Espinho, Portugal, 8 e 9 de fevereiro, 2013
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ALIDAÇÃO DE ELÉTRODOS TÊXTEIS PARA MEDIÇÃO DEE
LETROMIOGRAFIAPedro Fonseca1, Márcio Borgonovo-Santos2, André Catarino 3, João Paulo Vilas-Boas4, Miguel Velhote Correia5
1 Laboratório de Biomecânica do Porto (LABIOMEP), Faculdade de Engenharia Universidade do Porto;
pedro.labiomep@fade.up.pt
2 Laboratório de Biomecânica do Porto (LABIOMEP), Faculdade de Desporto da Universidade do Porto;
marcio.labiomep@fade.up.pt
3 Departamento de Engenharia Têxtil, Universidade do Minho; whiteman@det.uminho.pt 4 Faculdade de Desporto da Universidade do Porto (CIFI2D),Laboratório de Biomecânica do Porto
(LABIOMEP); jpvb@fade.up.pt
5 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, INESC-TEC; mcorreia@fe.up.pt
PALAVRAS CHAVE: eletromiografia, elétrodos têxteis, sistemas vestíveis, biomecânica.
RESUMO: Os sistemas vestíveis são uma tendência crescente na aquisição de sinais fisiológicos
e de parâmetros biomecânicos de forma não obstrutiva. A utilização de elétrodos têxteis tornou-se muito popular devido à simplicidade e homogeneidade providenciada pela sua introdução em têxteis e peças de vestuário. Neste trabalho foi realizada a validação de elétrodos têxteis para medições electromiográficas através da comparação com elétrodos convencionais de cloreto de prata. Os resultados evidenciam que os elétrodos têxteis são capazes de medir potenciais mioeléctricos de forma semelhante aos elétrodos convencionais.
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NTRODUÇÃOO projeto BIOSWIM (Body Interface
System based on Wearable Integration Monitoring) pretende desenvolver um fato
de natação completamente autónomo, sem-fios e capaz de registar tanto sinais fisiológicos como parâmetros biomecânicos fundamentais para inferir sobre a performance do atleta. Através de tecnologia têxtil possui elétrodos para eletrocardiografia e eletromiografia, bem como suporta outros sensores e centrais inerciais para registar o movimento do centro de massa bem como dos segmentos corporais [1].
Este trabalho tem como objetivo a validação da utilização dos elétrodos têxteis para medição de sinais electromiográficos (EMG) do BIOSWIM, através de medições concorrentes. Para tal, foram realizadas medições EMG usando simultaneamente os
elétrodos têxteis e elétrodos convencionais de cloreto de prata. Estes últimos foram utilizados como elétrodos de referência, de forma a se efetuar a comparação dos sinais medidos por ambos os conjuntos de elétrodos.
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M
ATERIAIS EM
ÉTODOS2.1 PARTICIPANTES
Dez voluntários, cinco do género masculino e cinco do feminino, destros e sem problemas neuromusculares conhecidos, com 25±3 anos, peso de 65±10 kg e 1,69±0,11 m de altura, foram recrutados de entre a população local de estudantes universitários para constituírem a amostra experimental.
Todos os voluntários foram informados dos objetivos do estudo e do protocolo
experimental a ser implementado, após o que tiveram a oportunidade de se familiarizarem com ambos os conjuntos de elétrodos a serem utilizados.
2.2 ELÉTRODOS UTILIZADOS
Os elétrodos têxteis utilizados foram fabricados a partir de fios multifilamento, constituídos por uma mistura de 80% de poliamida revestida a prata (Elytex) e 20% elastano, apresentando uma massa linear média de 23,5 tex. Cada sensor EMG têxtil é composto por dois elétrodos retangulares com uma área sensorial de 1 cm2 e espaçamento de 2 cm centro-a-centro. Devido à falta de propriedades auto-adesivas, os elétrodos têxteis foram fixados num material esponjoso semi-rígido (plastazote) e mantido em contacto com a pele com a ajuda de uma banda-elástica ajustável.
