LA SEÑAL DE EMG

 ELECTROMIOGRAFÍA DE SUPERFICIE (EMG): DETECCIÓN Y GRABACIÓN

 Para detectar y registrar la señal de EMG, existen dos cuestiones principales de preocupación que influyen en la fidelidad de la señal. La primera es la relación señal/ruido. Es decir, la relación de la energía en la señal de EMG y la energía en la señal de ruido. En general, el ruido se define como señales eléctricas que no forman parte de la señal EMG deseada. La segunda es la distorsión de la señal, lo que significa que la contribución relativa de cualquier componente de frecuencia en la señal EMG no debe alterarse.

CARACTERÍSTICAS DE LA SEÑAL EMG

Está bien establecido que la amplitud de la señal EMG es de naturaleza estocástica (aleatoria) y puede representarse razonablemente por una función de distribución gausiana. La amplitud de la señal puede variar de 0 a 10 mV (pico a pico) o de 0 a 1,5 mV (rms). La energía utilizable de la señal está limitada al rango de frecuencia de 0 a 500 Hz, con la energía dominante en el rango de 50-150 Hz. Las señales utilizables son aquellas con energía por encima del nivel de ruido eléctrico. En la Figura 1 se presenta un ejemplo del espectro de frecuencias de la señal EMG





Figura 1: Espectro de frecuencia de la señal EMG detectada desde el músculo tibial anterior durante una contracción isométrica de fuerza constante al 50% del máximo voluntario.

CARACTERÍSTICAS DEL RUIDO ELÉCTRICO

El ruido puede emanar de varias fuentes, tales como:

• Ruido inherente en los componentes electrónicos del equipo de detección y registro: todos los equipos electrónicos generan ruido eléctrico. Este ruido tiene componentes de frecuencia que van desde 0 Hz hasta varios miles de Hz. Este ruido no puede ser eliminado; solo se puede reducir utilizando componentes electrónicos de alta calidad, diseño inteligente de circuitos y técnicas de construcción.
• Ruido ambiental: este ruido proviene de fuentes de radiación electromagnética, como transmisiones de radio y televisión, cables de energía eléctrica, bombillas, lámparas fluorescentes, etc. De hecho, cualquier dispositivo electromagnético genera y puede contribuir con ruido. Las superficies de nuestros cuerpos están constantemente inundados con radiación magnética y eléctrica y es prácticamente imposible evitar la exposición a la misma en la superficie de la tierra. La preocupación dominante por el ruido ambiental surge de la radiación de 60 Hz (ó 50 Hz) de las fuentes de energía. La señal de ruido ambiental puede tener una amplitud que es de uno a tres órdenes de magnitud mayor que la señal EMG.

• Artefactos de movimiento: hay dos fuentes principales de artefactos de movimiento, una desde la interfaz entre la superficie de detección del electrodo y la piel, la otra desde el movimiento del cable que conecta el electrodo al amplificador (eliminado con los sensores inalámbricos). Ambas fuentes pueden reducirse esencialmente mediante el diseño adecuado de los circuitos electrónicos. Las señales eléctricas de ambas fuentes de ruido tienen la mayor parte de su energía en el rango de frecuencia de 0 a 20 Hz.

• Inestabilidad inherente de la señal: la amplitud de la señal EMG es de naturaleza casi aleatoria. Los componentes de frecuencia entre 0 y 20 Hz son particularmente inestables porque se ven afectados por la naturaleza cuasi aleatoria de la velocidad de disparo de las unidades motoras que, en la mayoría de las condiciones, se activan en esta región de frecuencia. Debido a la naturaleza inestable de estos componentes de la señal, es recomendable considerarlos como ruido no deseado y eliminarlos de la señal.

MAXIMIZANDO LA FIDELIDAD DE LA SEÑAL EMG

 Es deseable obtener una señal de EMG que contenga la cantidad máxima de información de la señal de EMG y la cantidad mínima de contaminación por ruido eléctrico. Por lo tanto, la maximización de la relación señal/ruido debe realizarse con una distorsión mínima de la señal EMG. Por lo tanto, es importante que cualquier dispositivo de detección y grabación procese la señal linealmente. En particular, la señal no debe recortarse, es decir, los picos no deben distorsionarse y no se debe realizar un filtrado innecesario. Debido a que la radiación de la línea eléctrica (50 ó 60 Hz) es una fuente dominante de ruido eléctrico, es tentador diseñar dispositivos que tengan un filtro de muesca en esta frecuencia. En teoría, este tipo de filtro solo eliminaría la frecuencia de la línea de alimentación no deseada; sin embargo, las implementaciones prácticas también eliminan partes de los componentes de frecuencia adyacentes. Debido a que la energía dominante de la señal de EMG se ubica en el rango de 50-100 Hz, no se recomienda el uso de filtros de muesca (notch filters) cuando existen métodos alternativos para tratar la radiación de la línea de alimentación.

