Scientia et Technica Año XIII, No 34, Mayo de 2007. Universidad Tecnológica de Pereira.

ISSN 0122-1701 557

LA BIO-RETROALIMENTACIÓN EN EL ANÁLISIS Y REHABILITACIÓN MUSCULAR

RESUMEN JORGE I. GÓMEZ ANGARITA

El presente artículo tiene como idea principal describir un prototipo de un Diseñador Industrial
sistema electromiográfico (EMG) para realizar posteriormente un análisis y Profesor Asistente
rehabilitación muscular, incorporando estimulación eléctrica y un sistema de Universidad Autónoma Manizales
software para el análisis y seguimiento del tratamiento bajo el principio de la jigomez@autonoma.edu.co
retroalimentación (biofeedback).
JAIRO A. MENDOZA
PALABRAS CLAVES: Estimulación Eléctrica, EMG, Biofeedback. VARGAS
Ingeniero Electricista, M.Sc.
ABSTRACT Profesor Asistente
The main idea of this article is describe a prototype of a electromiographic Universidad Tecnológica de
system (EMG) to make an analysis and muscular rehabilitation later, Pereira
incorporating electrical stimulation and a system of software for the analysis jam@utp.edu.co
and pursuit of the treatment under the principle of the feedback (biofeedback).
OSIEL ARBELÁEZ SALAZAR
KEYWORDS: Electrical stimulation, EMG, Biofeedback. Ingeniero en control electrónico e
instrumentación, candidato a
Magíster en Instrumentación Física
Profesor asistente
Universidad Tecnológica de
Pereira
osiel@utp.edu.co