Os elétrodos convencionais de cloreto de prata usados como referência foram o modelo auto-adesivo SX-30 Dormo&Blayco (Telic S.A., Espanha). Estes possuem uma área sensorial circular de 1 cm2 coberta por um filme de gel condutor.
Ambos os conjuntos de elétrodos podem ser visualizados na Fig. 1.
(a) (b)
Fig. 1 – Os dois modelos de elétrodos utilizados no estudo: (a) elétrodos têxteis para EMG com área sensorial retangular e (b) elétrodos convencionais de
cloreto de prata. 2.3 MONTAGEM EXPERIMENTAL
Antes da colocação de qualquer conjunto de elétrodos, a pele foi limpa com álcool etílico a 70%, e foi realizada uma ligeira abrasão com recurso a algodão embebido
em álcool até a pele ficar rosada. Após esta etapa, os elétrodos foram colocados perpendicularmente à orientação das fibras do ventre muscular do bíceps brachii direito, e o elétrodo de referência colocado sobre o cotovelo. Devido à impossibilidade de colocar tanto os elétrodos convencionais como os texteis no mesmo local, e para evitar diferenças substanciais no sinal registado, foram ambos cuidadosamente colocados cuidadosamente o mais perto possível.
Uma porção de 0,1 mL de gel condutor (Quick Eco-Gel, Lessa S.A., Espanha) foi aplicada sobre os elétrodos têxteis de forma a providenciar condições de contacto semelhantes às dos elétrodos convencionais. A pressão exercida pelos elétrodos contra a pele não foi padronizada, mas a banda elástica usada para manter os elétrodos têxteis imóveis foi ajustada sempre pela mesma pessoa de modo a providenciar um contacto simultaneamente adequado e confortável para o utilizador. Os elétrodos foram acoplados a um amplificador de dois estágios com uma amplificação total de 1100 vezes e uma rejeição de modo-comum superior a 110dB [2]. O registo dos sinais amplificados foi realizado mediante a utilização de um
sistema BIOPAC MP100
(BIOPAC Systems Inc., CA, EUA) com uma resolução de 16 bit e a operar com uma frequência de amostragem de 1000Hz. O protocolo experimental consistiu na execução de contrações isométricas, pelo que foi pedido aos voluntários que se mantivessem sentados numa cadeira rígida, com o cotovelo direito fletido 90º e a mão em supinação, como descrito por [3] e [4]. Três tentativas de Contração Voluntária Máxima (CVM) com a duração de 10 segundos e pelo menos dois minutos de descanso entre tentativas foram executadas com forte encorajamento vocal. Durante cada tentativa, a força isométrica máxima foi medida com recurso a uma célula de carga Globus Ergo Meter (Globus Italia,
Correia Itália), e a atividade EMG registada para posterior normalização. Após um período de repouso de pelo menos três minutos, e na mesma posição descrita anteriormente, contrações isométricas submáximas foram realizadas segurando halteres contra a gravidade com peso equivalente a 20%, 50% e 80% da CVM. Para cada carga submáxima foram efetuadas três repetições de cinco segundos, com um período de repouso de pelo menos dois minutos entre tentativas e três minutos entre cargas. As cargas foram fornecidas aos voluntários aleatoriamente.
