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Estudo da captação de sinaismioelétricos em instrumentaçãobiomédica

Autora: Patricia Moleta - Ciência da ComputaçãoProfessora Orientadora: Ms. Jeanne Dobgenski*

Faculdades de Valinhos

Trabalho apresentado no 7o CongressoNacional de Iniciação Científica - CONIC-SEMESP 2007Trabalho premiado com o 3º lugar na áreade Ciências Exatas, da Terra e Engenhariasno 1º. Seminário da Produção Docente eDiscente das Faculdades da Anhanguera.Resumo publicado nos Anais do PrimeiroSeminário de Produção CientíficaDocente e Discente das Faculdades daAnhanguera.

*Bolsista FUNADESP

Resumo

Este trabalho discorre sobre o estudo e o desenvolvimento de um protótipo amplificador de sinais elétricoshumanos, com a finalidade de entender o processo de captação de sinais elétricos proveniente da musculatura. Paraisso, foi desenvolvida uma pesquisa quanto às características do sinal a ser medido e seus métodos de captação, bemcomo o funcionamento e a estrutura do aparelho de eletromiograma, responsável pela medição desse tipo de sinal.

Palavras-chave: Eletromiografia, Sinais Mioelétricos, Amplificador, Eletrodos.

Introdução

Este trabalho trata do estudo da captação de sinaiselétricos humanos de baixa freqüência com o intuito deutilizá-los como ferramentas na instrumentaçãobiomédica.

A instrumentação biomédica é desenvolvida paramedir parâmetros médicos e fisiológicos. Auxiliada poraparelhos adequados, permite diagnosticar patologiasdesde os estágios iniciais, acompanhar a evolução destesestados patológicos, monitorar pacientes, pesquisarsistemas biológicos de maneira qualitativa e quantitativa,prevenir doenças, entre outras aplicações.

A instrumentação biomédica se distingue dosdemais tipos de instrumentação, pois prescinde deaparelhos com alto grau de precisão orientados a mediras atividades elétricas de um ser humano. O sinal a sermedido, geralmente originado do tecido vivo ou daenergia aplicada a ele, possui uma pequena amplitude(na faixa de alguns microvolts a centenas de milivolts)tendo, em alguns casos, o local de medição com difícilacesso.

Existem muitos aparelhos desenvolvidos para a

instrumentação biomédica. Um deles é o eletromiógrafo,responsável por realizar a medida da atividade elétricados músculos, estejam eles lesados ou não. A variávelde medida deste tipo de aparelho é o sinal elétrico emitidono momento de sua contração. É importante destacarque a variável de medida se refere ao tipo de sinal a sercaptado. Por exemplo, ao usar o eletroencefalograma,a variável de medida são as ondas de atividades elétricasprovenientes dele; o mesmo ocorre com oeletrocardiograma, cuja variável de medida se refere aosinal emitido nas batidas do coração, entre outros(BUTTON, 2002). Como exemplo da aplicação dainstrumentação biomédica a este tipo de variável, cita-se a captação do sinal elétrico para medição da forçamuscular, que pode auxiliar no desenvolvimento de umaprótese de movimento, mais conhecida como prótesemioelétrica. Neste caso, o aparelho de eletromiogramairá captar a variável de medida, amplificá-la, filtrá-la earmazená-la para que seja interpretada por ummicrocontrolador que será responsável pelamovimentação dos motores do dispositivo (prótese).Desta forma, pode-se desenvolver um membromecânico que possua a máxima semelhança possível ao

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de um membro humano.As variáveis de medida podem ser captadas por

métodos de medição invasivos ou superficiais, como é ocaso do eletromiograma, que age de ambas as formas.Uma das formas de captação acontece por meio dacolocação de eletrodos de superfície na pele, sobre ogrupo muscular a ser medido. O eletrodo capta a elétricade todas as fibras musculares ativas, que serãoamplificadas e armazenadas para estudo.

Os eletrodos possibilitam a transferência dos sinaiselétricos captados da variável de medida a umamplificador de instrumentação isolador, equipamentoque torna possível a captação dos sinais mioelétricos1.Para certificar que as informações contidas noeletromiograma estão corretas, é muito importante autilização de um amplificador de baixo ruído e altaimpedância de entrada, como detalhado na seção 6, sub-seção 6.3, com uma largura de banda em torno de 1 a3000Hz (BARBOSA, 2002).

