Estudo de Eletromiografia e Eletrodos

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RESUMO OBJETIVO DO PROBLEMA: 
	O problema fala especificamente sobre o exame de eletromiografia e suas possíveis respostas que são adquiridas através da integral do sinal retificado do eletromiógrafo. Para a leitura desses biopotenciais são usados eletrodos que são fixados na superfície da pele, esses eletrodos convertem a corrente iônica com eletrônica. 
	Um fabricante de EMG solicitou ao seu engenheiro três tarefas, sendo elas: estudar sobre os diferentes tipos de eletrodos, verificar o circuito EMG e projetar um amplificador com ganho variável a fim de ser adicionado a um estágio final do EMG. 
OBJETIVOS
· Entender o funcionamento do emg;
· Estudar a conversão da corrente iônica para eletrônica;
· Analisar circuitos de retificação aplicados ao emg;
· Conhecer diferentes tipos de eletrodos e géis e quais utilizar;
· Entender a força aplicada através da integração;
· Compreender o circuito do amplificador integrador.
TERMOS DESCONHECIDOS
· Eletromiografia: É o estudo da função muscular por meio do apuramento dos sinais elétricos que emanam dos músculos, podendo também servir de estudo para a análise da unidade motora. Este exame pode detectar algumas anormalidades como a desnervação crônica ou fasciculação no músculo (OLIVEIRA, 2012) (FILHO; OLIVEIRA, 2019). 
· Eletrodos de biopotencial: São eletrodos comuns que se são alocados superficialmente na pele para que possa ser feita a medição dos estímulos biológicos. Esses mesmos possuem um alto valor de impedância devido as correntes que irão passar no corpo do paciente para que possa ser feita a medição; essas impedâncias raramente terão o mesmo valor pois como haverá corrente fluindo através destas impedâncias a tensão de modo comum irá produzir diferentes correntes em cada uma delas, o que consequentemente causará diferentes quedas de tensões e por esta razão a tensão de modo comum de interferência será convertida em tensão diferencial, sendo esta processada pelo circuito de medição juntamente com o sinal desejado (CARDOSO, 2010). 
· Corrente iônica: É quando existe uma corrente em soluções eletrolíticas. Ela é composta pelo fluxo de íons positivos e negativos (ABREU, 2021).
QUESTÕES
1. Como é estimada a força aplicada através do cálculo da integral?
Hipótese: A estudar
Validação da hipótese: Não possui hipótese para ser validada.
Resposta: A média da força junto com a integral da eletromiografia, sobre o conjunto de eletrodos mostram a correlação linear ao contrário das diferentes localizações dos eletrodos. Se todas as fibras musculares participam de uma mesma ação em um mesmo tempo, a média da integral normalizada de alguns lugares usando eletrodos de agulha poderia refletir a atividade total do músculo (FIORAMOTE, 2011).
2. Como é convertida uma corrente iônica em eletrônica?
Hipótese: Existe um conversor com essa finalidade
Validação da hipótese: A hipótese está parcialmente correta. Faltou detalhar o processo e especificar as reações eletro-químicas que existem para que ocorra essa transformação.
Resposta: A primeira etapa para a medição de biopotenciais se consiste na transformação das correntes iônicas em correntes eletrônicas, que são conduzidas através de cabos ao circuito de medição. Essa transformação consiste em um processo eletro-químico causador das características elétricas da interface entre tecido e eletrodo. A variabilidade das condições em que ocorrem as transformações de corrente na interface é muito elevada, o que provoca uma excessiva variabilidade das características elétricas. 
	Na figura 1 é possível ver uma ilustração do efeito da inserção de um eletrodo metálico em uma solução eletrolítica em repouso. Se porventura existir uma corrente iônica na solução eletrolítica, os íons M+ se moverão na direção da corrente enquanto os íons A− se moverão na direção contraria. Neste caso, a dupla camada elétrica na fronteira do eletrodo com o eletrólito é perturbada, de maneira que as proporções de oxidação e redução se desequilibram. A redução dos íons M+ retira elétrons do eletrodo, enquanto a oxidação dos átomos de metal os insere. 
