طراحی وساخت دستگاه ثبت کننده سیگنال الکترومایوگرام دو کاناله و مدلسازی فعالیت ایزومتریک ساعد
چکیده
هدف از این پروژه ساخت امپلی فایر دو کاناله EMG و مدلسازی فعالیت ایزومتریک ساعد و به دست اوردن رابطه کیفی بین نیروی وارد بر کف دست و دامنه EMG دو عضله دو سر و سه سر بازو و میزان نیروی متوسط ایجاد شده در انهاست.
سیگنال EMG دو عضله به وسیله کارت صوتی به کامپیوتر داده شده و از نرم افزار MATLAB برای نمایش و پردازش داده ها استفاده می شود.سپس اضافه کردن وزنه هادر کف دست و مطالعه EMG دو عضله و انتگرال قدر مطلق انها روابط مطرح شده در قسمت بالا را به دست می اوریم.
در بخش مدلسازی پس از ساده سازی به مدلسالزی ماهیچه دو سر بازو می رسیم که برای ثبت پاسخ ان از سنسوری که خودمان طراحی کردیم استفاده می کنیم و پاسخ این سنسور را هم با کارت صوتی به کامپیوتر می دهیم.
مقدمه
در اثر انتقال سیگنالهای عصبی به عضله , تارهای عضلانی فعال شده و ایجاد پتانسیل عمل می نماید که به آن EMG گویند که در واقع تجلی اراده انسان برای انجام حرکت است . انتشار این پتانسیل های عمل در طول عضله ادامه یافته و بر روی پوست قابل دریافت می گردند . با نصب الکترودهای پوستی می توان این سیگنالها را از سطح پوست دریافت نمود .
سیگنالهای EMG از نظر فرکانس در محدودهhz 25 تا چند کیلو هرتز تغییر می کنند و دامنه های سیگنال بسته به نوع سیگنال والکترودهای استفاده شده از 100 میکروولت تا 90 میلی ولت تغییر می کنند .
بطور کلی سیگنال EMG توسط دو نوع منبع نویز می پذیرد :
2منابع غیر بیولوژیکی
منابع بیولوژیکی شامل حرکات سایر عضلات مانند عضله قلب و حرکات ناشی از ضربان رگهای خونی است و منابع غیر بیولوژیکی شامل سیستمهای اندازه گیری و تداخلات برق شهر و محیط اطراف آن و حرکات شخص آزمایش دهنده و حرکت الکترودها می باشد .
ثبت کننده EMG شامل مدارهایی است که می تواند سیگنال بسیار ضعیف EMG را که حداکثر دامنه ای به اندازهmv 1 دارد و دارای نویز نیز می باشد , را پردازش کرده و با کمترین نویز و دامنه قابل قبول در خروجی ظاهر سازد
در طراحی مدار ثبت کننده EMG بدلیل اینکه پهنای باند فرکانسی این سیگنال عموما" بین 25 تا 1000 هرتز است , از یک فیلتر بالا گذر و یک فیلتر پایین گذر استفاده شده است .همچنین برای حذف نویز hz 50 برق شهر که به ورتداخلی وارد می شود از یک فیلتر میان ناگذر تیز استفاده می کنیم .برای رساندن سطح سیگنال به مقدار قابل نمایش
هم گین 1000 را در مدار تعبیه می کنیم.سپس سیگنال حاصله را به وسیله وسیله کارت صدا به کامپیوتر می دهیم.
بنابراین تا این مرحله اطلاعات A/D کارت صدا از طریق پورت PCI به پردازنده کامپیوتر انتقال یافته است . حال به دنبال راهی می گردیم که این اطلاعات را بتوانیم نمایش دهیم و بر روی ان پردازش انجام دهیم. نرم افزاری که ما در این پروژه از ان استفاده کردیم MATLAB می باشد.MATLAB به عنوان یک زبان برنامه نویسی و ابزار دیداری کردن داده , قابلیت های بسیاری در زمینه های مهندسی , محاسبات و ریاضیات دارا می باشد. برای دادن سیگنال EMG دو عضله به طور همزمان از مد استریوی کارت صدا استفاده می کنیم.
