as frequên-

cias dominantes.

Figura 4.39 – FFT obtida do sinal adquirido na 1ª repetição com 6Kg.

Figura 4.40 – Aspecto gráfico da FFT na 2ª repetição com 6Kg.

TESTES

- 58 -

As figuras 4.41 e 4.42 ilustram as envolventes dos sinais obtidos na experiência

com 6Kg.

Figura 4.41 – Envolvente do sinal adquirido (1ª repetição).

Figura 4.42 – Aspecto gráfico da envolvente do sinal na 2ª repetição com 6Kg.

TESTES

- 59 -

4.1.6 Conclusões sobre o teste com peso de 6Kg

Observando os gráficos que representam os sinais obtidos nos dois testes, é possí-

vel verificar que as amplitudes dos sinais (figuras 4.33 e 4.34) aumentaram em compara-

ção com as duas experiências feitas anteriormente (com 2 e 3Kg), isto resultou num

maior valor de potência obtida bom como um maior valor de RMS nos teste com 6Kg.

Nos gráficos da média podemos ver uma grande semelhança, o que era esperado visto

tratar-se de pesos idênticos nos dois testes. Nos gráficos das FFTs obtidas também se

verifica uma grande semelhança bem como um aumento do valor das frequências domi-

nantes em comparação com as duas experiências anteriores, o que fisiologicamente é

interessante.

Potência

RMS

Componentes de

frequência

-

86,2296

1º Teste

48,4322

6,96

90,9545

-

76,0109

2º Teste

80,516

8,97

105,997


TESTES

- 60 -

4.2 Teste completo ao sistema

Nesta experiência testou-se o sistema ligado a uma bicicleta. Foram utilizados

ambos os canais de EMG que adquiriram a actividade do músculo recto-femural de cada

perna. A duração da prova foi de 6 minutos e 40 segundos.

Na figura 4.43 temos os sinais provenientes dos canais EMG1 e EMG2. O sinal

EMG1 corresponde ao sinal do músculo da perna esquerda e o sinal EMG2 ao sinal do

músculo da perna direita. De notar que foi feita uma ampliação do sinal para melhor

visionamento das formas de onda.

Figura 4.43 – Sinais EMG1 e EMG2 adquiridos no teste geral.

TESTES

- 61 -

Na figura 4.44 temos a integração de cada sinal adquirido (EMG1 e EMG2). Esta

integração indica a energia dispendida em cada pedalada do utilizador. Novamente, uma

ampliação do sinal foi necessária para uma melhor análise visual dos sinais.

Figura 4.44 – Integração de ambos os sinais EMG.

TESTES

- 62 -

Na figura 4.45 apresenta-se a média dos sinais EMG1 e EMG2 respectivamente.

Nestas figuras foi feita a ampliação do sinal entre dois intervalos de tempo para melhor

visionamento dos sinais.

Figura 4.45 – Gráfico das médias dos sinais EMG1 e EMG2.

TESTES

- 63 -

Na figura 4.46 apresenta-se o resultado da FFT dos sinais bem como as frequên-

cias mais representativas.

Figura 4.46 – Gráfico das médias dos sinais EMG1 e EMG2.

TESTES

- 64 -

A figura 4.47 representa o sinal ECG do ciclista durante o teste efectuado. De

notar que foi feita uma ampliação do sinal entre os 14 e 21 segundos para melhor visio-

namento da forma de onda obtida.

Figura 4.47 – Gráfico do sinal ECG.

4.2.1 Conclusões sobre o teste completo efectuado

Através do teste efectuado podemos reparar em algumas diferenças existentes

entre o sinal EMG1 e EMG2. Na figura 4.43 reparamos que a perna direita teve um valor

de potência maior que a da perna esquerda no final do exercício, o que levou a um valor

RMS mais elevado (3,76 perna direita e 3,59 perna esquerda). O integral dos sinais obti-

dos encontra-se apresentado na figura 4.44, mostrando a energia dispendida em cada

pedalada.

CONCLUSOES

- 65 -

5. Conclusões e desenvolvimentos futuros

Finalizado o trabalho, conseguimos realizar uma aplicação que monitoriza o

batimento cardíaco e a força muscular dispendida por dois músculos à escolha, permitin-

do estudar o desempenho de um atleta num dado exercício. Os testes efectuados compro-

varam a utilidade do sistema. A capacidade de gravar em ficheiro os sinais respeitantes

ao treino (ECG e 2 canais EMG) e de os poder analisar off-line, permite comparar treinos,

levando a uma avaliação da evolução da condição física do atleta.

