Registo eletromiográfico, instrumentação e estação de testes

A instrumentação que serviu de suporte à colheita de dados eletromiográficos (Fig. 6.11) consta de um sistema Bagnoli com amplificador de 4 canais (Fig. 6.11 (c)), que através do seu módulo de entrada permite ligar elementos sensoriais (Fig. 6.11 (b)), nomeadamente, um elétrodo de referência (Fig. 6.12 (c)) e 4 sensores do tipo DE-2.1 single differential (Fig. 6.11 (a)). Os sinais captados pelos sensores são enviados para um computador através de uma carta de aquisição de dados (Fig. 6.11 (d)) a partir do amplificador principal. Os sensores DE- 2.1 single differential contêm 2 contactos de prata, de superfície cilíndrica com 1 mm de diâmetro, afastados de 10 mm entre si. Estes sensores são aplicados na pele, através de um adesivo compatível descartável (um adesivo destacado do primeiro elétrodo está patente no lado esquerdo da Fig. 6.11 (a)), na direção longitudinal das fibras do músculo cuja atividade se pretende medir, através de um processo de adesão.

(a) Elétrodos tipo DE-2.1 (single differential), cada sensor apresenta 2 elétrodos

(b) Módulo de entrada (4 canais)

(c) Amplificador principal de 4 canais

(ganho de 0, 100, 1000 ou 10000) (d) Carta de aquisição de dados A/D NI USB 6009

Sistema: Bagnoli 4ch, DE-2.1 Single Differential Electrode

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O elétrodo diferencial de dois contactos (Fig. 6.12 (a) e (b)) subtrai diretamente o potencial elétrico detetado entre duas localizações distintas da superfície da pele que cobre o músculo contraído. Os potenciais elétricos de EMG são medidos em relação a um potencial elétrico de referência (neutro) com localização distante do músculo ativo. Este potencial é detetado pelo elétrodo de referência (Fig. 6.12 (c)) que deve ser colocado numa região de proeminência óssea. No presente estudo, o elétrodo de referência foi colocado na crista ilíaca (Delsys. Technical Note 101: EMG Sensor Placement. Disponível em http://www.delsys.com/ (June 8. 2014)). Os sensores para S-EMG de 3 e mais contactos são ainda mais eficazes em atenuar o efeito de Cross-talk, especialmente quando este efeito é provocado por outros músculos situados sob o músculo que se pretende monitorizar. Neste caso, um sensor de 3 contactos, por exemplo, ainda que colocado longitudinalmente no alinhamento das fibras musculares pode captar sinais de menor intensidade provenientes de músculos mais profundos. Contudo, estes sinais serão subtraídos por apresentarem valores muito semelhantes nos 3 contactos. Não foram utilizados elétrodos diferenciais duplos (3 contactos) porque sendo estes de maiores dimensões que os elétrodos diferenciais simples, e devido à proximidade entre os músculos nas regiões indicadas para a sua colocação no antebraço, optou-se por recorrer aos elétrodos mostrados na Figura 6.11 (DE-2.1 single differential). Para minimizar o efeito de Cross-talk, segundo De Luca et al. (2012), o melhor espaçamento entre elétrodos para S-EMG é de 1 cm.

(a) Direção das fibras no músculo (b) Diferença de potencial

elétrico (c) Elétrodo de Referência

Figura 6.12 – Elétrodo diferencial DE-2.1 e elétrodo de referência (Fonte: BagnoliTM _EMG

System, 2011).

Na monitorização da atividade muscular por eletromiografia de superfície podem ocorrer diversos tipos de ruído no sinal elétrico captado pelos sensores. Um dos problemas referidos é o efeito de motion artifact que é causado por movimentos relativos do sensor em relação à superfície da pele quando o sujeito realiza certos movimentos. Estes sinais manifestam-se a frequências baixas devendo, por essa razão, utilizar-se um filtro do tipo passa-alto de 20 Hz para barrar aquele tipo de ruído. Por outro lado, o efeito de Clipping ocorre quando o sensor se solta (descola) ou a amplitude do sinal de EMG é excessiva causando a saturação do sinal,

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apresentando picos sucessivos mesmo com pouca atividade do músculo. Para responder a este problema deve-se visualizar o sinal elétrico em tempo real antes mesmo de se efetuar o seu registo, podendo-se então mudar a localização do sensor e ajustar-se convenientemente o ganho no amplificador principal. O software utilizado na experimentação laboratorial presente contém uma ferramenta para monitorizar este efeito (real-time Signal Quality Monitor) e caso seja detetada a presença de Clipping, o investigador deve proceder como explicado supra. Outra fonte de ruido pode ser o batimento cardíaco, visível no sinal em tempo real mesmo sem atividade do músculo sob monitorização (picos compassados à frequência cardíaca). Para minimizar aquele efeito deve-se afastar o sensor em causa da fonte de ruído, se possível; rodar ligeiramente o sensor de modo a que ambos os elétrodos (sensor DE 2.1) se posicionem à mesma distância da fonte de ruído também reduz o efeito indesejável. Outras fontes de ruído elétrico são radiações eletromagnéticas emitidas por aparelhos elétricos e pela própria rede de alimentação elétrica (50 Hz, em Portugal). Mais uma vez a visualização em tempo real do sinal ajuda a detetar estes ruídos, sendo a sua visualização mais notória sem atividade do músculo monitorizado, devendo então o investigador afastar possíveis fontes de ruído dos sensores. A monitorização da atividade muscular por eletromiografia de superfície é um processo complexo, envolvendo muitas variáveis que podem influenciar os resultados, como por exemplo a presença de humidade na pele provocada pela sudação, que torna a sua superfície condutora, falseando os resultados (De Luca, 1997). A atividade muscular humana monitorizada através da eletromiografia de superfície regista-se através de sinais elétricos cuja frequência não ultrapassa os 450 Hz. Na eletromiografia, o sinal elétrico capturado varia no tempo (V/s), sendo que para monitorizar músculos do antebraço pode-se utilizar um filtro passa banda entre 20 Hz e 450 Hz e uma determinada taxa de amostragem. Quanto maior for a taxa de amostragem mais fiel será o registo do sinal real. Uma taxa de amostragem de valor igual a 1000/s por canal foi utilizada por Chen et al.(2011), Young et al.(2013) e Garza et al.(2014). O sinal bruto é posteriormente integrado utilizando uma técnica de cálculo que determina o valor RMS (Root Mean Square) através de uma janela móvel que vai percorrendo o sinal capturado. Uma janela móvel de 0.1 segundos foi utilizada por Chen et al.(2011) e por Higgings et al. (2012), enquanto Houwink et al. (2009) e Lee et al. (2007) utilizaram uma janela móvel de 0.2 segundos.