O desenvolvimento da instrumentação biomédicaenvolve profissionais de diversas áreas, desde médicos,biólogos, engenheiros (em geral engenheiros dereabilitação) até profissionais de ciência da computação.

O objetivo deste trabalho é estudar algunsprocessos de captação de sinais elétricos humanos, pormeio da instrumentação biomédica em seu aspectotecnológico. A pesquisa consiste em conhecer asprincipais características do sinal mioelétrico, relatar asaplicações da eletromiografia, verificar os processos decaptação desse sinal, conhecer o funcionamento e aestrutura do eletromiógrafo e, por fim, desenvolver umprotótipo do circuito amplificador deste tipo de aparelhopara estudar a captação de sinais mioelétricos.

Revisão de Literatura

O estudo da eletromiografia, que é a captaçãodos sinais elétricos humanos, registra as atividadeselétricas provenientes do bom (ou mau) funcionamentomuscular, fornecendo embasamento teórico capaz deauxiliar o desenvolvimento dos aparelhos deeletromiografia.

Para facilitar o entendimento da pesquisa realizada,é necessário estudar os sinais elétricos humanos, a formade captação destes sinais e os tipos de circuitos quepossibilitam tal ação. Vários autores foram pesquisados,para obter os subsídios teóricos referentes a este estudo,cujos trabalhos são comentados a seguir.

Para Guyton (1998), a emissão de sinal elétricoacontece pela contração e relaxamento da fibra musculare, esta seqüência de movimentos recebe o nome de

“potencial de ação muscular” (MUAP). Um potencialde ação é uma alteração rápida na polaridade davoltagem, de negativa para positiva e de volta paranegativa, sendo que esse ciclo completo dura poucosmilisegundos.

Ao mesmo tempo em que os sinais cessam paraum determinado grupo muscular no momento dorelaxamento, eles podem iniciar para outros grupos demúsculos. No movimento de flexão dos dedos, osmúsculos da parte anterior do antebraço se despolarizam(com a contração do grupo muscular) e os músculos daparte posterior do antebraço se repolarizam (com orelaxamento e conseqüente estado de repouso do grupomuscular).

Marchetti e Duarte (2006) dizem que, para ummelhor resultado das análises, deve-se possuir umamplificador de alta impedância, ou seja, na entrada docircuito amplificador, a resistência deve ser mais elevadapara manter o nível de tensão, evitando que o mesmofique indefinido e fazendo com que seja amplificadosomente o sinal mais relevante à analise posterior.

Segundo Basmajian e Luca (1985), a intensidadedo sinal depende do grupo muscular a ser analisado edo tipo de eletrodo usado para a captação do mesmo.Os eletrodos podem ser invasivos, secos ou à base degel condutor, sendo os dois últimos mais utilizados parao exame de eletromiograma. O eletrodo invasivo não éo mais usado por ser frágil, podendo-se quebrarfacilmente ao ser inserido no grupo muscular.

Sinais Elétricos Humanos

O sinal mioelétrico consiste na soma de todos ossinais detectados em certa área da musculatura do corpohumano. No entanto, ele pode ser afetado por ruídosexternos como interferência de outros gruposmusculares2, ruído do ambiente, controle do sistemanervoso periférico ou até mesmo por fatores externoscomo a instrumentação utilizada na aquisição dos sinais,ou seja, no tipo de aparelho. É de extrema importânciaestar atento a qualquer ruído, pois este pode ter umaamplitude muito maior que a amplitude do sinal medido,o que dificulta a análise dos resultados e diagnóstico.

Antes de detalhar o assunto, faz-se uma breveexplicação quanto à geração de potencial elétrico nacontração muscular.

Os sinais elétricos estão diretamente relacionadoscom os potenciais de ação do músculo. Os músculospodem contrair e produzir força e os movimentos sãorealizados por ativação muscular. A contração musculare a produção de força são provocadas pela mudançade posição da membrana muscular e, esta mudança de

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posição acontece em virtude de um fenômeno elétrico,conhecido como potencial de ação, que é resultado damudança no gradiente de concentração de íons que existeentre o interior e o exterior da célula muscular.(BASMAJIAN e LUCA, 1985).

Uma seqüência de movimentos de contração causauma descarga elétrica, que irá gerar um sinal elétrico aser discutido posteriormente nesta seção.

