Desenvolvimento de um Eletromiógrafo Acessível
Autor(a) principal: | |
---|---|
Data de Publicação: | 2020 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10400.22/16736 |
Resumo: | A eletromiografia é um exame médico que permite visualizar os impulsos elétricos musculares gerados durante os movimentos de contração e relaxamento dos mesmos. A captação destes sinais elétricos pode ser realizada por meio de um circuito eletrónico dotado de sensores próprios para a tarefa, que são fixados junto ao músculo do paciente. Os sinais elétricos captados possuem amplitude numa faixa entre os µV e os mV e a sua concentração no espectro da frequência depende do grupo muscular. Para o bicípite, que é o músculo em estudo neste trabalho, as frequências de interesse estão concentradas principalmente nas faixas próximas aos 150 Hz. Estes sinais devem ser condicionados e tratados de forma a permitir a exibição e posterior avaliação por um profissional qualificado. Este trabalho tem como principal objetivo a criação de um eletromiógrafo de baixo custo, que possa ser construído com componentes eletrónicos de fácil obtenção, mas que permita verificar a variação dos movimentos musculares. Em um primeiro momento será realizada uma prova de conceito com componentes com encapsulamento DIP. Isto permitirá, em teoria, miniaturizar o projeto e permitir que este seja leve e utilizável de forma mais prática, como por exemplo no monitoramento de pessoas em programas de reabilitação motora durante um período de várias horas. Devido à maior facilidade de manuseio e menor custo, optou-se pelo uso de sensores superficiais passivos, onde o sensor é recoberto por um gel condutor e é fixado por meio de um material adesivo junto à pele do paciente. O sinal obtido é então enviado para um estágio de tratamento, de forma a elevar a potência do sinal elétrico e retirar possíveis interferências. Foi implementado um estágio de amplificação único, com ganho de 100 vezes, por meio de um amplificador de instrumentação, modelo INA116. De forma a melhorar a rejeição de modo-comum do amplificador, implementou-se uma técnica de referência ativa chamada de DRL (Driven Right Leg). Após o estágio amplificador, foram implementados dois filtros, um passa-alto de 2ª ordem, com ganho unitário e frequência de corte em 15 Hz, e um passabaixo, também de 2ª ordem, de forma a eliminar os sinais com frequência acima de 500 Hz. Os amplificadores operacionais utilizados nos filtros e no DRL estão encapsulados em um circuito integrado (CI) modelo LM324, da fabricante Texas Instruments. Uma vez finalizado o processo de condicionamento e filtragem do sinal, este foi enviado para o estágio de elevação de nível DC, de forma a ajustar o sinal ao potencial entre 0 V e 5 V e permitir a sua conversão analógica – digital. O estágio de elevação DC foi implementado por meio de um circuito somador de sinais, realizado com dois amplificadores operacionais LM324. A conversão analógica-digital é realizada por meio do conversor integrado ao microcontrolador de 8 bits ATMEGA328, da fabricante Atmel. Este processo é realizado a uma taxa de amostragem fixa, cujo valor é calculado respeitando a chamada “Frequência de Nyquist”, que determina que, para conseguir uma reconstrução digital fiel ao sinal analógico, a taxa de amostragem deve ser, no mínimo, o dobro da frequência máxima do sinal captado. Após a conversão analógica digital, foi utilizada a comunicação serial do microcontrolador, em modo assíncrono, com envios apenas em um sentido, para transmitir os dados amostrados do microcontrolador para um computador, onde estes foram lidos e exibidos por meio de uma aplicação computacional desenvolvida em C++. Para facilitar o desenvolvimento de uma interface gráfica em C++ foi utilizado a toolkit QT, que provê classes desenvolvidas especialmente para a criação de gráficos e comunicação série. A aplicação computacional desenvolvida permite verificar de forma gráfica e em tempo real o momento em que o músculo é contraído, embora o sinal possua pouca resolução e ainda possam existir ruídos que não foram completamente eliminados. Apesar dos possíveis pontos de melhoria, é possível considerar que os objetivos foram atingidos, uma vez que as curvas obtidas se assemelham às curvas obtidas em exames reais de eletromiografia, podendo distinguir claramente os momentos de contração e relaxamento do músculo |
id |
RCAP_3ff6285152dc991b17ba31a7c627b6a9 |
---|---|
oai_identifier_str |
oai:recipp.ipp.pt:10400.22/16736 |
network_acronym_str |
RCAP |
network_name_str |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
repository_id_str |
7160 |
spelling |
