Universidad de Cundinamarca – Instrumentación Biomédica

Resumen—En el presente documento se expone una

pequeña práctica relacionada con la electromiografía

(EMG), es decir la medición de la actividad eléctrica

generada por el musculo estirado, en esta práctica se tienen

en cuenta tres bloques fundamentales, el primero consiste

en la adquisición y amplificación de la señal, la segunda

consta de un filtro pasa bandas y la tercera de un filtro

rechaza bandas, es decir se aplicaran conceptos básicos de

electrónica para poder implementar un sencillo

electromiógrafo.

Palabras clave—Filtro, Amplificados de instrumentación,

Frecuencia, electromiografía, músculo.

I. INTRODUCCIÓN

l uso de la electromiografía se ha convertido en una de las

disciplinas más importantes que se ocupa de la evaluación

clínica y neurofisiología de la patología muscular, ya que con

ella se ha logrado identificar distintos tipos de lesiones

relacionados con los músculos (Como el Sistema Nervioso

Central), además de los alcances médicos para la detección de

anomalías y diagnóstico, este método permite determinar el

estado fisco de un jugador (de futbol, basquetbol, tenis, etc) y

desempeño dentro del juego, como por ejemplo que tan fuerte

es capaz cada jugador de lanzar la pelota, saber si está

aprovechando al máximo esa fuerza, si está lanzando el balón

con la fuerza suficiente pero no logra su objetivo debido a que

no lo está lanzado con la técnica apropiada, en fin. Existen

muchas aplicaciones para la EMG, por ello la importancia de

esta disciplina, por consiguiente como ingenieros electrónicos

es oportuno aprender a realizar este tipo de medidas, así sea de

la forma más básica.

II. MARCO TEÓRICO

A. Amplificador De Instrumentación

Ante las exigencias de medida que imponen los sensores o más

aún las señales del cuerpo humano para el caso de la

instrumentación biomédica, se necesitan amplificadores de

instrumentación [1], estos cumplen con los siguientes

requisitos generales:

• Ganancia: seleccionable, estable, lineal.

• Entrada diferencial: con CMRR alto.

• Error despreciable debido a las corrientes y tensiones de

offset

• Impedancia de entrada alta

• Impedancia de salida baja

Uno de los amplificadores que cumple con todas estas

especificaciones es el ad620, a continuación en la figura 1 se

muestra el esquema simplificado de este integrado.

Figura 1. Esquema simplificado del AD620

Las resistencias de ganancia interna, R1 y R2, se recortan a un

valor absoluto de 24,7 kW, permitiendo que la ganancia pueda

se programada con precisión con una sola resistencia externa

(RG).

Por consiguiente la ganancia está dada por la ecuación (1), así

mismo despejando, con la ecuación (2) se puede determinar el

valor de RG [2].

49.41

G

KG

R

(1)

De modo que

49.4

1G

KR

G

(2)

Una ventaja de utilizar el AD620 con respecto a un circuito

implementado en discreto, es su alta relación de rechazo en

modo común (CMRR).

DISEÑ O E IMPLEMEÑTACIO Ñ DE UÑ ELECTROMIO GRAFO

Jhon Alexander Díaz Acevedo, Iván Darío Betancourt, Pedro Hurtado.

E

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B. Filtro Rechaza Bandas

El rechaza bandas cumple una función muy importante en el

diseño del electromiógrafo ya que es el encargado de atenuar

la frecuencia de línea (50/60Hz) que es la responsable de los

artefactos más significativos [3], para este caso se hablara del

filtro tipo Butterworth cuyo esquema eléctrico se muestra en la

figura 2.

Figura 2. Filtro rechaza bandas tipo Butterworth

El comportamiento de este filtro se puede observar en la gráfica

1, en donde se presentan todos sus componentes.

Gráfica 1. Comportamiento de un filtro rechaza bandas

Como se puede observar en la figura anterior, este filtro atenúa

las frecuencias alrededor de la frecuencia central (Fo) y permite

pasar a las que están fuera del rango.

Las ecuaciones [4] que permiten determinar cada uno de los

parámetros que se observan en la gráfica 1, se presentan a

continuación.

La frecuencia central está dada por:

0

1 2 1 2

1

2 ( || ) f

fR R R C C

(3)

Por consiguiente el factor de calidad se expresa de la siguiente

manera:

0 1 2fQ f R C C (4)

Ahora cuando Q ≥ 2 (que es lo más aconsejable) se calculan las

frecuencias centrales Fc1 y Fc2 como lo indican las ecuaciones

(5) y (6).