Este trabalho teve dois pontos importantes no seu desenvolvimento: a plataforma

de desenvolvimento e a electromiografia. O LabView revelou-se um desafio compensa-

dor, pois tivemos de aprender de raiz o funcionamento e capacidades de uma linguagem

de programação visual, ímpar no nosso percurso académico. Quanto à electromiografia,

teve de haver um enorme trabalho de pesquisa numa área muito específica da Fisiologia,

desde a compreensão do fenómeno muscular até à escolha do melhor tipo de eléctrodos.

Os sinais manipulados no nosso sistema foram igualmente factores que determi-

naram a complexidade do desenvolvimento deste projecto. Foi assim entregue uma aten-

ção especial às medições, à forma como elas são feitas e posteriormente o modo como

foram tratadas, de modo a dar ao atleta informações o mais correctas possível.

Outro aspecto relativamente ao LabView foi o facto de não termos utilizado um

DAQ da National Instruments, que nos facilitaria a aquisição dos sinais EMG e do ECG,

pois todo o IDE está optimizado para a utilização desses dispositivos. Enveredámos,

então, pela criação de um transceiver que digitalizasse os sinais e enriquecesse o nosso

trabalho a nível electrónico.

Depois de todo o sistema construído, uma grande dificuldade prendeu-se com a

localização dos pontos exactos para obter o melhor sinal electromiográfico. Qualquer

ligeira deslocação dos eléctrodos provoca uma perda da aquisição deste sinal. Uma boa

avaliação antropométrica é um aspecto a ter em conta para uma melhor utilização deste

sistema, pois a localização dos locais exactos do músculo a estudar são determinantes

para uma boa aquisição do sinal. Como curiosidade, a avaliação antropométrica é efec-

tuada por técnicos fisiatras, com vários níveis de especialização.

CONCLUSOES

- 66 -

Concluímos também que o nosso projecto pode ser utilizado para determinar a

frequência cardíaca máxima, quando operado por um fisiologista que interprete o signifi-

cado das alterações do sinal cardíaco, pois temos uma bicicleta onde um atleta pode

desenvolver esforço e a aquisição em tempo real do batimento cardíaco.

Como desenvolvimentos futuros, podemos pensar na utilização de uma cinta de

eléctrodos com transmissão sem fios para um receptor, reduzindo assim parcial ou total-

mente o número de cabos ligados entre o atleta e o sistema electrónico.

O controlo automático de ganho é um aspecto importante a implementar no futu-

ro, pois permitiria um auto-ajuste dos ganhos dos amplificadores necessários para enqua-

drar o sinal de uma forma constante para todas as medições.

A portabilidade do sistema não estará muito longe de ser uma realidade, havendo

um bom acoplamento dos cabos de EMG ao corpo do atleta e de uma cinta para o ECG,

enviando as placas um sinal wireless para um PDA. O LabView permite a compilação do

nosso código para uma linguagem interpretada pelo Palm OS ou Windows Mobile.

REFERENCIAS

- 67 -

6. Referências

[1] Adel Sedra e Kenneth Smith, “Microelectronic Circuits, 4th Edition”, Oxford Press,

1998.

[2] Richard H. Barnett, “Embedded C Programming and the Microchip PIC”, Thomson

Delmar Learning, 2003.

[3] Robert Bishop, “LabVIEW 8 Student Edition”, Prentice Hall, 2006.

[4] Peter Konrad, “The ABC of EMG”, Noraxon Inc., 2005.

[5] Barbara Ainsworth, “Compendium of Physical Activities: Classification Of Energy

Costs Of Human Physical Activities”, ACSM 1993.

[6] Richard Aston, “Principles of Biomedical Instrumentation and Measurement”, Pren-

tice Hall, 1990.

[7] Vários, “ABC do Corpo Humano”, Reader’s Digest, 1987.

[8] Vários, “O Livro da Saúde”, Reader’s Digest, 1976.

[9] “Electrocardiogram (ECG, EKG) Library”, http://www.ecglibrary.com/ecghome.html

[10] “Medline Plus”, http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/article/003868.htm

[11] “Medical Algorithms”, http://www.medal.org

[12] “Analog Devices”, http://www.analog.com

REFERENCIAS

- 68 -

[13] “Lincx – Serviços de Saúde”, http://www.lincx.com.br/lincx/saude_a_z/alimentos/calorias.asp [14] “Grass Technologies”, http://www.grass-telefactor.com/

[15] “Noraxon”, http://www.noraxon.com/

[16] Wikipedia, http://wikipedia.org

[17] Apontamentos e material utilizado nas disciplinas Processamento Digital de Sinais I

e Processamento Digital de Sinais II.

Anexos

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Anexos

ergómetro - ipsltodi.est.ips.pt/aabreu/ergometro/relatorio_ergometro_vf.pdf · iii dedicatória...

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