Figura 1 - Ilustração das reações na fronteira entre o eletrodo e a solução eletrolítica. O eletrodo de metal (M), íons do metal (M+) e aníons de uma determinada espécie (A −).
Fonte: (CARDOSO, 2010).
Quando a taxa de redução é mais alta que a de oxidação, existe uma corrente resultante de elétrons deixando o eletrodo, o que significa uma corrente elétrica, no seu sentido convencional, penetrando no eletrodo. Esta corrente tem mesma direção da corrente de íons M+ na solução, conforme ilustrado na figura 2(a). Em contrapartida, se a taxa de oxidação é maior, existe uma corrente resultante de elétrons penetrando no eletrodo, significando uma corrente elétrica (sentido convencional) no sentido contrário, conforme ilustrado na figura 2(b). Portanto pode-se concluir que a corrente iônica foi convertida em corrente eletrônica, e vice-versa, através das reações de oxirredução na fronteira entre eletrodo e eletrólito (CARDOSO, 2010).
Figura 2 - Ilustração da conversão das correntes iônicas em correntes eletrônicas na fronteira entre eletrodo e eletrólito. (a) Os cátions M+ se movendo na direção do eletrodo, aumentam a taxa de redução. (b) Os cátions M+ movendo-se na direção oposta ao eletrodo alargam a taxa de oxidação na fronteira.
Fonte: (CARDOSO, 2010).
3. Estudar sobre os diferentes tipos de eletrodos para uso com amplificadores de biopotenciais 
Hipótese: A estudar
Validação da hipótese: Não possui hipótese para ser validada.
Resposta: Existem dois tipos de eletrodos de superfície amplamente usados no exame de eletromiografia para que seja adquirido os sinais eletromiográficos, são eles os eletrodos de gel e os eletrodos secos.
	Eletrodos em gel ou eletrodos de Ag/AgCl são especialmente usados para a aquisição de sinais fisiológicos. Estes eletrodos se apoiam em gel eletrolítico para estabelecer o contato com a pele. Ele também apresenta alta condutibilidade, concedendo uma aquisição de alta qualidade com baixa interferência por artefatos de movimento. Embora sejam muito utilizados, eles apresentam desvantagens consideráveis, como: irritação e a necessidade de preparação da pele; perda de algumas de suas características depois de um longo período de tempo pela evaporação do gel eletrolítico; deterioração da impedância de 5 kΩ para 15 kΩ em um período de 5 horas; em animais a preparação da pele e degradação do eletrólito apresentam uma restrição para monitoramentos de longo prazo, e em grande escala, devido à dificuldade e demora em controlar o animal e impossibilidade de realizar trocas regulares dos eletrodos, além da dificuldade na fixação do eletrodo devido as características da pele do animal.
	Por outro lado os eletrodos secos são definidos como aqueles que não necessitam de gel condutivo para realizar a aquisição de biopotenciais, podendo ser colocados diretamente na superfície do músculo desejado ou no crânio sem necessidade da preparação da pele. Estes possuem vantagens consideráveis para aplicações de longo prazo, sendo compostos unicamente por um material condutivo em contato com a pele, tal como um disco metálico. Porém, possuem alta impedância eletrodo-pele e maior fraqueza a artefatos de movimento. Por isso, várias técnicas foram desenvolvidas visando a melhora no desempenho destes, trazendo variações quanto ao material utilizado, a natureza do contato e a instrumentação eletroeletrônica. A praticidade e o comportamento de eletrodos secos podem ser avaliados em duas categorias. Sendo a primeira relacionada ao conforto, pois estarão em contato direto com a pele e talvez por longos períodos de tempo, e a segunda está relacionada à qualidade do sinal em função do ruído e da sensibilidade aos artefatos de movimento. Eles possuem algumas diferentes topologias para garantir uma melhora do sinal, sendo elas: pinos na escala de nano, micro (garantindo que o sinal passe do estrato córneo, camada mais eterna da epiderme) e milímetros (com impedâncias mais baixas que os anteriores); e placasmetálicas capacitivas e sem contato (eliminando o problema de contato entre o transdutor e a pele) (MOSER, 2017).
