Segundo Congreso Virtual, Microcontroladores y sus Aplicaciones

Sistema microcontrolado para adquisicin y anlisis de electromiografa superficial

Christian A. Mista; Alejandro O. del Ro; Carolina TabernigFacultad de Ingeniera. UNER.

Entre Ros

Argentina

Correo-e: christianbio@hotmail.com, alejmail@gmail.com, ctabernig@bioingenieria.edu.ar.

Abstract. Se describe el diseo en prototipo de un sistema microcontrolado que permite la adquisicin y procesamiento de seales de electromiografa superficial, y el envo de comandos resultantes a dispositivos de inters del usuario. El equipo consta de dos mdulos, uno analgico encargado de sensar y acondicionar la seal y otro digital que la procesa y genera comandos de salida. El mdulo analgico consta de tres electrodos activos de EMG ubicados en msculos voluntarios sanos. Adems consta de amplificadores operacionales en distintas configuraciones que permiten filtrar y amplificar las seales. Finalmente se emplea una configuracin de diodos para rectificar la seal. En el mdulo digital se determina la contraccin de los msculos a travs de la comparacin con umbrales, y se generan los comandos de salida. Se utiliza un DSPIC33fj128gp802 programado en lenguaje C. Se logr el diseo de un equipo no invasivo que otorga al usuario la posibilidad de comandar dispositivos electrnicos. Pacientes que sufren doble amputacin de miembro superior son potenciales usuarios del equipo.

1 Introduccin En los ltimos aos se han incrementado las investigaciones relacionadas con la interfaz hombre-mquina, especialmente en el diseo y desarrollo de sistemas de asistencia para personas con diversas discapacidades. Estos sistemas tienen requisitos particulares dependiendo de la solucin que prestan, por lo general se necesita que sean: porttiles, autnomos e inteligentes. Los sistemas microcontrolados disponen de todas estas caractersticas, hacindolos muy deseables para este tipo de aplicaciones.

Las amputaciones de miembro superior son un caso importante a ser resuelto, ya que el dao no se limita a la prdida del miembro concreto, si no que se extiende a todas las otras prdidas que la amputacin implica: prdida de capacidad fsica con limitaciones funcionales y prdida en la apariencia fsica.

Para superar de cierta forma algunos aspectos del problema, se hace evidente la necesidad del amputado de poder manipular objetos as como tambin de operar sistemas electrnicos. Debido a la importancia que tienen en la actualidad los sistemas informticos es necesario encontrar una solucin rpida y cmoda que permita a la persona estar en contacto con esta tecnologa, aportndole una mejor calidad de vida y brindndole la posibilidad de insertarse laboralmente.

En este trabajo se presenta el diseo e implementacin en prototipo de un sistema microcontrolado que hace uso de electromiografa superficial en msculos sanos como medio de control de dispositivos electrnicos de necesidad del usuario.

2 Materiales y mtodosEn esta seccin se describirn el hardware y el software implementados en el equipo.

2.1 Diagrama de bloquesEl sistema, representado en la figura 1, consta de tres canales que obtienen seales de EMG por medio de electrodos activos. Posteriormente, las seales ingresan a un bloque acondicionador de seal que contiene una etapa de amplificacin y filtrado. Adems en este bloque se rectifica la excursin negativa y se ajusta la amplitud antes de entrar al bloque de procesamiento digital. En este ltimo las seales se digitalizan, se almacenan en memoria, luego se comparan con umbrales preestablecidos por una rutina de calibracin y se generan los comandos de salida en formato serie y paralelo. Adems, el sistema cuenta con una interfaz visual constituida por un LCD de 2x16 caracteres.

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Fig. 1: Diagrama de bloques.

2.2 SensadoEste bloque esta constituido por tres electrodos activos, cuya fotografa puede observarse en la Fig. 2. Se construyeron con barras de plata1000 de 2 [mm] de ancho, 10 [mm] de largo y una separacin de 10 [mm]; segn recomendaciones internacionales para el registro de EMG [4].

Fig. 2: Fotografa de los 3 electrodos activos.

Cada electrodo cuenta con un amplificador de instrumentacin INA129 [5] con ganancia de 15 ubicado en la misma placa del electrodo y cables mallados mono y estreo para seal y alimentacin respectivamente. Esta construccin permite disminuir de manera significativa la contaminacin de la seal con ruido ambiente. Como electrodo de referencia se utiliz un electrodo descartable.

2.3 Amplificacin y filtradoEn esta primera etapa del bloque acondicionador de seal, se us un filtro Butterworth pasa bandas de cuarto orden con frecuencia de corte inferior de 20 [Hz] y frecuencia de corte superior de 400 [Hz] para cada canal.