2.4 ANÁLISE DOS DADOS
Os dados adquiridos foram filtrados digitalmente após aquisição utilizando o programa Matlab 7.9.0 (MathWorks, MA, EUA). Este processo incluiu a remoção da componente continua (DC) e a aplicação de um filtro Butterworth passa-banda (-80dB/década) entre 20-50Hz. Nenhum filtro de rejeita-banda de 50Hz foi utilizado de modo a preservar a maior quantidade possível de informação. Em seguida, efetuou-se uma retificação de onda completa do sinal filtrado, e calculou-se o seu envelope linear através de Root Mean
Square (RMS), com uma janela de
suavização de 150 amostras. Os envelopes resultantes foram então normalizados para os valores de CVM correspondentes Para averiguar as semelhanças morfológicas entre os envelopes dos sinais registados pelos elétrodos têxteis e os convencionais durante a utilização de diferentes cargas submáximas, efetuou-se a sua sobreposição e inspeção visual. Em seguida o erro Root
Mean Square (eRMS) entre envelopes foi
calculado de modo a inferir até que ponto estes diferiam um do outro. O valor máximo do envelope (pRMS) e o seu integral (iRMS) foram calculados e comparados. Para o cálculo do iRMS foi necessário efetuar a deteção do onset e
offset do envelope, tendo para esse efeito
sido utilizado o algoritmo Teager-Kaiser
Energy Operator (TKEO), o qual permite a
deteção automática destes eventos através da mudança súbita de amplitude e frequência do sinal [5]. Como o periodo de ativação muscular não foi igual em todas as medições, os valores de iRMS foram normalizados no tempo [6].
A presença de ruído foi medida através da Razão Sinal-Ruido (RSN), obtida a partir dos registos de CVM, sendo o resultado para cada participante a média das três repetições.
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R
ESULTADOS ED
ISCUSSÃOAo calcular o envelope RMS, o padrão de interferência característica dos sinais EMG é suavizado, permitindo uma observação mais fácil do seu padrão. Na Fig. 2. pode-se ver uma representação dos envelopes de cada elétrodo obtidos para as diferentes cargas.
Embora existam algumas diferenças em termos de amplitude e comportamento dos envelopes ao longo do tempo, estes coincidem em grande parte das suas características principais. Isto é facilmente observável no que diz respeito à linha isoelétrica e ao onset e offset de ambos os envelopes.
Durante o período de ativação, o padrão de ambos os envelopes coincidem em diversos picos. Durante os 20% CVM, os dois primeiros picos são bem replicados pelos elétrodos têxteis, embora alguma variação ocorra ao longo do resto do envelope. Durante os 50% CVM e 80% CVM, o envelope dos elétrodos têxteis manteve um padrão bastante aproximado ao longo de todo o período de ativação.
Relativamente à análise da diferença entre os envelopes, pode-se ver na Tabela 1, que tanto o valor de eRMS como o seu desvio padrão aumentam com a carga submáxima utilizada, atingindo um máximo de 31,5% CVM durante os 50% CVM.
3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 5 10 15 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 25 50 A m p lit u d e ( % o f M V C ) 5 6 7 8 9 10 11 12 0 20 40 60 80 Time (s) Standard Electrodes Textile Electrodes 80% MVC 50% MVC 20% MVC
Fig. 2 –Exemplo representativo dos envelopes RMS obtidos a partir dos sinais registados pelos elétrodos convencionais e texteis durante contrações isométricas a diferentes cargas submáximas. A análise estatística descritiva da Tabela 3
revela que os elétrodos convencionais apresentam valores de pico superiores aos dos elétrodos têxteis ao longo de todas as cargas submáximas, e que a diferença entre elétrodos tende a aumentar com a carga. Os dados relativos aos valores de iRMS podem ser visualizados na mesma tabela, revelando que para uma carga submáxima de 20% CVM os valores são muito próximos tanto para os elétrodos convencionais como para os têxteis. Tal indica que os seus envelopes apresentam áreas totais idênticas.
Tabela 1 - Erro RMS entre os envelopes dos elétrodos convencionais e têxteis durante as diferentes cargas
submáximas eRMS 20% CVM (%CVM) 50% CVM (%CVM) 80% CVM (%CVM) Média 3.6 9.3 7.9 Desv. Padrão 3.2 9.5 4.9 Minimo 0.8 1.2 1.9 Máximo 11.5 31.5 22.1
A análise da presença de ruído no sinal electromiografico revelou que em termos médios, a diferença entre elétrodos é de 1dB a favor dos elétrodos convencionais. No entanto, o desvio-padrão e a diferença entre valores mínimos e máximos revelam que os elétrodos têxteis são aqueles que apresentam uma menor variação.
