Experimentos com Interfaces Humano-Máquina: EMG – Parte 1.A

Estudo, projeto e construção de uma interface humano-máquina eletrônica para experimentos com sinais de eletromiografia – EMG

If you wish to understand the Universe, think of energy, frequency and vibration. – Nikola Tesla

Um laboratório subterrâneo, um lugar onde uma ação ocorre, parece sugerir uma máquina de fazer experimentos com humanos, uma interface máquina-humano. A criatura supera e então governa o criador para iniciar um novo ciclo. Em resposta, propomos um trabalho sobre uma Interface Humano-Máquina, mais conhecida por HMI – Human-Machine Interface ou MMI – Man-Machine Interface, e como podemos construí-la: um pequeno aparelho eletrônico conectado a certas partes dos braços ou das pernas para testarmos alguns experimentos de biofeedback com os sinais elétricos gerados no cérebro e captados nos músculos.

Apresentação

Nos propomos a construir uma interface eletrônica. Mas o que é uma interface? Dentro da Eletrônica, interface é um circuito ou dispositivo que interliga dois sistemas incompatíveis de modo que possam trocar informações entre si. Exemplos práticos de interfaces são o conversor A/D, que compatibiliza a saída de um circuito analógico com a entrada de um circuito digital; o modem, que faz com que dois equipamentos distantes e com funções diferentes troquem dados; e a popular interface USB que conecta todo tipo de ferramenta aos barramentos digitais do processador do nosso notebook. Imagine se a Internet pode ser também uma interface HMI. Blocos com combinações de 0’s e 1’s trafegam pela Web e podem conter comandos dirigidos para o homem e para a máquina através dessa interface.


Biofeedback
Biofeedback é uma técnica eletroterapêutica com a qual podemos aprender a ter controle voluntário sobre uma função fisiológica nossa, com a intensão de melhorar seu desempenho. Normalmente é utilizado algum aparelho eletrônico que capta os sinais elétricos da atividade fisiológica em estudo e nos informa de modo visual ou sonoro esses valores captados. Essa informação retornada pelo aparelho pode nos guiar para conscientemente alterarmos em nós a intensidade de tais sinais fisiológicos para cima ou para baixo.


Nessa série de artigos vamos estudar, projetar e construir um aparelho eletrônico, uma interface humano-máquina, que, conectada atraves de eletrodos a certos músculos nossos, possa captar, filtrar e amplificar os tênues sinais elétricos gerados em células neuromotoras quando estimuladas a agir sobre suas fibras musculares numa contração. Esses sinais, chamados de mioelétricos, depois de tratados pelo circuito da interface, podem ser então enviados de forma analógica para um outro sistema inteligente de controle, como o Arduino ou o seu notebook, para a sua digitalização, visualização de sua forma de onda, geração de sons ou mesmo controle de pequenos motores.

Os Sinais Elétricos do Corpo Humano #c24242

Os primeiros experimentos com bioeletricidade ocorreram ao longo do século 18 quando os cientistas descobriram com instrumentos rudimentares que todos os seres vivos de alguma forma geram potenciais elétricos. Hoje podemos registrar facilmente as atividades elétricas de vários orgãos no corpo humano, como o coração, o cérebro, os músculos e os olhos. O coração, por exemplo, produz um sinal elétrico que como registro é conhecido por eletrocardiograma (ECG); o cérebro produz um chamado de eletroencefalograma (EEG); a atividade muscular produz o eletromiograma (EMG); e os movimentos dos olhos resultam no eletrooculograma (EOG). As medidas destes e de outros sinais elétricos no corpo humano podem revelar disjunções nos orgãos correspondentes. Por exemplo, batimentos cardíacos anormais, disritmias, podem ser reveladas nos gráficos de ECG. Os neurologistas conseguem identificar eventos relativos a crises epilépticas em ondas cerebrais registradas em graficos de EEG.

Essas atividades elétricas têm origem nos orgãos, ou melhor, nas celulas que compõem os tecidos de cada orgão. Os neurônios motores, um tipo de célula nervosa, por exemplo, mantem potenciais elétricos conhecidos como potenciais de repouso (resting potential) entre os meios intra e extracelular que são resultados de diferentes concentrações de íons de potássio e de sódio que existem de cada lado da membrana da célula. Normalmente essa diferença de potencial quando a célula está em repouso é de -70 milivolts, tomando o meio externo como referência. Se excitada, essa célula nervosa pode responder com uma rápida inversão de polaridade que pode atingir um pico de até +30 milivolts antes de voltar ao repouso e recebe o nome de potencial de ação.


Potencial de Ação
Um potencial de ação é uma alteração rápida na polaridade do potencial de repouso da membrana, de negativo para positivo e de volta para negativo. Esse ciclo completo dura poucos milisegundos. Cada ciclo, ou cada potencial de ação, possui uma fase ascendente, uma fase descendente e, ainda, uma fase chamada de hiperpolarização, quando a ddp entre os dois meios é inferior ao do potencial de repouso de membrana.


