Análise de Desempenho de Filtragem Biomecânica Derivada de Biomaterial Látex Aplicada em Sistema de Aquisição, Exibição e Análise de Sinais Eletromiográficos
Análise de Desempenho de Filtragem Biomecânica Derivada de Biomaterial Látex Aplicada em Sistema de Aquisição, Exibição e Análise de Sinais Eletromiográficos
Análise de Desempenho de Filtragem Biomecânica Derivada de Biomaterial Látex Aplicada em Sistema de Aquisição, Exibição e Análise de Sinais Eletromiográficos
PUBLICAÇÃO: 049A/2016
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
CESSÃO DE DIREITOS
GRAU: Mestre
ANO: 2016
________________________________________________
2016
RUA MIRANDA DE CARVALHO, Nº 1281, CENTRO.
CEP: 75.800-036 Jataí, GO – Brasil.
iii
DEDICATÓRIA
iv
AGRADECIMENTOS
Primeiramente à Deus, pelo dom da vida, por todas as bênçãos e graças recebidas e
por tudo que conquistei até aqui.
Agradeço aos meus amados pais Delimar Pereira Mendonça e Elda Mara de Resende
Mendonça, e aos meus queridos irmãos Nayara e Henrique, que sempre estiveram ao meu
lado e me deram força para vencer todos os obstáculos de minha caminhada. Agradeço aos
meus avós pela preocupação e incentivo. Agradeço à toda a minha família, que sempre foi
o alicerce da minha vida.
Agradeço ao meu noivo e companheiro de vida, Tales Eduardo Carrijo Fraga, que
sempre esteve ao meu lado, me apoiando e me incentivando nos momentos mais difíceis
desta jornada e compartilhando minhas vitórias.
Aos membros convidados da banca, Profª. Dra. Vera Regina Fernandes da Silva
Marães e Profª. Dra. Cicilia Raquel Maia Leite, por aceitarem o convite e por todas as
contribuições apresentadas, fazendo enriquecer o trabalho desenvolvido.
v
Agradeço à comunidade acadêmica do Instituto Federal de Goiás (IFG), Câmpus Jataí,
por todo o apoio e incentivo para a conclusão desta pós-graduação. De modo especial,
agradeço aos docentes e alunos dos cursos de Bacharelado em Engenharia Elétrica e
Técnico Intergrado em Eletrotécnica pela compreensão, incentivo e paciência.
Enfim, agradeço a todos aqueles que de alguma forma contribuíram para a realização
deste trabalho, e agradeço a todos os meus familiares, amigos e colegas; sem vocês, a vida
não teria nenhuma graça.
vi
“Feliz aquele que transfere o que sabe e
aprende o que ensina”.
Cora Coralina.
vii
RESUMO
A eletromiografia (EMG) é uma técnica utilizada para registrar e avaliar o sinal bioelétrico
coletado no músculo esquelético humano. Tem sido largamente utilizada no estudo do
movimento humano, sendo aplicada na medicina esportiva e ocupacional, em rotinas
fisioterapêuticas, em pesquisas relacionadas ao sistema neuromuscular e para gerar
comandos de controle em equipamentos para a reabilitação, como em próteses robóticas e
em interfaces homem-máquina. No entanto, sinais de EMG ruidosos são os principais
obstáculos a serem superados a fim de se conseguir um melhor desempenho nestas
aplicações. O sinal de eletromiografia de superfície (EMGS) pode ser contaminado por
vários sinais de ruído ou artefatos que se originam na interface pele-eletrodo, na eletrônica
que amplifica os sinais, e em fontes externas. Estes componentes de ruído contaminam o
sinal de EMGS e podem gerar interpretações errôneas do mesmo. Vários métodos de
eliminação de ruídos têm sido propostos, no entanto, ainda há muitas dificuldades para que
o ruído seja mitigado. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de
aquisição, exibição e análise de sinais eletromiográficos de superfície, caracterizado pela
utilização de um filtro biomecânico derivado de biomaterial látex no processo de aquisição
do sinal de EMGS, visando a diminuição de ruídos de artefato de movimento e de ruídos
eletroquímicos que podem afetar a qualidade do sinal captado. O biomaterial látex,
extraído da seringueira (Hervea brasiliensis) é uma secreção de aspecto esbranquiçado
utilizado como biomaterial em dispositivos médicos e que se destaca por seu baixo custo e
biocompatibilidade, além de ser natural e ter procedência nacional. O sistema desenvolvido
é composto por três módulos principais: o módulo de aquisição, caracterizado pela
utilização de eletrodos de superfície envoltos por uma malha de biomaterial látex (filtro
físico); o módulo de hardware, responsável pelo condicionamento, digitalização e
armazenamento do sinal captado; e o módulo de software, responsável pela exibição
gráfica do sinal na tela do computador, bem como seu processamento e análise. Durante o
desenvolvimento do sistema, a frequência de amostragem, foi um importante fator
observado, estando relacionada com a qualidade do sinal coletado. Foram realizados testes
e coletas de sinais de EMGS em voluntários para verificação do funcionamento e da
eficiência do sistema desenvolvido e do desempenho da filtragem física.
viii
ABSTRACT
Electromyography (EMG) is a technique used for recording and evaluating the bioelectric
signal produced by human skeletal muscles. It has been widely used in the study of human
movement, being applied in sports and occupational medicine, as well as in physical
therapy routines, in researches related to the neuromuscular system and to generate control
commands for rehabilitation equipments, such as robotic prostheses and man-machine
interfaces. However, noisy electromyography signals are the main obstacles to be
overcome in order to achieve improved performance in the above mentioned applications.
Surface EMG signals can be contaminated by various artifacts or noise signals that
originate from skin-electrode interface, from electronics that amplify the signals, and from
external sources. Such noise components contaminate the surface EMG signal and can
generate its wrongful interpretation. Numerous noise elimination methods have been
proposed, however, many difficulties still exist for noises to be mitigated. This paper
presents the development of a system for acquisition, exhibition and analysis of surface
electromyography signals characterized by the use of a biomechanical filter, derived from
latex biomaterial, in the process of surface EMG signal acquisition. This method has the
objective of reducing noises of movement artifacts and electrochemical noises that can
affect the quality of the captured signal. Latex, extracted from rubber trees (Hervea
brasiliensis), is a secretion of milky aspect that is used as a biomaterial in medical devices
and that stands out for its low costs and biocompatibility, in addition to being natural and
found on Brazilian territory. The system that was developed is composed by three main
modules: the acquisition module, which consists in the use of surface electrodes wrapped
in a mesh of biomaterial latex (physical filter); the hardware module, responsible for the
conditioning, digitization and storage of the captured signal; and the software module,
responsible for the graphic exhibition of the signal on the computer screen, as well as its
processing and analysis. During the development of the system, the frequency of sampling
was an important factor that was observed, as it is related to the quality of the captured
signal. Tests and gathering of surface EMG signals were carried out on volunteers, so that
the running and efficiency of the developed system and the performance of the physical
filtering could be verified.
ix
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 22
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO E FORMULAÇÃO DO PROBLEMA ............................ 22
1.2 OBJETIVOS .............................................................................................................. 26
1.2.1 Objetivo geral ...................................................................................................... 26
1.2.2 Objetivos específicos .......................................................................................... 26
1.3 REVISÃO DA LITERATURA.................................................................................. 27
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ......................................................................... 29
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................... 30
2.1 A ELETROMIOGRAFIA .......................................................................................... 30
2.1.1 Aspectos Históricos ............................................................................................. 30
2.1.2 Aplicações ........................................................................................................... 35
2.2 ELEMENTOS DA ANATOMIA E FISIOLOGIA PARA A EMG .......................... 36
2.3 O SINAL ELETROMIOGRÁFICO .......................................................................... 45
2.4 AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DO SINAL DE EMG ................................... 48
2.4.1 Eletrodos.............................................................................................................. 44
2.4.2 Amplificação do Sinal ......................................................................................... 53
2.4.3 Filtragem ............................................................................................................. 56
2.4.4 Frequência de Amostragem ................................................................................. 59
2.4.5 Conversão Analógico/Digital .............................................................................. 60
2.4.6 Análise de sinais de EMG ................................................................................... 61
2.4.6.1 Parâmetros no domínio do tempo ........................................................... 61
2.4.6.2 Parâmetros no domínio da frequência ..................................................... 62
2.5 SINAL DE EMGS E RUÍDOS .................................................................................. 64
2.5.1 Ruído interno ....................................................................................................... 66
2.5.2 Instabilidade inerente do sinal ............................................................................. 67
2.5.3 Crosstalk .............................................................................................................. 67
2.5.4 Artefatos de eletrocardiograma (ECG) ............................................................... 67
2.5.5 Ruído inerente aos componentes eletrônicos ...................................................... 67
2.5.6 Ruído ambiente (ruído eletromagnético)............................................................. 68
2.5.7 Ruído eletroquímico ............................................................................................ 68
2.5.8 Artefatos de movimento ...................................................................................... 70
x
2.6 BIOMATERIAIS ....................................................................................................... 71
2.7 BIOMATERIAL LÁTEX .......................................................................................... 75
3 METODOLOGIA ......................................................................................................... 79
3.1 SISTEMA DE AQUISIÇÃO, EXIBIÇÃO E ANÁLISE DE SINAIS DE EMGS
COM FILTRAGEM FÍSICA ........................................................................................... 79
3.1.1 Módulo 1: Aquisição .............................................................................................. 81
3.1.1.1 Eletrodos ................................................................................................. 81
3.1.1.2 Malha derivada de biomaterial látex ....................................................... 82
3.1.2 Módulo 2: Hardware ............................................................................................... 85
3.1.2.1 Circuito eletrônico ................................................................................... 86
3.1.2.2 Circuito microcontrolado ........................................................................ 91
3.1.3 Módulo 3: Software ................................................................................................ 93
3.2 COLETA DE SINAIS DE EMGS ............................................................................. 95
3.3 ANÁLISE DE DESEMPENHO DA FILTRAGEM BIOMECÂNICA DERIVADA
DE BIOMATERIAL LÁTEX........................................................................................ 101
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................. 103
4.1 SISTEMA DE AQUISIÇÃO, EXIBIÇÃO E ANÁLISE DE SINAIS DE EMGS
COM FILTRAGEM FÍSICA ......................................................................................... 104
4.1.1 Módulo de Hardware ............................................................................................ 104
4.1.1.1 Módulo de circuito eletrônico ............................................................... 108
4.1.1.2 Módulo de circuito microcontrolado ..................................................... 111
4.1.2 Módulo de Software.............................................................................................. 118
4.1.3 Malha de Biomaterial Látex ................................................................................. 123
4.2 TESTES E COLETA DE SINAIS ........................................................................... 124
4.2.1 Grupo de voluntários com amputação .................................................................. 125
4.2.2 Grupo de voluntários sem amputação ................................................................... 128
4.3 FILTRAGEM FÍSICA: ANÁLISE DE DESEMPENHO ....................................... 131
5 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS ............................................................. 139
5.1 TRABALHOS FUTUROS ...................................................................................... 141
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 143
ANEXOS .......................................................................................................................... 150
ANEXO A – SISTEMA MUSCULAR ......................................................................... 151
ANEXO B – ESQUEMA ELÉTRICO DO CIRCUITO ELETRÔNICO ..................... 153
ANEXO C – PARECER DO COMITÊ DE ÉTICA..................................................... 154
xi
ANEXO D – TERMO DE CONSENTIMENTO LIVRE E ESCLARECIDO............. 155
ANEXO E – PUBLICAÇÕES ...................................................................................... 159
APÊNDICES .................................................................................................................... 167
APÊNDICE A – ESQUEMA ELÉTRICO DO CIRCUITO MICROCONTROLADO 168
APÊNDICE B – CÓDIGO PARA MICROCONTROLADOR .................................... 169
xii
LISTA DE TABELAS
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: (A) Eletromiógrafo analógico modelo DISA 13A67; (B) Eletromiógrafo digital
modelo Medelec MS6. ......................................................................................................... 33
Figura 2.2: Sistema de EMG Delsys, modelo Trigno™ Wireless ....................................... 34
Figura 2.3: Áreas de aplicação da EMG .............................................................................. 35
Figura 2.4: Os três tipos de músculos do corpo humano: (a) músculo esquelético, (b)
músculo cardíaco, e (c) músculo liso................................................................................... 37
Figura 2.5: Organização da unidade motora do músculo esquelético. Cada neurônio motor
inerva um número variável de fibras musculares ................................................................ 39
Figura 2.6: Esquema de uma junção neuromuscular, ou placa motora ............................... 40
Figura 2.7: Alterações que ocorrem na membrana durante o potencial de ação: processos
de despolarização e repolarização de membrana ................................................................. 42
Figura 2.8: Gráfico do potencial de ação caracterizado pelas suas três fases distintas:
repouso, despolarização e repolarização. ............................................................................ 42
Figura 2.9: Geração do potencial de ação de uma unidade motora (MUAP) composta por n
fibras musculares ................................................................................................................. 43
Figura 2.10: Representação esquemática da geração do sinal eletromiográfico de um
músculo, a partir do somatório dos trens de MUAPs das n unidades motoras ativas desse
músculo................................................................................................................................ 46
Figura 2.11: Exemplos de sinais de EMG. .......................................................................... 47
Figura 2.12: Eletrodos de EMG – (A) de agulha, (B) de fio fino e (C) de superfície ......... 50