4. Analise o circuito de retificação do EMG. 
Hipótese: Não há hipótese
Validação da hipótese: Não possui hipótese para ser validada.
Resposta: Os circuitos de retificação são usados para converter os sinais negativos para a parte positiva, dentre eles pode ser encontrado o sinal de meia-onda (sugestão 3) e de onda completa (sugestão 2). Dentro desses circuitos existem três componentes fundamentais, sendo eles os amplificadores, os resistores e os diodos. Os primeiros, assim como seu próprio nome, são usados para ampliar um sinal muito baixo, ou até mesmo diminuí-lo. Os resistores estão lá para o controle da corrente no circuito e para o controle de tensão nas malhas e nos diodos. 
Por fim os diodos, os principais componentes em um circuito de retificação, são usados para retificar o circuito, ou seja, quando o sinal entrar pelo lado positivo ele apresentará a onda e não deixará conduzir o outro lado. Circuitos com apenas um diodo são considerados de meia onda, já que não tem como a tensão negativa passar, e circuitos com dois diodos são de onda completa, pois no momento em que um deixa de conduzir o outro conduzirá, assim a parte negativa pode ser invertida pelo amplificador e conduzida pelo segundo diodo.
5. Projete um amplificador integrador com ganho variável a fim de ser adicionado a um estágio final do EMG em desenvolvimento para fornecer a integral do sinal eletromiográfico. As características de entrada do sinal desse amplificador são: +-300mV; o sinal de saída deve ser: +-5V.
Hipótese: Não há hipótese
Validação da hipótese: Não possui hipótese para ser validada.
Resposta: Abaixo segue uma projeção do circuito.
Figura 3 – Projeto do circuito com amplificador com ganho variável.
Fonte: (Autoria própria).
6. Quais as diferenças dos eletrodos de prata/cloreto de prata, ouro e aço inoxidável e se caso exista outros tipos de géis, especifique-os. 
Hipótese: Cada eletrodo é projetado para um tipo de exame, o eletrodo de prata/cloreto de prata é utilizado em ecg’s e o de ouro e aço inoxidável é utilizado em emg’s. Existem mais de um tipo de gel, alguns conduzem corrente elétrica e outros não. Os géis também se diferenciam em textura, finalidade e exame. 
Validação da hipótese: A hipótese está parcialmente correta. A parte referente aos eletrodos está bem completa faltando apenas citar algumas características de cada matéria; e a parte referente aos géis está incorreta já que eles não possuem muitas variações.
Resposta: Os eletrodos de prata/cloreto de prata são os que possuem mais baixos e estáveis potenciais de junção, esse potencial é causado pela interface de duas superfícies eletrolíticas diferentes e são os principais causadores da distorção da medida na movimentação dos eletrodos. Além disso estes são utilizados com gel composto de cloreto de sódio, ou potássio, para que sejam capazes de gerar uma boa condutividade e baixo potencial de junção, muito usado em ECG (PEZI, 2013).
	Já os eletrodos em ouro são excelentes condutores e inertes. São feitos em pequenos formatos para que sejam usados em Eletroencefalograma (EEG) e EMG, sendo presos no escalpo e com espaço para conter o gel condutor. Sua maior desvantagem é possuir potenciais de junção mais altos, assim como um maior custo. Por outro lado os eletrodos feitos de aço inox apresentam quase as mesmas características que os de ouro no entanto são mais baratos e possuem alta qualidade do metal de solda, porém são mais sensíveis a umidade (ESAB, 2020).
