Procesamiento analógico y digital de señales de electromiograma para arreglos de electrodos

Abstract

Las líneas de investigación actuales que estudian la adquisición de señales de electromiograma (EMG) se orientan hacia técnicas no invasivas de medición. La búsqueda de optimizar el confort de la persona conduce a adquirir el EMG mediante dispositivos vestibles. Esta tendencia genera desafíos en el diseño de la instrumentación analógica necesaria para capturar estas señales con electrodos superficiales y en su posterior procesamiento digital para mejorar la selectividad espacial. Los electrodos superficiales tienen una pobre especificidad espacial per se que puede mejorarse construyendo sensores que combinen señales de varios electrodos conformando arreglos. Los arreglos de electrodos más simples admiten una implementación analógica, y los más complejos demandan técnicas de procesamiento digital de señales. El objetivo de esta tesis es desarrollar técnicas avanzadas de instrumentación y procesamiento de señales para arreglos de electrodos, que permitan implementar sensores de EMG vestibles y con mayor especificidad espacial. En primer lugar, se estudia la adquisición de EMG superficial y el rechazo activo a interferencias electromagnéticas (EMI), extendido a sistemas multi-canales vestibles. A partir de este análisis, se encuentran las condiciones que debe cumplir un sistema de adquisición para medir EMG con mínima EMI, que son el diseño de tamaño físico reducido, la alimentación a baterías y la transmisión inalámbrica de datos. Estas condiciones hacen factibles el desarrollo de amplificadores portátiles y vestibles con diseños simples, que no requieren rechazo activo de EMI, y utilizan un número reducido de electrodos y componentes. Una propuesta original desarrollada en esta tesis es un sensor de EMG basado en un amplificador single-ended que mide la señal diferencial con solo dos electrodos. Este sensor, completamente enfocado a dispositivos vestibles y pequeños, da lugar a una nueva propuesta que mejora su selectividad espacial de manera analógica. Se presenta una nueva topología para medir señales doble-diferenciales de EMG que utiliza solo tres electrodos, un número reducido de componentes, y no requiere rechazo activo de EMI. Si bien es posible extender los conceptos a arreglos más grandes de electrodos, deja de ser pragmático desde el procesamiento analógico de señales. Por lo tanto, en el último tramo de la tesis se presenta el desarrollo de un modelo computacional de simulación de EMG superficial que sirve como herramienta fundamental para el estudio y diseño de algoritmos que aumenten la selectividad espacial de arreglos de electrodos utilizando procesamiento digital de señales.