DISEÑO DE ELECTRODOS Y AMPLIFICADOR

El diseño de la unidad de electrodo es el aspecto más crítico de los aparatos electrónicos que se utilizarán para obtener la señal. La fidelidad de la señal EMG detectada por el electrodo influye en todos los tratamientos posteriores de la señal. Es muy difícil (casi imposible) mejorar la fidelidad y la relación señal/ruido de la señal más allá de este punto. Por lo tanto, es importante diseñar una unidad de electrodo que proporcione una distorsión mínima y una relación señal/ruido más alta. Las siguientes características son importantes para lograr este requisito.

• Amplificación diferencial: para eliminar la señal de ruido potencialmente mucho mayor de las fuentes de la línea eléctrica, se emplea una configuración de detección diferencial. La técnica de amplificación diferencial se muestra esquemáticamente en la Figura 2. La premisa es simple. La señal se detecta en dos sitios, el circuito electrónico resta las dos señales y luego amplifica la diferencia. Como resultado, cualquier señal que sea "común" a ambos sitios de detección se eliminará y las señales que son diferentes en los dos sitios tendrán un "diferencial" que se amplificará. Cualquier señal que se origine lejos de los sitios de detección aparecerá como una señal común, mientras que las señales en las inmediaciones de las superficies de detección serán diferentes y se amplificarán. Por lo tanto, las señales de ruido de líneas eléctricas relativamente distantes se eliminarán y las señales de EMG relativamente locales se amplificarán. Esta explicación requiere la disponibilidad de un "sustractor" altamente preciso. En la práctica, incluso con la maravillosa electrónica de hoy en día, es muy difícil restar señales perfectamente. La precisión con la que el amplificador diferencial puede sustraer las señales se mide mediante la Relación de Rechazo de Modo Común (CMRR). Un restador perfecto tendría un CMRR de infinito. Un CMRR de 32.000 o 90 dB es generalmente suficiente para eliminar ruidos eléctricos extraños. La tecnología actual permite un CMRR de 120 dB, pero hay al menos tres razones para no llevar el CMRR al límite: 
1) Tales dispositivos son caros. 
2) Son difíciles de mantener eléctricamente estables, y
3) las señales de ruido extrañas pueden no llegar a las dos superficies de detección en fase, y por lo tanto no son señales de modo común en el sentido absoluto.

 

• Impedancia de entrada: la impedancia de la fuente en la unión de la piel y la superficie de detección puede variar desde varios miles de ohmios hasta varios megaohms para la piel seca. Para evitar la atenuación y distorsión de la señal detectada debido a los efectos de la carga de entrada, la impedancia de entrada del amplificador diferencial debe ser lo más grande posible, sin causar complicaciones secundarias al funcionamiento del amplificador diferencial. Los dispositivos electrónicos actuales proporcionan fácilmente impedancias de entrada del orden de 1.012 ohmios en paralelo con 5 picofaradios. Además de la magnitud de la impedancia de entrada, el equilibrio entre las impedancias de los dos sitios de detección también es de gran importancia. Está consideración requiere de un cuidadoso diseño del circuito.







Figura 2: Esquema de la configuración del amplificador diferencial. La señal EMG está representada por 'm' y las señales de ruido por 'n'.

 • Diseño de electrodo activo: el requisito de una alta impedancia de entrada introduce un problema conocido como acoplamiento de capacitancia en la entrada del amplificador diferencial. Una pequeña capacitancia entre los cables que conducen a la entrada del amplificador diferencial y la línea de alimentación introducirá una señal de ruido de línea de alimentación en el amplificador. Este fenómeno es similar al que hace que aumente la intensidad de la señal de la televisión cuando uno coloca la mano cerca de la entrada de la antena, pero no la toca. La solución es colocar el amplificador diferencial lo más cerca posible de las superficies de detección del electrodo. Esta solución se conoce como el "electrodo activo". Otra ventaja de esta configuración es que la impedancia de salida del amplificador diferencial puede ser muy baja, del orden de 10 ohmios. Por lo tanto, cualquier movimiento del cable desde la salida del electrodo no generará señales de ruido significativas o incluso notables en el cable que alimenta al amplificador posterior.