Este sinal, conseqüência do potencial de ação daunidade motora, é adquirido pelos eletrodos e transmitidoa um aparelho chamado eletromiógrafo que o amplificará,realizará a sua conversão analógico-digital e o enviaráao microcomputador ou outro equipamento que mostrea sua saída, indicando amplitude, freqüência e velocidadede condução nas fibras musculares.

O potencial de ação da unidade motora, visto soba ótica fisiológica, é bem explicada por Guyton e Hall(1998), em cujo trabalho foi baseado o texto explicativoa seguir.

A contração acontece pela difusão de íons namembrana muscular, relacionada com a concentraçãode íons sódio (Na+) e íons potássio (K+) no interior eexterior da membrana, e também com a permeabilidadeda mesma, a fim de balancear a quantidade desseselementos tanto em seu interior quanto em seu exterior.

Essa difusão de íons do interior para o exterior damembrana muscular, é chamada de “bomba de sódio epotássio” (figura 1). Ela é responsável por transferirconstantemente íons sódio ao exterior da fibra e íonspotássio ao seu interior (na proporção de 3 íons Na+ aoexterior para cada 2 íons K+ ao interior), deixando umdéficit de íons positivos, o que produz uma carganegativa no interior da fibra.

A bomba de sódio e potássio contribui fortementepara o estabelecimento do potencial de repouso damembrana. Para calcular esse potencial são consideradasas proporções entre esses dois íons e suas concentraçõesinternas e externas, (GUYTON e HALL, 1998):

Na+ interno / Na+ externo = 0,1K+ interno / K+ externo = 35,0

Considera-se também a difusão dos íons doexterior para o interior da fibra a fim de calcular opotencial de repouso da membrana. Uma vez que apermeabilidade da membrana é bem maior para sódiodo que para potássio, e portanto, a concentração desódio no exterior da fibra é bem maior que aconcentração de potássio no seu interior, é efetuadauma operação matemática para determinar o potencialde repouso da membrana, chamada de ForçaEletromotriz (FEM)3, medida em milivolts (mV):

Log35 = 1,54 (referente a maior potencial dedifusão de íon em uma direção)

FEM = -61*1,54 = -91mV (considerando opotencial negativo da membrana)

Esse valor equivale ao potencial elétrico domúsculo em repouso. Quando em contração, esta tensãocaminha em sentido à positividade, chegando a um valoraproximado de +50mV (RODRIGUEZ AÑEZ, 2000).É essa descarga elétrica que reage com o eletrólito paraque o eletrodo capte e envie o sinal ao amplificador.

O potencial de ação do músculo tem duraçãoaproximada de 1 a 5 milissegundos e velocidade decondução de 3 a 5 metros por segundo (m/s). Estepotencial se propaga do meio da fibra em direção à suasextremidades em função das junções neuromusculares,situadas próximas ao ponto médio da fibra, que sãoresponsáveis pela excitação da membrana muscular epela geração do potencial.

Esse potencial de ação acontece na contração erelaxamento da membrana muscular, ou polarização edespolarização das fibras musculares. O potencial deação é dividido em três etapas, conforme descrição aseguir.

• Repouso: antes do início do potencialde ação, quando a membrana estápolarizada negativamente, devido aogrande potencial negativo na membrana(em torno de -90mV).• Despolarização: a membrana passa aficar permeável aos íons sódio para ointerior da fibra, modificando seu gradientede negativo para positivo. Isso faz com queseu potencial aumente em direção apositividade.

• Repolarização: em milésimos de segundo,os canais de sódio começam a se fechar e oscanais de potássio ficam mais abertos que onormal, aumentando a permeabilidade damembrana aos íons sódio para o interior dafibra. Logo, a membrana volta a se polarizar,retomando seu gradiente negativo.

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Um músculo é constituído de várias unidadesmotoras, individualmente inervadas por ummotoneurônio4. O desempenho mecânico do músculopode aumentar ao recrutar-se a atividade de todas essasunidades motoras. É a soma das atividades dessasunidades que compõe o movimento de contraçãomuscular. Devido a essa organização morfofuncional, épossível graduar precisamente a força muscular.