پس ان واردمرحله ی مدلسازی حرکت ایزومتزیک ساعد می شویم. مدل سازی یکی از جنبه های مهم اغلب مطالعات مهندسی پزشکی است . مدل عبارت است از نمایش ساده شده ی اشیا و سیستمها و به همین دلیل جزء مهمی از زندگی روزمره نیز به شمار می رود.
در بحث مدلساز ی ابتدا به ساده سازی سیستم می پرازیم . سپس با وارد کردن نیرو به کف دست و ثبت جابجایی دست در فاز دینامیک حرکت به وسیله سنسور جابجایی طراحی شده وارد مرحله بعد می شویم.
مرحله بعدی انتخاب مدل مناسب برای ماهیچه است که مامدل مکانیکی هیل را در نظر گرفتیم و با محاسبه تابع تبدیل پارامتری این مدل و به دست اوردن خروجی زمانی ان با فرض اینکه ورودی پله باشد و مقایسه ان با خروجی سنسور ، پارامترها را محاسبه کردیم.
این پایان نامه شامل شش فصل است که در فصل اول به بررسی سیگنال EMG پرداختیم .در فصل دوم مطالبی راجع به الکترودهای ثبت سیگنال اورده شده است و فصل سوم هم مفصلا به شرح سخت افزار پروزه می پردازد.
فصل چهارم هم حاوی مطالبی درباره کارت صدا می باشد.
سپس در فصل پنجم به مبحث مدلسازی حرکت ایزومتریک ساعد و به دست اوردن رابطه بین وزنه ها و دامنه EMG می پردازیم.
فصل ششم هم به بررسی نرم افزار پروژه و الگوریتم های نوشته شده می پردازد.
فصل اول
در اثر انتقال سیگنالهای عصبی به عضله , تارهای عضلانی فعال شده و ایجاد پتانسیل عمل می نماید که به آن EMG گویند که در واقع تجلی اراده انسان برای انجام حرکت است . انتشار این پتانسیل های عمل در طول عضله ادامه یافته و بر روی پوست قابل دریافت می گردند . با نصب الکترودهای پوستی می توان این سیگنالها را از سطح پوست دریافت نمود . سیگنالEMG به عنوان یک ابزار غیر تهاجمی برای کنترل دست مصنوعی به کار می رود . این سیگنال حاوی اطلاعات زیادی در حوزه زمان و فرکانس است که محققان با تبدیلات ریاضی متنوع , سعی در استخراج و تحلیل اینگونه اطلاعات داشته اند .
سیگنالهای EMG از نظر فرکانس در محدودهhz 25 تا چند کیلو هرتز تغییر می کنند و دامنه های سیگنال بسته به نوع سیگنال والکترودهای استفاده شده از 100 میکروولت تا 90 میلی ولت تغییر می کنند , بنا براین تقویت کننده های EMG نسبت به تقویت کننده های ECG پاسخ فرکانسی وسیعتری را پوشش می دهند ولی در عوض لازم نیست فرکانسهای بسیار پایین را مانندECG پوشش دهند . و این امر بدلیل وجود آرتیفکت ناشی از حرکت در فرکانسهای پایین بسیار مطلوبست چرا که میتوانند بدون تحت تأثیر قرار دادن سیگنال مؤثر , فیلتر شوند .
در نمودارشکل 1-1 مقایسه ای بین محدوده تغییرات فرکانس و ولتاژ سیگنال EMG و سیگنالهای متداول دیگر انجام شده است :
شکل 1-1-مقایسه دامنه و فرکانس EMG با سیگنالهای حیاتی دیگر
همانطور که ملاحظه می کنید سیگنال EMG نسبت به سیگنالهای ECG,EEG,EOG محدوده فرکانسی وسیعتری را شامل می شود و همینطور شامل فرکانسهای خیلی کم نمی شود و نسبت به آنها دامنه بزرگتری نیز دارد . ولی دامنه آن نسبت به پتانسیل عمل آکسون پایین تر است و فرکانسهای پایین تری را نسبت به آن پوشش می دهد .