Se utilizaron amplificadores en modo inversor para ajustar la ganancia en dos etapas; la primera ganancia variable entre 1 y 10 veces, y la segunda fija de 180 veces. Con estos amplificadores tambin se realiz un control de offset de la seal.

Tanto filtrado, amplificado y control de offset se lograron mediante componentes UAF42 [6].

2.4 Rectificacin y ajuste de rangoEl mdulo digital solo permite entradas en un rango de 0 a 3 [V], por lo que se rectific la excursin negativa y se limit la amplitud de la seal. Para lograr esto se utiliz por canal un diodo zener de 3,3 [V] configurado en inversa entre seal y masa, y una

resistencia de 1 [K] en serie con la entrada.

2.5 Conversin analgica/digital (A/D)El hardware del bloque de procesamiento digital tiene como ncleo un Dspic33fj128gp802 [7], que se program para trabajar a 40 MIPS.

Para la conversin A/D se utiliz el conversor interno del microcontrolador, configurado para 10 bits y modo automtico de escaneo para tres entradas. Teniendo en cuenta el teorema de muestreo de Shannon, se estableci que la frecuencia de muestreo sea superior a 800 [Hz] por canal.

2.6 Acceso directo a memoria (DMA)Los resultados de las conversiones se almacenan

en un registro dedicado y son ubicados en memoria a travs del mdulo DMA, el cual permite controlar la transferencia de datos entre el conversor y la memoria de datos sin intervencin del microprocesador. El mdulo se program para que funcione continuamente con bloques de datos en memoria de 32 elementos, de manera que a 1 [KHz] de frecuencia de muestreo se tiene una ventana de anlisis (T) de 32 [ms].

2.7 Promedio y comparacinPara generar el nivel de salida digital de cada

canal, cero correspondientes con la relajacin y uno con la contraccin del msculo, los datos de la ventana T son promediados y luego comparados con un umbral de nivel alto y un umbral de nivel bajo. Estos umbrales se obtienen a partir del nivel de ruido presente en cada canal, el cual es previamente fijado por una rutina de calibracin del sistema. El umbral nivel alto se calcula como el doble del nivel de ruido, mientras que el umbral nivel bajo (Unb) se determina como un 80 % del umbral nivel alto (Una). La comparacin es de tipo Schmitt trigger y tiene como ventaja la reduccin significativa de la inestabilidad. Cuando la salida del canal seleccionado se encuentra en nivel uno, la comparacin se realiza con el umbral nivel bajo, y cuando el nivel de salida se encuentra en cero, la comparacin se realiza con el umbral nivel alto (Fig. 3).

Fig. 3: Ventana de comparacin.

2.8 Calibracin La etapa de promedio y comparacin, requiere

que el equipo inicie con una rutina de calibracin, en

2

Segundo Congreso Virtual, Microcontroladores y sus Aplicacionesla cual se sensa el ruido en cada canal y se determinan los umbrales. La calibracin tambin puede activarse desde una interrupcin externa cuando el usuario lo requiera. Al ingresar al protocolo de calibracin, se muestra en el LCD la leyenda iniciando calibracin. Se reconfigura el conversor A/D en modo manual de seleccin de canal de entrada para calibrar los tres canales por separado. Se comienza con la calibracin del primer canal, mostrando el mensaje mantngase relajado durante 2 segundos, en el cual se adquieren muestras provenientes del canal actual y su promedio es almacenado. Esta ltima operacin se realiza tres veces obteniendo tres promedios consecutivos del mismo canal, los cuales se comparan para seleccionar el de mayor valor. El valor seleccionado se toma como nivel de ruido, a partir del cual se calculan los umbrales Unb y Una. Todo el proceso se repite para los dos canales restantes. Luego de restaurar las configuraciones iniciales, finaliza el ciclo de calibracin enviando al LCD el texto Fin de calibracin.

2.9 Codificacin de los comandos de salida

El sistema brinda al usuario la posibilidad de realizar 4 acciones diferentes, mediante 4 comandos de salida independientes entre si. Estos se generan a partir de los niveles de salida digital de cada canal, codificados como se muestran en la Tabla I.

TABLA I

CODIFICACIN DE LOS COMANDOS DE SALIDA.

CANAL 1 CANAL 2 CANAL 3 COMANDO

0 0 0 0

1 0 0 1

0 1 0 2

0 0 1 3

2.10Comunicacin serie y paraleloSe implement una comunicacin serie para la interaccin con el dispositivo actuador, directamente o mediante otro equipo que permita adaptar la salida. Para esto se utiliz el mdulo UART del microcontrolador. Tambin se configur el puerto paralelo como otra salida del sistema.