	O gel condutor nada mais é do que um gel que auxilia na condução elétrica, normalmente usado em aparelhos de exame como: eletrocardiograma, ultrassonografia, eletroterapias, etc. Não existem muitas variações e sua composição as vezes não difere na hora do exame. No geral todos possuem as mesmas características, incolor e com funcionalidade de auxiliar na condução, com a maioria das diferenciações sendo a das marcas que os fabricam.
7. Qual das três sugestões propostas pelo engenheiro para o circuito de retificação é a mais adequada para o problema em questão?
Hipótese: Figura 7, Sugestão 3.
Validação da hipótese: A hipótese está errada. Pois não era este circuito já que ele é um retificador de meia onda.
Resposta: Das três sugestões o melhor circuito é o da sugestão 2 (Figur 6). Este circuito é um circuito retificador de precisão, nele quando a tensão for positiva o diodo D1 irá conduzir fechando a malha de realimentação, passando a existir uma massa virtual na entrada e saída do amplificador que estará aproximadamente -0,7V e o vo será de 0V já que como D2 está inversamente polarizado e não conduzirá corrente. 
	E quando a tensão for negativa o terminal do amplificador ficará ligeiramente negativo e saída positiva, o que deixará D1 inversamente polarizado. Sendo assim D2 conduzirá corrente e fechará a malha de realimentação. A corrente de entrada irá passar pelos resistores já que ambos tem o mesmo valor (10kΩ) (FCEE, 2016).
	Além de tudo isso ainda possui o fato de que esse circuito é um circuito de retificação de onda completa, garantindo que não haja a perda de informações no sinal quando a tensão for negativa. Segue abaixo a Figura 4 do circuito e o gráfico de sua saída.
Figura 4 – Circuito da sugestão 2 e seu gráfico de saída.
Fonte: (Autoria própria).
		A grande desvantagem entre os circuitos da proposta 1 e 3, é que na proposta três o sinal é de meia onda, como na Figura 6, e o da proposta 1 o sinal sai contínuo, ou seja a ponte de diodos transforma o sinal senoidal em um sinal levemente contínuo, transformando basicamente a corrente alternada em contínua, essa ponte é muito encontrada em eletrônicos que se utilizam da CC para funcionar, como é o caso dos carregadores de celular, segue a Figura 5 mostrando seu gráfico.
Figura 5 – Gráfico da proposta 1.
Foto: (Autoria própria).
Figura 6 – Gráfico sugestão 3.
Foto: (Autoria própria).
8. Projete o circuito amplificador integrador
Hipótese: Não há hipótese
Validação da hipótese: Não possui hipótese para ser validada.
Resposta: Para esta questão é preciso calcular o valor do capacitor, então adotando o valor de 10kΩ para o resistor e considerando que o a frequência máxima do aparelho de eletromiografia é de 2kHz, calculamos então o valor do capacitor através da fórmula da frequência de corte (PININGA, 2017) (TAPASHETTI, 2012):
 
 
		Para achar a frequência de corte usamos o valor do capacitor encontrado, usando a fórmula:
 
O projeto do circuito foi apresentado na Figura 4 da questão 7 já que para o desenvolvimento foi utilizado dos mesmos cálculos, evitando então que se repetisse a imagem novamente.
MAPA CONCEITUAL: 
RESUMO CRÍTICO:
	O problema traz um assunto importante porém não foi estimulante para a aprendizagem, já que muitos alunos ainda estão em dúvida sobre a montagem de circuitos com amplificadores e potenciômetros. Algumas aulas ajudaram a desenvolvê-lo porém acredito que precisava de mais tempo para estudar melhor sobre os assuntos, principalmente a parte da conta. 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
1. ABCMED, 2019. Eletromiografia - entenda mais sobre este exame. Disponível em: <https://www.abc.med.br/p/exames-e-procedimentos/1336758/eletromiografia-entenda-mais-sobre-este-exame.htm>. Acesso em: 23 ago. 2021.