1 02

c

BWf f

(5)

2 02

c

BWf f

(6)

En donde 0fBWQ

es el ancho de banda de la banda de paso,

es decir el rango de frecuencias alrededor de la frecuencia

central que atenuaran.

C. Filtro Pasa Bajas

En este caso se tratara el filtro Chebyshev de arquitectura

Multiple-Feedback (MFB), este tiene la función de atenuar las

frecuencias que estén por fuera del rango de 1 KHz ya que son

frecuencias que no están dentro de los estipulado para el tipo

de medición que se va realizar. A continuación en la figura 3,

se muestra el circuito eléctrico de este filtro.

Figura 3. Filtro pasa bajas Chebyshev de arquitectura Multiple-Feedback

El comportamiento de este filtro se muestra a continuación en

la gráfica 2.

Gráfica 2. Comportamiento de un filtro pasa bajas

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Las ecuaciones para determinar los parámetros de este tipo de

filtros [5] se dan a continuación:

Para determinar la ganancia de voltaje K se utiliza la ecuación

(7) la cual se muestra a continuación.

2

1

RK

R

(7)

Una vez seleccionada la ganancia deseada se prosigue a

calcular tanto la frecuencia de banda de paso (fc) que es la

frecuencia que no se atenuara, y la frecuencia de banda de

rechazo (fs) que es a partir de aquella donde se atenuaran la

frecuencias al máximo, así como se observa en la figura 5, las

ecuaciones que definen estas frecuencias son las siguientes:

2 3 1 2

1sf

R R C C

(8)

2

sc

ff

(9)

De esta manera el parámetro de calidad Q se define mediante

la ecuación (10).

3 2 3 1

1

( ( ))( )s

Qf R R R K C

(10)

D. Electromiografía

La electromiografía (EMG) es una técnica experimental que

tiene que ver con el desarrollo, registro y análisis de señales

bioeléctricas. Las señales mioeléctricas están formados por

variaciones fisiológicas en el estado de las membranas de fibras

musculares. Dicho de otra forma, la EMG es el estudio de la

función del músculo a través de la investigación de la señal

eléctrica de los músculos emanar [6].

III. PLANTEAMIENTO

Para la implementación del electromiócardiografo son

necesarios tres bloques; un amplificador de instrumentación

que es el encargado de amplificar las pequeñas corrientes

iónicas que produce el movimiento de los músculos, un filtro

pasa bajas que determina el rango de frecuencias con las cueles

se ha de trabajar, y un filtro rechaza bandas que es el encargado

de atenuar las frecuencias generadas por la red eléctrica (en este

caso 60Hz), a continuación en la figura 4 se muestra el

diagrama de bloques funcional del sistema a implementar.

Figura 4. Diagrama de bloques del sistema a implementar

Los electrodos se colocaran en el músculos de interés, en este

caso se realizaran las pruebas con los bíceps. La ubicación de

los electrodos se puede apreciar en la figura 5, en donde

también se puede ver como este musculo se contrae y se relaja,

así mismo aumentan y disminuyen las corrientes iónicas.

Figura 5. Ubicación de los electrodos en los bíceps y movimientos de

relajación y contracción del músculo.

IV. DESARROLLO

A. Diseño

Inicialmente como se puede ver en el diagrama de bloques de

la figura 4, se ha de realizar el diseño del amplificador de

instrumentación, en este caso el AD620. Haciendo uso de la

ecuación (1) para garantizar una ganancia de 100, se requiere

de una resistencia de 499Ω, asi como se muestra a

continuación.

Figura 6. Amplificador de instrumentación con una ganancia de 100.

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En este punto ya se tiene una señal visible a la salida del

AD620, sin embargo hacen falta los filtros.

El siguiente paso es el diseño del filtro pasa bajas, haciendo uso

de las ecuaciones (7), (8), (9), y (10) se tiene lo siguiente:

1.981

1.98

KK

K

(11)

1

(1.98 )(990.4 )(100 )(731.94 )sf

K nF nF

2.64sf KHz

(12)

El valor de (fs) es así de elevado debido a que en (fc) se debe

garantiza una frecuencia de 420Hz, es decir hasta 420 Hz no

debe existir ninguna atenuación, y debido a que el filtro que se

está usando es de tan solo orden 2 el factor de calidad es muy

bajo como se ve más adelante en (14), por consiguiente a partir

de 420Hz la frecuencia empezara a atenuarse

considerablemente.