• Filtrado: incluso con las consideraciones anteriores, la señal de EMG estará contaminada por algún ruido. La relación señal/ ruido puede aumentarse mediante un filtrado juicioso entre 20-500Hz con una reducción de 12 dB/oct. (Las características de diseño estrictas podrían considerar 400 Hz como el límite de ancho de banda superior. El valor de 500 Hz permite un margen de seguridad en el diseño de los circuitos). Este filtrado generalmente se realiza en la etapa del amplificador ubicada fuera del electrodo activo.

• Estabilidad del electrodo: cuando se coloca un electrodo en la piel, las superficies de detección entran en contacto con los electrolitos de la piel. Se produce una reacción química que requiere algún tiempo para estabilizarse, generalmente en el orden de unos pocos segundos si el electrodo está diseñado correctamente. Pero, lo que es más importante, la reacción química debe permanecer estable durante la sesión de grabación y no debe cambiar significativamente si las características eléctricas de la piel cambian por sudoración o cambios de humedad.
• Método de uso preferido: dado el alto rendimiento y el pequeño tamaño de la electrónica de hoy en día, es posible diseñar electrodos activos que satisfagan los requisitos anteriores sin requerir ninguna preparación abrasiva de la piel y la eliminación del vello.

GEOMETRÍA DE ELECTRODOS
A lo largo de la historia de la electromiografía, la forma y el diseño de la superficie de detección del electrodo no han recibido mucha atención. Lo más probable es que los usuarios anteriores de electromiografía hayan estado interesados solo en los aspectos cualitativos de la señal EMG. La llegada de nuevas técnicas de procesamiento para extraer información cuantitativa de la señal de EMG requiere un mayor enfoque en la configuración del electrodo. Los puntos principales (pero no todos) a considerar son:
1.) La relación señal/ruido de la señal detectada,
2.) El ancho de banda de la señal,
3.) El tamaño de la muestra muscular, y
4.) La susceptibilidad a las interferencias (crosstalk).
• Relación señal/ruido: la relación señal/ruido es una función de complicadas interacciones  entre los electrolitos en la piel y el metal de las superficies de detección del electrodo. Este es un tema complicado que está más allá del alcance de este breve tratado. Basta con decir que existen varios enfoques para reducir el ruido, como el uso de grandes superficies para las superficies de detección, el empleo de electrolitos conductores para mejorar el contacto con la piel y la eliminación de dermis muerta (menos conductora) de la superficie de la piel. . A través de prueba y error, hemos encontrado que las superficies de detección hechas de plata pura (> 99.5%) en forma de barras de 1 cm de largo y 1 mm de ancho proporcionan un medio suficientemente bueno para la superficie de detección.
La amplitud de la señal EMG es directamente proporcional a la distancia entre las superficies de detección. Por lo tanto, esta distancia debe ser maximizada. Pero, aumentar esta distancia introduce características indeseables al diseño del electrodo. A medida que el electrodo se hace más grande, se vuelve difícil de manejar y no se puede usar para detectar señales de EMG de músculos relativamente pequeños (tanto de ancho como de longitud), como los que se encuentran en la mano, el antebrazo y la pierna. Además, a medida que aumenta la distancia, las características de filtrado de la amplificación diferencial disminuyen en el ancho de banda. (La explicación de este punto esotérico se puede encontrar en el Capítulo 2 de Muscles Alive (1985) de Basmajian y De Luca). Por lo tanto, es necesario un compromiso. Hemos descubierto mediante cálculos y heurísticas que un espaciado de superficie de interdetección de 1 cm proporciona un aceptable compromiso.
• Ancho de Banda: el ancho de banda de la señal de EMG se ve afectado por el espacio de inter-detección de la superficie y la velocidad de conducción de los potenciales de acción a lo largo de las fibras musculares. La configuración diferencial posee una función de filtrado espacial que se puede expresar como un filtro de paso de banda en la región de frecuencia espectral de la señal EMG. De nuevo, ver Muscles Alive (1985) pp. 46-50 para más detalles. Para una velocidad de conducción promedio de 4,0 m/s y una distancia de superficie de inter-detección de 1,0 cm, la frecuencia de paso es de 200Hz y el punto nulo es de 400Hz. Este ancho de banda captura todo el espectro de frecuencias de la señal EMG y suprime el ruido en las frecuencias más altas.
• Tamaño de la muestra muscular: no es necesario que el tamaño de la muestra muscular sea grande porque las fibras musculares de las unidades motoras se distribuyen en la mayor parte de la sección transversal muscular. Por lo tanto, no es necesario cubrir una gran parte del músculo con la superficie de detección del electrodo para obtener una muestra representativa de la señal de EMG para un conjunto particular de unidades motoras activas.
• Susceptibilidad al Crosstalk: la susceptibilidad a la conversación cruzada (crosstalk) es un aspecto de diseño que a menudo se pasa por alto en los electrodos de EMG. Cuanto mayor sea el ancho y la longitud de las superficies de detección y mayor sea la distancia entre la superficie de interdetección, más cerca estará el electrodo de los músculos adyacentes. Por lo tanto, los electrodos más grandes son más susceptibles a detectar señales de músculos adyacentes (laterales e inferiores). En situaciones en las que este tema es preocupante, es recomendable reducir el tamaño del electrodo.