از آنجاییکه در این پروژه از الکترودهای سطحی استفاده شده است , سطوح سیگنالها پایین و پیک دامنه های آنها از 1/0 تا 1 mv است .
اما اگر از الکترودهای سوزنی فرو رونده در ماهیچه استفاده شود , سیگنالهای EMG می توانند دارای دامنه ای در حدود دو برابر حالت قبلی شوند و در نتیجه به بهره کمتری برای تقویت نیاز دارند و همچنین از آنجاییکه سطح الکترودهای سوزنی EMG نسبت به الکترودهای سطحی به مراتب کمتر است , امپدانس منبع مولد سیگنال بالاتر بوده و لذا امپدانس ورودی بالاتر تقویت کننده لازم است .
در مراکز بهداشتی و درمانی EMG اغلب به روش سوزنی انجام می شد و روش سطحی با وجود بهداشتی بودن و عدم درد , بندرت به کار می رفت زیرا این روش دارای شکل موج کاملا" تصادفی است و استخراج پارامترهای آن بدون استفاده از روشهای پردازش کامپیوتری امکان پذیر نیست , ولی اخیرا" با پیشرفتهای انجام گرفته در روشهای پردازش کامپیوتری بتدریج استفاده از الکترودهای در ثبت EMG رو به افزایش است .
یکی از مناسبترین روشهای تحلیل EMG همراه با الکترود سطحی , بررسی محتوای فرکانسی سیگنال و استخراج ویژگیهای آن با استفاده از تابع چگالی طیف توان است .
منابع نویز :
بطور کلی سیگنال EMG توسط دو نوع منبع نویز می پذیرد :
2- منابع غیر بیولوژیکی
منابع بیولوژیکی شامل حرکات سایر عضلات مانند عضله قلب و حرکات ناشی از ضربان رگهای خونی است و منابع غیر بیولوژیکی شامل سیستمهای اندازه گیری و تداخلات برق شهر و محیط اطراف آن و حرکات شخص آزمایش دهنده و حرکت الکترودها می باشد .
ثبت کننده EMG شامل مدارهایی است که می تواند سیگنال بسیار ضعیف EMG را که حداکثر دامنه ای به اندازهmv 1 دارد و دارای نویز نیز می باشد , را پردازش کرده و با کمترین نویز و دامنه قابل قبول در خروجی ظاهر سازد
در طراحی مدار ثبت کننده EMG بدلیل اینکه پهنای باند فرکانسی این سیگنال عموما" بین 25 تا 1000 هرتز است , از یک فیلتر بالا گذر و یک فیلتر پایین گذر استفاده شده است .
ثبت کننده سیگنالهای حیاتی بطور کلی عبارت است از بکارگیری تجهیزاتی الکترونیکی که بعضی از وقایع فیزیولوژیکی نرمال و یا غیر نرمال درونی انسان را به شکل سیگنالهای سمعی و بصری نمایش می دهد و به ا و یاد می دهد که روی وقایع احساس نشده و یا غیر ارادی خود با دیدن این سیگنالهای سمعی و بصری کار کند .
در زمینه مسائل مربوط به توانبخشی مفید ترین ثبت کننده , EMG است . اما سیگنال EMG به تنهایی قابل استفاده نیست چونکه بیمار و پزشک معالج سیگنالهای EMG را نمی بینند و این سیگنالها باید به علائم صوتی و تصویری قابل درک تبدیل شوند .
تجربیات نشان می دهد که بیمار در حین آزمایش ثبت EMG به تقاضای پزشک برای تغییر اندازه فعالیت ماهیچه ای , پاسخ مثبت می دهد .