Desenvolvimento de um Eletromiógrafo AcessívelEMGEletromiografiaEletromiógrafoImpulso elétrico muscularSinal elétrico muscularATMEGA328QTReferência activaEletromiographyEletromiogramMuscular electrical impulseMuscular electrical signalA eletromiografia é um exame médico que permite visualizar os impulsos elétricos musculares gerados durante os movimentos de contração e relaxamento dos mesmos. A captação destes sinais elétricos pode ser realizada por meio de um circuito eletrónico dotado de sensores próprios para a tarefa, que são fixados junto ao músculo do paciente. Os sinais elétricos captados possuem amplitude numa faixa entre os µV e os mV e a sua concentração no espectro da frequência depende do grupo muscular. Para o bicípite, que é o músculo em estudo neste trabalho, as frequências de interesse estão concentradas principalmente nas faixas próximas aos 150 Hz. Estes sinais devem ser condicionados e tratados de forma a permitir a exibição e posterior avaliação por um profissional qualificado. Este trabalho tem como principal objetivo a criação de um eletromiógrafo de baixo custo, que possa ser construído com componentes eletrónicos de fácil obtenção, mas que permita verificar a variação dos movimentos musculares. Em um primeiro momento será realizada uma prova de conceito com componentes com encapsulamento DIP. Isto permitirá, em teoria, miniaturizar o projeto e permitir que este seja leve e utilizável de forma mais prática, como por exemplo no monitoramento de pessoas em programas de reabilitação motora durante um período de várias horas. Devido à maior facilidade de manuseio e menor custo, optou-se pelo uso de sensores superficiais passivos, onde o sensor é recoberto por um gel condutor e é fixado por meio de um material adesivo junto à pele do paciente. O sinal obtido é então enviado para um estágio de tratamento, de forma a elevar a potência do sinal elétrico e retirar possíveis interferências. Foi implementado um estágio de amplificação único, com ganho de 100 vezes, por meio de um amplificador de instrumentação, modelo INA116. De forma a melhorar a rejeição de modo-comum do amplificador, implementou-se uma técnica de referência ativa chamada de DRL (Driven Right Leg). Após o estágio amplificador, foram implementados dois filtros, um passa-alto de 2ª ordem, com ganho unitário e frequência de corte em 15 Hz, e um passabaixo, também de 2ª ordem, de forma a eliminar os sinais com frequência acima de 500 Hz. Os amplificadores operacionais utilizados nos filtros e no DRL estão encapsulados em um circuito integrado (CI) modelo LM324, da fabricante Texas Instruments. Uma vez finalizado o processo de condicionamento e filtragem do sinal, este foi enviado para o estágio de elevação de nível DC, de forma a ajustar o sinal ao potencial entre 0 V e 5 V e permitir a sua conversão analógica – digital. O estágio de elevação DC foi implementado por meio de um circuito somador de sinais, realizado com dois amplificadores operacionais LM324. A conversão analógica-digital é realizada por meio do conversor integrado ao microcontrolador de 8 bits ATMEGA328, da fabricante Atmel. Este processo é realizado a uma taxa de amostragem fixa, cujo valor é calculado respeitando a chamada “Frequência de Nyquist”, que determina que, para conseguir uma reconstrução digital fiel ao sinal analógico, a taxa de amostragem deve ser, no mínimo, o dobro da frequência máxima do sinal captado. Após a conversão analógica digital, foi utilizada a comunicação serial do microcontrolador, em modo assíncrono, com envios apenas em um sentido, para transmitir os dados amostrados do microcontrolador para um computador, onde estes foram lidos e exibidos por meio de uma aplicação computacional desenvolvida em C++. Para facilitar o desenvolvimento de uma interface gráfica em C++ foi utilizado a toolkit QT, que provê classes desenvolvidas especialmente para a criação de gráficos e comunicação série. A aplicação computacional desenvolvida permite verificar de forma gráfica e em tempo real o momento em que o músculo é contraído, embora o sinal possua pouca resolução e ainda possam existir ruídos que não foram completamente eliminados. Apesar dos possíveis pontos de melhoria, é possível considerar que os objetivos foram atingidos, uma vez que as curvas obtidas se assemelham às curvas obtidas em exames reais de eletromiografia, podendo distinguir claramente os momentos de contração e relaxamento do músculoThe electromyography is a medical exam that allows a graphic visualization of the electrical impulses generated by the muscles during the activities of contraction and relaxation. The sampling of these electrical signals can be done through an electronic circuit equipped with special sensors, attached to the patient’s body. The electrical signals captured have an amplitude that may vary in the range from µV and mV, and the main frequencies can vary depending on the muscles monitored. For the biceps, the muscle monitored in this work, the main frequencies are concentrated around the 150 Hz. These signals need to be adjusted and treated in order to allow a proper evaluation, done by a specialist. The main goal of this work is the design of a low-cost device, that can be built with simple components, but able to detect the changes in the muscle’s