Centro Universitário da FEI
Projeto de pesquisa
Reconhecimento de Sinais – EMG
(Plano Horizontal com Carga)
Orientador: Maria Claudia Ferrari de Castro
Departamento: Engenharia Elétrica
Candidato: Danilo Pires Oliveira
N° FEI: 11107784-8
Início: Setembro/09
Provável conclusão: Agosto/10
Centro Universitário da FEI
Projeto de pesquisa
RESUMO DO PROJETO
A proposta do presente trabalho é a formação de uma base de dados extensa e consistente viabilizando o estudo do sinal
mioelétrico dos músculos bíceps e tríceps, durante movimentos de flexão e extensão do braço. O sinal mioelétrico dos
referidos músculos foi adquirido durante a execução de três movimentos de flexão e extensão do braço, nos planos horizontal e
vertical, com e sem carga. Agora há a necessidade de tabulação dos dados possibilitando assim estudos de detecção de padrões
e caracterização de movimento. Dentre as técnicas que podem ser utilizadas, escolheu-se para esse trabalho a aplicação de
técnicas de processamento estatístico, visando reduzir a redundância de informação presente nos dados através da Análise de
Componentes Principais (PCA) e caracterizar a posição angular do braço a partir dos sinais adquiridos com a aplicação da
Análise de Discriminantes Lineares (LDA). O foco desse trabalho será o processamento dos dados obtidos no plano horizontal
e com carga. Mas será complementado com outros projetos que atuarão, segundo as mesmas técnicas de processamento nos
dados obtidos no plano horizontal e sem carga e nos dados obtidos no plano vertical. Os projetos são independentes, mas se
complementam possibilitando uma comparação posterior e integração dos resultados obtidos.
Palavras-chave:
1.
2.
3.
Flexão e extensão do braço
Eletromiografia
PCA, LDA
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I. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A Eletromiografia, entendida como sendo o estudo da função muscular através da aquisição do sinal elétrico que os
músculos produzem durante a contração, tem a sua maior aplicação no diagnóstico de doenças neuromusculares. Mas além das
análises clínicas, o sinal mioelétrico pode ser utilizado para outros fins, como por exemplo, o estudo do movimento visando o
controle de equipamentos utilizados em engenharia de reabilitação.
O sinal mioelétrico obtido com eletrodos de superfície é afetado pelas propriedades de filtro das camadas epiteliais e
da interface eletrodo-pele, de forma que apresenta componentes de frequência até 500 Hz mas concentrando-se entre 50 e 150
Hz com amplitudes máximas que variam entre 50 µV e 5 mV (DELSYS INC, 1996). Estes valores variam de acordo com o
tipo de músculo analisado, o nível de contração muscular, e também do tipo e localização dos eletrodos. Além disso, o sinal
captado é composto por uma somatória de potenciais originados em cada uma das unidades motoras que compõe o músculo, e
que apresentam características diferentes entre si. Por todas essas variações o sinal mioelétrico foi descrito como um processo
estocástico ( DeLUCA, 1979).
Segundo De Luca (1979), os sinais mioelétricos possuem características determinísticas em torno dos primeiros 200
ms após o início da contração muscular, ou seja, possuem um padrão de comportamento e diferem entre si para cada tipo de
contração muscular. Este reconhecimento de padrões pode ser realizado segundo várias abordagens, dentre as quais encontramse técnicas estatísticas como a Análise de Componentes Principais (PCA) e a Análise de Discriminantes Lineares (LDA)
(FUCUNAGA, 1990). Sendo o sinal mioelétrico altamente redundante, a aplicação da PCA tem por objetico reduzir a
dimensionalidade dos dados, extraindo as componentes principais, ou seja aquelas que são mais importantes para representar e
identificar as informações contidas nos dados. Já a aplicação do LDA tem por objetivo classificar os dados, separando-os nos
grupos ou padrões estabelecidos inicialmente, através de combinações lineares que maximizem a variância entre os grupos e
minimizem a variância intragrupos.
II. PROJETO DE PESQUISA
II.1. Objetivos e justificativas
Um protocolo experimental está sendo aplicado visando à aquisição dos sinais mioelétricos dos músculos bíceps e
tríceps, em função do posicionamento articular do cotovelo, durante movimentos de extensão e flexão do braço, com e sem
carga. Este estudo é necessário para a formação de uma base de dados que viabilize uma das linhas de pesquisa de interesse da
orientadora.
O presente trabalho tem por objetivo tabular e processar parte dos dados adquiridos visando à identificação de uma
relação entre sinal mioelétrico e posição angular do cotovelo, durante movimentos de flexão e extensão. Este é um trabalho
extenso que será realizado por vários alunos e também pela orientadora de maneira a viabilizar comparações e correlações
entre os dados obtidos.
Trabalhos preliminares, baseados numa base de dados piloto, foram realizados e publicado em dois Congressos
Internacionais (BITTAR e CASTRO, 2007; SILVA, CASTRO e THOMAZ, 2009), mostrando o potencial do estudo proposto.
