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EMG Biofeedback por Eletro-estimulação

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"O sistema consiste num ambiente desenvolvido em LabVIEW que possibilita ao fisioterapeuta a determinação de características do sinal do eletro-estímulo que será aplicado no paciente."

- Felippe de C. Barros, Universidade São Judas

The Challenge:
Desenvolver um sistema completo para medição e apresentação de sinais de eletromiografia conjugado a um sistema de eletro-estimulação. O sistema completo integra uma ferramenta única que pode ser utilizada pelo profissional de fisioterapia para o diagnóstico de lesões e/ou doenças que afetam o sistema eletrofisiológico.

The Solution:
Este projeto tem o propósito de desenvolver um equipamento que seja capaz de fornecer informações para auxiliar o diagnóstico de lesões e/ou doenças que afetem o sistema eletrofisiológico. Para examinar as propriedades de condução das fibras nervosas motoras, será usada uma abordagem eletrofisiológica clássica. Isto é, um estímulo é aplicado em uma região e a resposta a esse estímulo será monitorada usando-se uma técnica extracelular em outra área.

Author(s):
Alan N. Sanches - Universidade São Judas
Felippe de C. Barros - Universidade São Judas
Fernando F. Pereira - Universidade São Judas
Leandro de Marchi - Universidade São Judas
Sérgio Antônio M. da Silva - Universidade São Judas

No desempenho dos estudos de condução do nervo motor, um nervo periférico misto será eletricamente eletro-estimulado por estímulos de curta duração e potenciais de ação são gerados nos axônios dos motoneurônios. Os potenciais de ação nervosa evocados serão propagados ao longo das fibras motoras e ativarão as junções neuromusculares (JNM) dos axônios motores estimulados. A transmissão para JNM resultará em potenciais de ação muscular das fibras musculares inervadas e acionarão a contração dos músculos inervados por essas fibras. Nesses estudos de condução do nervo motor, a força real de contração não será medida. Os eletrodos serão posicionados no músculo para registrar potencial de ação muscular composto bifásico que acompanha a contração. A amplitude do PAMC evocado (também chamado de onda M) é proporcional aos números de unidades motoras despolarizadas e conseqüentemente é reflexo do tamanho da ativação das fibras musculares produzidas como um resultado da estimulação do nervo motor.

Como a corrente estará aumentada na estimulação do nervo motor, as fibras nervosas motoras serão recrutadas progressivamente até uma contração máxima ser produzida. Com esse nível de estimulação, um acréscimo adicional na amplitude não aumentará a amplitude da resposta evocada. Nesse ponto, todos os axônios motores diretamente abaixo do estimulador estarão acionados, o número máximo de junções neuromusculares terá sido acionado, e os potenciais de ação serão produzidos nas membranas das fibras musculares inervadas. Assegurando a estimulação máxima de todas as fibras musculares inervadas, a eletro-estimulação supramáxima resultará no registro de potenciais de ação musculares compostos máximos.

Durante o estudo da condução nervosa, nervos sensitivos também são acionados abaixo do estimulador. Os potenciais de ação nervosos sensoriais evocados serão propagados através das fibras sensoriais e os efeitos somados propagados através do nervo monitorado, dessa forma obtendo o potencial de ação do nervo sensorial composto PANSC (também conhecido por onda H). A resposta sensorial (PANSC) é menor em amplitude do que a PAMC, isso será demonstrado no medidor que será apresentado no programa supervisório (LabVIEW) (vide figura 1).
Para o exame, um eletrodo de registro (chamado ativo) será colocado sobre o ponto motor, o segundo eletrodo (chamado referência) será colocado distalmente sobre o tendão de inserção do músculo, um terceiro eletrodo, o eletrodo terra, será colocado entre o eletrodo ativo e o eletrodo de referência, numa área óssea. A estimulação elétrica será fornecida pelo uso de um eletrodo bipolar preso à região a ser estimulada, conectado a um estimulador que produzirá uma corrente monofásica retangular e uma amplitude ajustável. O cátodo e o ânodo estarão separados numa distância relativa ao músculo a ser estimulado. O cátodo será colocado distalmente ao ânodo sobre o nervo, o mais próximo possível do eletrodo de registro sobre o músculo. As respostas (PAMC) e (PANSC) serão amplificadas analogicamente e deverão ser tratadas por um programa supervisório (LabVIEW) sendo apresentadas em forma numérica e gráfica. Nesse programa serão parametrizados: o tempo de exame, o nervo a ser examinado (com sua respectiva distância distal), a largura do pulso e a intensidade.
Após finalização do exame, será apresentado o gráfico de EMG com, a amplitudes M, amplitude H e o cálculo da Velocidade de Condução Nervosa (VCNM) calculado por:

Com base dos dados colhidos e do gráfico amostrado, o clínico terá ferramentas para diagnosticar possíveis problemas eletrocondutivos que paciente possua.