Figura 2.13: Amplificador diferencial ................................................................................. 53
Figura 2.14: Amplificador de instrumentação (INA) .......................................................... 55
Figura 2.15: Filtro passa baixa de primeira ordem .............................................................. 59
Figura 2.16: Filtro passa alta de primeira ordem ................................................................. 59
Figura 2.17: Gráfico representativo do PSD de um sinal eletromiográfico de superfície ... 64
Figura 2.18: Alguns elementos que influenciam o sinal de EMGS: (1) o diâmetro da fibra
muscular, (2) o número de fibras musculares, (3) a interface pele-eletrodo, (4) o
condicionamento do sinal, (5) o número de unidades motoras ativas, (6) o tecido, (7) a
distância entre a superfície da pele e as fibras musculares, (8) a velocidade de condução,
(9) o fluxo sanguíneo no músculo, (10) a distância intereletrodos, (11) a relação tipo de
fibra e sua localização, (12) taxa de disparo das unidades motoras .................................... 65
Figura 2.19: Diagrama esquemático de eletrodos colocados sobre a pele .......................... 69
xiv
Figura 2.20: Processo de extração do látex natural da seringueira ...................................... 76
Figura 3.1: Esquema geral do sistema desenvolvido neste trabalho ................................... 80
Figura 3.2: Eletrodo passivo do tipo Beckman (Ag/AgCl) utilizado para a captação do sinal
mioelétrico neste trabalho. (A) Parte externa do eletrodo, em que o cabo do circuito
eletrônico é conectado à parte metálica do eletrodo; (B) Parte interna do eletrodo, que fica
em contato com a superfície da pele, caracterizada por uma superfície adesiva, pelo
eletrólito (gel) e pelo metal do eletrodo. Caracteriza a interface metal-eletrólito-pele ....... 81
Figura 3.3: Materiais utilizados para confecção da malha de látex, observando-se a placa
de vidro (7) utilizada como molde para a malha ................................................................. 83
Figura 3.4: Exemplo de malha confeccionada a partir de biomaterial látex, com papel filme
para proteção........................................................................................................................ 84
Figura 3.5: Malha de látex envolvendo os eletrodos de superfície posicionados no bíceps
braquial de voluntária, com o intuito de garantir que não haja movimentação na conexão
entre os cabos e os eletrodos e na interface pele-eletrodo, auxiliando na redução de
interferência causada por artefatos de movimento e por ruídos eletroquímicos ................. 85
Figura 3.6: Diagrama do amplificador de instrumentação INA128P. Entre os pinos 1 e 8,
ajusta-se o ganho pelo valor do resistor RG. A alimentação simétrica se dá pelos pinos 4 e
7, e a referência pelo pino 5. Os pinos 2 e 3 são as entradas inversora e não inversora
respectivamente, nas quais o par de eletrodos do módulo de aquisição são ligados. No pino
6 tem-se o sinal de saída do circuito integrado .................................................................... 87
Figura 3.7: Conexões dos eletrodos (E1 e E2) em relação ao amplificador de
instrumentação (INA128P). O resistor R1 conectado aos pinos 1 e 8 define o ganho da
saída A do amplificador ....................................................................................................... 88
Figura 3.8: Esquemático do filtro passa alta com frequência de corte de 17 Hz e do filtro
passa baixa com frequência de corte de 483 Hz .................................................................. 89
Figura 3.9: Circuito amplificador com ganho e saída invertida, proporcionando em sua
saída um sinal com as características necessárias para a conversão A/D ............................ 90
Figura 3.10: Circuito para ajuste da tensão de offset .......................................................... 91
Figura 3.11: Visão geral das telas que compõem a interface gráfica do software do sistema
............................................................................................................................................. 93
Figura 3.12: Fluxograma que descreve as principais instruções a serem seguidas para
preparo do voluntário, recomendadas pelo protocolo SENIAM ......................................... 99
xv
Figura 3.13: Utilização da malha de biomaterial látex em: a) envolvendo os eletrodos
posicionados sob o coto do voluntário (membro inferior direito); b) envolvendo os
eletrodos posicionados sob a perna (esquerda) do voluntário ........................................... 100
Figura 3.14: Exemplo de teste de aquisição de sinais de EMGS seguindo o protocolo
descrito. No primeiro momento (A) a aquisição do sinal de EMGS é realizada no bíceps do
voluntário sem o uso da malha de látex; e, no segundo momento (B) a aquisição do sinal de
EMGS é realizada no mesmo músculo do voluntário com o uso da malha de látex. ........ 102
Figura 4.1: Módulo de hardware do sistema desenvolvido. O módulo inferior é pelo
circuito eletrônico, responsável pela amplificação, filtragem e condicionamento do sinal
bioelétrico captado pelos eletrodos; e o módulo superior é caracterizado pelo circuito
microcontrolado, sendo responsável pela conversão A/D e pelo armazenamento dos dados
em um cartão de memória ................................................................................................. 105
Figura 4.2: a) Cabos para quatro canais e referência com conector DB-9; b) Detalhe da
enumeração dos canais nos cabos; c) Encaixe entre os cabos e os eletrodos, utilizando
colchetes de pressão para roupas; d) Cabos para conexão entre módulo de circuito
eletrônico e módulo de circuito microcontrolado .............................................................. 106
Figura 4.3: Sinal de EMGS captado no bíceps do braço direito de um voluntário em
repouso com iluminação do ambiente ligada (lado esquerdo) e desligada (lado direito).. 108
Figura 4.4: Processo de desenvolvimento do módulo de circuito eletrônico para
amplificação, filtragem e condicionamento dos sinais. a) Posicionamento das oito PCI’s
(uma para cada canal) dentro do gabinete; b) Realização das ligações internas; c) Teste do
módulo em osciloscópio; d) Módulos de circuito eletrônico de oito canais cada finalizado
........................................................................................................................................... 109
Figura 4.5: No sinal em amarelo foi utilizada filtragem com AMP-OP indicado para filtros
de sinais eletromiográficos, o OPA2604 fabricado pela Texas Instruments; e o sinal em
azul é do circuito implementado com o TL074 ................................................................. 110
Figura 4.6: Fluxograma que representa a lógica de controle utilizada na primeira versão de
programa ............................................................................................................................ 113
Figura 4.7: Fluxograma que representa a lógica de controle utilizada na segunda versão de
programa ............................................................................................................................ 114
Figura 4.8: Fluxograma que representa a lógica de controle utilizada na terceira versão de
programa ............................................................................................................................ 115
Figura 4.9: Sinal de EMGS coletado utilizando-se a lógica de controle da primeira versão.
A frequência de amostragem (Fs) foi de 56 Hz. ................................................................ 116
xvi
Figura 4.10: Sinal de EMGS coletado utilizando-se a lógica de controle da segunda versão.
A frequência de amostragem (Fs) foi de 772 Hz ............................................................... 117
Figura 4.11: Sinal de EMGS coletado utilizando-se a lógica de controle da terceira versão.
A frequência de amostragem (Fs) foi de 1,7 kHz .............................................................. 117
Figura 4.12: Sinal de EMGS do canal 4 coletado utilizando-se a lógica de controle da
segunda versão e quatro canais. A frequência de amostragem (Fs) foi de 300 Hz ........... 118
Figura 4.13: Sinal de EMGS do canal 1 coletado utilizando-se a lógica de controle da
segunda versão e apenas um canal. A frequência de amostragem (Fs) foi de 772 Hz ...... 118
Figura 4.14: Tela inicial do Software de Exibição e Análise de Sinais Eletromiográficos
desenvolvido neste trabalho............................................................................................... 119
Figura 4.15: Tela inicial do modo de Exibição de Sinal EMG.......................................... 120
Figura 4.16: Tela inicial de seleção do sinal do modo de Exibição de Sinal EMG .......... 120
Figura 4.17: Exibição de um sinal de EMGS de quatro canais ......................................... 121
Figura 4.18: Exibição de um sinal de EMGS de somente um canal ................................. 122
Figura 4.19: Zoom aplicado no intervalo de 84s a 98s do sinal exibido na Figura 4.18 ... 122
Figura 4.20: Tela de seleção de parâmetros a serem analisados pelo software desenvolvido
........................................................................................................................................... 123
Figura 4.21: Malha confeccionada em biomaterial látex, com dimensão de 75 x 18 cm.. 123
Figura 4.22: Voluntário amputado durante coleta de dados .............................................. 126
Figura 4.23: Exibição de sinais captados no teste com voluntário amputado da Figura 4.22
........................................................................................................................................... 126
Figura 4.24: (A) Voluntário amputado durante coleta de dados; e (B) detalhe da prótese do
voluntário durante a realização da pedalada ...................................................................... 127
Figura 4.25: (A) Posicionamento dos eletrodos no músculo VL da perna direita; e (B)
malha de látex que revestiu o coto do voluntário após a coleta de dados ......................... 127
Figura 4.26: Exibição de sinais captados no teste com voluntário amputado da Figura 4.24
........................................................................................................................................... 128
Figura 4.27: Exibição do sinal de EMGS coletado no bíceps direito de voluntária sem
amputação .......................................................................................................................... 129
Figura 4.28-A: Zoom aplicado no intervalo de 10s a 35s do sinal exibido na Figura 4.27,
para melhor visualizadas das contrações leves .................................................................. 130
Figura 4.28-B: Zoom aplicado no intervalo de 37s a 50s do sinal exibido na Figura 4.27,
para melhor visualizadas das contrações de força média .................................................. 130
xvii
Figura 4.29: Teste de desempenho de malha de látex como filtragem física. Momento I –
sinal captado sem o uso da malha de látex ........................................................................ 132
Figura 4.30: Teste de desempenho de malha de látex como filtragem física. Momento II –
sinal captado com o uso da malha de látex ........................................................................ 132
Figura 4.31: Período do músculo em repouso – sinal captado sem o uso da malha de látex
........................................................................................................................................... 133
Figura 4.32: Período do músculo em repouso – sinal captado com o uso da malha de látex
........................................................................................................................................... 133
Figura 4.33: Período de contrações fracas – sinal captado sem o uso da malha de látex .. 134
Figura 4.34: Período de contrações fracas – sinal captado com o uso da malha de látex . 134
Figura 4.35: Período de contrações fortes – sinal captado sem o uso da malha de látex .. 135
Figura 4.36: Período de contrações fortes – sinal captado com o uso da malha de látex .. 135
Figura 4.37: Período de geração de artefatos – sinal captado sem o uso da malha de látex
........................................................................................................................................... 136
Figura 4.38: Período de geração de artefatos – sinal captado com o uso da malha de látex
........................................................................................................................................... 136
Figura 4.39: Sinal captado sem o uso da malha de látex – Voluntária 2 ........................... 137
Figura 4.40: Contração forte – sinal captado com o uso da malha de látex ...................... 137
Figura A-1: Principais músculos do corpo humano, vista anterior ................................... 151
Figura A-2: Principais músculos do corpo humano, vista posterior.................................. 152
xviii
LISTA DE SÍMBOLOS, NOMENCLATURAS E ABREVIAÇÕES
ACh – Acetilcolina
A/D – Analógico/Digital
BF – Bíceps Femoral
CA – Corrente Alternada
CC – Corrente Contínua
ECG – Eletrocardiograma
EMG – Eletromiografia
xix
FGA – Faculdade do Gama
Fs – Frequência de amostragem
MUAPT – Motor Unit Action Potential Train (Trem de Potencial de Ação da Unidade
Motora)
PA – Potencial de Ação
PMMA – Polimetilmetacrilato
xx
PSD – Power Spectral Density (Densidade Espectral de Energia)
PTFE – Politetrafluoretileno
SD – Secure Digital
TA – Tecnologia Assistiva
VL – Vasto Lateral
xxi
1 INTRODUÇÃO
O sinal eletromiográfico pode, portanto, ser definido como o sinal elétrico dos
músculos, sendo controlado pelo sistema nervoso e produzido durante o processo de
contração muscular, representando a atividade elétrica das unidades motoras e as
propriedades anatômicas e fisiológicas dos músculos (CHOWDHURY et al., 2013).
A EMG tem sido aplicada em diferentes áreas, sendo utilizada por diversos
profissionais da área da saúde, como médicos, educadores físicos, fisioterapeutas, dentistas
e fonoaudiólogos, além de ser uma ferramenta importante no estudo do movimento
humano e em pesquisas relacionadas ao sistema neuromuscular. Essa técnica permite ainda
a realização de análises clínicas e biomédicas, de estudos e análises da fadiga muscular, de
distúrbios do movimento, além de ser aplicada em rotinas terapêuticas e em diagnósticos,
em treinamentos esportivos, no controle de próteses e dispositivos para reabilitação, em
interações homem/máquina, e entre outras.
No entanto, o sinal de EMGS pode ser contaminado por sinais de ruído ou artefatos,
que se originam na interface pele-eletrodo, na eletrônica que amplifica os sinais, em fontes
externas, em artefatos de movimento, na radiação eletromagnética (rádio, televisão,
celular, lâmpadas fluorescentes), na rede elétrica (60 Hz e harmônicas), no movimento dos
cabos e eletrodos, e entre outros (DE LUCA et al., 2010; FORTI, 2005).
23
O sinal eletromiográfico registrado através de um sistema de aquisição apropriado é
processado posteriormente para a extração de variáveis a serem analisadas no domínio do
tempo (raiz quadrada da média e valor retificado proporcional, por exemplo) ou no
domínio da frequência (frequência média e frequência mediana, por exemplo) (ALVES,
2013; ALVIM, 2012). Sendo assim, um sinal de EMG muito ruidoso pode alterar os
valores destas variáveis, influenciando no diagnóstico e na interpretação do sinal de EMG.
Um biomaterial pode ser definido como qualquer material utilizado para produzir
dispositivos para substituir uma parte ou uma função do corpo de uma maneira segura,
confiável, econômica e fisiologicamente aceitável. É caracterizado por ser um material
sintético utilizado para substituir parte de um sistema vivo ou para funcionar em contato
íntimo com tecido vivo (PARK; LAKES, 2007).
24
Os biomateriais têm sido utilizados para várias aplicações, tais como substituição de
articulações, placas ósseas, cimento ósseo, ligamentos e tendões artificiais, implantes
dentários, prótese de vasos sanguíneos, válvulas cardíacas, tecido artificial, lentes de
contato, implantes mamários, entre outras (NASSAR et al., 2011).
25
assim, a carga computacional (técnicas de processamento) e de hardware (filtros
eletrônicos) que seriam utilizadas para a eliminação destes ruídos e, consequentemente,
diminuindo os custos do sistema desenvolvido.
1.2 OBJETIVOS
26
1.3 REVISÃO DA LITERATURA
A pesquisa da base bibliográfica utilizada neste trabalho considerou a busca por livros,
teses, monografias e artigos nas seguintes fontes especializadas: PubMed, Portal de
Periódicos CAPES e SciELO.
27
Também foram realizadas buscas por meio eletrônico, que retornaram resultados
interessantes relacionados a este trabalho. Essas buscas foram feitas utilizando-se o Google
Scholar e consultando artigos de revistas, periódicos e journals da área biomédica, como
os da Elsevier e do IEEE.