1. INTRODUCCIÓN

La Bio-retroalimentación constituye un nuevo campo El electromiograma (su sigla en inglés es EMG) - para
científico muy interesante que involucra la fisiología y medir la tensión muscular.
psicología. La técnica de Bio-retroalimentación utiliza la
electrónica para detectar y ampliar las actividades La resistencia galvánica de la piel (su sigla en inglés es
corporales internas, que generalmente son demasiado GSR)
sutiles para el ser humano, de tal manera que sean La actividad electrodermal (su sigla en inglés es EDA)
percibidas de manera normal. para medir los cambios en la frecuencia de la
Una vez se tiene capacidad de observar estas actividades transpiración.
es posible entonces tratar de modificarlas. Es así como la Las medidas del pulso del dedo - para medir la presión de
Bio-retroalimentación está muy ligada a una forma de la sangre y los latidos del corazón.
control mental sobre el cuerpo que le permite a una
persona reducir la sensación de dolor. La Bio- El siguiente artículo es producto del proceso llevado en la
retroalimentación es una técnica que incluye el elaboración del proyecto de grado para optar al titulo de
entrenamiento de la mente, sustentando su concepto en magíster en Instrumentación Física: “Construcción de un
las filosofías orientales, como el yoga, la meditación, y equipo Bio-feeddback” [15], que en la actualidad es
otros procesos del pensamiento, bajo los cuales se puede asesorado por el ingeniero Jairo Mendoza Vargas. El
controlar el cuerpo. enfoque principal está basado en la construcción de un
Una vez que las señales del cuerpo del paciente se equipo de Bio-retroalimentación eletromiográfico (EMG)
registran con los instrumentos electrónicos, un con la implementación de un sistema terapéutico de
especialista en terapia de Bio-retroalimentación puede estimulación funcional eléctrica (FES) que puede traer
recomendar ejercicios físicos así como mentales para beneficios a nivel muscular, reduciendo los niveles de
lograr el control. Con electrodos conectados al cuerpo, y espasticidad. Una corriente eléctrica bien aplicada, puede
debidamente amplificados, es posible medir: el ritmo de reducir la tensión presentada en un músculo, mejorando
la respiración de un paciente, la temperatura de su así el movimiento. Este proyecto surge de la necesidad
cuerpo, su transpiración, la presión sanguínea, y los que tiene el programa de fisioterapia de la Universidad
latidos del corazón. Los resultados pueden ser Autónoma de Manizales con respeto a los procesos
visualizados en la pantalla de de un computador. Es así terapéuticos que puedan involucrar el concepto de la Bio-
como se pueden diseñar instrumentos para medir cada retroalimentación. Debido a la complejidad de sistemas
cambio del cuerpo, incluyendo los siguientes: que integran este equipo de retroalimentación, este
primer artículo está orientado de una manera muy
Fecha de Recepción: 09 Febrero de 2007
Fecha de Aceptación: 09 Mayo de 2007
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general, a uno de los subsistemas principales del equipo, un tipo de control a la baja de otras actividades
y el cual se refiere a la electromiografía (EMG) no biológicas.
invasiva.
2.2.1 Combinación de mio-feedback con estimulación
2. CONTENIDO eléctrica.
El miofeedback detecta la actividad muscular voluntaria.
2.1 Descripción general La electroestimulación provoca la contracción muscular
involuntaria. Los electrodos deben ser diferentes para
La integración de la electromiografía a los procesos de cada función.
bio-retroalimentación, es denominada mas comúnmente El trabajo activo puede darse tanto en el tiempo de
como mio-feedback. Esta técnica, es una potente estimulación como en el de detección. El equipo (o los
herramienta en fisioterapia. En la vida cotidiana los seres equipos) debe estar perfectamente coordinado para
vivos están guiados constantemente por separar la estimulación de la detección mioeléctrica.
retroalimentación o información que modula la actividad Se aplica en procesos de parálisis periféricas parciales,
corporal de una manera inconsciente. La importancia de tonificación selectiva de un fascículo muscular y atrofias
esta herramienta consiste en que permite romper la musculares globales.
barrera de funciones biológicas consideradas Esta técnica es típica en las incontinencias por fatiga del
neurovegetativas o no controlables por la actividad suelo pélvico. Otros muchos músculos pueden
voluntaria. El proceso básico parte de una electro potenciarse también con la técnica de miofeedback y
miografía (EMG) que mide la contracción y relajación electroestimulación [17,18].
del músculo en estudio. Las descargas eléctricas de las
neuronas motoras producen contracciones en las fibras APLICACIONES DEL MIOFEEDBACK
musculares y la descarga repetida de un número Tratamientos de parálisis parciales.
significativo de neuronas motoras produce la contracción Tratamientos de parálisis centrales (hipertonías,
muscular y el movimiento. Básicamente lo que hace el espasticidad).
EMG es amplificar la actividad eléctrica originada en el Tratamiento de PCI (parálisis cerebral infantil).
músculo y la traduce a señales auditivas o visuales de Tratamientos de incontinencia.
aumento o decremento dependiendo de la actividad Entrenamiento de amputados para prótesis mioeléctricas.
electromiográfica (principio de la bio-retroalimentación). Perfeccionamiento de los movimientos y trabajos
encomendados a los pacientes.
Las ventajas de la técnica de MIOFEEDBACK permiten: Fortalecimientos de músculos atróficos y no integrados
La observación directa de la actividad terapéutica, tanto en su cadena sinérgica.
por el paciente como por el fisioterapeuta. Potenciación muscular.
Que el paciente rápidamente entiende y aprende el Elongación muscular.
trabajo encomendado. Propiocepción y restablecimiento de funciones neuro-
Que el paciente se anima en su nivel de participación. musculares perdidas (comparando con el lado sano).
Que se aprecie la evolución objetiva del proceso. Entrenamiento de marchas y gestos.
Que puedan aplicarse modificaciones para evitar errores Control postural.
o adaptase a la evolución. Relajación de contracturas musculares.
Que el método o protocolo sea personalizado en cada Disminución del dolor en entesitis, tendinitis o mialgias.
paciente. Disminución del dolor y relajación en lumbalgias.
Es de una gran ayuda en procesos de parálisis. 2.3 Diseño de un Equipo EMG
Tener un método inocuo (salvo en las aplicaciones DETECCCIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE LA
intracavitarias). SEÑAL EMG
Tratar niños por la facilidad para adaptar al equipo
artilugios lúdicos. 2.3.1 Los electrodos y su configuración.
Tratar ancianos porque facilita la concentración en la
terapia. Tejido Piel Ambiente
Aplicarse en pacientes con cierto nivel de incapacidad R1
intelectual.

2.2 Método de Trabajo +

G
+
Vs2
Los métodos de trabajo se realizan bajo dos parámetros,
-
uno de ellos denominado el Activo o positivo, donde se -

da un aumento en la fortaleza muscular, permitiendo

mejorar otras actividades biológicas y el Pasivo o Figura1. Esquema para la detección de la señal en una situación
negativo, donde existe control en la disminución de la ideal
actividad muscular, relajación. También se dice que es
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La figura 1 es una Situación ideal donde una entrada con dando como resultado una sumatoria de señales de los
impedancia infinita es monitoreada por un voltímetro que canales adyacentes y correspondientes a las distancias
mide el voltaje proveniente de un generador equivalente. de:

G= Equivalente al generador de voltaje 10

V= Medidor de voltaje ideal 10+10=20,
Z= Equivalente al generador Impedancia 10+10+10=30, etc.