 

Resumo

Desenvolvimento de um equipamento para auxílio no diagnóstico de lesões e/ou doenças que afetem o sistema eletrofisiológico. O sistema consiste num ambiente desenvolvido em LabVIEW (versão 8.6) que possibilita ao fisioterapeuta a determinação de características do sinal do eletro-estímulo que será aplicado no paciente. Através de uma placa USB 6211 o sinal é aplicado a um circuito eletro-estimulador, o que ocasiona uma resposta do organismo. Os sinais capturados nos eletrodos - eletromiograma (EMG) - são amplificados e medidos pela placa de aquisição de sinais, sendo tratados e apresentados ao fisioterapeuta, que poderá identificar o formato gráfico e valores absolutos, como a velocidade de condução nervosa, latências e amplitude das ondas M e H. Esses dados serão convertidos num relatório que irá gerar informações complementares para o diagnóstico final.


Introdução

O sistema desenvolvido é composto por três partes principais: circuito de medição e amplificação do eletromiograma, computador com placa de aquisição de sinais e circuito de eletro-estimulação, conforme apresentado na figura 2. A seguir são descritas cada uma destas partes.


Circuito de medição e amplificação do eletromiograma

Eletrodos (Referência, Ativo e Passivo)

São dispositivos de entrada de corrente em um sistema elétrico. Utilizamos eletrodos Ag/AgCl com 1 cm de diâmetro associado a um gel condutor que promove uma transição estável com relativo baixo ruído, possuindo, desta forma, um comportamento estável em função do tempo, estabelecido pelos padrões da SENIAM. O eletrodo composto de superfície de Ag/AgCl é o dispositivo de conexão entre o corpo e o sistema, permitindo uma reação eletrolítica. Os eletrodos diferenciais serão posicionados a 2 cm de distância nas localizações padronizadas pelo SENIAN e o eletrodo de referência será posicionada na região óssea mais próxima.

Em tratando da qualidade de aquisição do sinal EMG por parte dos eletrodos, faz-se necessária minimizar a influência da impedância pele/eletrodo. Deste modo, certos cuidados devem ser tomados, tais como limpeza da pele, remoção dos pelos e leve abrasão para remoção de células mortas.

Amplificador

É um dispositivo eletrônico utilizado para amplificar pequenos sinais elétricos. Em função da baixa amplitude do sinal EMG durante a aquisição, faz-se necessária a amplificação do sinal para melhor processamento, tendo um sinal suficiente para medidas acuradas. Entretanto deve se lembrar que, além de amplificar o sinal de EMG, há também a amplificação de ruídos, que são quaisquer sinais do EMG não desejados. Devido à amplificação desses ruídos, se faz necessário o tratamento do sinal, que será realizado digitalmente.

Conversor A/D

O processo de digitalização de um sinal EMG analógico é realizado por conversores analógico/digital. Este dispositivo está acoplado à placa de aquisição de National Instruments (USB 6211), contendo um circuito AD (analógico/digital) de 16 bits garantindo uma excelente resolução, suficiente para caracterizar o sinal EMG. O dispositivo citado possui componentes comuns dos equipamentos eletrônicos e são utilizados para capturar sinais de voltagem (analógico) e expressar a informação em formato numérico (digitais – números binários). Uma vez digitalizada, a informação pode ser processada pelo software e hardware para alcançar objetivos específicos, lembrando que, com a digitalização, ocorre limite inerente ao grau de precisão causando perdas de informações, normalmente irrelevantes.

Eletroestimulador

A estimulação elétrica pode ser usada para fortes contrações musculares fornecendo um meio de “melhor tiro” de tentar detectar mudanças na perfusão microvascular. Este eletro-estímulo é gerado por um sinal elétrico monofásico que será configurado em função de dois parâmetros fornecidos pelo fisioterapeuta no programa supervisório (LabVIEW) com as seguintes características:

- A intensidade do eletro-estímulo;

- A forma de onda do estímulo.

A corrente do eletro-estímulo é proporcional à tensão liberada no arranjo analógico através de um potenciômentro digital. A corrente aplicada ao músculo do paciente poderá variar entre 1 e 99 mA. A forma de onda define o período de tempo em que o eletro-estímulo será aplicado ao músculo do paciente. Isso é feito através de modulação de sinal (PWM) que proporciona um eletro-estímulo de 0,5 a 3 ms. A tensão aplicada ao músculo é próxima de 70 volts.