Para o estudo das propriedades fisiológicas dos músculos e das contrações musculares,
foram utilizados, principalmente, os clássicos de Guyton e Hall (2006) e de Silverthorn
(2010). No estudo dos conceitos acerca da eletromiografia, da eletromiografia de superfície
e dos ruídos do sinal de EMG, foram estudados diversos trabalhos, podendo-se citar os
trabalhos de Chowdhury et al. (2013), Jamal (2012), De Luca et al. (2010), Portney, Roy e
Echternach (2010), Konrad (2005), entre vários outros. Para o embasamento acerca das
recomendações para colocação de eletrodos na EMGS, foram realizados estudos
abordando o projeto SENIAM. Para o estudo do biomaterial látex, foram estudados
28
diversos trabalhos, podendo-se citar os de Rosa et al. (2015), Reis (2013), Herculano
(2009) e Agostini (2009). Vários outros trabalhos foram estudados, sendo de fundamental
importância para o desenvolvimento desta dissertação.
29
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 A ELETROMIOGRAFIA
Essa técnica possibilita o registro dos sinais elétricos gerados pelas células musculares,
sendo uma representação gráfica da atividade elétrica dos músculos. A atividade elétrica
muscular, captada por eletrodos, é registrada pelo eletromiógrafo, onde o seu traçado é
denominado eletromiograma (CORREA; COSTA; PINTO, 2012; LIMA; FREITAS;
SILVA, 2013).
A EMG tem sido largamente utilizada em diferentes aplicações, sendo uma ferramenta
importante no diagnóstico de disfunções neuromusculares e em pesquisas na área clínica e
biomédica. Historicamente, a eletromiografia tem sido constantemente influenciada pelo
avanço tecnológico e vários pesquisadores têm contribuído para o seu aperfeiçoamento.
A primeira dedução de que um músculo gera potenciais elétricos foi documentada pelo
italiano Francesco Redi, em 1666. Ele suspeitou que o choque de um peixe elétrico fosse
de origem muscular. Já as primeiras investigações a respeito da relação entre a eletricidade
e a contração muscular foram realizadas por Luigi Galvani, que despolarizava pernas de
sapo com o toque de varas metálicas, causando contração muscular (ANDRADE, 2007).
Em 1791, Luigi Galvani apresentou seu primeiro relato acerca das propriedades
elétricas dos músculos e nervos, afirmando que o músculo esquelético é dotado da
30
capacidade de contrair e de produzir corrente elétrica. Este fenômeno ocorre tanto quando
o músculo é estimulado voluntariamente, produzindo a contração muscular mediante o
desenvolvimento de uma corrente elétrica, quanto ao sofrer estimulação elétrica,
desenvolvendo uma contração de forma involuntária. Desta maneira, houve o surgimento
da chamada “eletricidade animal” como demonstração da existência de potenciais
neuromusculares. Esta descoberta é reconhecida hoje como o nascimento da
Neurofisiologia (MORAES et al., 2013).
Somente no século XIX que o uso de eletricidade para estímulo muscular ganhou
maior notoriedade (SOUZA; LOUZADA, 2006). Em 1838, Carlos Mateucci deu início a
experimentos que envolviam a eletricidade animal questionada por Galvani. Com o auxílio
de um galvanômetro, inventado por Leopoldo Nobili em 1828, Carlos observou que
tecidos musculares quando excitados, geravam fluxo contínuo de corrente elétrica, e
demonstrou a existência da atividade elétrica durante a contração muscular (ANDRADE,
2007; MOURA, 2013).
31
(CRAM; KASMAN, 2011; VENEZIANO, 2006). H. Piper é considerado o primeiro
cientista a estudar os sinais eletromiográficos. Em 1912, na Alemanha, usando um
galvanômetro, ele aplicou eletrodos metálicos de superfície e obteve medidas para a
musculatura humana (COSTA, 2008; MERLETTI; PARKER, 2004).
Mas os sinais dos músculos só puderam ser visualizados a partir da década de 1920,
por meio de osciloscópio de raios catódicos (VENEZIANO, 2006). Com a invenção do
tubo de raios catódicos, tornou-se possível estudar a morfologia do sinal de EMG. Hebert
S. Gasper e Joseph Erlanger foram os primeiros a estudar as características do sinal de
EMG, usando o osciloscópio de raios catódicos recém-inventado para mostrar os sinais dos
músculos. Com essa façanha, eles ganharam o Prêmio Nobel em 1944 (ANDRADE, 2007;
CRAM; KASMAN, 2011).
32
(A) (B)
Figura 2.1: (A) Eletromiógrafo analógico modelo DISA 13A67; (B) Eletromiógrafo digital
modelo Medelec MS6 (LADEGAARD, 2002).
No final dos anos 60, iniciou-se o uso de computadores para processamento do sinal
de EMG e, desde então, pôde-se obter informações mais consistentes sobre esse sinal
(ANDRADE, 2007). Nas décadas mais recentes, com a disponibilidade de computadores
com poderosa capacidade de processamento, tornou-se possível realizar a decomposição de
sinais de EMG em seus constituintes básicos. O uso de computadores também permitiu o
desenvolvimento de modelos e simulações no estudo do sinal de EMG, além de ter
possibilitado a análise espectral e outras técnicas de processamento de sinais de EMG, o
que melhorou o entendimento da fisiologia do músculo, dos parâmetros da fadiga e das
disfunções e dores musculares (COSTA, 2008).
33
Figura 2.2: Sistema de EMG Delsys, modelo Trigno™ Wireless (DELSYS, 2016).
34
2.1.2 Aplicações
A EMG tem, ao longo dos anos, desenvolvido uma vasta gama de aplicações.
Clinicamente, está sendo utilizada como ferramenta para diagnóstico de doenças
neuromusculares. Tem sido frequentemente usada para avaliação de pacientes com
doenças neuromusculares, dores lombares e distúrbios de controle motor. Além de ser
empregada em pesquisas fisiológicas e biomecânicas, a EMG tem sido desenvolvida como
uma ferramenta de avaliação em pesquisas aplicadas, em fisioterapia, reabilitação,
medicina esportiva e treinamento, biofeedback e pesquisas ergonômicas (JAMAL, 2012).
35
A eletromiografia também tem encontrado seu uso na reabilitação de pacientes com
amputações na forma de próteses robóticas, revelando-se uma ferramenta valiosa na área
de tecnologias assistivas (JAMAL, 2012; LONGO, 2015).
Tecnologia Assistiva (TA) é o termo utilizado para designar uma grande variedade de
equipamentos que visam aumentar a habilidade funcional de pessoas com deficiências e
idosos e, consequentemente, ampliar a independência e inclusão social do indivíduo
(ALBRECHT, 2010). As TAs tem um papel importante no tratamento e/ou na melhoria da
qualidade de vida de pessoas com mobilidade reduzida temporária ou permanente, ou que
precisem de algum dispositivo para auxiliar em suas atividades diárias devido a alguma
disfunção (LONGO, 2015).
No corpo humano, existem três tipos de músculos (Figura 2.4): músculo cardíaco (que
é o tecido especializado do coração); músculo esquelético (também chamado de músculo
36
voluntário, por sua capacidade de ser conscientemente controlado) e músculo liso
(conhecido por músculo involuntário, pois não se encontra sob controle consciente)
(COSTA, 2008). Os músculos esquelético e cardíaco são classificados como músculos
estriados; e os músculos lisos e o cardíaco são descritos como involuntários, enquanto os
músculos esqueléticos são descritos como músculos voluntários (SILVERTHORN, 2010).
Figura 2.4: Os três tipos de músculos do corpo humano: (a) músculo esquelético, (b)
músculo cardíaco, e (c) músculo liso (SILVERTHORN, 2010).
A maioria dos músculos esqueléticos está unida aos ossos do esqueleto, o que capacita
esses músculos a controlarem os movimentos do corpo. Os músculos esqueléticos
constituem a maior parte da musculatura do corpo e equivalem a cerca de 40% do peso
37
corporal total. São responsáveis pelo posicionamento e movimento do esqueleto, como seu
próprio nome sugere (SILVERTHORN, 2010). Os seres humanos possuem centenas de
músculos esqueléticos, estando alguns destes representados nas figuras (A-1 e A-2) do
Anexo A. Esses músculos se diferem em forma e tamanho, de acordo com a tarefa que
desempenham (COSTA, 2008).
Neste trabalho, foram realizados testes e coletas de sinais de EMG nos músculos
esqueléticos vasto lateral direito e esquerdo, bíceps femoral direito e esquerdo e bíceps
braquial direito/esquerdo, que podem ser obervados no Anexo A.
A unidade motora (MU, do inglês motor unit), representada na Figura 2.5, é o termo
utilizado para descrever a menor unidade muscular controlável. Uma unidade motora é
constituída por um único neurônio motor, suas junções neuromusculares e as fibras
musculares inervadas por esse neurônio (ANDRADE, 2007).
38
Figura 2.5: Organização da unidade motora do músculo esquelético. Cada neurônio motor
inerva um número variável de fibras musculares. (SALLES et al., 2009).
39
Figura 2.6: Esquema de uma junção neuromuscular, ou placa motora (ANDRADE, 2007).
Nas regiões das placas motoras as terminações sinápticas do axônio ativam as várias
fibras musculares. Quando um potencial de ação (impulso elétrico que se propaga ao longo
da membrana celular de fibras excitáveis, como células nervosas e musculares) chega ao
terminal do axônio, ocorre a liberação do neurotransmissor acetilcolina (ACh) na fenda
sináptica. Este neurotransmissor entra em contato com a membrana da fibra muscular
(sarcolema) e estimula a sua contração. A interação do neurotransmissor com a membrana
de uma fibra muscular causa a despolarização desta, disparando um potencial de ação.
Finalmente, a ação do potencial de ação ao longo da fibra muscular causa a sua contração
(ANDRADE, 2007; AVELINO, 1992; SALLES et al., 2009).
40
ação começa por uma alteração súbita do potencial de membrana normal negativo para um
potencial positivo, terminando, então com retorno quase tão rápido para o potencial
negativo. Para conduzir um sinal nervoso, o potencial de ação se desloca ao longo da fibra
nervosa até sua extremidade final (GUYTON; HALL, 2006). Os estágios sucessivos do
potencial de ação são descritos a seguir.
41
Figura 2.7: Alterações que ocorrem na membrana durante o potencial de ação: processos
de despolarização e repolarização de membrana (SÓ BIOLOGIA, 2008).
Figura 2.8: Gráfico do potencial de ação caracterizado pelas suas três fases distintas:
repouso, despolarização e repolarização (GUYTON; HALL, 2006).
42
Ao impulso que tem origem no neurônio motor e se propaga ao longo do axônio do
nervo espinhal, chegando até a fibra muscular, chamamos potencial de ação motor, que é o
responsável por iniciar o processo de contração muscular. Este impulso, ao chegar às fibras
musculares, acaba gerando o potencial de ação muscular (COSTA, 2008).
Figura 2.9: Geração do potencial de ação de uma unidade motora (MUAP) composta por n
fibras musculares. Modificado de (KONRAD, 2005).
43
No esquema da Figura 2.9, o sinal coletado pelo eletrodo tem contribuição de todas as
n fibras musculares da unidade motora, através de seus potenciais de ação individuais.
Assim, o sinal resultante, captado pelo eletrodo, será constituído pela superposição espaço-
temporal das contribuições dos potenciais de ação individuais, sendo este sinal resultante
chamado de potencial de ação da unidade motora (NAKASHIMA, 2003). O potencial de
ação desta unidade motora (MUAP) é, portanto, o somatório espacial e temporal dos
potenciais de ação individuais das n fibras musculares que constituem esta unidade.
Assim, o sinal eletromiográfico captado pelo eletrodo é a soma dos MUAPTs gerados
na proximidade do local de detecção durante a contração muscular (NAKASHIMA, 2003).
Dessa forma, o sinal eletromiográfico captado consiste na soma algébrica de todas as
influências dos MUAPTs sobre os eletrodos (QUEVEDO, 1993).
44
eletrodo é a soma algébrica dos potenciais individuais dessas unidades motoras e
denomina-se onda sobreposta (BERNARDES et al., 2007; NAKASHIMA, 2003).
45
entre os potenciais de ação individuais das MUs é relativamente baixo. No entanto, quando
o sinal eletromiográfico contém a ativação de quatro ou mais MUs, os potenciais de ação
individuais de cada MU tornam-se, em grande parte, indistinguíveis a olho nu, pois a
incidência de superposição entre dois ou mais potenciais de ação de MU torna-se
numerosos e as formas dos potenciais de ação podem aproximar-se na similaridade (DE
LUCA et al., 2006).
Assim, o sinal eletromiográfico pode ser definido como o somatório linear de todos os
MUAPTs das P unidades motoras ativadas pelo processo de contração muscular e que
estão perto o suficiente da área de captação dos eletrodos (Figura 2.10). Pode ser
representado por meio do somatório descrito pela equação 2.1 (MOURA, 2013):
(2.1)
46
de controle do sistema nervoso, bem como pelas características da instrumentação que é
utilizada para detectá-lo e observá-lo (DE LUCA, 2006; HAMILL; KNUTZEN, 2008).
(A)
(B)
Figura 2.11: Exemplos de sinais de EMG (BARTLETT, 2007, p. 269; LOPES, 2014, p. 4).
47
intensidade da contração muscular aumenta, não significando que exista uma relação linear
entre a amplitude de um sinal eletromiográfico e a força muscular (BERNARDES et al.,
2007; HAMILL; KNUTZEN, 2008).
No sinal (A) da Figura 2.11, é possível observar uma relação, não necessariamente
linear, entre a força muscular e a amplitude do sinal registrado. De acordo com Lopes
(2014, p.3), na primeira contração, o sujeito realiza uma força de 362 N, 575 N na segunda
contração e uma força de 772 N na terceira contração. Assim é possível relacionar a
amplitude do sinal com a força da contração.
Nos sinais (A) e (B) da Figura 2.11, a linha de base corresponde a um período de
silêncio eletromiográfico, momento em que os músculos encontram-se em repouso. O
repouso pode trazer informações importantes, desde a presença de ruídos e interferências
no sinal eletromiográfico às contrações involuntárias realizadas pelos músculos em estudo
(FEODRIPPE et al., 2012). Em repouso, o músculo normal apresenta silêncio elétrico. Em
músculos de indivíduos com disfunções neuromusculares, observa-se o aparecimento de
atividade espontânea durante o repouso muscular. Essa atividade espontânea se manifesta
por presença de potenciais de fibrilação, ondas agudas ou fasciculação (CHAVES;
FINKELSZTEJN; STEFANI, 2008).
O sinal eletromiográfico, gerado pela ativação de múltiplas unidades motoras, pode ser
obtido a partir de medição não invasiva, com o uso de eletrodos de superfície, ou medição
invasiva, com o uso de eletrodos de agulha. O sinal medido pelos eletrodos é amplificado,
condicionado e registrado para produzir o formato que for mais conveniente para responder
às questões clínicas e científicas de interesse (MOTION LAB SYSTEMS, 2009).