Las siguientes ecuaciones describen casos simples de

electrodos rectangulares con dimensiones a y b, y
electrodos circulares de radio r paralelo a la piel en el
plano (x, z) y correspondiente al plano de la frecuencia
espacial (fx, fz )

h medida (x, z) =1/S bajo el área del electrodo y:

h medida (x, z)=0 en cualquier otro lugar

H(fx, fz ) = sinc(afx) sinc(bfy),

para electrodos rectangulares Figura 3. Emplazamiento de 16 electrodos en arreglo lineal y
con la configuración (SD) [5].
H(fx, fz ) =2J1(kr)/kr, para electrodos circulares
2.3.2 Entrada y salida del amplificador.
S es el área del electrodo,
sinc(w) = sinc(pw)/pw para w≠ 0 y Como antes se ha mencionado, la señal electromiográfica
sinc(w) = 1 para w = 0, 2J1(w) es la función de Bessel de (SEMG), tanto al principio como al final del
primer orden, y k= 2p(fx2+ fz2 )1/2 amplificador, debe tener una impedancia alta de entrada,
con una alta razón de rechazo en modo común (CMRR),
Es importante la configuración y localización de los y bajo ruido. Estos parámetros, son los que más afectan la
electrodos; esas configuraciones van desde la diferencial configuración del circuito, que se desee adoptar. Por esta
simple (SD), la cual es la más utilizada para detectar e razón la impedancia de entrada de un amplificador de
interpretar correctamente un EMG [1,2,16]. SEMG puede ser por lo menos el doble de la magnitud de
la impedancia esperada en el electrodo. Las impedancias
Existe otro tipo de configuración como lo es la doble de 100 MΏ son usualmente consideradas aceptables, pero
diferencial (DD) (figura 2) y es muy usada para estimar son preferibles impedancias de 1000 MΏ, en caso de
la velocidad de conducción. utilizar electrodos pequeños. Toda la anterior
especificación lleva a la selección de un amplificador
básicamente de tres tipos:(1) el primer tipo consta de dos
amplificadores operacionales (AO) en la configuración
del seguidor de voltaje, (2) el segundo tipo es una
configuración clásica de tres AO de instrumentación, y
(3) el tercer tipo es una configuración clásica de dos AO
de instrumentación.
.Figura 2. En la configuración (DD), la duración de la señal de
salida puede ser aproximadamente 1,5 s más larga que la Es posible realizar un análisis detallado del primer estado
generada en un electrodo de configuración diferencial simple de un amplificador EMG incluyendo las componentes
[3,4]. parásitas, las cuales son importantes en la determinación
de la interferencia de las líneas de poder.
Otro tipo de configuración mostrada en la figura 2 es la
(DD) que está relacionada con la obtención de
información de la superficie EMG por técnicas
multicanal.

En la figura 3 se puede observar la distribución de 16

electrodos en arreglo lineal a través del músculo, en el
modo (SD). La distancia manejada entre electrodos es de
10 mm. De manera similar, se pueden emplazar los
electrodos en el modo (SD) con distancias diferenciales
de 10,20,30,40,50, etc., no mostradas en el gráfico, pero
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estudio como lo es el análisis de movimiento, no es