Tabela 2 - Análise estatistica descriptiva da incidência de ruído em ambos os conjuntos de
elétrodos SNR Elétrodos Convencionais (dB) Elétrodos Têxtis (dB) Diferença (dB) Média 23.4 22.4 1.0 Desv. Padrão 4.6 5.6 1.0 Mínimo 16.9 13.5 3.4 Máximo 36.3 37.5 1.2
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ISCUSSÃOA necessidade de efetuar uma análise morfológica dos sinais registados tanto pelos elétrodos convencionais como pelos têxteis, relaciona-se com a necessidade de inferir a influência da diferença no método de fabrico dos elétrodos, a diferença na forma geométrica das suas áreas sensoriais e na impossibilidade de colocar ambos os conjuntos simultanemaente no biceps brachii. Segundo [7], a diferença na forma
da area sensorial não constitui um problema, uma vez que o estado da arte demonstrou que não existem grandes diferenças entre elétrodos circulares e retangulares, desde que a sua área total seja similar. Isto de facto ocorreu, uma vez que os elétrodos têxteis apresentam uma área sensorial idêntica à dos convencionais. O músculo biceps brachii foi escolhido pois apresenta uma superficie grande o suficiente para acomodar dois conjuntos de elétrodos sobre o seu ventre muscular.
Correia
Tabela 3 - Comparação do valor de pico e integral dos envelopes RMS entre elétrodos convencionais e têxteis durante as diferentes cargas submáximas
pRMS iRMS
Carga submaximal
Tipo de elétrodo Média
(%CVM) Desv. Padrão (%CVM) Média (%CVM) Desv. Padrão (%CVM) 20% CVM Elétrodo Convencional 16.10 6.99 9.66 3.97 Elétrodo Têxtil 14.16 4.74 8.77 3.23 Diferença 1.93 2.25 0.89 0.74 50% CVM Elétrodo Convencional 41.22 23.04 29.01 15.73 Elétrodo Têxtil 36.42 16.61 24.46 8.98 Diferença 4.79 6.44 4.55 6.75 80% CVM Elétrodo Convencional 60.33 29.03 38.39 14.14 Elétrodo Têxtil 52.80 23.55 35.09 11.29 Diferença 7.53 5.48 3.30 2.85
Quando comparados qualitativamente, os sinais registados por ambos os conjuntos de elétrodos não revelaram nenhuma diferença decisiva no seu padrão geral, mesmo estando distanciados alguns centímetros uns dos outros.
O eRMS entre os envelopes de cada elétrodo revela a existência de algumas diferenças, que não põem em risco a capacidade dos elétrodos têxteis medirem padrões idênticos aos elétrodos convencionais. No entanto, alguns participantes revelaram diferenças de amplitude elevadas entre os envelopes dos elétrodos convencionais e têxteis, o que se reflete no elevado desvio-padrão do eRMS. Os elétrodos têxteis aparentam ser capazes de medir valores de pRMS aproximados aos dos elétrodos convencionais, mas com menores amplitudes. Isto pode estar relacionado com a impossibilidade prática de colocar ambos os conjuntos de elétrodos sobre o mesmo local do músculo. A distância entre cada par de elétrodos, embora pequena, é capaz de provocar diferenças de amplitude nos sinais registados por cada conjunto de elétrodos [8, 9]. Os resultados de pRMS suportam esta hipótese, uma vez que os elétrodos convencionais apresentam predominantemente amplitudes mais elevadas que os eléctroso têxteis em todas as cargas submáximas.
Ao se utilizar o método TKEO, foi possível detetar com exactidão o onset e offset da
atividade muscular, providenciando deste modo valores de iRMS mais fidedignos. Estes revelam que os envelopes dos elétrodos convencionais possuem uma área maior que a dos elétrodos têxteis em todas as cargas submáximas, o que está de acordo com os dados de pRMS, que também possuem valores superiores. A pequena diferença em termos médios e do desvio-padrão, bem como o intervalo idêntico estabelecido pelos valores mínimos e máximos, revelam que os elétrodos têxteis efetuam medições de sinais EMG de forma idêntica.