 

EL ELECTRODO DE BARRAS PARALELAS: A partir de la discusión anterior, es evidente que el diseño de un electrodo de propósito general solo se puede realizar haciendo concesiones en las dimensiones y la configuración de las superficies de detección y la distancia de la superficie de interdetección. Nuestra experiencia nos ha llevado a utilizar espacios de barras paralelas (1 cm de largo y 1 mm de ancho) separadas 1 cm, como se muestra en la figura 3. 

Además de satisfacer la mayoría de los requisitos anteriores, esta configuración también tiene algunas ventajas prácticas:
1. Se puede construir de modo que sea lo suficientemente pequeño y liviano para no ser molesto para el sujeto.
2. El espacio de 1 cm entre las superficies de detección es lo suficientemente grande como para no proporcionar un camino de cortocircuito eléctrico prohibitivo cuando la piel suda.

COLOCACIÓN DE ELECTRODOS EMG

• Ubicación y orientación del electrodo: el electrodo debe colocarse entre un punto motor y la inserción del tendón o entre dos puntos motores, y a lo largo de la línea media longitudinal del músculo. El eje longitudinal del electrodo (que pasa a través de ambas superficies de detección) debe alinearse en paralelo a la longitud de las fibras musculares. La Figura 4 proporciona una representación esquemática de la ubicación preferida del electrodo.

Figura 3: Representación esquemática de barras y configuraciones circulares para electrodos.





Figura 4: la ubicación preferida del electrodo se encuentra entre el punto motor (o zona de inervación) y la inserción tendinosa, con las superficies de detección dispuestas de manera que se crucen la mayor cantidad posible de fibras musculares.






 • NO en o cerca del tendón del músculo: a medida que las fibras musculares se aproximan a las fibras del tendón, las fibras musculares se vuelven más delgadas y menos numerosas, lo que reduce la amplitud de la señal de EMG. También en esta región, la dimensión física del músculo se reduce considerablemente, lo que dificulta la ubicación correcta del electrodo y hace que la detección de la señal sea susceptible de interferencias debido a la posible proximidad de los músculos agonistas.

• NO en el punto motor: durante el último medio siglo, se ha enseñado que para detectar una señal EMG de superficie, el electrodo debe estar ubicado en un punto motor del músculo. El punto motor es ese punto en el músculo donde la introducción de una corriente eléctrica mínima causa una contracción perceptible de las fibras musculares de la superficie. Este punto generalmente, pero no siempre, corresponde a la parte de la zona de inervación en el músculo que tiene la mayor densidad neuronal, dependiendo de la anisotropía del músculo en esta región. Presumiblemente, los puntos motores se han usado como puntos de referencia porque eran identificables y proporcionaban un punto de referencia anatómico fijo. Desafortunadamente, desde el punto de vista de la estabilidad de la señal, un punto motor proporciona la peor ubicación para detectar una señal de EMG. En la región de un punto motor, los potenciales de acción viajan caudalmente y rostralmente a lo largo de las fibras musculares, por lo que las fases positiva y negativa de los potenciales de acción (detectadas por la configuración diferencial) se sumarán y restarán con pequeñas diferencias de fase que causan la señal EMG resultante, teniendo componentes de mayor frecuencia. En el dominio del tiempo, la señal aparece como más irregular y con picos más agudos. La pérdida de estabilidad se debe al hecho de que un desplazamiento menor (0,1 mm) afectará de manera impredecible la cantidad de cambio en las características de frecuencia de la señal.

