Instrumentação em eletromiografia

Instrumentação em eletromiografia

(Parte 1 de 5)

Instrumentação em Eletromiografia

Paulo Henrique Marchetti & Marcos Duarte

Laboratório de Biofísica, Escola de Educação Física e Esporte, Universidade de São Paulo. Av. Prof. Mello de Moraes, 65, 05508-030, São Paulo/SP

Resumo

A eletromiografia é uma ferramenta importante na análise clínica da marcha e bastante utilizada para revelar informações relacionadas ao estado de ativação do músculo

Este capítulo tem como objetivo revisar conceitos relevantes à instrumentação e utilização da eletromiografia como ferramenta para a análise da marcha. De forma didática, o dividimos em duas sessões distintas: aquisição do sinal eletromiográfico e análise do sinal eletromiográfico. Introduzimos ainda, sessões informativas a respeito da padronização sobre instrumentação, tipos de eletromiógrafos e sites de pesquisa.

Marchetti & Duarte (2006) Instrumentação em Eletromiografia

Laboratório de Biofísica – http://lob.iv.fapesp.br

2 Sumário

1 ELETROMIOGRAFIA3
1.1 AQUISIÇÃO DO SINAL ELETROMIOGRÁFICO4
1.1.1 Freqüência de amostragem4
1.1.2 Eletrodos4
1.1.3 Amplificadores8
1.1.4 Filtros1
1.1.5 Conversor Analógico/Digital14
1.2 ANÁLISE DO SINAL ELETROMIOGRÁFICO16
1.2.1 Análise no domínio do tempo16
1.2.1.1 Retificação16
1.2.1.2 Envoltório Linear16
1.2.1.3 Root mean square (RMS)17
1.2.1.4 Integração18
1.2.2 Normalização19
1.2.3 Análise no domínio de freqüências2
1.2.3.1 Transformada Rápida de Fourier e Densidade Espectral de Energia2
2 RECOMENDAÇÕES DO ISEK24
3 SITES DE PESQUISA NA INTERNET27

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1 Eletromiografia

Eletromiografia é uma técnica de monitoramento da atividade elétrica das membranas excitáveis, representando a medida dos potencias de ação do sarcolema, como efeito de voltagem em função do tempo. O sinal eletromiográfico (EMG) é a somação algébrica de todos os sinais detectados em certa área, podendo ser afetado por propriedades musculares, anatômicas e fisiológicas, assim como pelo controle do sistema nervoso periférico e a instrumentação utilizada para a aquisição dos sinais (ENOKA, 2000).

A eletromiografia é uma ferramenta importante na análise clínica da marcha, fornecendo informações relevantes sobre o timming de ativação da musculatura envolvida no movimento, a intensidade de sua ativação, a duração de sua atividade e a variabilidade ciclo a ciclo.

Deste modo, este capítulo tem como objetivo revisar conceitos relevantes à instrumentação e utilização da eletromiografia como ferramenta para a análise da marcha. De forma didática, o dividimos em duas sessões distintas: aquisição do sinal eletromiográfico e análise do sinal eletromiográfico. Introduzimos ainda, sessões informativas a respeito da padronização sobre instrumentação, tipos de eletromiógrafos e sites de pesquisa.

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1.1 Aquisição do sinal eletromiográfico

O sinal EMG é adquirido por um eletromiógrafo que tipicamente está acoplado a um computador. O sinal EMG captado no corpo humano é um sinal analógico (um sinal contínuo no tempo) que então deve ser convertido para sinal digital (um sinal discreto, que é definido somente para certos intervalos de tempo), para poder ser registrado pelo computador. Para tanto, certos parâmetros devem ser ajustados na aquisição do sinal EMG, dependendo da tarefa e objetivos para posterior análise. Os principais parâmetros são: freqüência de amostragem, componentes como eletrodo, amplificadores, filtro, conversor analógico/digital, além do equipamento de armazenagem dos dados (computador).

1.1.1 Freqüência de amostragem

O SENIAM (acrônimo para o consórcio europeu Surface EMG for the Non-

Invasive Assessment of Muscles) define amostragem como sendo a leitura de um valor do sinal em certo instante específico. A definição da freqüência de amostragem possui um papel crítico para a correta reprodução digital do sinal EMG analógico. Um sinal analógico, reproduzido digitalmente com uma baixa freqüência de amostragem, pode não conter todas as informações relevantes.