primordial, por lo tanto es utilizado un filtro pasa alto con
una frecuencia de corte cercana al rango entre 25-30 Hz,
[7,8].
Hay filtros pasa alto y filtros pasa bajo, utilizados para
reducir el ruido generado por los equipos eléctricos; en
este caso se utiliza un filtro notch (muesca) para reducir
la interferencia de 50 o 60 Hz. Ésta no es una buena
opción, puesto que: (1) quita energía de una banda de
frecuencias donde el EMG demuestra densidad de alta
potencia y (2) produce una rotación de fase que extiende
las frecuencias por debajo y por encima de la frecuencia
central de tal modo que cambia dramáticamente la forma
de onda (no tanto la de energía) del electromiograma
(EMG).
Figura 4. Gráfico del primer estado de un EMG
2.3.4 Muestreo y conversión A/D
En la figura 4 se enseña el detalle gráfico del primer estado
de un EMG incluyendo las componentes parásitas, importantes El teorema de Nyquist requiere que una señal para poder
en la determinación de interferencias en la línea de poder. [6] ser muestreada, debe estar por lo menos en una
proporción de dos veces la frecuencia de su armónico
Donde:
mas alto, con el fin de evitar una pérdida de información,
fenómeno conocido como “aliasing”
CP = Capacitancia parásita entre el cuerpo y la
El aliasing constituye un problema para los armónicos de
línea de poder
la señal o respecto a las frecuencias más altas por el
Cb = Capacitancia entre el cuerpo y la tierra
ruido que se presenta en el ancho de banda. Por esta
CC1 ,CC2= Capacitancia parásita entre la línea de poder
razón son retirados aquellos componentes de ruido que
y los cables de entrada.
afectan la señal. Para casi todos los músculos y la
CISO= Capacitancia parásita de la barrera de
mayoría de las aplicaciones en EMG, el rango de
aislamiento
frecuencias en la señal entre 400 a 450 Hz, es donde
Cg= Capacitancia parásita de la alimentación de
están los más altos armónicos; de tal modo que se
poder, entre la línea de poder y el aislamiento
requiere un filtro pasa bajo (anti-aliasing) con una
de tierra
frecuencia de corte fijada a estos rangos y un muestreo
ZS1 ,ZS2 = Impedancia de lo electrodos de contacto
por lo menos de 1000 muestras por segundo.
Zr = Impedancia del electrodo de referencia
La conversión de analógico a digital (A/D) transforma los
Zi1 ,Zi2 = Impedancias de entrada al amplificador
voltajes muestreados en niveles representados en código
Vd = Voltaje de entrada diferencial
binario y acepta señales en un rango de entrada de ± 5 V
VC = Voltaje de entrada en modo común
las cuáles se subdivide en un número de niveles discretos
VISO = Voltaje en modo de aislamiento
dados por la ecuación 2n-1, donde n es el número de bits
del convertidor (A/D). La tabla muestra los ejemplos
2.3.3 Especificaciones de los filtros EMG.
resultantes para un amplificador de rango de entrada de
±5 V y ganancia de 1000. El amplificador (o filtro) de
En el acondicionamiento de una señal (EMG) es incluido
ganancia y el rango de entrada no pueden ser escogidos
un filtro pasa alto (con una frecuencia de corte cercana al
independientemente. Estos son configurados por la
rango de 10-20 Hz) y un filtro pasa bajo (con una
resolución que se desea, y que alternadamente está
frecuencia de corte cercana al rango de 100-450 Hz),
relacionada con el nivel de ruido. Dependiendo de la
generalmente esta frecuencia de corte muestra una
máxima amplitud pico a pico, puede ser esperada una
pendiente de 40 dB/década (12Db/octava). Estos filtros
señal del EMG de superficie (e.j.4-5 mVPP), y el nivel de
son incorporados al frente del circuito.
ruido (e.j.1 µVRMS se puede elegir para corresponder al
La señal detectada en la superficie muestra a menudo
bit menos significativo), con lo cual es posible calcular el
variaciones lentas debido a los movimientos que se
número de niveles requerido N (4000-5000 para este
generan en el ambiente y a la inestabilidad de la interfaz
ejemplo), este es el procedimiento para saber cuantos bits
del electrodo-piel. Los armónicos de estas señales no
son necesarios. En el ejemplo mostrado (1 µVRMS / bit
deseadas están generalmente en el rango de frecuencia
menos significativo y 5 mVPP de amplitud) 13 bits (8192
de 0 a 20 Hz y el filtro pasa alto es por lo tanto diseñado
niveles), esto es más que suficiente, aunque el rango de
con una frecuencia de corte entre 15 y 20 Hz. El espectro
entrada A/D no es utilizado completamente. Si un
del EMG incluye en esta gama información referente a
convertidor A/D de 16 bits con un rango de entrada de ±
los índices de descarga de las unidades motoras y que
5 V es seleccionado, un amplificador de ganancia de
pueden ser relevantes en algunos usos. En otro tipo de
1600 a 2000 es requerido para utilizar el rango total del
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A/D. En tal caso los 3 ó 4 bits menos significativos

