Analog reconfigurable technologies for EMG signal processing

Abstract

A aquisição e o processamento de sinais eletromiográficos é importante em aplicações clínicas envolvendo o diagnóstico de doenças, bem como no controle de próteses mioelétricas ou sistemas de estimulação elétrica funcional. Tradicionalmente os sinais eletromiográficos são processados usando-se circuitos analógicos, como amplificadores de instrumentação, filtros, conversores RMS ou de valor retificado médio. O projeto destes circuitos clássicos, embora bastante conhecidos, demanda tempo principalmente na fase de validação e testes. Neste artigo é mostrado o desenvolvimento de um circuito capaz de desempenhar essas funções empregando arranjos analógicos programáveis (Field Programmable Analog Arrays – FPAA). As funções mencionadas acima foram implementadas usando os recursos de um único arranjo analógico programável. A programação dos circuitos pode ser realizada a qualquer momento, através do “download” de uma nova configuração ou atualização da configuração atual durante a operação do sistema. O circuito com FPAA modelo AN221E04 do fabricante Anadigm mostrou excelente desempenho na captação de biopotenciais de amplitude baixa, da ordem de 10 μV a 500 μV e com interferências de modo comum significativamente superiores. O circuito mostrou-se versátil com a possibilidade de modificar as características dos circuitos analógicos, como freqüências de corte de filtros, ganhos e tensões de referência por software e “on the fly”, ou seja, durante a operação do equipamento. O consumo elevado do circuito é o principal fator limitante, pois como se deseja isolação galvânica, o uso de baterias é o ideal.

The acquisition and processing of electromyographic (EMG) signals are important steps for clinical applications involving the diagnosis of diseases, and also for the control of myoelectric prostheses or functional electrical stimulation systems. EMG signals are usually processed using analog circuits such as instrumentation amplifiers, filters, RMS converters or rectified average value converters. The design of such traditional circuits, however, especially during the validation phase, is time-consuming. This paper describes the development of an innovative biomedical application using commercially available Field Programmable Analog Arrays (FPAAs). All the functions required for the utilization of EMG signals were implemented using the resources of a single FPAA. The circuit can be configured at any time, either through a new download or through on-the-fly updates to an already functioning configuration. FPAA circuit model AN221E04 enabled the acquisition of low amplitude biopotentials (10 μV to 500 μV) with high common mode interference. The programmable circuit proved to be flexible, since it was possible to modify analog circuit characteristics such as filter cut-off frequencies, gains and reference voltages by software and during circuit operation. The high consumption of the circuit is the main limiting factor, once batteries supply are needed for galvanic isolation.