O teorema de Nyqüist ou Shannon propõe que para a correta reconstrução digital do sinal EMG, deve-se utilizar uma freqüência de amostragem de, no mínimo, o dobro de sua maior freqüência. O sinal EMG de superfície pode ter freqüências de até cerca de 400 a 500 Hz (a freqüência máxima é afetada por fatores como tipo de unidade motora e contração, tamanho do eletrodo e distância entre eletrodos e músculos, entre outros fatores). Portanto, considera-se como freqüência de amostragem mínima para o sinal EMG superficial da ordem de 1000 Hz ou mais (DELSYS, 2006; HERMENS, FRERIKS, DISSELHORST-KLUG e RAU, 2000).

1.1.2 Eletrodos

Os eletrodos são dispositivos de entrada e saída de corrente em um sistema elétrico. O eletrodo é o local de conecção entre o corpo e o sistema de aquisição,

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Laboratório de Biofísica – http://lob.iv.fapesp.br devendo ser colocado próximo o bastante do músculo para que este possa captar sua corrente iônica. A área da interface eletrodo-tecido é chamada de superfície de detecção, comportando-se como um filtro passa-baixa cujas características dependem do tipo de eletrodo e do eletrólito utilizado (DE LUCA, 1997).

Existem diversos tipos de eletrodos, delineados para diferentes tipos de aquisição, tarefa, natureza da pesquisa e músculo específico. Em se tratando de músculos profundos ou pequenos, utilizam-se eletrodos de fio ou de agulha, pois esses possuem pequena área de detecção e são limitados nos estudos de unidades motoras. Para análise das unidades motoras, utilizam-se eletrodos de agulha, pois possuem menor área de detecção, embora sejam críticos em atividades de contração forçada ou por influência considerável de dor (DE LUCA, 1997).

Muitos outros tipos de eletrodos têm sido confeccionados para diferentes propostas, como eletrodos de “malha” (array), utilizados para aquisição das características de propagação dos potenciais de ação das fibras musculares. Entretanto, neste texto serão enfatizados apenas os eletrodos superficiais, por sua aplicabilidade ao contexto em questão.

Os eletrodos superficiais são aderidos à pele, constituindo uma superfície de detecção que capta a corrente na pele através da interface pele-eletrodo. São geralmente compostos por um sistema Ag-AgCL associado a um gel condutor (eletrólito). Contudo, qualquer combinação metal/gel que permita reação eletrolítica pode servir (DE LUCA, 1997).

O SENIAM (HERMENS et al., 2000) recomenda a utilização de eletrodos

Ag/AgCL associado a um gel condutor, que promove uma transição estável com relativo baixo ruído, possuindo, desta forma, um comportamento estável em função do tempo (reações químicas em sua interface com a pele).

O sinal EMG pode ser adquirido, não necessariamente por um simples eletrodo, mas pode resultar de uma combinação dos sinais advindos de vários detectores, podendo, deste modo, ser classificado como monopolar, bipolar e sistema multipolar (DUCHENE e GOUBEL, 1993) (FIGURA 1). A configuração monopolar é grandemente utilizada quando se adquire um sinal simples e associada a este, se faz necessária a utilização de um eletrodo de referência, longe o bastante do eletrodo ativo para evitar perturbações no campo elétrico das vizinhanças do local de aquisição. A razão sinal/ruído torna-se pobre e a seletividade dramaticamente diminuída, portanto possuem sérias implicações, principalmente em mensurações de

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Laboratório de Biofísica – http://lob.iv.fapesp.br velocidade de propagação. Este tipo de configuração monopolar é freqüentemente utilizado em análises gerais do sinal EMG, quando o objetivo é comparar a morfologia interna e sinais externos ou mesmo, quando o músculo é muito pequeno ou estreito para configurações bipolares (DUCHENE e GOUBEL, 1993).

Eletrodos com configuração bipolar são os mais utilizados em estudos que envolvem exercícios de contração voluntária, ou sob condições de estimulação elétrica. O principal interesse em tal configuração está relacionado aos benefícios de uma alta taxa de rejeição de modo comum, para um moderno sistema de amplificação diferencial. A detecção diferencial é empregada para eliminar potencialmente grandes ruídos das linhas de força, sendo sua premissa simples. O sinal é detectado em dois locais, onde a circuitaria eletrônica subtrai e então amplifica sua diferença. Como resultado, qualquer sinal que é comum a ambos os locais de detecção será removido, e os sinais que são diferentes nos dois locais serão amplificados (DE LUCA, 1997).