corresponden al ruido solamente. Si una baja ganancia es En la tabla 2 aparecen los siete volúmenes (SENIAM) y el
seleccionada, los bits más significativos, serán utilizados. libro recomendaciones europeas para la superficie
Todo esto puede ser mostrado en la tabla # 1 [10]. electromiografica, están disponibles en el proyecto coordinado
Numero de Numero de V/nivel Resolución referida por el Dr Hermie Hermens; e-mail: h.hermens@rrd.nl.[11]
bit n del niveles Rango ± 5 V a la entrada
Conver-tidor N=(N=2n-1) 10/N (amplificador de 4. CONCLUSIONES
A/D ganancia=1000 y
Rango de entrada ±
5 V A/D En general, este primer artículo está orientado de una
8 255 39,06mV 39,06µV manera muy global, a uno de los subsistemas principales
10 1023 9,765 mV 9,765µV
del equipo de retroalimentación con estimulación y que
12 4095 2,441 mV 2,441µV se refiere a la electromiografía (EMG) no invasiva. Son
14 16383 0,610 mV 0,610µV muchas las variables que se deben tener en cuenta, de
16 65535 0,152 mV 0,152µV acuerdo al tipo de aplicación que se desee. En un
Tabla 1. Relación entre número de bits de un convertidor A/D, electromiógrafo, para el estudio de la señal, los
Número de niveles, V/nivel, Resolución referida a la entrada*. parámetros cambian dependiendo de la aplicación, ya sea
el simple estudio de la señal, o el estudio de la velocidad
parámetro Condición, o valores
recomendados de conducción. Todo proceso electromiográfico, se ve
afectado por variables que van desde (1) el tipo de unidad
Electrodos (montaje bipolar) muscular que se está estudiando, sea una fibra muscular,
Medida del electrodo Diámetro<10mm donde la señal mostrada es la de una unidad motora, o un
Distancia entre electrodos (IED) <20mm, o <1/4 la longitud del
Localización del electrodo músculo, cualquier distancia mas fascículo de fibras. (2) El material con el cual están
pequeña entre la zona más distal construidos los electrodos, incluyendo su medida, la
de la inervación y el tendón disposición o distancia que hay entre estos, en el
distal. Entre la zona mas próxima momento de ser colocados en el músculo. (3) La
a la inervación y el tendón
Localización del electrodo de proximal; no sobre una zona construcción del sensor, entendido éste como la
referencia inervada como la muñeca, el integración de los electrodos con los cables y el pre-
tobillo,,la zona inervada por la amplificador. (4) La orientación y localización del sensor
espina en la c7 o en otra área en el músculo; entendida esta orientación como la
eléctricamente inactiva
Amplificador dirección del sensor bipolar con respecto a la dirección
Filtro pasa alto (baja frecuencia de las fibras musculares (un estudio de 144 trabajos sobre
de corte) emplazamiento de electrodo para electromiografia,
………Para análisis < 10 Hz mostró un total de 352 descripciones de localización de
………espectral EMG
………Solo para análisis ~20 Hz sensores en el músculo. Esas descripciones se aplicaron a
………de movimiento 53 músculos diferentes [12,13,14]). (5) El proceso de
Filtro pasa bajo (alta frecuencia colocación del sensor, el cual puede verse muy obvio,
de corte) ………Para ~500 Hz(frecuencia de pero va desde detalles tan pequeños como la selección
aplicaciones ………generales muestreo>1000 muest/s)
………Para aplicaciones ~1000 Hz(frecuencia de del sensor (EMG), hasta la prueba de conexión del
………con un ancho de muestreo>2000 muest/s) mismo, pasando por 6 diferentes pasos, no narrados en
………banda especial estas conclusiones.
Nivel de ruido referido a la <µVRMS (en el ancho de banda La unión de otro tipo de subsistemas incorporados al
entrada de voltaje 10-500)
Nivel de ruido referido a la subsistema (EMG) diversifica las aplicaciones del mismo
<pARMS (en el ancho de banda
entrada de corriente Impedancia 10-500) al punto que es posible realizar procesos de bio-feedback
de entrada >100 MΩ (para electrodos con (EMG) para aplicaciones como la reducción de
convencionales >1000 MΩ estrés, tratamientos de incontinencia, hasta entrenamiento
(para electrodo de aguja de amputados para prótesis bioeléctricas. Los
convencionales
Ganancia es conveniente recordar el rango subsistemas se pueden ir complejizando, en la medida
de entrada del convertidor A/D que se requieren otras aplicaciones, por ejemplo, la
con la resolución de entrada electroestimulación como subsistema unido a la actividad
deseada (EMG) y bio-feedback, puede producir un orden de
Electrodos (montaje bipolar) aplicación que se podría denominar: “LA BIO-
Frecuencia de muestreo >1000 muestra/s RETROALIMENTACIÓN EN LOS PROCESOS (EMG)
(aplicaciones generales) Y LA (EEF) ESTIMULACIÓN ELÉCTRICA
>2000 muestras/s (aplicaciones FUNCIONAL, EN EL ANÁLISIS Y LA
de ancho de banda)
n bit para A/D 12(amplificador con ganancia REHABILITACIÓN MUSCULAR”
variable) 16 (pueden ser usados
amplificadores con ganancia fija

Tabla 2: Los siete volúmenes (SENIAM)

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