Essas tênues correntes elétricas geradas pelos neurônios produzem campos elétricos (e consequentemente, campos magnéticos) que podem ser facilmente detetados com eletrodos apropriados, se posicionados sobre regiões do corpo de um paciente e conectados a amplificadores eletrônicos de alto ganho, os amplificadores de biopotenciais. Tais amplificadores, normalmente construídos com op-amps, alem do ganho da ordem de 10.000 ou mais, devem ter muito alta impedância de entrada e elevada rejeição a ruídos e interferências elétricas. Uma vez captadas e amplificadas, essas ondas elétricas (e magnéticas) podem servir para acionar, sob controle mental, dispositivos eletromecanicos externos como pequenos motores, como aprendemos a fazer conscientemente com diversas partes móveis de nossos corpos.

Os sinais elétricos nos músculos que desejamos detetar alem de ter muito baixa amplitude, tem também muito baixa frequência, entre 0,1 e pouco mais de 500 Hz; e ainda são grandemente contaminados por outros sinais biológicos, como aqueles gerados por movimentos involuntários musculares e oculares e por batimentos cardíacos; e tambem por todo tipo de irradiações eletromagnéticas, principalmente da rede elétrica (60 Hz), das centelhas geradas nas escovas de motores de corrente contínua, alem de aparelhos eletrônicos domésticos e computadores pessoais e seus periféricos.

Todos esses sinais bioelétricos são tratados dentro de uma área médica chamada de Eletrofisiologia, que é o estudo das propriedades elétricas das células vivas. Na História da Eletrofisiologia sempre são lembrados, o médico Luigi Galvani e seus experimentos com sapos em 1791; Carlos Mateucci e depois Frenchman Dubois-Reymond, que mostraram com galvanômetros os sinais elétricos numa contração muscular; e a forma de onda já em 1937 dos pulsos elétricos que comandam as fibras musculares num tubo de raios catódicos, o primeiro osciloscópio, por Hebert e Joseph Erlanger (nobel?).

A História da Eletrofisiologia nos diz que foi o médico bolonhês Luigi Galvani o primeiro a estudar a relação entre eletricidade e contração muscular, em 1791. Mas foi somente em 1838 que outro italiano Carlo Mateucci demonstrou com o auxílio de um galvanômetro a atividade elétrica de uma contração muscular em experimentos em seres anfíbios. Dez anos depois o fisiologista alemão Emil du Bois-Reymond demonstrou por meio de galvanômetros mais sensíveis que era a passagem de uma corrente elétrica por fibras musculares que provocava contrações musculares. Em 1944 os americanos Herbert Gasser e Joseph Erlanger (ambos, premio Nobel de Medicina naquele ano) revelaram a forma de onda desse sinal mioelétrico de um paciente numa tela de um tubo de raios catódicos (CRT), o primeiro osciloscópio; a partir daí a técnica para ler e interpretar esses sinais mioelétricos se desenvolveu e se tornou uma especialidade técnica médica com o nome de Eletromiografia (EMG), um campo da Neurofisiologia.

A Eletromiografia de superfície basicamente captura com eletrodos posicionados sobre um músculo a ser observado e acoplados a amplificadores de altíssimo ganho a atividade elétrica que acontece quando este músculo contrai e quando relaxa. Numa contração muscular voluntária uma ordem concebida no cérebro é enviada por uma rede de células nervosas até uma unidade motora (UM), um neurônio motor e todas as fibras musculares a ele conectadas por sinapse, na forma de um pulso elétrico, potencial de ação.

Para realizar um movimento voluntário com um certo grau de força várias unidades motoras podem ser recrutadas para atuarem em conjunto. A soma vetorial de todos os pulsos elétricos que percorrem as fibras musculares recebe o nome de potencial de ação de unidade motora, ou MUAP (Motor Unit Action Potential). Para sustentar uma contração muscular uma sequência de disparos de MUAPs deve ser mantida, com um trem de pulsos (pulse train), com informações codificadas específicas para cada fibra muscular envolvida. Como ondas ao percorrer as fibras musculares um MUAP em uma unidade motora cria uma região de ínfimos campos eletromagnéticos. Campos elétricos (ou magnéticos) originados de uma mesma fonte interagem entre si e formam o que se chama de padrão de interferências. Na eletromiografia a forma espacial do padrão de interferências que será captada pelos eletrodos como antenas vai ser função da superposição das fases dos campos eletromagnéticos coerentes criados num grupo de unidades motoras.

Potencial de Ação no Neurônio Motor
Em uma contração muscular uma mensagem do cérebro é codificada num potencial de ação que é recebida por um neurônio motor para estimular todas as fibras musculares a ele conectadas; juntos eles formam uma unidade motora (MU-Motor Unit). Todas as fibras musculares de uma MU são simultaneamente percorridas pelo potencial de ação, que criam en passant campos eletromagnéticos, cuja soma vetorial é chamado de potencial de ação da unidade motora (MUAP-Motor Unit Action Potential). Um sinal mioelétrico é portanto a resultante dos campos eletromagnéticos de um MUAP captados por eletrodos de superfície posicionados sobre áreas musculares.

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