48
Em geral, os sistemas de obtenção do sinal eletromiográfico são caracterizados por
três fases: uma fase de entrada, que inclui os eletrodos para a captação dos potenciais
elétricos do músculo em contração; uma fase de condicionamento, durante a qual o
pequeno sinal elétrico é amplificado e/ou filtrado; e uma fase de saída, na qual o sinal
elétrico é convertido em sinais que possam ser visualizados e analisados no software do
sistema. (FEODRIPPE et al., 2012).
2.4.1 Eletrodos
49
relativamente pequena, o que permite a detecção de MUAPs individuais durante
contrações fracas. No entanto, o uso de eletrodos de agulha causa dor e desconforto ao
paciente. Os eletrodos de fio (Figura 2.12-B) são extremamente finos, sendo facilmente
implantados e retirados dos músculos esqueléticos e são geralmente menos dolorosos do
que os eletrodos de agulha. Já os eletrodos de superfície (Figura 2.12-C) fornecem uma
técnica não invasiva, sendo de simples e fácil implementação. Aplicações de eletrodos de
agulha e fio fino requerem observação médica rigorosa e certificação, enquanto que os
eletrodos de superfície não precisam de tais formalidades. Os eletrodos de superfície têm
sido utilizados em diversas aplicações, como em estudos de comportamento motor,
registros neuromusculares, avaliações clínicas esportivas e para os indivíduos que se
opõem às inserções de agulhas, como as crianças (JAMAL, 2012).
Na EMGS, os eletrodos são colocados sobre a pele que recobre o músculo a ser
avaliado, captando a soma da atividade elétrica de todas as fibras musculares ativas.
Caracteriza-se por ser um método simples, não invasivo, com menos desconforto, e de fácil
50
execução, permitindo observar o comportamento eletrofisiológico de diversos músculos
em diferentes condições fisiológicas e a investigação das variações dos potenciais elétricos
da musculatura durante as contrações, bem como as condições musculares fisiológicas e
patológicas (NASCIMENTO et al., 2013).
Uma das desvantagens de se utilizar o eletrodo passivo pode ser a grande área de
detecção com possibilidade de crosstalk (detecção de sinais provenientes de outros
músculos). No entanto, o fenômeno de crosstalk pode ser minimizado selecionando o
tamanho e posicionamento adequado dos eletrodos e a separação ideal entre eles
(BARROS, 2005).
51
O posicionamento correto dos eletrodos é crucial para que seja obtido um bom registro
(HAMILL; KNUTZEN, 2008). Com a intenção de padronizar e otimizar a captura dos
sinais de EMG de superfície, foi desenvolvido o Projeto Surface EMG for Non-Invasive
Assessment of Muscles (SENIAM – Eletromiografia de Superfície para Avaliação Não
invasiva de Músculos) criado por Hermens et al. (1996).
52
posicionamento e propriedades dos eletrodos utilizados para detecção do sinal, dentre
outros. Outro ponto de grande importância seria a presença de ruídos que podem ser
emanados de várias fontes, sendo grande responsável por deterioração nas características
do sinal. A influência dos ruídos no sinal eletromiográfico e as fontes que o geram serão
abordados na seção 2.5 deste capítulo.
O ganho é definido como a razão entre a voltagem que entra e a que sai do
amplificador; deve adequar-se à características da experiência, dos músculos estudados, do
tipo de eletrodo e da utilização futura do sinal amplificado. Considerado que o sinal de
EMG apresenta, na contração voluntária máxima, uma amplitude que não excede os 5 mV
pico a pico, o ganho deve ser ajustável entre 10 e 1000 vezes. Deve-se tomar cuidado para
que o ganho escolhido não exceda a voltagem esperada em nenhuma etapa do sistema, sob
risco de perda de parte da informação ou de danos ao próprio sistema (AMORIM, 2009).
53
Um amplificador diferencial é aquele que responde à diferença entre dois sinais
aplicados em suas entradas e idealmente rejeita sinais que são comuns às suas duas
entradas. A eficácia de um amplificador diferencial é medida pelo grau de sua rejeição a
sinais de modo comum em detrimento a sinais diferenciais. Isso é normalmente
quantificado por uma medida conhecida como razão de rejeição de modo comum (CMRR,
do inglês, common mode rejection ratio) (SEDRA; SMITH, 2007).
54
quanto para o sinal em modo comum. Portanto, o segundo estágio (o amplificador
diferencial) ainda tem de fornecer todo o CMRR do circuito (MALVINO; BATES, 2011).
A grande diferença entre o INA e um AMP-OP simples está na alta precisão e ganho
em corrente contínua (CC) mesmo em algum ambiente ruidoso, geralmente causados pela
frequência de corrente alternada (CA) da rede elétrica. Essa característica do INA é
decorrente do seu alto índice de rejeição em como comum (CMRR), que muitas vezes é
ajustado de maneira proporcional ao ganho, eliminando parte dos ruídos indesejáveis.
Outra característica é referente à alta impedância de entrada, cerca de 109 ohms, tornando-
se ideal para a medida de sinais de baixa tensão, como os sinais biológicos (RIBAS, 2015).
55
magnitude da impedância de entrada, o equilíbrio entre as impedâncias dos dois locais de
detecção também é de grande importância (DE LUCA, 2002).
2.4.3 Filtragem
56
As frequências de ruído que contaminam o sinal eletromiográfico podem ser tanto
altas quanto baixas. O ruído de baixa frequência, que pode ser provocado pelo offset do
amplificador, pelo movimento do sensor sobre a pele e pelas flutuações de temperatura,
por exemplo, pode ser removido utilizando-se um filtro passa alta. Já o ruído de alta
frequência, que pode ser causado pela condução nervosa e pela interferência de altas
frequências de sistemas de radiodifusão, computadores, telefones celulares, etc., pode ser
removido utilizando-se filtro passa baixa (JAMAL, 2012).
Assim, há dois filtros básicos que podem ser aplicados em sinais eletromiográficos, o
filtro passa alta, que deixa passar as frequências mais altas e atenua as frequências mais
baixas, e o filtro passa baixa, que deixa passar as frequências mais baixas e atenua os sinais
de frequência mais elevada (MOTION LAB SYSTEMS, 2009).
O sinal captado pode ser filtrado por hardware ou por software. A filtragem por
hardware é feita na etapa de amplificação e a por software, durante seu processamento
(AMORIM, 2009).
Dessa forma, os filtros podem, ainda, ser analógicos ou digitais. Os analógicos são
baratos, rápidos, possuem grande variação dinâmica em amplitude e frequências, e são
relacionados ao condicionamento do sinal. São caracterizados por circuitos eletrônicos e
seus componentes fundamentais são os resistores, capacitores e indutores (filtros passivos).
O uso adicional de amplificadores (filtros ativos) é utilizado comumente para aumentar o
desempenho dos filtros. Entretanto, os filtros digitais são superiores em seu nível de
desempenho e muito requisitados para a análise dos dados após sua digitalização. Na
prática, frequentemente são utilizados diferentes tipos de filtros, alguns envolvidos com o
próprio condicionamento do sinal (antes de qualquer digitalização), implicando o uso de
filtros analógicos; e outros necessários para a análise dos dados já digitalizados,
implicando o uso de filtros digitais (MARCHETTI; DUARTE, 2006).
57
estes sinais indesejados estão usualmente em frequências de 0 a 20 Hz (FORTI, 2005;
MARCHETTI; DUARTE, 2006).
Assim, o filtro para EMG deve ser projetado levando-se em consideração a maior
energia do sinal, que está compreendida na faixa de 20 a 500 Hz. Além de limitar a faixa
para análise, o filtro tem ainda o papel de eliminar ruídos e evitar o efeito aliasing,
fenômeno que aparece quando a frequência de amostragem não é suficientemente grande
(BARROS, 2005).
Alguns condicionadores utilizam filtros do tipo notch, que são capazes de rejeitar uma
faixa de frequência. Esses são empregados para a retirada da frequência advinda da rede
elétrica (50 ou 60 Hz). Contudo, há grandes perdas de sinal de EMG pela eliminação de
frequências vizinhas da faixa de rejeição (TOMÉ, 2015).
Neste trabalho, no entanto, não foram utilizados filtros de ordem superior. Os filtros
utilizados são de primeira ordem. Essa escolha é justificada pelo uso de um filtro físico,
biomecânico, constituído por uma malha derivada de biomaterial látex, na fase de
aquisição do sinal de EMGS. Assim, os filtros utilizados são os filtros ativos passa alta e
passa baixa básicos, de primeira ordem.
O filtro ativo do tipo passa baixa, que tem a função de atenuar os sinais de alta
frequência, em uma de suas configurações mais simples (primeira ordem), é possível de ser
projetado utilizando um AMP-OP, dois resistores e um capacitor, conforme pode ser
observado na Figura 2.15. O filtro ativo do tipo passa alta de primeira ordem (Figura 2.16),
que atua de forma a atenuar as frequências mais baixas, assim como o passa baixa de
primeira ordem, é construído apenas por um AMP-OP, dois resistores e um capacitor,
porém com disposição diferente (RIBAS, 2015).
58
Figura 2.15: Filtro passa baixa de primeira ordem (RIBAS, 2015).
Para esses filtros, calcula-se o ganho da saída pela equação 2.2 e a frequência de corte
pela equação 2.3 (RIBAS, 2015):
(2.2)
(2.3)
59
Sob certas condições, um sinal de tempo contínuo (analógico) pode ser completamente
representado por seus valores ou amostras uniformemente espaçadas no tempo. Essa
propriedade vem de um resultado básico que é conhecido como teorema da amostragem. O
conceito de amostragem estabelece que um sinal de tempo contínuo pode ser representado
por uma sequência de amostras uniformemente espaçadas. Se um sinal é subamostrado (ou
seja, a frequência de amostragem é menor que aquela exigida pelo teorema de
amostragem), então o sinal reconstruído estará relacionado ao sinal original por meio de
uma forma de distorção conhecida como aliasing (OPPENHEIM; WILLSKY, 2010).
O teorema de Nyqüist propõe que para a correta reconstrução digital do sinal de EMG,
sem aliasing, deve-se utilizar uma frequência de amostragem de, no mínimo, o dobro de
sua maior frequência. Como o sinal de EMG pode ter frequências de até cerca de 400 a 500
Hz, portanto, considera-se como frequência de amostragem mínima para o sinal de EMG
frequências da ordem de 1 kHz ou mais (MARCHETTI; DUARTE, 2006). No entanto, na
prática, é recomendada uma frequência de pelo menos 4 vezes a frequência do sinal
capturado (FORTI, 2005).
60
N é o número de bits da saída digital. Geralmente são usados conversores de 8, 12 e 16 bits
(LOPES, 2014; MARCHETTI; DUARTE, 2006).
A resolução é o termo usado para descrever a tensão mínima que um conversor A/D
consegue distinguir. Num conversor com N bits o incremento mínimo de tensão detectável
à entrada é dado pela equação 2.4 (LOPES, 2014):
(2.4)
onde:
Vref = tensão de referência do conversor A/D;
N = número de bits do conversor.
61
forem feitos corretamente e com precisão. Ambas estas variáveis proporcionam uma
medição da área sob o sinal, mas não tem um significado físico específico. Por outro lado,
o valor RMS é uma medida da potência do sinal, assim, ele tem um significado físico
claro. Por esse motivo, o valor RMS é preferível para a maioria das aplicações (DE LUCA,
2002).
Para calcular o valor RMS, que resulta em um valor associado à potência do sinal no
intervalo analisado, realiza-se a soma de todas as amostras do sinal da EMGS elevadas à
segunda potência. Esse somatório é dividido pelo número total de amostras e extrai-se a
raiz quadrada do quociente obtido. Já o ARV consiste no somatório do sinal retificado em
um intervalo de tempo, dividido pelo tamanho do intervalo. As equações 2.5 e 2.6 mostram
como encontrar essas estimações de amplitude do sinal de EMGS (ALMEIDA, 2010;
TELES, 2015).
(2.5)
(2.6)
62
parâmetros de frequência do sinal de EMGS são utilizados para descrever fenômenos
fisiológicos como fadiga e patologias neuromusculares. Normalmente, utiliza-se o
estimador de FPMd por ser menos sensível à ruído e mais sensível à fadiga, o que é
desejado em vários estudos (ALMEIDA, 2010; TELES, 2015). É apresentado o cálculo da
FPM e da FPMd nas equações 2.7 e 2.8 respectivamente (TOMÉ, 2015):
(2.7)
(2.8)
A PSD tem como função descrever como a variância de um processo aleatório está
distribuída em relação às suas frequências, onde a área sob a curva representa a energia ou
potencia do sinal (AMABILE, 2008). Na Figura 2.17 é apresentado um gráfico
63
representativo do PSD de um sinal de EMGS. Neste gráfico, observa-se que a maior parte
da energia do sinal está entre 75 Hz e 150 Hz.
Vários fatores podem afetar as características do sinal de EMGS. Dentre elas podemos
citar o diâmetro e o número de fibras musculares, o tecido e a interface pele-eletrodo, o
64
condicionamento do sinal, o número de unidades motoras ativas, a distância entre a
superfície da pele e as fibras musculares, a velocidade de condução, o fluxo sanguíneo no
músculo, a distância intereletrodos, a relação tipo de fibra e sua localização e a taxa de
disparo das unidades motoras. Estes fatores são apresentados de forma esquemática na
Figura 2.18 (ALMEIDA, 2010).
Figura 2.18: Alguns elementos que influenciam o sinal de EMGS: (1) o diâmetro da fibra
muscular, (2) o número de fibras musculares, (3) a interface pele-eletrodo, (4) o
condicionamento do sinal, (5) o número de unidades motoras ativas, (6) o tecido, (7) a
distância entre a superfície da pele e as fibras musculares, (8) a velocidade de condução,
(9) o fluxo sanguíneo no músculo, (10) a distância intereletrodos, (11) a relação tipo de
fibra e sua localização, (12) taxa de disparo das unidades motoras (ALMEIDA, 2010).
A identidade de um sinal de EMGS que se origina no músculo pode ser perdida devido
a uma mistura de diferentes sinais de ruído ou artefatos, que podem ser encontrados no
sinal de EMGS, e podem ter um efeito sobre o resultado de extração de características e,
consequentemente, afetar o diagnóstico dos sinais (CHOWDHURY et al., 2013). Um certo
número de fontes de ruído podem contaminar a gravação de sinais eletromiográficos e não
são reconhecidos facilmente por inspeção visual. Estas fontes podem distorcer o sinal e
podem levar a erros na interpretação do sinal eletromiográfico utilizado para investigação
da atividade muscular (DELSYS, 2016).