No presente estudo, o método e a sequência ordenada de recolha e registo dos sinais de EMG foram implementados através do software EMGworks 4.1.1 Acquisition e o posterior pré- tratamento de dados foi levado a cabo com recurso ao software EMGworks 4.1.1 Analysis. A Figura 6.13 ilustra a estação de trabalho utlizada para testar os 5 dispositivos apontadores com a realização de tarefas padronizadas e a instrumentação necessária à colheita de sinais de S-EMG. Nos parâmetros relativos à colheita de sinais de S-EMG foi usada uma taxa de amostragem de 1000/s por canal e os sinais foram amplificados com um fator de x1000 ou

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x10000 (no caso do músculo ECR) utilizando ainda uma filtragem do tipo passa banda entre 20 Hz e 450 Hz. A amplitude dos sinais eletromiográficos foi obtida a partir dos sinais de EMG instantâneos aos quais foi aplicado o cálculo digital de RMS através de janelas móveis de 0.125 segundos. O computador utilizado foi o modelo U-940, da marca Toshiba com um processador Intel(R) Core(TM) i5-3337U CPU @ 1.8GHz, 8.00 GB (RAM) e com sistema operativo Microsoft Windows® 7 de 64 bits.

Estação de testes com sistema Bagnoli (4 canais) e realização de testes (exemplo de um participante)

Figura 6.13 – Estação de trabalho com Instrumentação Bagnoli (Delsys).

Para comparação dos resultados da atividade muscular desenvolvida pelo mesmo músculo na realização da mesma atividade mas por indivíduos diferentes torna-se necessário normalizar o sinal elétrico medido. No campo da utilização de dispositivos manuais apontadores para computador é comum recorrer ao método da contração voluntária máxima (MVC) para normalizar a colheita de dados eletromiográficos da atividade muscular desenvolvida durante os testes, tal como ocorreu nos estudos realizados por Houwink et al. (2009), Higgings et al. (2012), Young et al.(2013), Eijckelhof et al. (2013), Garza et al.(2014) e Kluth et al. (2014). A MVC para cada músculo e indivíduo pode ser determinada do seguinte modo: é oferecida resistência externa ao movimento que resulta da contração do músculo em questão, exercendo o sujeito a máxima força em três períodos de 3 segundos com um minuto de repouso entre as tentativas. O maior valor encontrado durante as três tentativas é assumido como se tratando da contração voluntária máxima desse músculo (Young, 2013).

A Figura 6.14 ilustra, a título de exemplo, a atividade muscular do músculo ED na tarefa de Scroll (as tarefas de teste são descritas no capítulo 5, na secção 5.3), sendo visíveis dois tipos de sinal. Um é o sinal instantâneo, que apresenta no eixo das ordenadas a amplitude em Volt e no eixo das abcissas o tempo em segundos e, o outro, em sobreposição, consiste na função RMS que representa o ‘sinal’ filtrado. Os valores de RMS são calculados através de uma janela móvel de 125 ms. Na Figura 6.15 visualiza-se o sinal filtrado, também através da função RMS,

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de 3 contrações voluntárias máximas, e a região onde se registou o valor máximo (MVC). O comportamento linear horizontal corresponde a períodos de repouso de 60 s.

Sinal instantâneo e filtro RMS em tempo real (calculado com janela móvel de 125 ms)

Figura 6.14 – Exemplo de visualização gráfica do sinal de EMG de monitorização da atividade muscular (sinal instantâneo e valor RMS) relativos ao músculo Extensor Digitorum para a tarefa de Scroll.

Figura 6.15 – Exemplo de visualização gráfica do sinal de EMG de monitorização da atividade muscular para determinar o valor de MVC (músculo Extensor Digitorum).

Na Figura 6.16 alínea (a) está patente o sinal de atividade muscular [Volt/s] monitorizado durante 60 s, enquanto na alínea (b) se apresenta o sinal de EMG normalizado em relação ao valor relativo à contração voluntária máxima [% de MVC], determinado tal como anteriormente descrito para o mesmo músculo.

(a) Atividade do músculo ED (sinal após integração RMS através de janela móvel de 125 ms)

(b) Sinal normalizado pelo MVC (EMG em % de MVC)

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