Se todas as fibras de um músculo fossem inervadaspor um único motoneurônio, o músculo sempre secontrairia de uma única vez, em forma de pulso. Paraevitar que isso ocorra, acontece um recrutamento dasunidades motoras, nas quais as mais fracas (em termosde potencia mecânica ou força) são acionadas antes dasunidades mais fortes, gerando assim o movimento.

Esse movimento gera sinais elétricos que sãocaptados por eletrodos dispostos sobre a fibra muscular.Na Figura 2, é ilustrada a saída de um sinal elétrico, nomomento da contração da musculatura, amplificado eenviado a um osciloscópio para análise.

Chama-se eletromiografia a ação de captar sinaiselétricos humanos para posterior análise e diagnósticode possíveis doenças ou deficiências. Os meios deaquisição de sinais mioelétricos são descritos a seguir.

Meios de aquisição do sinal eletromiográfico

O sinal elétrico captado no corpo humano é umsinal analógico que deve ser convertido para sinal digital,a fim de que seja possível seu registro no dispositivo desaída. Para tanto é necessário que sejam ajustados algunsparâmetros para a aquisição deste sinal, parâmetrosesses que irão depender do objetivo da captação paraanálise. Os principais parâmetros são a freqüência deamostragem, os componentes (como os eletrodos), o

filtro, os amplificadores, o conversor analógico/digital,além do equipamento para a armazenagem de dados.

O eletrodo é o dispositivo de entrada e saída decorrente em um sistema elétrico. Consiste no local deconexão entre o corpo e o sistema de aquisição, devendoser colocado próximo o bastante da variável de medida,para que assim possa captar sua corrente iônica.

Existem diversos tipos de eletrodos delineadospara diferentes tipos de aquisição. Os eletrodos invasivos(eletrodos de fio ou agulha), são tipicamente usados paracaptação de sinais de grupos musculares profundos epequenos. Já os eletrodos superficiais, constituem umasuperfície de detecção que capta a corrente na peleatravés da interface pele-eletrodo. São geralmentecompostos por uma liga metálica de prata com cloretode prata (Ag-AgCl) associado a um gel condutor(eletrólito). Porém, qualquer combinação metal-gel quepermita reação eletrolítica pode servir. É recomendadaa utilização de eletrodos superficiais uma vez quepromove uma transição estável, com relativo baixo ruído,possuindo um comportamento pouco alterável emfunção do tempo.

Na Figura 3 são mostrados os diferentes tipos deeletrodos utilizados para a captação de sinaleletromiográfico.

Os eletrodos superficiais são divididos em ativose passivos. São ditos passivos os eletrodos que nãopossuem um circuito amplificador no próprio eletrodo.Ele apenas detecta o sinal eletromiográfico e o envia aocondicionador5. Estes eletrodos são mais usados quandoo exame é feito de maneira estática, ou seja, semrealização de atividade física para a medição do sinal.Eletrodos ativos são aqueles que realizam a amplificaçãodo sinal antes de ser enviado ao condicionador. Possuemum pré-amplificador diferencial, que tem a função deamplificar somente o sinal mais relevante da primeiracaptação, fazendo com que possíveis ruídos associados

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à instrumentação sejam menos significativos. Estes já sãousados quando o exame é feito de maneira dinâmica,com realização de atividades físicas.

O sinal eletromiográfico pode ser adquirido nãonecessariamente por um simples eletrodo, mas poderesultar de uma combinação dos sinais advindos de váriosdetectores, sendo classificados como monopolar oubipolar.

A configuração monopolar é usada na aquisiçãode um sinal simples no qual se faz necessário o uso deum eletrodo de referência longe o bastante do eletrodoativo para evitar ruídos. É freqüentemente utilizadaquando se deseja fazer análises gerais do sinaleletromiográfico.

A configuração bipolar é utilizada em estudos queenvolvem exercícios de contração voluntária ou sobcondições de estimulação elétrica. A principal vantagemdesta configuração é sua amplificação diferencial, queauxilia na eliminação de grandes ruídos. O sinal édetectado em dois locais, conforme está apresentadona Figura 4. Nessa figura é mostrada a correta disposiçãodos eletrodos na musculatura, a fim de se obter um melhorsinal para análise. Dois eletrodos estão dispostos sobreum grupo muscular, a aproximadamente 2 cm de distânciaum do outro e um terceiro eletrodo sobre uma regiãoóssea do membro oposto àquele de onde o sinal elétricoserá captado. Existem dois conjuntos que executam asamplificações de ambos os sinais de entrada (E1 e E2,podem ser considerados os sinais captados peloseletrodos apresentados na Figura 4), separadamente.Como os sinais de entrada podem possuir amplitudesdistintas, é necessário um potenciômetro para um ajustemanual de balanço entre os valores de entrada, quandoem situação de repouso.