2. ABREU, Augusto. Corrente Elétrica. Portal São Francisco, 2021. Disponível em: <https://www.portalsaofrancisco.com.br/fisica/corrente-eletrica>. Acessado em: 12/11/2021 10:12.
3. CARDOSO, Adriano. S. V.. Instrumentação e Metodologias de Medição de Biopotenciais. Homero Guimarães. 2010. Tese de Doutorado em Engenharia Elétrica. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Minas Gerais, Minas Gerais. 2010. Disponível em: <https://www.ppgee.ufmg.br/defesas/213D.PDF>. Acessado em: 12/11/2021 10:12. 
4. ESAB. Apostila de Eletrodos Inoxidáveis. 2020. Disponível em: <https://www.esab.com.br/br/pt/education/apostilas/upload/1901101rev0_apostilaeletrodosinoxidaveis_nova.pdf>.Acessado em: 12/11/2021 10:12.
5. Faculdade de Ciências Exatas e da Engenharia. Universidade da Madeira. 2016. Disponível em: <http://cee.uma.pt/edu/el2/acetatos/formata.pdf>. Acessado em: 12/11/2021 10:12.
6. FIORAMOTE, Isabela. S. K.. Estudo do Sinal Eletromiográfico em Exercícios Isométricos em Diferentes Velocidades de Contração. Rúben Filho. 2011. Dissertação de Mestrado em Fisioterapia. Programa de Pós-Graduação em Fisioterapia, Universidade Estadual Paulista, Presidente Prudente – SP. 2011. Disponível em: <http://www2.fct.unesp.br/pos/fisioterapia/dissertacao/11/diss_isabela.pdf>. Acessado em: 12/11/2021 10:12.
7. MOSER, Ana Claudia. Desenvolvimento de eletrodos para avaliação do comportamento ingestivo usando sEMG. Fábio Bertotti. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso 2 em Engenharia da Computação. Departamento Acadêmico de Informática, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Brando – PR. 2017. Disponível em: <http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/14586/1/PB_COENC_2017_1_01.pdf>. Acessado em: 12/11/2021 10:12.
8. Oliveira, Daniela Cristina Silveira de et al. Análise eletromiográfica de músculos do membro inferior em exercícios proprioceptivos realizados com olhos abertos e fechados. Revista Brasileira de Medicina do Esporte [online]. 2012, v. 18, n. 4 [Acessado 23 Agosto 2021], pp. 261-266. Disponível em: <https://doi.org/10.1590/S1517-86922012000400009>. Epub 22 Out 2012. ISSN 1806-9940. 
9. PEZZI, Rafael. Medição de Biopotenciais - o Estado da Arte. Cursos IF-UFRGS. 2013. Disponível em: <http://cta.if.ufrgs.br/projects/instrumentacao-fisica/wiki/Medi%C3%A7%C3%A3o_de_Biopotenciais_-_o_Estado_da_Arte>. Acessado em: 12/11/2021 10:12.
10. PININGA, Milena. M. C. Sistema De Arranjo Linear De Eletrodos Para Identificação De Motricidade Fina Dos Dedos. Marco Redrigues. 2017. Dissertação submetida ao Programa de PósGraduação em Engenharia Elétrica. Departamento De Eletrônica E Sistemas, Universidade Federal de Pernambuco. Recife – PE. 2017. Disponível em: <https://www.ufpe.br/documents/39830/1359036/314_MilenaPininga/77163b12-c6d6-451a-82a3-f7f3fbd18539>. Acessado em: 12/11/2021 10:12.
11. TAPASHETTI, Pratibhadevi. Design and Simulation of Op Amp Integrator and Its Applications. International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT). ISSN: 2249 – 8958, Volume - 1, Issue - 3, February 2012. Disponível em: <https://studylib.net/doc/18052714/design-and-simulation-of-op-amp-integrator-and-its-applic>. Acessado em: 12/11/2021 10:12.