مقدار IAV ویا ا نتگرال قدر مطلق یکی از مشخصه های مهم سیگنال است که با نیروی انقباض عضلانی رابطه دارد .
یکی از ا هداف اولیه همه ثبت کننده های EMG , قادرسازی بیمار به اعمال کنترل ارادی بر عضلات مخطط (عضلات ارادی ) خود است که به منظور افزایش فعالیت ماهیچه های ضعیف و کاهش فعالیت ماهیچه های متشنج به کار می رود
در آموزش کلینیکی , بیمار از طریق سیگنالهای سمعی و بصری , از انقباضهای خیلی کوچک و خیلی بزرگ ماهیچه اش آگاه می شود
در انتخاب ابزار ثبت کننده EMG باید به دو نکته توجه داشت :
منشاْ سیگنال EMG :
سیگنال EMG از ترکیب اجزای کوچکتری به نام پتانسیل عمل واحد حرکتی (motor unit action potential ) که توسط واحد های مختلف تولید می شود تشکیل شده است .
واحد حرکتی کوچکترین واحد عملکردی یک ماهیچه است که می تواند به طور ارادی فعال شود .
پتانسیلهای الکتریکی در دو طرف غشاء , عملا" در تمام سلولهای بدن وجود دارند . سلولهای عصبی و عضلانی , سلولهای قابل تحریک هستند یعنی قادر به تولید ایمپالسهای الکتروشیمیایی در غشاء خود هستند .
هر فیبر عصبی به طور طبیعی به دفعات زیاد منشعب شده و 3 الی چند فیبر عضلانی را تحریک می کند . سیگنا لهای عصبی توسط پتا نسیل های عمل که تغییرات سریع در پتا نسیل غشاء سلولهای عصبی هستند , انتقال می یابند . پتا نسیل عمل برای هدایت سیگنال عصبی در طول فیبر عصبی به حرکت در می آید تا اینکه به ا نتهای فیبر می رسد . محل تماس رشته های عصبی با فیبر عضلانی تقریبا" در وسط آن و به نام محل تماس عصبی _ عضلانی (Neuromuscularjunction ) می باشد به طوریکه پتا نسیل عمل در هر دو جهت به سوی انتهای فیبر عضلانی سیر می کند . فیبر عصبی در انتهای خود منشعب شده و مجموعه ای از ترمینالهای منشعب شده عصبی تشکیل می دهد که در یک فرو رفتگی از سطح فیبر عضلانی قرار می گیرد , اما به طور کامل در خارج غشاء پلاسمایی فیبر عضلانی قرار دارد . فرو رفتگی غشاء فیبر عضلانی موسوم به ناودان سیناپسی و فضای بین ترمینال عصبی و غشاء فیبر عضلانی موسوم به شکاف سیناپسی است .
قطر عصب در حدود یک دهم قطر فیبر عضلانی است و ایمپالسهای عصبی به تنهایی نمی توانند جریان لازم را در فیبر عضلانی ایجاد کنند و استیل کولین مانند یک تقویت کننده عمل می کند .