electrical activity. In a first step, it will be done a proof of concept, with DIP components, and then, in the future, the project will be miniaturized. This will permit injured or old people to be monitored during rehabilitation, by keeping the device attached for a long period. Due to the cost and usability, passive superficial sensors were used, where the sensor is covered by a conductive gel and surrounded by an adhesive material, attached to the patient’s skin. The electrical signal is sent to the conditioning stage, where it will receive a gain in amplitude and will be removed undesired frequencies. The amplifier was implemented in a single stage, with a gain of 100 times, through an instrumentation amplifier, model INA116. To improve the common mode rejection ratio, it was implemented an active reference in the circuit using the so called DRL (Driven Right Led) technique. Next, there were implemented two filters, a second order high-pass, with single gain and cutoff frequency at 15 Hz, and a second order low-pass, also with single gain and cutoff frequency at 500 Hz. The operational amplifiers used to build the filters and the DRL are encapsulated in an integrated circuit (IC) model LM324, made by Texas Instruments. Once the conditioning process was done, it was applied a DC level change, in order to adjust the signal to a range between 0 V and 5 V and enable an analogue-digital conversion. The circuit used to change the signal offset was a summing amplifier, built with two LM324. The analogue-digital conversion was done by the ADC present at the 8-bits microcontroller ATmega328, made by Atmel. This process is done in a fixed sample rate, whose value is called "Nyquist Frequency", and states that to rebuild a signal, it is necessary to have a sample rate, at least, twice the frequency of the observed signal. After the analogue-digital conversion, the communication was stablished using the microcontroller serial communication, in asynchronous mode, to transmit the sampled data to the computer, where it can be read and exhibited in an application developed in C++. To ease the interface development, it was used a toolkit called QT, which contains some classes specially developed to create graphics and implement the serial communication protocol. This application allows to verify in a graphic way, and in real-time, the exact moment when the muscle contraction occurs, even though some interferences in the signal where not completely removed. Despite the future improvement points already mentioned, the main goals were achieved, as the plotted curves are very similar to those obtained in a real electromyography, with clear difference between the relaxation and contraction moments.Marques, António Avelino AmorimRepositório Científico do Instituto Politécnico do PortoSoares, Bruno Oliveira2021-01-25T16:29:16Z20202020-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.22/16736TID:202574539porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-03-13T13:03:54Zoai:recipp.ipp.pt:10400.22/16736Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T17:36:22.260755Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
dc.title.none.fl_str_mv |
Desenvolvimento de um Eletromiógrafo Acessível |
title |
Desenvolvimento de um Eletromiógrafo Acessível |
spellingShingle |
Desenvolvimento de um Eletromiógrafo Acessível Soares, Bruno Oliveira EMG Eletromiografia Eletromiógrafo Impulso elétrico muscular Sinal elétrico muscular ATMEGA328 QT Referência activa Eletromiography Eletromiogram Muscular electrical impulse Muscular electrical signal |
title_short |
Desenvolvimento de um Eletromiógrafo Acessível |
title_full |
Desenvolvimento de um Eletromiógrafo Acessível |
title_fullStr |
Desenvolvimento de um Eletromiógrafo Acessível |
title_full_unstemmed |
Desenvolvimento de um Eletromiógrafo Acessível |
title_sort |
Desenvolvimento de um Eletromiógrafo Acessível |
author |
Soares, Bruno Oliveira |
author_facet |
Soares, Bruno Oliveira |
author_role |
author |
dc.contributor.none.fl_str_mv |
Marques, António Avelino Amorim Repositório Científico do Instituto Politécnico do Porto |
dc.contributor.author.fl_str_mv |
Soares, Bruno Oliveira |
dc.subject.por.fl_str_mv |
EMG Eletromiografia Eletromiógrafo Impulso elétrico muscular Sinal elétrico muscular ATMEGA328 QT Referência activa Eletromiography Eletromiogram Muscular electrical impulse Muscular electrical signal |
topic |
EMG Eletromiografia Eletromiógrafo Impulso elétrico muscular Sinal elétrico muscular ATMEGA328 QT Referência activa Eletromiography Eletromiogram Muscular electrical impulse Muscular electrical signal |
description |