Neste momento, ambos os sinais estãoamplificados e balanceados e a função do último blocoé amplificar a diferença entre esses sinais.

O local e o posicionamento dos eletrodos podemter grande interferência na qualidade do sinaleletromiográfico. Alguns aspectos são fundamentais erelevantes no que diz respeito à qualidade do sinaleletromiográfico.

Localização do eletrodo com relação aoponto motor: o ponto motor é o local no músculo ondea introdução de mínima corrente elétrica causa umperceptível estímulo nas fibras musculares superficiais.Este ponto corresponde à parte da zona de inervaçãoem um músculo e fornece um péssimo local para detecçãodo sinal eletromiográfico para eletrodos diferenciais. Pois,nesta região os potenciais circulam em ambas as direçõesfazendo com que as fases positivas e negativas dopotencial se subtraiam, cancelando assim o sinal. Sugere-se então que os eletrodos sejam colocados entre o pontomotor e o tendão do músculo avaliado. Empiricamente,verificou-se que uma distância de 2 cm entre os eletrodosdispostos sobre o grupo muscular, possibilita a leiturade sinais perceptíveis.

Formas de interferência do sinaleletromiográfico: são três formas principais deinterferência do sinal. Podem ser relacionadas aobatimento cardíaco, à aquisição de sinal eletromiográficode músculos vizinhos (cross-talk) e artefatoseletromecânicos, como interferência da rede elétrica oumovimento do equipamento e cabos durante a mediçãodo sinal.

Direção do eletrodo em relação às fibrasmusculares: uma vez que o potencial de ação possuitrajetória no mesmo sentido das fibras musculares, oeletrodo deve ser alinhado no mesmo sentido para amelhor obtenção do sinal.

Eletrodo de referência: é aconselhado queos eletrodos de referência sejam colocados nas regiõesdo punho, tornozelo ou processo espinhal cervical.

A seção a seguir apresenta alguns equipamentoscomerciais que são utilizados para a captação de sinaismioelétricos.

Eletromiógrafo

Eletromiógrafo é o aparelho responsável pelaamplificação, tradução e envio do sinal a um dispositivode saída para análise dos resultados. Basicamente, esteaparelho é composto por eletrodos, circuitos decondicionamento (amplificadores e filtros) e de mídia desaída (BUTTON, 2002).

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Estrutura do aparelhoO Eletromiógrafo se constituí em uma ferramenta

útil de investigação e desenvolvimento de metodologiasbiomecânicas (Saúde e Exercício, Ergonomia, Desportoe Locomoção), possibilitando a observação simultâneados sinais eletromiográficos e das grandezas físicasenvolvidas no movimento. Com o seu uso, o profissionalpode obter o sinal de EMGs (eletromiografia desuperfície), e correlacioná-lo com outras informaçõesúteis durante o movimento, como força e ângulo dasarticulações (eletro goniômetro6), (MIOTEC, 2007).

Constitui-se de um sistema de 4 ou 2 canais, osquais permitem a aquisição de sinais eletromiográficos.Dispõem-se de dois modos de visualização dos sinais:

- Sinal Original - mostra o sinal captado direta-mente pelos eletrodos.- BioFeedback - mostra o sinal modificadoeletronicamente de forma a permitir oacompanhamento visual da resposta muscular aosexercícios.Sua saída pode tanto ser salva em arquivos

eletrônicos como também enviada a um computador,no qual os resultados serão analisados por meio desoftwares específicos.

O eletromiógrafo (figura 5) é conectado aocomputador usando-se a porta USB (Universal SerialBus) e os sensores por entrada do tipo PS2 (PersonalSystem/2). Possuem 2 ou 4 canais analógicos de entradae mais um canal de referência, no qual é ligado o eletrodode referência, citado anteriormente. Possui também umcalibrador de sensor, com o qual o usuário poderáconfigurar o filtro de entrada, diminuindo a interferênciade ruídos no sinal.