پتانسیل های عمل ایجاد شده در واحد های حرکتی عضله به صورت هدایت حجمی در فضای عضله پخش شده , به سطح پوست می رسند . با قرار دادن الکترود , مجموعه ای از پتانسیلهای فوق الذکر که می توانند از نظر زمانی با هم اختلاف فاز داشته باشند , دریافت می شوند . سیگنال دریافت شده همان سیگنال EMG می باشد . هنگامی که یک ایمپالس عصبی به محل تماس عصبی_ عضلانی می رسد , عبور پتانسیل عمل از روی غشاء ترمینال عصب , باعث می شود تا حدود 125 وزیکول استیل کولین به داخل شکاف سیناپسی آزاد شود . استیل کولین نفوذ پذیری غشای عضله را نسبت به یونهای سدیم با بار مثبت زیاد می کند و این امر موجب بروز یک پتانسیل عمل در فیبر عضلانی می شود . پتانسیل عمل در طول غشاء فیبر عضلانی سیر می کند و باعث رها شدن مقادیر زیادی از یونهای کلسیم و داخل شدن آنها به سارکو پلاسم محیطی فیبرها می شود . یونهای کلسیم نیروهای جاذبه ای بین فیلمانهای اکتین و میوزین ایجاد می کنند , و موجب لغزیدن آنها بر روی یکدیگر می شوند و بنابراین فر آیند انقباض صورت می گیرد
انرژی لازم جهت ادامه این فرآیند به وسیله شکستن پیوند های پر انرژی ATP و تبدیل آن به ADP حاصل می شود . از طرف دیگر چنانچه استیل کولین ترشح شده در همان حال باقی بماند , ایجاد ایمپالسهای متوالی خواهد کرد . حدود 5/1 ثانیه استیل کولین توسط آنزیمی در سطح غشاء به شکل اسید استیک و کولین تبدیل می شود . در نتیجه تقریبا" بلا فاصله پس از تحریک فیبر عضلانی به وسیله استیل کولین , ماده محرک از بین می رود .
فعالیت الکتریکی عضلات اسکلتی برای نخستین بار توسط piper (1912) ثبت گردید و EMG
نام گرفت . امروزه از این سیگنال نه تنها به عنوان ابزار تشخیص کلینیکی عضله , بلکه به عنوان شاخصی برای ارزیابی عضلات در فعالیت های ورزشی و یا به عنوان ورودی جهت کنترل اندام مصنوعی به کار می رود .
ماهیت سیگنال EMG سطحی یک فرآیند تصادفی غیر ایستا است , دامنه و طیف فرکانسی آن حتی با ثابت نگه داشتن فعالیت ماهیچه , تغییر می کند , که با تقریب قابل قبولی در فواصل کوتاه زمانی ایستا است . سیگنال EMG بر آیند زمانی _ فضایی پتانسیل های تارهای عضلانی است که می توان توسط الکترود در سطح پوست برداشت . تغییر حالت انقباضی عضله , مشخصات زمانی و فرکانسی سیگنال EMG را تغییر می دهد , زیرا فیبرهای عضلانی متفاوتی فعال می شود و از همین خاصیت برای تشخیص نوع حرکت استفاده می شود . EMG با توجه به نوع الکترود , به دو روش سوزنی و سطحی انجام می شود که در EMG سطحی از الکترودهای دیسکی استفاده می شود و پیک سیگنالهای دریافت شده بین 0.1 تا 1 میلی ولت می باشد . امپدانس الکترودها بین 200 تا 5000 اهم متغیر است و به نوع الکترود , محل تماس الکترود و الکترولیت و فرکانسی که امپدانس را مشخص می کند بستگی دارد . نکته مهم در پهنای باند سیگنال دریافتی (25-1000hz) , عدم وجود مؤلفه DC آن می باشد که علت آن می تواند مربوط به شکل فیبر عضلانی باشد . پس از بازگشت یونهای پتاسیم به خارج غشاء مرحله دیگری بنام After potential آغاز می شود که حدود 50 تا 100 میلی ثانیه دوام دارد .
در این مرحله پمپ سدیم و پتاسیم مجدد ا" یونهای سدیم را به خارج سلول هدایت می کند تا غلظت نرمال درون و برون غشاء حفظ شود . این مرحله می تواند به گونه ای باشد که انتگرال سطح زیر منحنی صفر شود , در واقع از دید تبدیل فوریه , این سیگنال دیگر دارای مؤلفه DC نخواهد بود . (اختلاف پتانسیل 90 میلی ولتی در واقع در دو طرف غشاء قرار دارد و توسط الکترود سطحی دریافت نمی شود . )
تغییر حالت انقباضی عضله , مشخصات زمانی و فرکانسی سیگنال EMG را تغییر می دهد , زیرا فیبرهای عضلانی متفاوتی فعال می شوند و همین خاصیت است که می تواند برای تشخیص نوع حرکت از سیگنال EMG استفاده نمود .