Normalmente são utilizados eletrodos superficiais passivos, isto é, que não possuem amplificação no próprio eletrodo. Este tipo de eletrodo apenas detecta o sinal EMG e o envia ao condicionador (amplificador associado ao filtro analógico). Entretanto, em atividades dinâmicas, onde se adiciona o ruído advindo do movimento dos cabos, faz-se interessante o uso de eletrodos ativos, que realizam a amplificação do sinal detectado antes de ser enviado ao condicionador. Esses eletrodos possuem um pré-amplificador diferencial que subtrai e amplifica o sinal EMG, tornando, desta forma, o movimento dos cabos menos significativo.

A geometria do eletrodo é um outro aspecto crítico do aparato eletrônico utilizado na obtenção do sinal EMG.

Dois pontos principais devem ser considerados quanto à escolha do eletrodo, sendo a primeira relacionada à distância entre as superfícies de detecção. Esta distância inter-eletrodos é definida como a distância de centro a centro entre as áreas condutivas dos mesmos, afetando o comprimento de banda das freqüências e a amplitude do sinal EMG. Uma pequena distância altera o comprimento de banda para altas freqüências e diminui a amplitude do sinal EMG. Por esta razão, a distância pode ser fixada para comparações quantitativas entre aquisições feitas dentro ou entre músculos. Preferivelmente, a superfície de detecção pode ser montada em uma plataforma fixa, não sendo necessário separar as superfícies de detecção por grandes espaços (DELSYS, 2006). A recomendação da distância entre

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Laboratório de Biofísica – http://lob.iv.fapesp.br eletrodos proposta pelo SENIAM (HERMENS et al., 2000) é de 20 m (de centro a centro).

O segundo ponto a ser considerado é o tamanho e a forma das superfícies de detecção. Quanto maior o tamanho da superfície de detecção, maior a amplitude do sinal EMG detectado e menor o ruído elétrico que será gerado na interface entre a pele e a superfície de detecção, entretanto, este deve ser pequeno o bastante para evitar o cross-talk de outros músculos (DELSYS, 2006; HERMENS et al., 2000).

Em se tratando da qualidade de aquisição do sinal EMG por parte dos eletrodos, faz-se necessário minimizar a influência da impedância pele/eletrodo. Deste modo, certos cuidados devem ser tomados, tais como limpeza da pele, remoção dos pêlos e leve abrasão para remoção de células mortas (WINTER, 1990; HERMENS et al., 2000).

O local e posicionamento dos eletrodos podem ter grande interferência na qualidade do sinal EMG. Portanto, se faz relevante a discussão de tais aspectos, considerados fundamentais:

• Localização do eletrodo com relação ao ponto motor. Define-se ponto motor como o local no músculo onde a introdução de mínima corrente elétrica causa um perceptível estímulo nas fibras musculares superficiais. Este ponto, usualmente, mas não sempre, corresponde a parte da zona de inervação em um músculo possuindo grande densidade neural, dependendo da anisotropia do músculo nesta região. Sob o ponto de vista da estabilidade do sinal EMG, um ponto motor fornece um péssimo local para a detecção do sinal EMG (para eletrodos diferenciais), pois nesta região os potencias de ação viajam em ambas as direções, assim, as fases positivas e negativas dos potencias de ação podem ser subtraídos, cancelando-se. O SENIAM (HERMENS et al., 2000) propõe que o eletrodo seja colocado entre o ponto motor e o tendão distal do músculo avaliado.

elétrica)

• Formas de Interferência do sinal EMG. Existem três formas principais de interferência do sinal EMG, que estão relacionadas ao batimento cardíaco, aquisição do sinal EMG de músculos vizinhos (cross-talk) e artefatos eletromecânicos (movimentos do equipamento/cabo e influência da rede

• Direção do eletrodo em relação às fibras musculares. Como o potencial de ação possui trajetória no mesmo sentido das fibras musculares, o eletrodo

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Laboratório de Biofísica – http://lob.iv.fapesp.br deve ser alinhado em tal sentido para a melhor obtenção do sinal EMG (HERMENS et al., 2000). Quando assim arranjadas, ambas as superfícies de detecção interccionam-se, com a maioria dessas mesmas fibras musculares.

• Eletrodo de referência. Quanto ao eletrodo de referência, o SENIAM

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