Entradas Y Salidas

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA PARA LA DETECCIÓN

DE SEÑALES ELECTROMIOGRÁFICAS

TESIS

Presentada por:

Irving Aaron Cifuentes González

En opción al título de:

Licenciado en Ingeniería en Computación

Asesor:

Dr. Francisco José Heredia López

Mérida, Yucatán, Septiembre 2010

RESUMEN

Este trabajo presenta el diseño y construcción de un sistema para la adquisición de señales electromiográficas provenientes de los músculos bíceps y tríceps, así como la metodología seguida para obtener los resultados obtenidos. La finalidad del trabajo consiste en plantear la primera etapa para la construcción de un sistema de prótesis mioeléctrica que pueda reconocer los potenciales de acción generados por los músculos y mediante un algoritmo de aprendizaje como el de las redes neuronales, sea capaz de reconocer los potenciales de disparo de Electromiografía y catalogarlos como alguno de los movimiento del brazo.

I

DEDICATORIA

Esta Tesis se la dedico a mis padres:

Ana Gabriela González Salazar

José Guadalupe Cifuentes Kú

II

AGRADECIMIENTOS

Primeramente agradecer a Dios por estar conmigo en cada momento y por haber dado una maravillosa familia, por darme salud, bienestar y consuelo en tiempos difíciles.

Seguidamente agradezco a mi familia por estar a mi lado y apoyarme siempre, por ser mi soporte y motivación. A mi Madre por todos los sacrificios hechos para protegerme y asegurarse que tenga educación, por cuidarme y darme todos los valores que tengo; A mi Padre por todos los esfuerzos hechos para lograr que no nos falte nunca lo indispensable y por todos sus sabios consejos. Gracias por todo, ni con una vida completa podría pagarles por todo lo que hicieron y hacen por mí, Muchas gracias, saben que los quiero mucho y que siempre están en mi corazón. A mis hermanitos, abuelas, abuelos y tías por todo su cariño y su apoyo incondicional.

A mi asesor F.J.H.L. y profesores por compartir parte de sus conocimientos y experiencias, así como también a mis amigos y en especial a mi mejor amiga L.P.D.C por apoyarme y ayudarme incondicionalmente cuando lo necesitaba.

Aaron

III

TABLA DE CONTENIDO PAG.

1. INTRODUCCION……………………………………………………...1

2. MARCO TEORICO……………………………………………………2

2.1 ELECTRODOS...................................................................5

2.2 ELECTROMIOGRAFÍA………………………………………6

2.2.1 ELECTROMIOGRAFÍA INVASIVA…………………7

2.2.1.1 ELECTRODOS DE AGUJA………………..8

2.2.2 ELECTROMIOGRAFÍA SUPERFICIAL……………9

2.2.2.1 ELECTRODOS SUPERFICIALES……....10

2.2.3 LOCALIZACIÓN DE LOS ELECTRODOS, FORMA, TAMAÑO, DISTANCIA INTER-ELECTRODO Y MATERIAL………………………………………………13

2.3 FUNDAMENTOS ELECTRÓNICOS………………………16

2.3.1 AMPLIFICADOR OPERACIONAL………………..16

2.3.1.1 LA CONFIGURACIÓN INVERSORA…....17

2.3.1.2 CONFIGURACIÓN NO INVERSORA…...18

2.3.1.3 EL SEGUIDOR DE VOLTAJE……………19

2.3.1.4 AMPLIFICADOR DIFERENCIAL………...19

2.3.1.5 RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA DE PRECISIÓN…..…………………………………….20

2.3.1.6 CIRCUITO COMPARADOR……………...21

2.3.1.7 CIRCUITO INTEGRADOR……………….22

2.4 EL ELECTROMIÓGRAFO………………………………....23

2.4.1 ETAPA DE PRE AMPLIFICACIÓN……………….24

2.4.2 ETAPA DE FILTRADO………………………….....25

IV

2.4.3 CONVERSIÓN ANÁLOGA DIGITAL…………......26

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA……………………………..27

4. OBJETIVO DE LA TESIS………………………………………......28

5. METODOLOGIA……………………………………………………..28

5.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO

PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROMIOGRÁFICAS CON FUENTE BIPOLAR……………………………………..............................29