3 ResultadosEn la Fig. 5 se visualizan: (a) un trazado del osciloscopio correspondiente a la salida de la etapa de filtrado y amplificacin de un registro generado por la contraccin voluntaria de msculos extensores de la mueca; (b) la misma seal, rectificada luego del diodo zener, en donde se aprecia una pequea tensin negativa causada por la cada en el diodo, la cual no afecta el desempeo de la etapa posterior; 5(c) los

promedios de la seal digitalizada obtenidos en ventanas de 32 [ms] y la representacin de los umbrales de comparacin; 5(d) el nivel de salida digital generado con este registro de EMG.

Fig. 5: Cambios sobre la seal de EMG en las distintas etapas del equipo. (a) EMG amplificado y filtrado, (b) EMG rectificado, (c) Promedios (lnea llena) y umbrales de nivel alto y bajo (lneas

punteadas), (d) Nivel digital (lnea llena)

Para verificar el correcto envo de los comandos en formato serie se utiliz la herramienta analizador lgico del programador pickit2 de Microchip [8]. Este se conect al puerto dedicado del hardware y mediante una aplicacin para PC se pudieron visualizar los comandos de salida para distintos registros como se muestra en la Fig. 6.

Fig. 6: Transmisin UART Comandos de salida. (a) Comando 0, (b) Comando 1, (c) Comando 2, (d) Comando 3.

En la Fig. 7 se presenta una fotografa del prototipo del sistema. Como puede observarse, el prototipo fue construido de manera modular con el objetivo de facilitar la evaluacin de su desempeo por bloque.

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Fig. 7: Fotografa del prototipo del sistema implementado.

4 ConclusionesEn este trabajo se present el diseo e implementacin en prototipo de un sistema microcontrolado para la adquisicin y anlisis de seales de electromiografa superficial, que permite el comando de dispositivos electrnicos para su potencial uso por personas con doble amputacin de miembro superior.

Mediante ensayos en distintos msculos sanos del miembro superior se obtuvieron los 4 comandos de salida planteados como requisitos de diseo. De esta forma, se logr un equipo no invasivo, de fcil colocacin, alimentado con bateras, cmodo y de sencilla utilizacin, con interfaz visual y adaptable a los distintos casos de amputacin.

A partir de los resultados obtenidos se continuar trabajando para disminuir el peso y el tamao del equipo, indispensable en equipos porttiles. As como tambin, en mejoras en el hardware y rutinas del software para lograr un sistema mucho ms eficiente, verstil e inteligente.

Referencias1] Todd A. Kuiken; Guanglin Li; Blair A. Lock; et

al. Myoelectric Control of Multifunction Artificial Arms Targeted Muscle Reinnervation for Real-time. JAMA. 2010.

2] S. Mohammad P. Firoozabadi, Mohammad Reza Asghari Oskoei, Huosheng Hu. A HumanComputer Interface based on Forehead Multi-Channel Bio-signals to Control a Virtual Wheelchair. Tarbiat Modares University, University of Essex.

3] Prtesis mioelectrica de brazo. Otto bock. URL: http://www.ottobock.com/cps/rde/xchg/ob_com_es/hs.xsl/384.html

4] R. Merletti, P. Parker, Electromyography. Physiology, Engineering, and Non-invasive Applications, New Jersey: John Wiley & Sons, IEEE Press Series in Biomedical Engineering, 2004.

5] Ina129 Precision, Low Power Instrumentation Amplifiers, Disponible en http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ina129.html.

6] UAF42 Universal active filter, Disponible en http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/uaf42.pdf.

7] Dspic33fj128gp802. Microchip Technology Inc. Disponible en: http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en532298.

8] PICkit2 Development Programmer/Debugger . Disponible en http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en023805.

Copyright 2010. Christian A. Mista, Alejandro O. del Ro, Carolina Tabernig: El autor delega a la Organizacin del Segundo Congreso Virtual de Microcontroladores la licencia para reproducir este documento para los fines del Congreso ya sea que este artculo se publique en el sitio web del congreso, en un CD o en un documento impreso de las ponencias del Segundo Congreso Virtual de Microcontroladores.

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Sistema microcontrolado para adquisicin y anlisis de electromiografa superficial1 Introduccin 2 Materiales y mtodos2.1 Diagrama de bloques2.2 Sensado2.3 Amplificacin y filtrado2.4 Rectificacin y ajuste de rango2.5 Conversin analgica/digital (A/D)2.6 Acceso directo a memoria (DMA)2.7 Promedio y comparacin2.8 Calibracin 2.9 Codificacin de los comandos de salida 2.10 Comunicacin serie y paralelo

3 Resultados4 ConclusionesReferencias