65
é a distorção do sinal, o que significa que a contribuição relativa de qualquer componente
de frequência no sinal eletromiográfico é alterada (AMORIM, 2009).
66
fibras musculares ativas e os locais de detecção. Esses efeitos podem ser parcialmente
reduzidos pelo uso de filtros espaciais passa alta (CHOWDHURY et al., 2013).
2.5.3 Crosstalk
67
componentes de frequência que variam de 0 Hz a vários milhares de Hz. Este ruído pode
ser reduzido pelo uso de componentes eletrônicos de alta qualidade, pelo projeto de
circuitos inteligentes e técnicas de construção (DE LUCA, 2002; DE LUCA et al., 2010).
68
A Figura 2.19 mostra uma representação simplificada de dois eletrodos de superfície
que são usados para medir a diferença de potencial na pele. O metal do eletrodo fica em
contato com a pele através de um eletrólito. O eletrólito assegura um contato galvânico
entre o metal e a pele e reduz a impedância das camadas superiores da pele. O eletrólito é
normalmente referido como pasta de eletrodo ou gel (HUIGEN, 2001).
69
as características elétricas da pele mudarem pela transpiração ou mudança de umidade (DE
LUCA, 2002).
Assim, tem-se que os artefatos de movimento são causados pelo movimento relativo
do sensor em relação à pele subjacente sobre o músculo de interesse. Existem duas fontes
principais de artefatos de movimento: uma relacionada à interface entre a superfície de
detecção do eletrodo e a pele (interface pele-eletrodo), e outra relacionada ao movimento
dos cabos de ligação do eletrodo para o amplificador. Quando o músculo é ativado, o
comprimento do músculo diminui e o músculo, a pele e o eletrodo se deslocam um em
relação ao outro. Os sinais elétricos dessas fontes de ruído têm maior parte da sua energia
na gama de frequências de 0 a 20 Hz. Podem ser causados por um impacto direto com o
sensor ou com o corpo, por um movimento rápido do segmento de corpo ao qual o sensor
está ligado, e por alterações do equilíbrio químico da interface pele-eletrodo, devido a
alterações volumétricas durante o encurtamento e alongamento do músculo durante o
processo de contração muscular. Os artefatos de movimento são particularmente
problemáticos durante contrações dinâmicas ou atividades vigorosas (CHOWDHURY et
al., 2013; DE LUCA, 2002; DELSYS, 2016).
Para reduzir esses artefatos, algumas técnicas podem ser utilizadas, como
procedimentos de filtragem, utilizando-se filtros de ordens superiores (como Chebyshev,
por exemplo), e algumas técnicas de processamento (CHOWDHURY et al., 2013).
Neste trabalho, no entanto, é apresentada uma nova técnica para a diminuição destes
ruídos por artefato de movimento: uma filtragem física, biomecânica, baseada em uma
malha derivada de biomaterial látex. Com essa técnica de filtragem física, é possível
diminuir o uso de filtros de ordem superior e de técnicas avançadas de processamento, o
que permite uma diminuição da carga de hardware e de software e possibilita, assim, uma
redução dos custos do sistema.
70
A malha derivada de biomaterial látex é aplicada envolvendo os eletrodos
posicionados no músculo, possibilitando que os mesmos fiquem mais bem fixados e que
não se movimentem em relação à pele caso haja algum impacto.
2.6 BIOMATERIAIS
Existem muitos tipos de materiais com diferentes aplicações. A busca por novos
materiais sintéticos para o tratamento de alterações teciduais incentiva o estudo de uma
técnica apoiada no desenvolvimento tecnológico, ainda pouco explorado, a do biomaterial.
Os biomateriais destacam-se por causa da sua capacidade de se manter em contato com os
tecidos do corpo humano (NASSAR et al., 2011; REIS, 2013).
Um biomaterial pode ser definido como qualquer substância sintética ou natural que
pode ser utilizada como tratamento para substituir parte de um sistema vivo ou para
funcionar em íntimo contato com um tecido vivo (PARK; LAKES, 2007; REIS, 2013).
Os biomateriais têm sido utilizados para diversas aplicações, sendo aplicados como
próteses ósseas, articulações artificiais, próteses de válvulas cardíacas, implantes dentários,
tecido artificial, lentes intraoculares, implantes mamários, entre vários outros (NASSAR et
al., 2011; RATNER et al., 1996).
71
de inovação tecnológica, principalmente no campo da nanotecnologia, a qual tem
promovido rápido progresso na área de biomateriais, proporcionando o desenvolvimento
de novos materiais e dispositivos para aplicações biomédicas, além de maior conhecimento
sobre a interação entre biomateriais e tecidos biológicos (SINHORETI; VITTI;
SOBRINHO, 2013).
72
imunológicos, visando à eliminação do corpo estranho. Portanto, o bom desempenho de
um biomaterial pós-implante está associado a um equilíbrio entre biocompatibilidade e
biofuncionalidade (REIS, 2013).
Assim, a escolha de um material para ser usado como biomaterial depende da análise
de uma série de requisitos que devem ser observados. Nesse sentido, a biocompatibilidade
(efeito do ambiente orgânico no material e efeito do material no organismo), a
biodegradabilidade (fenômeno em que o material é degradado ou solubilizado em fluidos
tissulares, desaparecendo do sítio de implantação), bem como a velocidade de degradação
do material são características desafiadoras para o desenvolvimento e fundamentais para a
escolha de um biomaterial (OLIVEIRA et al., 2010).
Os biomateriais podem ser classificados de acordo com a sua origem e depende da sua
natureza química, dividindo-se em (i) biomateriais naturais (ou biológicos) que se
subdividem em homólogos (quando originados do próprio indivíduo, como é o caso das
pontes de safena), autólogos (quando originados de outras pessoas) e
heterólogos/xenógenos (quando originados de animais e aproveitados em implantes ou
cirurgias) ou (ii) biomateriais sintéticos que incluem implantes cirúrgicos, e que se dividem
em metálicos (ferrosos e não ferrosos), cerâmicos, polímeros e compósitos. A Tabela 2.2
relaciona algumas aplicações de biomateriais sintéticos. Os biomateriais também podem
ser classificados através da resposta induzida ao meio biológico, podendo ser bioinertes,
bioabsorvíveis e bioativos (AGOSTINI, 2009; SINHORETI; VITTI; SOBRINHO, 2013).
73
sendo empregados em diversos procedimentos relacionados ao tratamento de queimaduras,
restauração de artéria, cicatrização óssea, recuperação de tímpanos, reparo de defeitos
diafragmáticos, entre outras aplicações (RIBEIRO, 2014). Embora os biomateriais sejam
utilizados principalmente na área médica, eles também são utilizados em outras aplicações,
como em laboratórios clínicos, em aplicações biotecnológicas, em aplicações de matrizes
genéticas, entre outros (RATNER et al., 1996).
74
2.7 BIOMATERIAL LÁTEX
Látices de borracha natural ocorrem em cerca de 200 espécies de plantas, sendo que a
Hevea brasiliensis fornece aproximadamente 99% da produção mundial de borracha
75
natural. O látex acha-se em minúsculos vasos no córtex interno da casca da árvore o qual
fica abaixo do córtex externo. No processo de extração, após a remoção de fatias da casca,
um corte é feito na árvore na camada de tecido do vegetal. O corte é feito da esquerda para
a direita em um ângulo de 30º em meia circunferência ao redor do tronco e no ponto mais
baixo é inserida uma cânula de metal por onde o látex escorre para dentro de pequenos
potes (Figura 2.20). O corte deve ser feito em dias alternados e as incisões devem ser feitas
logo abaixo do corte anterior (HERCULANO, 2009).
76
Para que a borracha natural possa ter uma aplicação industrial, é necessário que passe
pelo processo de vulcanização. A vulcanização é uma reação química que ocorre na
presença de calor, onde o aditivo químico reage com o elastômero para transformá-lo de
um estado viscoso, pegajoso e com limitadas propriedades mecânicas, num material firme
com resistência à ruptura, maior elasticidade e dureza. É um processo pelo qual um
elastômero, constituído pelo emaranhado de polímeros lineares se transforma em uma rede
tridimensional, mediante a formação de ligações cruzadas, entre agentes químicos e
polímeros, dando, ao artefato acabado, propriedades físico-químicas melhoradas
(RODRIGUES, 2010).
O látex de seringueira tem sido utilizado em diferentes aplicações na área médica. Ele
apresenta importantes propriedades biológicas, tais como: atividade angiogênica,
promoção de adesão celular e formação de matriz celular, atividade neovascular, entre
outras. Essas propriedades aceleram a reparação de tecido e proporcionam sensível
abreviação no tempo de tratamento com substancial vantagem econômica e de qualidade
de vida. O uso do látex também possui a vantagem de menor risco de transmissão de
doenças em relação aos materiais provenientes de tecidos animais (RIBEIRO, 2014).
77
Muitas pesquisas que utilizaram o látex como implante, em diferentes tecidos, têm
demonstrado resultados satisfatórios, o que motiva a realização de novos trabalhos nesta
área. Na literatura existem muitos estudos sobre o látex com resultados satisfatórios que
permitem a avaliação do seu emprego experimental em diferentes tecidos (REIS, 2013).
Assim, o látex apresenta resultados positivos obtidos a partir de sua utilização como
um biomaterial, apresentando características favoráveis como: a possibilidade de moldar
peças do tamanho e formato desejado, a alta resistência à tração, a alta aderência à
superfície da pele, ser biocompatível, ter o custo reduzido, ser de fácil aquisição e
manipulação, além de não apresentar risco na transmissão de patógenos. Todas essas
características tornaram o látex natural uma grande solução no que se diz respeito a
biomateriais. Dentre as vantagens em sua utilização como biomaterial, podemos citar:
melhoria no processo de cicatrização, indutor da regeneração/neoformação tecidual,
biomembrana, fatores pró antiogênicos, reposição tecidual, aceleração da formação óssea,
entre outros (RIBAS, 2015).
78
3 METODOLOGIA
(3) Módulo de software, responsável pela exibição gráfica do sinal bioelétrico na tela do
computador, bem como seu processamento e análise.
Esse sistema foi desenvolvido considerando o conceito de baixo custo, e, sendo assim,
a escolha dos materiais utilizados para o desenvolvimento do mesmo seguiu o critério de
redução de blocos funcionais e de componentes, optando-se por componentes acessíveis e
que permitam uma simplificação de hardware e software, sem comprometer a obtenção de
um sinal de qualidade suficiente para atender a demanda necessária.
80
O sistema foi desenvolvido por pesquisadores do Laboratório de Engenharia e
Biomaterial (BioEngLab®) da Universidade de Brasília (UnB), com o intuito de
disponibilizar um sistema de aquisição, exibição e análise de sinais de EMGS que possa
ser utilizado por outros pesquisadores e ser aplicado em pesquisas na área biomédica.
3.1.1.1 Eletrodos
(A) (B)
Figura 3.2: Eletrodo passivo do tipo Beckman (Ag/AgCl) utilizado para a captação do sinal
mioelétrico neste trabalho. (A) Parte externa do eletrodo, em que o cabo do circuito
eletrônico é conectado à parte metálica do eletrodo; (B) Parte interna do eletrodo, que fica
em contato com a superfície da pele, caracterizada por uma superfície adesiva, pelo
eletrólito (gel) e pelo metal do eletrodo. Caracteriza a interface metal-eletrólito-pele.
81
3.1.1.2 Malha derivada de biomaterial látex
Conforme apresentado nas seções 2.6 e 2.7 deste trabalho, a utilização do látex natural
requer o preparo de um composto que garanta à malha características indispensáveis, como
elasticidade, suavidade, impermeabilidade e biocompatibilidade. Para conferir ao produto
tais características, é importante que o látex natural, após ser extraído da seringueira, passe
por alguns processos de preparo do composto, passando por algumas etapas, como
filtragem, diluição, centrifugação e pré-vulcanização, com a adição de agentes
vulcanizantes (como aceleradores à base de óxido de zinco e enxofre).
Neste trabalho, o composto de látex utilizado para a confecção das malhas foi
adquirido no mercado nacional, com base em algumas características-padrão que são
necessárias, tais como quantidade baixa de enxofre e alta viscosidade. O látex adquirido é
da empresa Du Látex e é um composto bi centrifugado e pré-vulcanizado, o que torna o
processo de preparo da malha de látex para este trabalho mais simplificado.
O recipiente que foi utilizado para moldar o formato da malha de látex é uma placa de
vidro e possui dimensões de 73 cm de comprimento por 43 cm de largura. Essas dimensões
foram definidas para o formato da malha de látex pensando-se na aplicação da mesma. Os
sinais de EMGS coletados neste trabalho são de músculos das pernas e dos braços. Sendo
assim, como a malha de látex deve envolver os eletrodos posicionados sobre a pele do
voluntário, a mesma deve ter um tamanho que permita que o músculo do voluntário seja
envolto pela malha.
82
Na Figura 3.3 é possível observar alguns dos materiais utilizados para a confecção da
malha de látex, podendo-se observar a placa de vidro (7) utilizada como molde para a
confecção da malha de látex.
Figura 3.3: Materiais utilizados para confecção da malha de látex, observando-se a placa
de vidro (7) utilizada como molde para a malha.
Para a confecção da malha, inicialmente deve-se agitar o tubo que contém o látex
natural (2), e retirar uma quantidade de aproximadamente 50 ml de látex do tubo com o
auxílio do copo (4). O látex no copo deve ficar em repouso até que as bolhas de ar que se
formaram com a agitação do látex sejam desfeitas. Enquanto isso deve-se realizar a
limpeza do recipiente (placa de vidro) utilizado para moldar a malha (7). A limpeza do
molde deve ser feita utilizando-se álcool em gel (1), com o auxílio de papel toalha. Após a
limpeza do molde e tendo as bolhas de ar sido desfeitas, deve-se colocar o látex no molde
e, utilizando-se uma colher (5), deve espalhá-lo e deixá-lo uniforme. Dependendo da
espessura desejada para a malha e do tamanho do molde, a quantidade de látex colocado no
molde com o copo deve ser alterada. Neste trabalho, para a confecção de cada malha foram
colocados no molde 5 copos de 50 ml com látex.