2.64420

2c

KHzf Hz

(13)

1

2.64 (990.4 1.98 990.4 ( ( 1)))(100 )Q

KHz K nF

0.957Q

(14)

Con estos valores se da por diseñado el filtro pasa bajas, a

continuación en la gráfica 3, se puede observar el

comportamiento de este filtro, en donde se aprecia que a partir

de 420Hz (4,22e2) la frecuencia empieza a atenuarse debido a

la atenuación en dB debido a que el filtro es de orden 2, sin

embargo funciona de acuerdo a los parámetros establecidos ya

que atenúa la señal cuando la frecuencia llega a 1.3KHz.

Gráfica 3. Comportamiento del filtro pasa bajas diseñado

Ahora se prosigue a calcular el filtro rechaza bandas a 60Hz,

que es la frecuencia de la red eléctrica del país. Haciendo uso

de las ecuaciones (3), (4), (5) y (6) se obtiene lo siguiente:

0

1

2 (224.2 ||15.92 )(31.83 )(1 )(1 )f

K K uF uF

0 60f Hz

(15)

60 31.83 1 1 6Q K uF uF (16)

6010

6

HzBW Hz

(17)

1

1060 55

2c

Hzf Hz Hz

(18)

2

1060 65

2c

Hzf Hz Hz

(19)

Con esto se da por diseñado el filtro rechaza bandas de 60Hz,

en donde se tiene un rango frecuencias de 55Hz a 65Hz que van

a ser atenuadas, en la gráfica 4 se puede observar dicho

comportamiento.

Gráfica 4. Comportamiento del filtro rechaza banda diseñada

B. Simulación

La parte del amplificador de instrumentación no se simulara

debido a que la ganancia depende únicamente de una

resistencia (RG), por consiguiente el montaje de este circuito es

muy sencillo y no abran errores a la hora de implementarlo. Por

consiguiente a continuación en la figura 7, se muestra el filtro

pasa bajas con los valores de las resistencias y capacitancias

halladas anteriormente, con el cual se realiza la simulación.

Figura 7. Esquema eléctrico del filtro pasa bajas con los valores de diseño.

Como se puede ver en la gráfica 3, este circuito debe garantizar

que cuando a la entrada halla un rango de frecuencias hasta

420Hz, no se atenúe considerablemente la señal, por

consiguiente a continuación en las gráficas 5 y 6 se muestran

los resultados de la simulación con una señal de entrada

sinusoidal de 400Hz y 1.3KHz respectivamente, en donde esta

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última debe atenuarse debido a la característica del filtro

diseñado (Grafica 3).

Gráfica 5. Comportamiento del filtro pasa bajas ante una frecuencia de entrada

de 400Hz

Gráfica 6. Comportamiento del filtro pasa bajas ante una frecuencia de entrada

de 1.3KHz

Cabe resaltar que la frecuencia de salida se encuentra invertida

debido a que la función de transferencia del circuito eléctrico

utilizado para el filtro, es negativa, como lo evidencia el factor

K en la ecuación (7).

Ahora se simulara el filtro rechaza bandas de 60Hz, cuyo

esquema eléctrico utilizado se muestra a continuación.

Figura 8. Esquema eléctrico del filtro rechaza bandas con los valores de

diseño.

El circuito que se encuentra en la parte inferior (figura 8) es un

circuito de adecua miento o acople, en donde el valor de todas

sus resistencias tiene que ser del mismo valor

(considerablemente altas).

A continuación en las gráficas 7 y 8 se puede evidenciar que

ante una frecuencia de 60Hz el filtro atenúa la señal y ante una

frecuencia de 50Hz esta recupera su amplitud original (en este

caso la señal también es invertida debido a la función de

transferencia del circuito).

Gráfica 7. Comportamiento del filtro rechaza bandas ante una frecuencia de

entrada de 60Hz

Gráfica 8. Comportamiento del filtro rechaza bandas ante una frecuencia de

entrada de 50Hz

C. Implementación

En la implementación se utilizaron los esquemas eléctricos ya

referidos anteriormente. A continuación se muestran los

resultados de los filtros.