A eletromiografia é um exame médico que permite visualizar os impulsos elétricos musculares gerados durante os movimentos de contração e relaxamento dos mesmos. A captação destes sinais elétricos pode ser realizada por meio de um circuito eletrónico dotado de sensores próprios para a tarefa, que são fixados junto ao músculo do paciente. Os sinais elétricos captados possuem amplitude numa faixa entre os µV e os mV e a sua concentração no espectro da frequência depende do grupo muscular. Para o bicípite, que é o músculo em estudo neste trabalho, as frequências de interesse estão concentradas principalmente nas faixas próximas aos 150 Hz. Estes sinais devem ser condicionados e tratados de forma a permitir a exibição e posterior avaliação por um profissional qualificado. Este trabalho tem como principal objetivo a criação de um eletromiógrafo de baixo custo, que possa ser construído com componentes eletrónicos de fácil obtenção, mas que permita verificar a variação dos movimentos musculares. Em um primeiro momento será realizada uma prova de conceito com componentes com encapsulamento DIP. Isto permitirá, em teoria, miniaturizar o projeto e permitir que este seja leve e utilizável de forma mais prática, como por exemplo no monitoramento de pessoas em programas de reabilitação motora durante um período de várias horas. Devido à maior facilidade de manuseio e menor custo, optou-se pelo uso de sensores superficiais passivos, onde o sensor é recoberto por um gel condutor e é fixado por meio de um material adesivo junto à pele do paciente. O sinal obtido é então enviado para um estágio de tratamento, de forma a elevar a potência do sinal elétrico e retirar possíveis interferências. Foi implementado um estágio de amplificação único, com ganho de 100 vezes, por meio de um amplificador de instrumentação, modelo INA116. De forma a melhorar a rejeição de modo-comum do amplificador, implementou-se uma técnica de referência ativa chamada de DRL (Driven Right Leg). Após o estágio amplificador, foram implementados dois filtros, um passa-alto de 2ª ordem, com ganho unitário e frequência de corte em 15 Hz, e um passabaixo, também de 2ª ordem, de forma a eliminar os sinais com frequência acima de 500 Hz. Os amplificadores operacionais utilizados nos filtros e no DRL estão encapsulados em um circuito integrado (CI) modelo LM324, da fabricante Texas Instruments. Uma vez finalizado o processo de condicionamento e filtragem do sinal, este foi enviado para o estágio de elevação de nível DC, de forma a ajustar o sinal ao potencial entre 0 V e 5 V e permitir a sua conversão analógica – digital. O estágio de elevação DC foi implementado por meio de um circuito somador de sinais, realizado com dois amplificadores operacionais LM324. A conversão analógica-digital é realizada por meio do conversor integrado ao microcontrolador de 8 bits ATMEGA328, da fabricante Atmel. Este processo é realizado a uma taxa de amostragem fixa, cujo valor é calculado respeitando a chamada “Frequência de Nyquist”, que determina que, para conseguir uma reconstrução digital fiel ao sinal analógico, a taxa de amostragem deve ser, no mínimo, o dobro da frequência máxima do sinal captado. Após a conversão analógica digital, foi utilizada a comunicação serial do microcontrolador, em modo assíncrono, com envios apenas em um sentido, para transmitir os dados amostrados do microcontrolador para um computador, onde estes foram lidos e exibidos por meio de uma aplicação computacional desenvolvida em C++. Para facilitar o desenvolvimento de uma interface gráfica em C++ foi utilizado a toolkit QT, que provê classes desenvolvidas especialmente para a criação de gráficos e comunicação série. A aplicação computacional desenvolvida permite verificar de forma gráfica e em tempo real o momento em que o músculo é contraído, embora o sinal possua pouca resolução e ainda possam existir ruídos que não foram completamente eliminados. Apesar dos possíveis pontos de melhoria, é possível considerar que os objetivos foram atingidos, uma vez que as curvas obtidas se assemelham às curvas obtidas em exames reais de eletromiografia, podendo distinguir claramente os momentos de contração e relaxamento do músculo |
publishDate |
2020 |
dc.date.none.fl_str_mv |
2020 2020-01-01T00:00:00Z 2021-01-25T16:29:16Z |
dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/masterThesis |
format |
masterThesis |
status_str |
publishedVersion |
dc.identifier.uri.fl_str_mv |
http://hdl.handle.net/10400.22/16736 TID:202574539 |
url |
http://hdl.handle.net/10400.22/16736 |
identifier_str_mv |
TID:202574539 |
dc.language.iso.fl_str_mv |
por |
language |
por |
dc.rights.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/openAccess |
eu_rights_str_mv |
openAccess |
dc.format.none.fl_str_mv |
application/pdf |
dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação instacron:RCAAP |
instname_str |
Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação |
instacron_str |
RCAAP |
institution |
RCAAP |
reponame_str |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
collection |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
repository.name.fl_str_mv |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação |
repository.mail.fl_str_mv |
|
_version_ |
1817550875600617472 |