Os amplificadores podem possuir dois tipos deconfiguração: a monopolar e, a bipolar. A primeira émenos utilizada por ser mais suscetível a captação deruídos e a segunda é constituída de um amplificadordiferencial, que elimina grande parte dos ruídos.

Softwares EspecíficosOs sinais captados pelos eletrodos e amplificados

pelo eletromiógrafo são enviados ao microcomputador

e visualizados através de uma interface. Dentre ossoftwares conhecidos e utilizados para esse fim, citam-se o Miograph e o Biotrainer.

O Miograph possibilita a avaliação da funçãomotora, com ativação de músculos fracos, o relaxamentode músculos tensos, bem como solucionar problemasde cansaço muscular.

Já o software Biotrainer, possibilita ao pacientereceber a informação da musculatura, assimilar emodificar seu comportamento.

São exibidos na Figura 6, exemplos da interfacede softwares específicos para análise dos sinaiseletromiográficos, sendo (a) relativo ao Miograph e (b)ao Biotrainer.

Um exemplo de software específico é o ESPRITP599 (GSI, 2007), que foi desenvolvido a partir de umassistente especialista para eletromiografia (EMG). Oassistente (sistema de suporte à decisão) deveria sercapaz de dar sugestões de diagnóstico e também paratratamento. O resultado final consiste de uma grande rede

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bayesiana (chamada MUNIN) modelada a partir de umapequena porção do sistema neuro-muscular humano.Uma avaliação do sistema indicou que ele tinha poderde diagnóstico e nível especialista.

No entanto, os softwares convencionais apenasgeram informações gráficas do sinal medido, sendo quea função de análise de tais informações ficam a cargo doespecialista.

Na seção seguinte são apresentados osexperimentos realizados neste trabalho.

Circuito Amplificador e Experimentos

No estudo desenvolvido neste trabalho, foiutilizado um amplificador diferencial, conforme ilustra aFigura 7. Este foi, o esquema elétrico do circuitoamplificador construído e utilizado para testes decaptação de sinal.

Para a confecção do protótipo, foram usados 5amplificadores operacionais LF156A (componente dotipo JFET, transistor de efeito de campo), 2 resistoresde 20MU na entrada do circuito, a fim de aumentar aimpedância do mesmo e um potenciômetro, componenteque possui resistência ajustável. Todo o circuito foimontado de acordo com o esquema elétrico apresentadona Figura 7.

Os eletrodos utilizados são passivos à base de gelcondutor, por terem um menor custo e serem maisfacilmente encontrados no mercado.

Sobre este circuito, foram realizados doisexperimentos que são descritos a seguir.

Primeiro experimentoO circuito utilizado no primeiro experimento foi o

mesmo usado no protótipo final, porém houve umequivoco em sua implementação.

No primeiro teste realizado foram usados apenasos dois eletrodos, o E1 e o E2, indicados na Figura 7. OE1 foi colocado sobre o grupo muscular e o E2 foi,erroneamente, usado como eletrodo de referência, sendocolocado sobre um músculo em repouso do membrooposto.

A captação foi equivocada, pois o sinal era muitofraco, com muito ruído associado e essa configuraçãonão explorava o circuito amplificador adequadamente.

A saída mostrada no osciloscópio (Figura 8)apresentava pequena amplitude, pois o sinal captadopelos eletrodos possuía muito ruído externo associado,fazendo com que o resultado obtido não fosse condizentecom o resultado esperado.

Em vista dos resultados obtidos,foi implementado um segundoexperimento.

Segundo Experimento

O segundo experimento foiimplementado corretamente,atendendo às especificações indicadaspara o circuito.

Este circuito atende àconfiguração bipolar dos eletrodos.Consiste de 2 eletrodos na entrada (E1e E2) que captam a tensão damusculatura desejada, um eletrodo de

referência (E3) ligado ao terra do circuito, usado paradar sentido ao sinal no circuito amplificador e colocadoem uma região isenta de músculos, preferencialmente,punho ou cotovelo do membro oposto ao que será usadopara a medição do sinal. Um potenciômetro para ajuste

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manual de balanço entre os valores de entrada, quandoem situação de repouso, conforme mostrado na Figura9. A saída utilizada no protótipo é o osciloscópio.Conforme foi explicado verificou-se empiricamente queuma distância de 2 cm entre os eletrodos dispostos sobreo grupo muscular, possibilita a leitura de sinaisperceptíveis.