83
Após espalhar de forma uniforme o látex no molde, deve-se iniciar o processo de
vulcanização. A vulcanização é uma reação química que ocorre na presença de calor e
permite que o material fique firme, com resistência à ruptura, maior elasticidade e dureza.
Geralmente, utiliza-se uma estufa para realizar este processo. No entanto, como o molde
utilizado tem dimensões maiores que a estufa, utilizou-se o processo de vulcanização ao
ambiente, com temperatura média de 20ºC a 25ºC, pelo processo ter sido realizado durante
a noite. Utilizou-se um ventilador sobre o látex para acelerar o processo de vulcanização.
Após a vulcanização, a malha fica firme e apresenta características elásticas e adesivas,
sendo necessário, após removê-la do molde, cobrir os dois lados da malha com plástico
filme (3) para evitar que alguma região da malha encoste-se a outra, colando
imediatamente. Assim, a malha fica coberta por papel filme até o momento de uso, quando
o papel filme deve ser removido e a malha aplicada na região de interesse. Caso seja
necessário, a malha pode ser cortada para ser utilizada em membros menores. Na Figura
3.4 é ilustrada uma das malhas de látex confeccionadas neste trabalho utilizando-se o
procedimento descrito.
Figura 3.4: Exemplo de malha confeccionada a partir de biomaterial látex, com papel filme
para proteção.
84
movimento que poderiam afetar o sinal adquirido. A Figura 3.5 ilustra uma malha de látex
desenvolvida neste trabalho devidamente aplicada sobre os eletrodos de superfície
posicionados sobre o bíceps braquial de uma voluntária.
86
diferença entre o INA e um amplificador operacional (AMP-OP) simples está na alta
precisão e no ganho em corrente contínua mesmo em ambientes ruidosos, geralmente
causados pela frequência de corrente alternada da rede elétrica. Essa característica do INA
é decorrente do seu alto índice de rejeição em modo comum (CMRR), que nesse caso é
ajustado de maneira proporcional ao ganho, eliminando grande parte dos ruídos
indesejáveis. Outra característica é referente à alta impedância de entrada, cerca de 10 9 Ω,
o que o torna ideal para a medição de sinais de baixa tensão, como os sinais biológicos
(RIBAS, 2015).
(3.1)
87
Figura 3.7: Conexões dos eletrodos (E1 e E2) em relação ao amplificador de
instrumentação (INA128P). O resistor R1 conectado aos pinos 1 e 8 define o ganho da
saída A do amplificador (RIBAS, 2015).
Sobre o CMRR, pode-se afirmar que está acima de 106 dB, pois essa condição
também é descrita no datasheet. A escolha do ganho foi feita de acordo com o valor de
CMRR esperado, pois com esse ganho, o valor do CMRR está de acordo com a aplicação
para EMG. Em teoria, quanto maior o CMRR, maior será a rejeição de ruídos indesejáveis.
Entretanto, quando muito elevado, por volta de 130 dB, torna o circuito muito instável e
susceptível a oscilações por conta da alimentação, e nesse caso foi escolhido um valor não
muito alto para evitar a instabilidade e ainda assim, manter uma boa taxa de rejeição
(RIBAS, 2015).
Conforme apresentado na seção 2.4.3 deste trabalho, o filtro passa alta atua de forma a
atenuar as frequências mais baixas, enquanto que o filtro passa baixa tem a função de
atenuar os sinais de alta frequência. Esses filtros ativos, em uma de suas configurações
88
mais simples (primeira ordem), podem ser projetados utilizando um AMP-OP, dois
resistores e um capacitor, diferenciando-se pelas diferentes disposições de seus
componentes.
A Figura 3.8 apresenta o esquemático dos filtros implementados, os quais são ativos,
inversores e de primeira ordem. O sinal amplificado (A) passa pelo filtro passa alta
inversor com ganho de tensão (U2:A), seguido pelo filtro passa baixa inversor com ganho
de tensão (U2:B). De acordo com as equações 2.2 e 2.3, o filtro passa alta foi projetado
com ganho igual a –5 V/V e frequência de corte de 17 Hz, enquanto que o filtro passa
baixa foi projetado com frequência de corte igual a 483 Hz e ganho de –10 V/V. Assim,
nesse estágio de filtragem atenuam-se as frequências que estão abaixo e acima da faixa
entre 17 Hz e 483 Hz (RIBAS, 2015).
Figura 3.8: Esquemático do filtro passa alta com frequência de corte de 17 Hz e do filtro
passa baixa com frequência de corte de 483 Hz. (RIBAS, 2015).
Essa escolha é justificada, além da utilização do INA128, pelo uso de um filtro físico,
biomecânico, constituído por uma malha derivada de biomaterial látex, na fase de
89
aquisição do sinal de EMGS. Assim, os filtros utilizados são os filtros ativos passa alta e
passa baixa básicos, de primeira ordem.
Figura 3.9: Circuito amplificador com ganho e saída invertida, proporcionando em sua
saída um sinal com as características necessárias para a conversão A/D. (RIBAS, 2015).
Para que o sinal esteja dentro dos limites das entradas analógicas do microcontrolador,
que é entre 0 e 5 V, foi necessário estabelecer o offset do circuito em 2,5 V. Para isso, foi
utilizado um somador, onde ao sinal de saída do bloco anterior (C), foi somado 2,5 V em
um amplificador também configurado como inversor.
Para obter a tensão de 2,5 V utilizou-se um regulador de tensão 79L05, onde sua
entrada foi proveniente da tensão de -9 V da alimentação do circuito. A saída desse
regulador de tensão fornece tensão igual a -5 V e a partir de um divisor de tensão, foi
possível obter a metade desse valor para o somador. A Figura 3.10 apresenta essa etapa do
circuito eletrônico.
90
Figura 3.10: Circuito para ajuste da tensão de offset. (RIBAS, 2015).
O módulo SD utilizado, também conhecido como shield SD, aceita cartões FAT16 ou
FAT32 (File Allocation Table) e utiliza comunicação via SPI (Serial Peripheral Interface),
por meio dos pinos MOSI, SCK, MISO e CS. Para a gravação dos dados no cartão, um
arquivo de texto (do tipo .txt), é criado sempre que uma aquisição é iniciada. Para o uso
desse shield a biblioteca SD.h deve ser incluída no código de controle do microcontrolador.
92
separadas em colunas, uma para cada canal. No entanto, deve-se observar a relação com a
frequência de amostragem, que pode ser influenciada pela quantidade de canais.
O software apresenta-se como uma interface gráfica que permite ao usuário visualizar
o sinal de EMGS captado e obter os principais parâmetros para a análise eletromiográfica.
Essa interface é constituída por telas que são acessadas pelo usuário através da
programação de botões. Na Figura 3.11 é apresentado um diagrama que representa a
interação entre as telas que compõem a interface gráfica do software do sistema.
Figura 3.11: Visão geral das telas que compõem a interface gráfica do software do sistema.
93
Na tela inicial da interface o usuário pode escolher se deseja visualizar o sinal de
EMGS salvo no cartão de memória ou se deseja obter alguns parâmetros do sinal. Nessa
tela inicial o usuário também tem a opção de acessar informações relacionadas aos autores
do software, acessando o botão “Créditos”.
Se o usuário pressionar o botão “Análise de Sinal EMG”, ele será direcionado para
uma tela para a escolha de quais parâmetros ele deseja que sejam analisados a partir do
sinal adquirido. Após a escolha dos parâmetros desejados, o usuário deve clicar no botão
“Analisar Sinal” e, então, ele terá a opção de selecionar o arquivo e o canal que contém o
sinal eletromiográfico que ele deseja que seja realizada a análise. Após essa seleção, o
software realizará os cálculos dos parâmetros selecionados para o sinal escolhido. Os
resultados da análise são exibidos para o usuário no formato de uma tabela.
Se o usuário escolher o botão “Exibição de Sinal EMG”, ele será direcionado para
uma tela de seleção, em que ele pode escolher visualizar todos ou alguns dos sinais (1 a 16
canais) que estão salvos no arquivo do cartão ou pode escolher visualizar apenas um sinal
(canal) que está salvo no arquivo. Nesta tela ele ainda tem a opção de escolher realizar uma
comparação visual de dois sinais (canais) desejados. De acordo com a escolha do usuário,
ele será direcionado para diferentes telas. No entanto, em todas estas telas, o usuário deve
pressionar o botão “Selecionar Sinal EMG”, para selecionar o arquivo .txt que contenha
o(s) sinal(is) desejado(s).
94
desenvolvimento de algoritmos e criação de modelos e aplicações. A linguagem, as
ferramentas, e as funções matemáticas internas permitem a exploração de múltiplas
abordagens e obtenção de uma solução mais rápida do que com planilhas ou linguagens de
programação tradicionais, como C/C++ ou Java. Pode-se usar o MATLAB para uma
variedade de aplicações, incluindo processamento de sinais e comunicação, processamento
de imagem e vídeo, sistemas de controle, entre outros. Mais de um milhão de engenheiros
e cientistas na indústria e na academia usam MATLAB, a linguagem de computação
técnica (MATHWORKS, 2016).
Em computação, uma GUI (Graphical User Interface) é uma interface gráfica que
apresenta um mecanismo mais atraente e mais amigável ao usuário na utilização de um
software. O MATLAB possui uma ferramenta chamada GUIDE que permite construir
interfaces gráficas de interação com o usuário. Essa ferramenta auxilia o programador a
implementar recursos gráficos de forma mais rápida e fácil. Para inicializar a ferramenta
GUIDE é necessário digitar guide na Command Window do MATLAB, e posteriormente
clicar em Blank GUI (default). Em conjunto com a tela inicial é criado um arquivo .m com
o código fonte da GUI criada. Todas as possíveis alterações no modo de operação devem
ser feitas nesse arquivo (JUNIOR et al., 2014).
A realização dos testes in vivo ocorreu após aprovação pelo Comitê de Ética da
Faculdade de Ciências da Saúde da Universidade de Brasília (1.446.986/03-2016),
apresentado no Anexo C. Os testes aconteceram em conjunto com a equipe do Grupo de
Pesquisa sobre a Saúde de Amputados Transfemorais (GPSAT) e com supervisão médica.
Os voluntários assinaram o Termo de Consentimento Livre e Esclarecido (TCLE),
apresentado no Anexo D deste trabalho.
Os testes foram realizados em dois grupos de voluntários, que foram convidados pela
equipe conjunta, sendo um grupo de oito voluntários com amputação transfemoral
unilateral de membro inferior e outro grupo com oito voluntários sem amputação. Os
voluntários com amputação são todos do sexo masculino e tem faixa etária entre 20 e 45
95
anos. Já os voluntários sem amputação são quatro do sexo feminino e quatro do sexo
masculino e possuem faixa etária entre 18 e 47 anos.
O protocolo seguido para a captura dos sinais de EMGS deste grupo de voluntários foi
baseado em um protocolo de rampa, em que o voluntário é submetido a um aumento
gradativo de carga na bicicleta, até atingir o esforço máximo. O protocolo para os testes
com o grupo de voluntários com amputação seguiu os seguintes passos:
4. Após todo esse preparo, inicia-se a coleta dos sinais, selecionando a chave de início
de gravação no módulo de hardware;
96
5. Inicialmente o voluntário permanece cinco minutos em repouso posicionado na
bicicleta;
7. Após atingir esforço máximo, o voluntário pedala por mais um minuto sem carga
na bicicleta;
Já nos testes realizados com o grupo de voluntários sem amputação, a coleta de sinais
de EMGS foi realizada no músculo bíceps braquial (direito ou esquerdo) do(a)
voluntário(a) e foram realizadas contrações leves e fortes do músculo em questão. Nesses
testes, é seguido um protocolo que estabelece dois momentos, um momento inicial em que
o voluntário realiza movimentos definidos sem a malha de látex envolvendo os eletrodos e
um segundo momento em que o voluntário realiza os mesmos movimentos definidos tendo
a malha de látex envolvendo os eletrodos.
97
III. Conexão dos cabos que estão ligados no módulo de hardware aos eletrodos;
IV. Início do primeiro momento do teste, em que o voluntário segue uma sequência de
ações definidas sem a malha de látex estar envolvendo os eletrodos;
V. Para iniciar a gravação dos sinais deste primeiro momento, deve-se selecionar a
chave de início de gravação no módulo de hardware;
VI. Inicialmente o voluntário deve permanecer com o braço avaliado em repouso, por
um determinado período de tempo;
VIII. Após essas contrações leves, o voluntário deve permanecer alguns segundos com o
músculo em repouso;
IX. Passado esse tempo, o voluntário deve realizar contrações fortes do músculo
avaliado, com intervalos de tempo entre uma contração e outra;
X. Após essas contrações fortes, o voluntário deve permanecer mais alguns segundos
com o músculo em repouso;
XIV. Para iniciar a gravação dos sinais deste segundo momento, deve-se selecionar a
chave de início de gravação no módulo de hardware, e o voluntário deve repetir os
passos de VI a XII, finalizando o segundo momento do teste.
98
Uma vez que foram utilizados eletrodos de superfície em todas as coletas realizadas, a
coleta dos sinais de EMGS dos voluntários segue as recomendações europeias para
eletromiografia de superfície. Assim, o preparo do voluntário é realizado de acordo com as
normas do protocolo da Surface EMG for the Non-Invasive Assessment of Muscle
(SENIAM), em que são seguidas instruções desde o preparo da pele do participante da
pesquisa (voluntário) até o local de posicionamento dos eletrodos. Essas instruções podem
ser observadas no fluxograma da Figura 3.12.
Figura 3.12: Fluxograma que descreve as principais instruções a serem seguidas para
preparo do voluntário, recomendadas pelo protocolo SENIAM.
99
eletrodo é posicionado numa configuração bipolar, na região do ventre muscular do
músculo escolhido, disposto longitudinalmente às fibras musculares. Para a localização da
região em que o eletrodo é fixado, devem-se observar os pontos anatômicos e estimular
uma atividade deste músculo, para a palpação e visualização da sua região mais robusta, ou
seja, a linha média do ventre muscular. Isso deve acontecer em todos os músculos a serem
avaliados. A colocação dos eletrodos deve obedecer a uma padronização, iniciando pelo
eletrodo de referência ou “terra”, que é utilizado para minimizar interferências do ruído
elétrico externo. O mesmo é colocado em um ponto distante do local de registro dos
músculos avaliados. Em seguida, são fixados os demais eletrodos (RAPOSO; SILVA,
2013).