Figura 9. Captura tomada del osciloscopio observando el comportamiento de

los filtros pasa bajas y rechaza bandas ante una frecuencia de entrada de 1KHz

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Figura 10. Captura tomada del osciloscopio observando el comportamiento de

los filtros pasa bajas y rechaza bandas ante una frecuencia de entrada de

410Hz

Figura 11. Captura tomada del osciloscopio observando el comportamiento de

los filtros pasa bajas y rechaza bandas ante una frecuencia de entrada de 60Hz

Figura 12. Captura tomada del osciloscopio observando el comportamiento de

los filtros pasa bajas y rechaza bandas ante una frecuencia de entrada de 22Hz

Como se puede observar en la figuras anteriores los filtros

funcionan correctamente, muy similar a las simulaciones, sin

embargo el factor de calidad y la atenuación (dB) son un poco

más deficientes a lo calculado, como se puede observar en la

figura 10 en donde se tiene una entrada de 410Hz la atenuación

es mayor a la de la simulación (gráfica 5), sin embargo el

rechaza bandas funciona mucho mejor a lo esperado con

respecto a la simulación como se puede ver en la figura 11, con

respecto a l grafica 7.

Ahora se realizara la prueba con los electrodos, en la figura 13,

se puede apreciar la salida del AD620 ante la entra diferencial

de los electrodos.

Figura 13. Captura tomada del osciloscopio a la salida del AD620

Ahora se en la figura 14 se observara la salida de esta señal al

pasar los filtros, en donde se puede apreciar a simple vista que

disminuyen algunos picos (el caso más obvio es el segmento de

la señal encerrada en un círculo). Las señales de las figuras 13

y 14 don diferentes, sin embargo se puede apreciar la

diferencia, entre la señal filtrada y la que no lo está.

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

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Para finalizar en la figura 15, se puede observar un buen

ejemplo cuando el musculo pasa de estar relajado a estar

contraído aplicando una pequeña fuerza.

Figura 15. Captura tomada del osciloscopio a la salida de los filtros ante un

solo cambio de estado del musculo (relajado a contraído).

V. CONCLUSIONES

Una de las opciones más comunes en cuanto la utilización del

filtros para este tipo de aplicaciones; es el filtro pasa bandas,

sin embargo debido a las características del mismo, para

obtener un buen resultado se hace necesario un orden bastante

elevado, por consiguiente esa fue la razón de utilizar otro tipo

de filtro. Una opción válida es utilizar un pasa altas y un pasa

bajas, pero al realizar las pruebas se pudo determinar que el

filtrado funcionaba correctamente utilizado solo el pasa bajas,

es por ello que ese fue el implementado debido a su sencillez y

funcionalidad. Por otro lado se determinó una frecuencia

superior a la requerida ya que se necesitaba disminuir el orden

del filtro, esto ocasiona que la atenuación de acuerdo a los

decibeles que se tienen en cuenta (en este caso -10 cuando lo

más sano seria -45) se tenga un factor de calidad no muy bueno

y la frecuencia se empieza a atenuar mucho antes de la

frecuencia estipulada, es de esta manera que se logró diseñar e

implementar un filtro de tan bajo orden y con tan buenos

resultados.

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

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

cual se producen los cambios de voltaje a la salida del

electromiógrafo, sin embargo el factor más significativo es la

posición del musculo, es decir se puede hacer un analogía entre

la galga extensiometrica y el musculo ya que esta proporciona

un cambio de tención ante una deformación, lo mismo ocurre

con el musculo, es decir este sería el sensor que le indica a los

médicos el estado de salud de los mismo, o el sensor que le

indica a un deportista como está deformando su galga

(alongando su musculo) para así determinar si esta realizado un

movimiento apropiado a la hora de lanzar una pelota por

ejemplo. Esto no quiere decir que la fuerza no sea un factor

importante ya que también influye bastante ya que genera

corrientes iónicas debido al esfuerzo y también ayuda a que el

musculo se alongué más. Por consiguiente el estudio de los

músculos puede ser aplicado a diversas disciplinas y esto

gracias a un de los elementos principales que toma la señales,

el electromiógrafo, que además es muy fácil de implementar,

claro que para que funcione de acuerdo a los estándares

nacionales e internacionales de salud, necesita un grado de

robustez mucho mayor al que se manejó en este documento, sin

embargo este ha sido un muy buen ejemplo de un

electromiógrafo para un entorno académico.

REFERENCIAS

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Disponible en la página <http://www.unet.edu.ve/~ielectro/42-

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<http://www.stanford.edu/class/ee122/Parts_Info/datasheets/ad620.pdf>

[Citado 30 de septiembre de 2012] [3] Barreda Luis Eduardo, Electromiógrafo [Online], Articulo, Septiembre

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<http://www3.fi.mdp.edu.ar/electronica/articulos/Electromiografo_Barreda.doc >[Citado 30 de septiembre de 2012]

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