Ao calcular a presença de ruído através de RSN, verifica-se que em termos médios os sinais provenientes dos dois tipos de eléctrodos apresentam uma diferença pequena comparativamente a autores como [10] e [11], que também realizaram comparações entre elétrodos convencionais e não-convencionais para medições EMG. Estes resultados indicam que ambos os elétrodos apresentam uma suscetibilidade idêntica à interferência da rede elétrica.
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ONCLUSÕESDiversas variáveis morfológicas (eRMS, pRMS, iRMS, RSN) foram utilizadas para descrever e comparar morfologicamente os sinais EMG provenientes de elétrodos têxteis comparativamente com elétrodos convencionais de cloreto de prata.
A análise morfológica revelou que os elétrodos têxteis são capazes de reproduzir
sinais com padrões idênticos, mas amplitudes menores, como resultado de estarem colocados simultaneamente no mesmo músculo mas distanciados alguns centímentros dos elétrodos convencionais. Considerando os resultados aqui descritos, e a semelhança entre sinais, pode-se afirmar que os elétrodos têxteis poderão ser utilizados como uma alternativa fiável aos elétrodos de cloreto de prata em aplicações de EMG.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho foi financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) através do projeto PTDC/EEA-ELC/70803/2006. REFERÊNCIAS
[1] Salazar, A.J., A.S. Silva, et al (2010). An initial experience in wearable monitoring sport systems. Information Technology and Applications in Biomedicine
(ITAB), 2010 10th IEEE International Conference on.
[1] A. J. Salazar, et al., "An initial experience in wearable monitoring sport systems," in Information Technology and
Applications in Biomedicine (ITAB), 2010 10th IEEE International Conference on, 2010, pp. 1-4.
[2] P. Gonçalves, et al., "Underwater electromyograph system and his dialog with other instrumentation," Revista
Portuguesa de Ciências do Desporto, vol. 6, p. 21, 2006.
[3] L. F. Oliveira, et al., "Effect of the shoulder position on the biceps brachii EMG in different dumbbell curls,"
Journal of Sports Science and Medicine, vol. 8, pp. 24-29,
2009.
[4] T. Linz, et al., "Contactless EMG sensors embroidered onto textile," in 4th International Workshop on Wearable
and Implantable Body Sensor Networks (BSN 2007). vol. 13,
S. Leonhardt, et al., Eds., ed: Springer Berlin Heidelberg, 2007, pp. 29-34.
[5] A. S. A. Xiaoyan Li, "Muscle Activity Onset Time Detection Using Teager-Kaiser Energy Operator," presented at the Engineering in Medicine and Biology Society, 27th Annual International Conference, Shanghai, China, 2005. [6] K. Hildenbrand and L. Noble, "Abdominal Muscle Activity While Performing Trunk-Flexion Exercises Using the Ab Roller, ABslide, FitBall, and Conventionally Performed Trunk Curls," Journal of athletic training, vol. 39, pp. 37-43, 2004.
[7] H. J. Hermens, et al., "Development of
recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures," Journal of Electromyography and Kinesiology, vol. 10, pp. 361-374, 2000.
[8] T. W. Beck, et al., "The effects of electrode placement and innervation zone location on the electromyographic amplitude and mean power frequency versus isometric torque relationships for the vastus lateralis muscle," Journal
of Electromyography and Kinesiology, vol. 18, pp. 317-328,
2008.
[9] A. Rainoldi, et al., "Geometrical factors in surface EMG of the vastus medialis and lateralis muscles," Journal of
Electromyography and Kinesiology, vol. 10, pp. 327-336,
2000.
[10] A. D. C. Chan and E. D. Lemaire, "Flexible dry electrode for recording surface electromyogram," in
Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2010 IEEE, 2010, pp. 1234-1237.
[11] P. Laferriere, et al., "Surface Electromyographic Signals Using Dry Electrodes," Instrumentation and
Measurement, IEEE Transactions on, vol. 60, pp.