(a) (b)
Figura 3.13: Utilização da malha de biomaterial látex em: a) envolvendo os eletrodos
posicionados sob o coto do voluntário (membro inferior direito); b) envolvendo os
eletrodos posicionados sob o membro inferior (esquerdo) do voluntário (RIBAS, 2015).
100
3.3 ANÁLISE DE DESEMPENHO DA FILTRAGEM BIOMECÂNICA
DERIVADA DE BIOMATERIAL LÁTEX
A aquisição destes sinais, sem e com a malha de látex, possibilita, assim, uma
comparação entre os dois sinais de EMGS, permitindo a realização de uma análise de
desempenho da malha de látex como filtro físico, podendo-se verificar se o sinal captado
com o uso da malha de látex possui aspectos positivos em comparação ao sinal captado
sem o uso da malha de látex, observando principalmente as interferências por ruídos
eletroquímicos e artefatos de movimento.
101
uso da malha de látex sobre os eletrodos; e no segundo momento (B), o sinal é adquirido
com o uso da malha de látex envolvendo os eletrodos.
(A) (B)
Figura 3.14: Exemplo de teste de aquisição de sinais de EMGS seguindo o protocolo
descrito. No primeiro momento (A) a aquisição do sinal de EMGS é realizada no bíceps
braquial do voluntário sem o uso da malha de látex; e, no segundo momento (B) a
aquisição do sinal de EMGS é realizada no mesmo músculo do voluntário com o uso da
malha de látex.
A partir da aquisição destes sinais, com e sem o uso da malha de látex, e seguindo o
protocolo descrito, é possível a realização de comparações dos sinais de EMGS coletados.
As comparações feitas são visuais e qualitativas, e foram realizadas utilizando-se o
software desenvolvido neste trabalho. Foram comparados os momentos de repouso, de
contrações leves, contrações fortes e simulação de artefatos de movimento, dos dois sinais
de cada voluntário, podendo-se assim, realizar algumas afirmações acerca do uso e do
desempenho da malha de látex como filtragem física durante a aquisição dos sinais.
102
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A confecção das malhas de látex ocorreu à medida que foram sendo realizados os
testes com os voluntários, conforme a demanda solicitada, e seguiu os aspectos abordados
na seção 3.1.1.2 deste trabalho.
103
4.1 SISTEMA DE AQUISIÇÃO, EXIBIÇÃO E ANÁLISE DE SINAIS DE
EMGS COM FILTRAGEM FÍSICA
104
Figura 4.1: Módulo de hardware do sistema desenvolvido. O módulo inferior é pelo
circuito eletrônico, responsável pela amplificação, filtragem e condicionamento do sinal
bioelétrico captado pelos eletrodos; e o módulo superior é caracterizado pelo circuito
microcontrolado, sendo responsável pela conversão A/D e pelo armazenamento dos dados
em um cartão de memória (RIBAS, 2015).
Conforme pode ser observado na Figura 4.1, os eletrodos devem ser ligados no
módulo inferior e o cartão de memória deve ser inserido no módulo superior. Ambos os
módulos possuem chave de liga/desliga e led indicador de estado ligado/desligado. O
módulo superior possui ainda uma chave para iniciar/encerrar a gravação de dados no
cartão SD e um led RGB que indica os estados de gravação: sistema em falha (led
vermelho), sistema pronto para uso (led verde) e sistema em gravação (led azul).
Para a ligação dos eletrodos ao módulo de circuito eletrônico (inferior) e deste módulo
ao módulo de circuito microcontrolado (superior), foram implementados cabos de conexão.
105
Todo cabeamento, seja entre os módulos ou entre os eletrodos e os módulos, foram
montados com conectores do tipo DB-9.
Figura 4.2: a) Cabos para quatro canais e referência com conector DB-9; b) Detalhe da
enumeração dos canais nos cabos; c) Encaixe entre os cabos e os eletrodos, utilizando
colchetes de pressão para roupas; d) Cabos para conexão entre módulo de circuito
eletrônico e módulo de circuito microcontrolado (RIBAS, 2015).
106
Os cabos de conexão dos eletrodos aos módulos de circuito eletrônico foram
fabricados em dois tamanhos diferentes, 1,0 m e 2,20 m, pois é importante que durante a
coleta dos sinais, os cabos não tenham nenhum contato com o solo e também tenham o
mínimo de movimento possível para evitar ruídos por artefatos de movimento. Essa opção
de tamanhos diferentes possibilita ao usuário utilizar o cabo com comprimento que seja
mais adequado à sua captura de sinais (RIBAS, 2015).
107
Figura 4.3: Sinal de EMGS captado no bíceps braquial direito de um voluntário em
repouso com iluminação do ambiente ligada (lado esquerdo) e desligada (lado direito)
(RIBAS, 2015).
Para cada canal, foi produzida uma placa do circuito eletrônico apresentado no Anexo
B, e como o módulo de hardware permite a conexão de até 16 canais, foram produzidas 16
placas de circuito eletrônico, estando oito em cada módulo. A divisão dos 16 canais, e
consequentemente das 16 placas, em dois módulos se deu pelo fato de que, nem sempre
durante a realização dos testes foram feitas aquisições de 16 sinais de EMGS. Em alguns
testes foram usados quatro canais, sendo utilizado apenas um dos módulos de circuito
108
eletrônico. A divisão em módulos diminui o consumo de energia pelos canais não
utilizados e reduz o tamanho do equipamento, além de permitir o uso de acordo com a
necessidade de cada aquisição.
Os sinais de EMGS que saem dos módulos de circuito eletrônico correspondem aos
sinais mioelétricos captados pelos eletrodos, e são sinais que passam por etapas de
amplificação, filtragem e condicionamento (circuito eletrônico), e que devem ser enviados
ao módulo de circuito microcontrolado, para ser digitalizado e armazenado.
109
utilização do amplificador de instrumentação INA128P, que devido ao alto CMRR
consegue eliminar grande parte o sinal de modo comum, e devido ao uso da malha de látex
como filtragem física na etapa de aquisição do sinal. A escolha dos filtros de primeira
ordem proporcionou ao esquema elétrico dimensões reduzidas, menor quantidade de
componentes, menor consumo elétrico e custo reduzido (RIBAS, 2015).
Figura 4.5: No sinal em amarelo foi utilizada filtragem com AMP-OP indicado para filtros
de sinais eletromiográficos, o OPA2604 fabricado pela Texas Instruments; e o sinal em
azul é do circuito implementado com o TL074. (RIBAS, 2015).
110
4.1.1.2 Módulo de circuito microcontrolado
111
Arduino IDE, que é um ambiente de programação que permite o desenvolvimento dos
programas de controle do microcontrolador.
112
sinal digital estará do sinal real analógico. Essa lógica para se determinar a frequência de
amostragem utilizando-se a função micros foi adotada nas três versões de código de
controle. No entanto, as versões apresentaram frequências de amostragem diferentes,
devido à lógica de programação utilizada, o que causou perda de informação nos sinais
coletados com as primeiras versões.
Figura 4.6: Fluxograma que representa a lógica de controle utilizada na primeira versão de
programa.
113
Nos testes realizados utilizando-se a lógica da primeira versão, observou-se uma
frequência de amostragem muito pequena, na ordem de 50 Hz (para sinais com 1 canal),
insuficiente para aquisições do sinal de EMGS, o que resultou em perdas de informações
do sinal mioelétrico avaliado. Estudando essa lógica, percebeu-se que o erro estava em
abrir e fechar o arquivo de texto a cada aquisição. Para realizar tal ação, o programa
demorava alguns segundos e, sendo assim, enquanto abria e/ou fechava o arquivo, as
informações do sinal analógico eram perdidas. Para resolver esse problema, foi
desenvolvida a segunda lógica de controle, apresentada no fluxograma da Figura 4.7.
Nessa segunda lógica de controle, o arquivo de texto é aberto uma única vez, quando a
chave de início de gravação é acionada e é fechado somente quando a chave de fim da
gravação é ativada. Com essa lógica foi possível obter sinais com frequência de
amostragem na ordem de 700 Hz (para sinais com 1 canal).
Figura 4.7: Fluxograma que representa a lógica de controle utilizada na segunda versão de
programa.
114
Apesar dessa significativa melhora o valor da frequência de amostragem ainda é
considerado baixo, pois não atende o teorema de Nyqüist, podendo ocorrer aliasing.
Conforme apresentado na seção 2.4.4 deste trabalho, para uma correta reconstrução digital
de um sinal analógico, sem aliasing, deve-se utilizar uma frequência de amostragem de, no
mínimo, o dobro de sua maior frequência. Como o sinal de EMG pode ter frequências de
até cerca de 400 a 500 Hz, considera-se como frequência de amostragem mínima para o
sinal de EMG frequências da ordem de 1 kHz ou mais (MARCHETTI; DUARTE, 2006).
Sendo assim, foi desenvolvida a terceira versão da lógica de controle, apresentada no
fluxograma da Figura 4.8. Essa é a versão atual do sistema e é a base do código do
Apêndice B.
Figura 4.8: Fluxograma que representa a lógica de controle utilizada na terceira versão de
programa.
Estudando a lógica da segunda versão, observou-se que a cada leitura realizada, cada
valor lido era gravado no arquivo de texto no cartão de memória. Assim, se fosse realizada
a leitura de um sinal de quatro canais, a cada momento de leitura eram realizadas cinco
115
gravações (quatro canais e o tempo) no cartão SD. Percebeu-se que a gravação de dados no
cartão de memória causa um pequeno atraso na execução do programa. Sendo assim, para
solucionar esse problema, foi implementado um vetor de buffer, utilizado para armazenar
os valores lidos a cada momento de leitura e gravar todos os valores de uma única vez no
arquivo de texto. Assim, se for realizada a leitura de um sinal de quatro canais, conforme
exemplo anterior, a cada momento de leitura, os sinais referentes aos quatro canais e ao
tempo, são guardados no vetor de buffer e, então, o vetor de buffer grava, uma única vez,
os valores correspondentes à esse momento de leitura no arquivo de texto no cartão. Com a
implementação desse buffer, foram adquiridos sinais com frequência de amostragem na
ordem de 1,7 kHz, o que garante um sinal com mais informações e mais próximo ao sinal
analógico real.
Nas Figuras 4.9, 4.10 e 4.11 são apresentados três sinais de EMGS coletados com os
três códigos com lógicas diferentes. Os três sinais são de apenas 1 canal e foram coletados
no músculo bíceps braquial de um voluntário sem amputação e representam uma contração
leve com duração de 3 s.
O sinal da Figura 4.9 foi coletado utilizando-se a lógica de controle da primeira versão
e teve uma frequência de amostragem de 56 Hz. Já o sinal da Figura 4.10 foi coletado
utilizando-se a lógica de controle da segunda versão e teve uma frequência de amostragem
de 772 Hz. Já o sinal da Figura 4.11 foi coletado utilizando-se a lógica de controle da
terceira versão e teve uma frequência de amostragem de 1,7 kHz. Visivelmente é possível
observar a perda de informações do sinal da Figura 4.9. Essa perda de informações está
relacionada com a baixíssima frequência de amostragem do sinal, insuficiente para
aquisição de sinais de EMG, que é um sinal que tem muitas variações em um curto espaço
de tempo.
Figura 4.9: Sinal de EMGS coletado utilizando-se a lógica de controle da primeira versão.
A frequência de amostragem (Fs) foi de 56 Hz.
116
Figura 4.10: Sinal de EMGS coletado utilizando-se a lógica de controle da segunda versão.
A frequência de amostragem (Fs) foi de 772 Hz.
Figura 4.11: Sinal de EMGS coletado utilizando-se a lógica de controle da terceira versão.
A frequência de amostragem (Fs) foi de 1,7 kHz.
117
Figura 4.12: Sinal de EMGS do canal 4 coletado utilizando-se a lógica de controle da
segunda versão e quatro canais. A frequência de amostragem (Fs) foi de 300 Hz.
O módulo de software do sistema tem a função de exibir e/ou fazer algumas análises
básicas do sinal de EMGS que foi salvo no cartão de memória pelo módulo do circuito
microcontrolado.
118
O software desenvolvido, conforme descrito na seção 3.1.3, apresenta uma interface
gráfica que permite ao usuário visualizar o sinal captado e/ou obter os principais
parâmetros para a análise eletromiográfica. Foi utilizado o software MATLAB e sua
ferramenta GUIDE para o desenvolvimento deste software, que é caracterizado pela
interação de várias telas, conforme apresentado na Figura 3.11.
No modo Exibição de Sinal EMG, o sinal salvo pela placa microcontrolada no cartão
de memória é selecionado pelo usuário e o sinal captado é exibido graficamente na tela do
software. Neste modo, o usuário tem a opção de escolher quantos canais deseja visualizar
(Figura 4.15), observando a quantidade de canais que o sinal a ser exibido contém. Além
disso, o usuário também pode visualizar cada canal do sinal de forma separada (botão
Selecionar Canal de Sinal EMG), além de poder comparar dois canais de interesse de um
mesmo sinal (botão Comparação de dois Canais).
119
Figura 4.15: Tela inicial do modo de Exibição de Sinal EMG.
Para a exibição do sinal, o usuário é direcionado para uma tela em que poderá
selecionar o sinal que deseja visualizar (Figura 4.16). Nesta tela, o usuário deve pressionar
o botão Selecionar Sinal e, assim, uma caixa de seleção será aberta para que o usuário
selecione o arquivo (.txt) que contém o sinal desejado. Após a seleção, o software exibirá o
sinal (ou o canal do sinal) escolhido, permitindo ao usuário visualizar o sinal desejado.
Figura 4.16: Tela inicial de seleção do sinal do modo de Exibição de Sinal EMG.
120
A Figura 4.17 ilustra a exibição de um sinal de EMGS de quatro canais e a Figura 4.18
ilustra a exibição de um sinal de EMGS de apenas um canal. O sinal da Figura 4.17 foi
capturado em um voluntário sem amputação em que os eletrodos foram posicionados nos
músculos bíceps braquial direito (canal 1) e esquerdo (canal 3), bem como nos músculos
do antebraço direito (canal 2) e esquerdo (canal 4). Este teste inicial foi realizado apenas
para verificar o funcionamento do sistema, não seguindo os protocolos de aquisição
apresentados na seção 3.2. Mesmo assim, observou-se que o sinal exibido corresponde aos
movimentos que foram realizados pelo indivíduo ao longo do teste.