Descrição do circuito amplificadorcorretamente implementado

O estudo realizado mostra que as entradas (Figura7 – E1 e E2) devem possuir um nível definido de tensão,evitando a captação de ruídos externos. Este nível detensão é proporcionado pelos resistores de 20 MOhms,valor suficientemente alto para não influenciar no sinalelétrico medido. O primeiro amplificador operacional estáconfigurado para ganho unitário, porém com umaimpedância7 de entrada muito alta, não influenciando ossensores. Em seguida, o sinal é direcionado ao blocoamplificador.

Neste momento, ambos os sinais estãoamplificados e balanceados e a função do último blocoé amplificar a diferença entre esses sinais. Esta é aconfiguração do circuito amplificador diferencial.

Não há nenhum tipo de filtro de sinal no circuito.O sinal visto no osciloscópio não está totalmente livrede ruídos (Figura 10); ainda possui interferência de ruídosdo ambiente (60Hz), porém em pequena escala.

Circuito específico de um eletromiógrafo

O circuito utilizado não é um circuito específicode um eletromiógrafo e sim de um eletrocardiógrafo. Estepossui componentes mais simples e mais baratos do queos componentes de um circuito de um eletromiógrafo.

Em circuitos específicos para eletromiograma sãousados amplificadores de instrumentação (InAmp)juntamente com amplificadores operacionais (OpAmp),e não somente amplificadores operacionais, como usadona implementação deste protótipo. Existem algumasdiferenças significativas entre estes dois componentes.Uma delas é que o amplificador de instrumentação égeralmente utilizado para sistemas de pequena amplitude,já o amplificador operacional é um tipo mais genéricode componente, tendo uma gama bastante ampla deutilização.

Outra diferença está na característica do circuito.Quando se trata de um circuito que utiliza um amplificadoroperacional, deve-se incorporar uma malha derealimentação. Os amplificadores de instrumentação jápossuem estruturas intrinsecamente realimentadas. Estarealimentação está intimamente ligada ao ganho docircuito e à impedância de entrada do mesmo.

Uma característica importante do amplificador deinstrumentação é que este possui razão de rejeição demodo comum passa de 100 db (decibéis) (CMRR >=100dB), enquanto nos amplificadores de instrumentação,esse valor chega a 90dB no máximo (BARBOSA, 2007).

Na Figura 11 é ilustrado um circuito específico deeletromiógrafo, que utiliza o amplificador de

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instrumentação do tipo INA118.

Neste circuito, In+ e In- são referentes à entradado sinal captado, ou seja, é o local no qual são ligadosos eletrodos referentes aE1 e E2, da Figura 7. Aentrada chamada PD estárelacionado ao eletrodo dereferência (E3 da Figura7). Nota-se que o circuitoé composto de umAmplificador deInstrumentação INA118 emais 5 amplificadoresoperacionais TLV2764.

O sinal entra pelo amplificador de instrumentação,que possui baixo ruído e CMRR de 110dB, além depossuir alimentação simples e baixo nível de consumode energia. Esta etapa age da mesma maneira que oprimeiro bloco do circuito implementado no protótipo,descrito anteriormente.

Em seguida, o sinal passa por duas etapas deamplificação. A primeira de pequeno ganho e que tem afunção de evitar a saturação do sinal de interesse. Asegunda etapa proporciona ganho elevado ao sinalfiltrado.

Seguindo o circuito, o sinal passa por duas etapasde filtragem, através de um filtro passa alta e outro passabaixa, utilizados respectivamente para diminuir asinterferências e ruídos externos ao sinal desejado. Estesfiltros são compostos pela combinação de capacitores eresistores, que serão responsáveis por eliminar asfreqüências indesejadas de sinais que se deseja amplificar.Estas duas etapas de filtragem podem ser substituídaspor uma única etapa, utilizando filtro passa banda, que

se caracteriza por rejeitar faixas de frequência superiorese inferiores à frequência do sinal desejado.

A última etapa de passagem do sinal é o circuitode terra virtual, que é utilizado em circuitos amplificadorescom alimentação simples.

A vantagem deste circuito com relação ao circuitoutilizado no experimento, é que este já possui os filtrosimplementados, enquanto o outro não possui filtro algum,sendo mais suscetível a captação de ruídos indesejados.