5.1.1 ELECTRODOS……………………………………..30

5.1.2 ETAPA DE PRE AMPLIFICACIÓN……………….32

5.1.3 ETAPA DE FILTRADO………………………….....37

5.1.4 ETAPA DE AMPLIFICACIÓN FINAL……………..42

5.1.5 ETAPA DE RECTIFICACIÓN DE MEDIA

ONDA...………………………………………………….....42

5.1.6 ETAPA DE PULSOS CUADRADOS……………..44

5.2 CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO IMPRESO…………..46

5.3 CAPTURA DE REGISTROS DE EMG……………………47

5.4 RESULTADOS……………………………………………….49

5.6 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL

PROTOTIPO DE ADQUISICIÓN DE EMG DE

UN SOLO CANAL LVTTL…...................................................53

5.6.1 ELECTRODOS……………………………………..56

5.6.1.1 CONSTRUCCIÓN…………………………56

5.6.1.2 MONTAJE Y UBICACIÓN………………..58

5.6.2 GANANCIAS………………………………………..59

5.6.3 ETAPA DE PRE AMPLIFICACIÓN……………....60

V

5.6.3 ETAPA DE FILTRADO…………………………….67

5.6.4 ETAPA DE AMPLIFICACIÓN FINAL……………..69

5.6.5 ETAPA DE RECTIFICACIÓN DE MEDIA

ONDA……………………………………………………….70

5.6.6 PULSOS DIGITALES……………………………....71

5.6.7 CONVERSIÓN ANALÓGICA DIGITAL…………..74

5.6.8 PROGRAMA EN ENSAMBLADOR……..………..79

5.6.9 PROBANDO EL CONVERTIDOR

ANALÓGICO DIGITAL DEL PIC………………………...80

5.6.10 RESULTADOS…………………………………….86

5.7 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO

DE ADQUISICIÓN DE EMG DE DOS CANALES.………......91

5.7.1 RESULTADOS……………………………………...94

6. DISCUSION DE LOS RESULTADOS……………………………..95

7. CONCLUSIONES……………………………………………………96

8. TRABAJO FUTURO…………………………………………………97

9. BIBLIOGRAFIA………………………………………………………98

10. APENDICE I……………………………………………………….100

VI

LISTA DE TABLAS PAG.

TABLA 1. Fuentes de señales bioelestricas sensadas por electrodos……………………………………………………5

TABLA 2. Tabla comparativa del desempeño de varios bioelectrodos………………………………………………12

TABLA 3. Tabla comparativa de los amplificadores de instrumentacion usados en el prototipo…………………53

TABLA 4. Tabla comparativa de los amplificadores de operacionales usados en el prototipo………………......54

TABLA 5. Principales caracteristicas de los amplificadores de

auto zero usados en el prototipo………………………...54

TABLA 6. Valores de resistencias y capacitores del INA326…….61

TABLA 7. Principales caracteristicas del PIC16687……………….75

TABLA 8. Carcteristicas del reloj para el ADC……………………..77

TABLA 9. Precios de algunos componentes usados en el

prototipo…………………………………………………….96

VII

1. INTRODUCCION

La ingeniería biomédica es una vertiente de las ciencias exactas que incluye el estudio, desarrollo e innovación de tecnologías para fines médicos, de terapia o rehabilitación así como técnicas de administración de recursos hospitalarios. Es dentro de esta disciplina que se encuentra inmerso el desarrollo de interfaces mioeléctricas; una interfaz mioeléctrica es un dispositivo electrónico que hace uso de señales biológicas producidas por los músculos del cuerpo, las cuales son procesadas por circuitos electrónicos y traducidas para recrear la acción de algún miembro funcional. Hoy en día el desarrollo de estos dispositivos va en ascenso, y su uso ya no solo se centra en el desarrollo de aplicaciones terapéuticas y de rehabilitación, tal es el caso de las prótesis mioeléctricas, las cuales se utilizan para suplir la perdida de algún miembro, principalmente de brazos, manos o piernas; estas nuevas tendencias están orillando el desarrollo de interfaces mioeléctricas para el uso diario, ya sea para facilitar la vida diaria o también para usos de recreación y entretenimiento; por ejemplo el uso de dispositivos mioeléctricos en videojuegos o para en un futuro no muy lejano reemplazar dispositivos de entrada salida de una PC como el mouse o el teclado.

Debido a esto surge la idea de desarrollar una interfaz robusta

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