Já o sinal da Figura 4.18 foi adquirido de uma voluntária sem amputação em que os
eletrodos foram posicionados no bíceps esquerdo, seguindo o protocolo estabelecido na
seção 3.2. Durante a aquisição do sinal do músculo em questão, a voluntária permaneceu
um minuto com o músculo em repouso, depois realizou três contrações leves, seguidas por
mais um repouso de 30s e, por fim, realizou quatro contrações fortes.
121
Figura 4.18: Exibição de um sinal de EMGS de somente um canal.
Figura 4.19: Zoom aplicado no intervalo de 84s a 98s do sinal exibido na Figura 4.18.
Já no modo Análise de Sinal EMG, o sinal selecionado pelo usuário é analisado pelo
software e algumas informações, escolhidas pelo usuário, referentes ao sinal selecionado
são fornecidas. Na tela inicial do software (Figura 4.14), se o usuário pressionar o botão
Análise de Sinal EMG, ele será direcionado para uma tela para a escolha de quais
parâmetros ele deseja que sejam analisados a partir do sinal adquirido (Figura 4.20).
122
Figura 4.20: Tela de seleção de parâmetros a serem analisados pelo software desenvolvido.
Após a escolha dos parâmetros desejados, o usuário deve clicar no botão Analisar
Sinal e, então, ele terá a opção de selecionar o arquivo e o canal que contém o sinal de
EMG que ele deseja que seja realizada a análise. Após essa seleção, o software realizará os
cálculos dos parâmetros selecionados para o sinal escolhido. Os resultados da análise são
exibidos para o usuário no formato de uma tabela. Os cálculos feitos pelo software seguem
os conceitos e as equações descritas na seção 2.4.6 deste trabalho.
123
Durante a realização dos testes, os voluntários, de forma geral, não sentiram incômodo
por parte da malha de látex envolvendo os eletrodos. No entanto, nos testes realizados com
os voluntários com amputação, para o coto, na maioria dos voluntários, a malha dificultou
que a prótese fosse colocada de maneira adequada, atrapalhando a sucção entre o coto e o
soquete, deixando folgas e com risco de que ela se soltasse durante os testes.
Um aspecto que deve ser levado em consideração é que as malhas que foram
produzidas cerca de três meses antes de sua utilização, perderam algumas características
como a alta aderência à pele humana ou ao próprio látex. Foi constatado que, devidas as
características do látex em prosseguir com sua vulcanização durante longo período de
tempo, é importante que, para garantir maior aderência quando envolvendo os eletrodos, a
malha seja confeccionada em no máximo um mês antes de sua utilização (RIBAS, 2015).
Conforme descrito na seção 3.2, foram realizados testes e coletas de sinais de EMGS
com dois grupos de voluntários (com amputação e sem amputação) tendo dois objetivos
principais: (i) verificação do funcionamento e da eficiência do sistema de aquisição,
exibição e análise de sinais de EMGS desenvolvido neste trabalho e (ii) análise de
desempenho da filtragem física com malha de látex desenvolvida.
124
4.2.1 Grupo de voluntários com amputação
Os testes realizados com esse grupo foram feitos utilizando-se a primeira versão do
código de controle do Arduino, o que resultou em sinais com uma frequência de
amostragem insuficiente e, consequentemente, com perdas de informações.
Neste teste, foram coletados os sinais de EMGS dos músculos vasto lateral direito
(canal 1), vasto lateral esquerdo (canal 2), bíceps femoral direito (canal 3) e bíceps femoral
esquerdo (canal 4) do voluntário, e foi seguido o protocolo de rampa estabelecido na seção
3.2 desta dissertação. De acordo com esse protocolo, o voluntário inicia o teste posicionado
na bicicleta e fica em repouso durante cinco minutos. Depois, ele começa a pedalar e a
carga da bicicleta vai sendo aumentada gradativamente em 15 W a cada minuto, até que o
voluntário atinja o esforço máximo. Após atingir esse limiar, o voluntário deve permanecer
mais um minuto pedalando sem carga na bicicleta. Os sinais captados neste teste são
apresentados na Figura 4.23.
125
Figura 4.22: Voluntário amputado durante coleta de dados.
Figura 4.23: Exibição de sinais captados no teste com voluntário amputado da Figura 4.22.
126
A Figura 4.24 ilustra outra coleta de dados com voluntário amputado. Esse voluntário
não sentiu desconforto e nem se queixou da falta de sucção da prótese, mesmo com a
utilização dos eletrodos e da malha de látex no coto (Figura 4.25). Conforme o protocolo
estabelecido, foram coletados os sinais dos músculos vasto lateral direito e esquerdo, e
bíceps femoral direito e esquerdo do voluntário, e foi seguido o protocolo de rampa
estabelecido pelo protocolo. Os sinais coletados são apresentados na Figura 4.26.
(A) (B)
Figura 4.24: (A) Voluntário amputado durante coleta de dados; e (B) detalhe da prótese do
voluntário durante a realização da pedalada.
(A) (B)
Figura 4.25: (A) Posicionamento dos eletrodos no músculo VL da perna direita; e (B)
malha de látex que revestiu o coto do voluntário após a coleta de dados.
127
Figura 4.26: Exibição de sinais captados no teste com voluntário amputado da Figura 4.24.
Devido aos problemas com o uso da malha de látex, e principalmente devido à baixa
frequência de amostragem, os sinais coletados com o grupo de voluntários amputados não
foram utilizados para a análise de desempenho da filtragem física da malha de látex. Os
sinais captados foram utilizados como testes iniciais de verificação do funcionamento do
sistema e permitiram que vários ajustes importantes pudessem ser implementados.
Foram realizados testes com oito voluntários sem amputação, sendo que todos
apresentaram resultados positivos em relação ao desempenho do sistema desenvolvido. Os
sinais de EMGS coletados foram condizentes com o músculo em questão, e com os
128
movimentos e estágios de contração realizados. Também foram realizados testes, com esse
grupo de voluntários, para verificar o desempenho da filtragem física realizada pela malha
de látex. Os resultados destes testes são apresentados na seção 4.3.
Um destes testes foi realizado com uma voluntária do sexo feminino e teve o objetivo
de verificar o funcionamento do sistema desenvolvido. Neste teste, utilizou-se apenas um
canal de aquisição e o código de controle do circuito microcontrolado foi da terceira
versão. O músculo analisado foi o bíceps braquial direito. O teste teve uma duração de
quase 2 minutos e foi solicitado que a voluntária realizasse diferentes estágios de
contração. Inicialmente, foi solicitado que a voluntária permanecesse com o músculo
analisado em repouso e, após 10 segundos, a voluntária realizou cinco contrações leves,
seguidas de um breve repouso e posteriormente foram realizadas três contrações de força
média. O sinal de EMGS capturado foi armazenado em um cartão de memória pelo
hardware do sistema e foi, posteriormente, visualizado no software desenvolvido.
A Figura 4.27 apresenta o sinal coletado neste teste e as Figuras 4.28-A e 4.28-B
apresentam zooms que foram aplicados no sinal, utilizando-se as opções de visualização do
software desenvolvido. Na Figura 4.28-A, foi aplicado um zoom no sinal da Figura 4.27
para visualização das contrações leves realizadas pela voluntária, e na Figura 4.28-B foi
aplicado um zoom no sinal da Figura 4.27 para visualização das contrações de força média
realizadas pela voluntária.
Figura 4.27: Exibição do sinal de EMGS coletado no bíceps braquial direito de voluntária
sem amputação.
129
Figura 4.28-A: Zoom aplicado no intervalo de 10s a 35s do sinal exibido na Figura 4.27,
para melhor visualizadas das contrações leves.
Figura 4.28-B: Zoom aplicado no intervalo de 37s a 50s do sinal exibido na Figura 4.27,
para melhor visualizadas das contrações de força média.
Esse teste teve uma frequência de amostragem satisfatória, de 1,77 kHz, e com ele, foi
possível verificar a eficiência do sistema desenvolvido, sendo condizente com os
movimentos realizados e coletando sinais de qualidade.
130
4.3 FILTRAGEM FÍSICA: ANÁLISE DE DESEMPENHO
Para verificar o desempenho da malha de látex aplicada como filtro físico, foi seguido
o protocolo descrito na seção 3.3 e foram analisados os sinais coletados do grupo de
voluntários sem amputação.
Os testes realizados neste grupo possibilitam uma comparação entre dois tipos de
sinais (sem e com a malha de látex), sendo ambos referentes ao mesmo músculo, ao
mesmo voluntário e seguindo a mesma sequência de movimentos.
A aquisição destes sinais, sem e com a malha de látex, possibilita, assim, uma
comparação visual entre esses dois tipos de sinais de EMGS, permitindo a realização de
uma análise de desempenho da malha de látex como filtro físico, podendo-se verificar se o
sinal captado com o uso da malha de látex possui aspectos positivos em comparação ao
sinal captado sem o uso da malha de látex, observando principalmente as interferências por
ruídos eletroquímicos e artefatos de movimento.
Nas Figuras 4.29 e 4.30 são apresentados dois sinais coletados para a realização desta
comparação. Os sinais foram captados no bíceps braquial direito de uma voluntária do sexo
feminino sem amputação, e foi utilizado um canal de aquisição em cada teste e a terceira
versão da lógica de controle do circuito microcontrolado. Ambos os sinais apresentaram
frequência de amostragem de 1,77 kHz.
131
Figura 4.29: Teste de desempenho de malha de látex como filtragem física. Momento I –
sinal captado sem o uso da malha de látex.
Figura 4.30: Teste de desempenho de malha de látex como filtragem física. Momento II –
sinal captado com o uso da malha de látex.
Para melhor comparação, foram aplicados zoom em quatro períodos dos sinais, que
estão apresentados a seguir:
(1) no período de repouso;
(2) no período de contrações leves;
(3) no período de contrações fortes e
(4) no período de geração de artefatos de movimento.
132
(1) Repouso:
Figura 4.31: Período do músculo em repouso – sinal captado sem o uso da malha de látex.
Figura 4.32: Período do músculo em repouso – sinal captado com o uso da malha de látex.
133
(2) Contrações leves:
Figura 4.33: Período de contrações leves – sinal captado sem o uso da malha de látex.
Figura 4.34: Período de contrações leves – sinal captado com o uso da malha de látex.
134
(3) Contrações fortes:
Figura 4.35: Período de contrações fortes – sinal captado sem o uso da malha de látex.
Figura 4.36: Período de contrações fortes – sinal captado com o uso da malha de látex.
135
(4) Geração de artefatos de movimento:
Figura 4.37: Período de geração de artefatos – sinal captado sem o uso da malha de látex.
Figura 4.38: Período de geração de artefatos – sinal captado com o uso da malha de látex.
136
A partir destas comparações, é possível observar visualmente uma pequena
diminuição nos níveis dos sinais captados com o uso da malha de látex em relação aos
sinais captados sem o uso da malha de látex. No entanto, essa é uma avaliação visual e
qualitativa, dependendo da análise realizada pelo avaliador.
Nas figuras 4.39 e 4.40 é apresentada uma comparação de dois sinais captados de
outra voluntária, mas seguindo os mesmos procedimentos. Os sinais apresentados são de
contrações fortes e também evidenciam uma pequena diferença nos níveis dos sinais.
Figura 4.40: Contração forte – sinal captado com o uso da malha de látex.
137
As avaliações e comparações realizadas neste trabalho em relação a sinais sem e com
o uso da malha de látex são avaliações visuais e, sendo assim, não é possível enunciar
afirmações concretas sobre o desempenho da malha de látex como filtro físico.
Dessa forma, não é possível afirmar que o sinal captado com o uso da malha de látex
possui aspectos positivos em comparação ao sinal captado sem o uso da malha de látex,
observando as interferências por ruídos eletroquímicos e artefatos de movimento.
No entanto, observa-se que o uso da malha de látex influencia de alguma forma o sinal
captado. Para uma melhor determinação dessa influência, faz-se necessária a realização de
um estudo mais específico abordando essa problemática. Neste estudo, devem ser previstos
métodos quantitativos para avaliações e comparações mais concretas e consistentes.
138
5 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS
Seu desenvolvimento foi marcado por dificuldades, que foram em sua maioria
superadas, e resultou em um sistema para a coleta de sinais de EMGS que pode ser
melhorado.
139
dados captados pelo sistema diretamente no cartão de memória, gera uma perca de tempo
durante a aquisição, o que também influencia na frequência de amostragem do sinal. Para
solucionar esse problema, foi implementado um buffer durante o processo de aquisição.
Com essa técnica, os dados coletados são armazenados no buffer e somente são gravados
no cartão de memória após o fim de cada momento de leitura. Isso proporcionou um
aumento significativo na frequência de amostragem do sinal, garantindo uma maior
qualidade ao sinal de EMGS coletado.
O uso da malha de biomaterial látex como filtro físico na fase de aquisição do sinal de
EMGS para diminuição de ruídos eletroquímicos e de artefatos de movimento, conforme
foi apresentado neste trabalho, não pode ser comprovado com a metodologia empregada. A
análise visual não se mostrou eficiente e impossibilitou a determinação concreta dessa
filtragem. No entanto, durante a realização dos testes e analisando visualmente os sinais,
140
fica evidente que a malha de látex influencia de alguma forma na captura dos sinais,
podendo sim realizar uma filtragem física.
141
Melhoria no modo de análise do software, garantindo cálculos mais eficientes, e a
implementação de um modo de visualização dos sinais de forma instantânea;
142
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143
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XIE, H. et al. Hybrid soft computing systems for electromyographic signals analysis: a
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149
ANEXOS
150
ANEXO A – SISTEMA MUSCULAR
151
Figura A-2: Principais músculos do corpo humano, vista posterior.
(ATLAS VISUAL DO CORPO HUMANO, 2006).
152
ANEXO B – ESQUEMA ELÉTRICO DO CIRCUITO ELETRÔNICO
153
ANEXO C – PARECER DO COMITÊ DE ÉTICA
154
ANEXO D – TERMO DE CONSENTIMENTO LIVRE E ESCLARECIDO
155
156
157
158
ANEXO E – PUBLICAÇÕES
159
Artigo submetido (CBEB 2016).
160
Artigo submetido (CBEB 2016).
161
Artigo submetido (CBEB 2016).
162
Artigo submetido (CBEB 2016).
163
Artigo submetido (CBEB 2016).
164
Artigo submetido (CBEB 2016).
165
Artigo submetido (CBEB 2016).
166
APÊNDICES
167
APÊNDICE A – ESQUEMA ELÉTRICO DO CIRCUITO
MICROCONTROLADO
168
APÊNDICE B – CÓDIGO PARA MICROCONTROLADOR
169
170