Apesar desta vantagem, os componentesutilizados na implementação de um circuito específicode eletromiógrafo são mais caros, se comparados comos componentes utilizados no circuito implementado noexperimento. Um amplificador de instrumentação do tipoINA, chega a custar 50 vezes o valor de um amplificadoroperacional comum. Além do valor comercial, sãocomponentes difíceis de encontrar no mercado,despendendo muito tempo até a entrega do componente.

Na Figura 12, é apresentado um diagrama deblocos do circuito completo.

Os valores gastos com os experimentos realizadoscomparados com aquele que seria necessário ao circuitotradicional, pode ser visualizado na Tabela 1, queapresenta os custos de mercado pesquisados em 10 dedezembro de 2007.

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Análise e ResultadosApós a realização dos experimentos, foi possível

identificar os erros e verificar as melhorias que poderiamser feitas para obtenção de um circuito queproporcionasse resultados mais precisos.

Na figura 13, é ilustrado o primeiro circuitoimplementado, ou seja, o primeiro experimento. Pode-se identificar na figura, os erros na implementação docircuito.

Verifica-se a presença de somente 2 eletrodos (umde captação e mais um de referência), e uma placa grandepara os componentes, os quais foram dispostos numadistância muito grande entre eles, o que aumenta ainterferência. Além disso, a alimentação do circuito foiligada de maneira errada, o que facilitou a interferênciados 60Hz do ambiente.

O segundo experimento, mostrado na Figura 9,foi corrigido de forma a gerar as ligações adequadas.Usou-se uma placa menor (figura 14), com menosespaço entre os componentes diminuindo asinterferências.

O circuito implementado atende a todos osrequisitos desejados, mesmo não sendo um circuitoespecífico para a função exercida. Trata-se de um circuitode fácil implementação e baixo custo devido à utilizaçãode componentes mais simples e baratos.

Considerações Finais

Este trabalho mostra o resultado do estudo de umcircuito amplificador usado em aparelhos destinados àcaptação de sinais elétricos humanos, especificamente,sinais mioelétricos. Foi possível observar a importânciado uso e posicionamento corretos dos eletrodos parapossibilitar a captação eficiente de sinais de baixaintensidade.

O circuito amplificador foi construído comcomponentes comuns, de baixo custo e facilmenteadquiridos, ou seja, componentes com característicasmuito inferiores àqueles usados pelos eletromiógrafoscomerciais. Mesmo assim, os testes realizadosapresentaram bons resultados na captação eamplificação dos sinais musculares.

Esses testes abrangeram apenas um circuitomínimo, sem considerar a aplicação de filtros,conversores analógico-digital, entre outros. A importânciade se aplicar um filtro ao circuito, é rejeitar faixa de ruídoindesejada, que podem vir a interferir no sinal captado.

Neste caso, um filtro do tipo passa banda seria omais adequado, pois elimina os sinais com freqüênciainferior e superior à freqüência que se deseja captar,fazendo com que somente uma faixa de freqüência sejaconsiderada. A utilização deste tipo de filtro, diminuiconsideravelmente a interferência de sinais indesejadosno momento da captação.

Os conversores analógico digitais são importantes,pois o sinal captado é um sinal analógico, que deve serconvertido para digital para fins de amplificação e, dessamaneira, são enviados à saída do circuito para análise.

Conclui-se dessa maneira, que outrasimplementações poderão ser feitas, a partir do circuitoimplementado, a fim de melhorar ainda mais a sua eficáciae possibilitar sua utilização para outros fins. Como porexemplo, o desenvolvimento de próteses de movimentocom o auxílio de micro controladores, financeiramenteacessíveis à parte mais carente da população.

Referências Bibliográficas

BARBOSA, Bruno O. Sistema de MonitoramentoBiomédico. Grupo de Processamento Digital de Sinais(GPDS), Departamento de Engenharia Elétrica (ENE),

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Notas

1 Sinais elétricos emitidos pela contração muscular2 Cross-Talk (MARCHETTI e DUARTE, 2006)3 Potencial elétrico da membrana que acontece nomomento da contração muscular, ou em repouso.4 Neurônio responsável pelo movimento.5 Amplificador associado ao filtro analógico-digital, ou seja,o próprio eletromiograma.6 Aparelho responsável por medir a amplitude demovimento.7 Resistência de entrada.