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II.2. Metodologia
II.2.1. Recursos humanos e materiais
Todos os recursos materiais estão disponíveis no Laboratório de Engenharia Biomédica e/ou CLE e CGI.
II.2.2. Métodos
O protocolo experimental para aquisição dos dados está sendo finalizado e contará com a participação de 10 voluntários,
homens e mulheres, com idades entre 30 e 40 anos, que não apresentem nenhum comprometimento neuromuscular no ombro,
braço e punho direitos.
O indivíduo é informado do procedimento e caso concorde assina o termo de consentimento livre e esclarecido.
Protocolo de teste:
•
O voluntário senta-se em frente ao sistema de posicionamento e é orientado quanto ao procedimento. Ajusta-se a
altura da cadeira de maneira a deixar o ombro em posição neutra. Os eletrodos de superfície são fixados no ponto
motor dos músculos bíceps e tríceps e conectados ao kit de aquisição. O braço é fixado ao suporte com faixas de
velcro na posição de completa extensão. O sensor que monitora a posição da articulação também é conectado ao
kit.
•
São realizados 3 movimentos, repetidos 3 vezes cada um, no plano horizontal e repetido o mesmo procedimento
para o plano vertical .
o
Movimento 1 – iniciando na posição de extensão total, a cada 3s, após um sinal de comando, o
voluntário move a articulação em 10o iniciando pela flexão até atingir 90o e em seguida retorna no
sentido da extensão seguindo o mesmo procedimento.
o
Movimento 2 – o movimento é feito sem paradas, iniciando na posição de extensão total atinge os 90o de
flexão e retorna à posição inicial.
o
Movimento 3 – Movimentos de flexão e extensão repetidos com amplitude inicial de 10o com
incrementos de 10o para cada repetição.
(a)
(b)
Figura 1 – Posicionamento e movimento do braço nos planos horizontal (a) e vertical (b).
•
Freqüência de aquisição 1000 Hz.
•
Filtro passa faixa 10-500 Hz (visando captar todas as componentes em freqüência do sinal mioelétrico).
•
Filtro passa faixa digital 10-200 Hz (componentes de maior contribuição de informação).
•
Detecção da envoltória do sinal.
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De posse dos dados adquiridos o projeto inicia-se com a seleção e tabulação dos dados, separando os 200ms iniciais
do movimento, para cada posição articular, para cada um dos movimentos. Especificamente este projeto irá trabalhar com os
dados do plano horizontal com carga, enquanto outro aluno estará trabalhando com os dados obtidos no mesmo plano sem
carga.
Com os dados tabulados inicia-se a fase de processamento estatístico, com a aplicação da PCA e LDA e análise da
distância de Bhattacharyya para a caracterização de padrões focando as posições de 0o , 40o e 80o graus para os movimentos 1 e
2 e os intervalos de 0 a 10o , de 0o a 50o e de 0o a 90o para o movimento 3. O processamento será feito com a utilização da
plataforma MATLAB.
Após a análise dos resultados esse procedimento será repetido com a utilização de posições articulares mais próximas,
ou seja 0o, 20º, 40º, 60º, 80º graus para os movimentos 1 e 2 e os intervalos de 0 a 10º, de 0 a 30º , de 0 a 50o, de 0 a 70º e de 0
a 90º graus, para o movimento 3.
O trabalho finaliza-se com a análise de todos os resultados verificando a existência ou não da relação entre EMG e
posição angular e a capacidade do PCA associado ao LDA em discriminar os dados.
II.3. Plano de trabalho e cronograma
Meses
atividade
Revisão Bibliográfica
e Estudo Teórico
(EMG, PCA, LDA)
Tabulação dos Dados
– Formação da Base
de dados
Processamento
Estatístico – Fase 1
Relatório Parcial
Processamento
Estatístico – Fase 2
Análise e
Comparação dos
Resultados
Relatório Final
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
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II. Referências Bibliográficas
[1] BITTAR, L. M. e CASTRO, M. C. F., “Elbow Flexion and Extension Movements Characterization by means of EMG”,
BIODEVICES, pp. 147-150, 2007.
[2] DELSYS INC. (1996) Tutorials & WhitePapers: " A Discussion on Surface Electromyography: Detection and Recording"
http://www.delsys.com/library/tutorials.htm ( acessado em março de 2006)
[3] DeLUCA, C. J. (1979). " Physiology and Mathematics of Myoelectric Signals". IEE Trans. Biomedical Eng. , v. 26(6), p.
313-325, 1979.
[4] FUKUNAGA, K, Introduction to Statistical Pattern Recognition, second edition. Boston: Academic Press, 1990.
[5] SILVA, G. A., CASTRO, M. C. F. e THOMAZ, C. E., “A Multivariate Statistical Analysis of Muscular Biopotential for
Human Arm Movement Characterization”. International Conference on Bio-inspired Systems and Signal Processing
BIOSIGNALS'09.
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Danilo Pires Oliveira
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