Filtro Passa-Banda

A implementação digital do filtro é feita no programa LabVIEW, sendo que o filtro utilizado é do tipo Butterworth, pois possui resposta plana na transmissão do passa banda e minimiza seu ripple. Esse filtro é mais bem ajustado para preservação da linearidade da amplitude na região de passa banda, sendo, portanto, um candidato ideal ao condicionamento do sinal EMG. Esse filtro é completamente especificado pelo seu ganho máximo do passa banda, freqüência de corte e ordem do filtro. As recomendações do SENIAM com relação ao uso de filtros é a utilização de um filtro passa-banda com freqüências de trabalho entre 10 – 500 Hz do tipo Butterworth de ordem 4.

Retificação

A retificação consiste em tomar válidas as amplitudes absolutas (em módulo) do sinal EMG. Desse modo, é possível rebater os valores negativos (full-wave) ou remover os valores negativos (half-wave)

Detector de Envoltório

A envoltória linear é uma média móvel que indica a magnitude do sinal EMG. Nesse módulo selecionamos uma janela de tempo que o software calculará a média desse tempo. É uma fase importante, pois elimina picos de ruído.

Integrador

A integração envolve a soma dos sinais durante um período de tempo ou até que uma voltagem máxima prevista seja alcançada antes que o integrador volte a zero. O padrão no qual o EMG soma ou declina é uma função da constante de tempo do integrador. Um pequeno tempo constante será permitido ao EMG integrado para seguir de perto os picos e baixadas do sinal retificado. Uma constante de tempo maior irá produzir muito mais suavização do sinal e requerer um longo tempo para o não integrado alcançar seu pico e um tempo mais longo para relaxar de volta à linha de base.

Front-End

O Front-End, desenvolvido em plataforma LabVIEW, terá a função de parametrizar as variáveis para o exame e mostrar graficamente e numericamente seu resultado.

Relatório do Exame

Ao final do exame, os dados que foram captados e tratados serão apresentados em relatório (Arquivo em formato Portable Document Format) onde o profissional terá meios para comparar os sinais amostrados (em forma de gráfico e em tabelas com os valores padronizados).

Eletrodos (ativo, passivo)

Os eletrodos de superfície que emitem o pulso elétrico são compostos de borracha condutora simples impregnada de carvão. Eles têm a função de transmitir o sinal elétrico ao local a ser estimulado. Para melhorar a transmissão do sinal e evitar possíveis problemas, se faz necessário a utilização do gel condutor.

Circuito aquisitivo EMG

O circuito aquisitivo EMG tem função de captar os sinais elétricos através dos eletrodos de superfície, amplificá-los e repassá-los para a placa de aquisição da National Instruments esse por último envia tais sinais para front-end criado através da plataforma LabVIEW. Esse circuito é analógico e é composto por: resistors, capacitores e amplificadores operacionais de alto ganho.

Circuito eletro-estimulador

O circuito eletro-estimulador terá a função de amplificar o sinal analógico emitido pela placa de aquisição da empresa National Instruments, a níveis necessários para a eletro-estimulação, controlando sua corrente seguindo parâmetros selecionados pelo operador.

Nesse circuito foram tomadas certas precauções para prevenir um mau-funcionamento e - neste caso - tomar medidas que garantam integridade do indivíduo.

Biografia dos Autores:

Alan Nogueira Sanches
Nascido em 08 de Novembro de 1985 na cidade de São Paulo, Técnico em Artes Gráficas, Senai Theobaldo de Nigris, trabalha na iG - Internet Group do Brasil S/A, como estagiário de Engenharia da Computação, atuando na gerência de Infra-Estrutura de Parceiros.

Felippe de Carvalho Barros
Nascido em 15 de Maio de 1986 na cidade de São Paulo, Técnico em Telecomunicações, trabalha na Hewlett-Packard do Brasil S/A. como Consultor de Outsourcing, na área de Segurança Tecnológica responsável pela monitoração, análise de vulnerabilidades e a saúde das estações de trabalho.

Fernando Felizate Pereira
Nascido em 01 de Dezembro de 1980 na cidade de São Paulo, Técnico em Administração de Empresas, trabalha na Serasa Experian como analista de suporte unix.

Leandro de Marchi
Nascido em 08 de Outubro de 1984 na cidade de Guarulhos, Trabalha na CPM Braxis como analista de sistemas desenvolvendo softwares.

Sérgio Antonio Mathias da Silva
Nascido em 18 de Junho de 1967 na cidade de São Paulo, Técnico em Eletrônica, trabalha na R&A Telecom Ltda como supervisor no centro de reparos de equipamentos de telecomunicação.

 

Professor Orientador:

Dr. Alexandre Brincalepe Campo

Professores Co-orientadores:

Ms. Maria Cristina Balejo Piedade

Ms. Alberto Akio Shiga

Ms. Gabriel Issa Jabra Shammas

 

Author Information:
Felippe deC. Barros
Universidade São Judas
Brazil
felippe.barros@hp.com

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