Una nota de precaución sobre los puntos motores y zonas de inervación: La mayoría de los músculos tienen múltiples zonas de inervación en todo el músculo. Pueden identificarse mediante la aplicación de estimulación eléctrica en la piel por encima de la superficie del músculo o mediante otras técnicas de mapeo de superficie más complicadas técnicamente. Si ninguno de los procedimientos es conveniente, coloque el electrodo en el centro del músculo entre el origen y el punto de inserción.

• NO en los bordes externos del músculo: en esta región, el electrodo es susceptible de detectar señales de interferencia de músculos adyacentes. Es una buena práctica evitar esta situación. Para algunas aplicaciones, las señales de interferencia pueden ser indeseables.
• Orientación del electrodo con respecto a las fibras musculares: el eje longitudinal del electrodo (que pasa a través de ambas superficies de detección) debe alinearse en paralelo a la longitud de las fibras musculares. Cuando estén dispuestas, ambas superficies de detección se cruzaran con la mayoría de las mismas fibras musculares. Por lo tanto, las características espectrales de la señal de EMG reflejarán las propiedades de un conjunto fijo de fibras musculares en la región del electrodo. Además, el espectro de frecuencia de la señal de EMG será independiente de cualquier factor trigonométrico que proporcione una estimación errónea de la velocidad de conducción. El valor resultante de la velocidad de conducción afecta a la señal de EMG al alterar las características temporales de la señal de EMG y, por consiguiente, su espectro de frecuencia.
PROCESAMIENTO DE SEÑAL EMG
Durante varias décadas, se ha aceptado comúnmente que la manera preferida para procesar la señal EMG era calcular la señal Rectificada Integrada. Esto se hizo rectificando la señal EMG (haciendo que la señal tuviera desviaciones de una polaridad), integrando la señal en un intervalo de tiempo específico y formando posteriormente una serie de tiempo de los valores integrados. Este enfoque se generalizó y fue posible realizar estos cálculos de forma algo precisa y económica con la tecnología electrónica limitada de décadas anteriores. Los avances logrados en los dispositivos electrónicos durante las últimas décadas han permitido calcular de manera conveniente y precisa la media cuadrática (rms – root mean squared) y el valor promedio rectificado (avr – average rectified value) de la señal de EMG. El valor avr es similar al valor rectificado integrado, si los cálculos se realizan de manera correcta y precisa. Ambas variables proporcionan una medida del área bajo la señal pero no tienen un significado físico específico. Por otro lado, el valor rms es una medida de la potencia de la señal, por lo que tiene un significado físico claro. Por esta razón, el valor rms se prefiere para la mayoría de las aplicaciones.
APLICACIONES DE LA SEÑAL EMG
Actualmente hay tres aplicaciones comunes de la señal EMG. Son:
• Determinar el tiempo de activación del músculo, es decir, cuando comienza y termina la excitación al músculo.
• Estimar la fuerza producida por el músculo.
• Obtener un índice de la velocidad a la que un músculo se fatiga a través del análisis del espectro de frecuencias de la señal.

En un futuro no muy lejano, podemos esperar aplicaciones en la evaluación de enfermedades neurológicas que afectan la tipificación de la fibra o el área de la sección transversal de la fibra del músculo.
La relación entre la fuerza producida por el músculo y la amplitud de la señal de EMG requiere una descripción más detallada. Durante las últimas cinco décadas, la literatura científica ha promulgado una aparente controversia sobre este tema. Algunos informes describen una relación relativamente lineal, mientras que otros describen una relación no lineal relativa, con un aumento de la amplitud de la señal EMG mayor que la fuerza. De hecho, ambas posiciones son correctas y la controversia es artificial. Ahora se sabe que en músculos pequeños donde la velocidad de disparo de las unidades motoras tiene un mayor rango dinámico y el reclutamiento de unidades motoras se limita al extremo inferior del rango de fuerza, la relación es relativamente lineal. Mientras que, en músculos más grandes donde el reclutamiento de unidades motoras continúa en el extremo superior del rango de fuerza y la velocidad de disparo tiene un rango dinámico más bajo, la relación es relativamente no lineal.


Para más información, contacte con info@trimedica.es 
(C) Texto y Fotos Delsys

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