بررسی سیگنالهای الكترو مایوگرافی در حركت دست

بررسی سیگنالهای الكترو مایوگرافی در حركت دست

الكترومایوگرافی (EMG) مطالعه عملكرد عضله از طریق تحلیل سیگنال‌های الكتریكی تولید شده در حین انقباضات عضلانی است كه اندازه‌گیری آن همراه با تحریك عضله است كه میتواند شامل عضلات ارادی و غیرارادی شود این سیگنال به طور كلی به دو دسته‌ی بالینی وKine Siological EMG تقسیم‌بندی می شود كه خود دسته‌ی دوم باز دونوع سوزنی وسطحی را در خود جای می‌دهدكه هر كدام درجای خود بسته به نوع ماهیچه و بیماری مورد استفاده قرار می گیرند در الكترومایوگرافی آنچه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است نوع طراحی الكترود است كه در این مقاله به سه نوع طراحی الكترود اشاره شده است . برای اندازه‌گیری و ثبت سیگنال الكترومایوگرافی مكان قرار دادن الكترود بسیار مهم میباشد . الكترومایوگرافی موضوع تحقیقی بسیار گسترده‌ای می‌باشد و پرداختن به هر قسمت آن خود به زمان بسیار زیادی احتیاج دارد در اینجا به بررسی این سیگنال در حركت دست می‌پردازیم . برای شناسایی سیگنال دست از طبقه‌بندی الگوی EMG استفاده می‌كنند كه این طبقه‌بندی روش‌های گوناگونی از جمله swids ، هوش مصنوعی sofms و غیره می باشد كه روش مورد بررسی در این تحقیق طبقه بندی الگوی EMG با استفاده از نقشه‌های خود سازمانده می باشد sofm یك شبكه رقابتی یادگیری بدونكنترلی است كه دارای الگوی طبقه‌بندی می‌باشد . گر چه طبقه‌ بندی الگوهای EMG بسیار مشكل می‌باشد اما به حركت دست كمك زیادی می‌كند بیشترین استفاده EMG برای نوسازی دست است نوسازی دست اصولاً با استخوان بندی كنترل شده انجام می‌شود . فعالیت الكتریكی ماهیچه‌ها به ما این اجازه را می‌دهد كه بدانیم آیا بیمار در سعی در تكان دادن انگشت‌ها می‌كند یا نه .

هدف از ارائه استخوان بندی خارجی برای این است كه بیمار احساس استقلال بیشتری داشته باشد برای كنترل‌ دست‌های مصنوعی مدار ‌آنالوگی طراحی شده است كه برای كمك به افراد مقطوع العضو مناسب است كه ما در این جا همه این مباحث گفته شده را مورد تحلیل و بررسی قرار می‌دهیم .

فهرست مطالب:

چكیده

مقدمه ...................................................................................................................... 1

فصل اول : ‌آشنایی با الكترومایوگرافی

1-1 مقدمه .............................................................................................................. 3

2-1 الكترومایوگرافی چیست ؟................................................................................ 3

3-1 منشأ سیگنال EMG كجاست ؟......................................................................... 7

1-3-1 واحد حركتی ............................................................................................... 7

4-1 آناتومی عضله.................................................................................................. 8

1-4-1 رشته عضلانی واحد.................................................................................... 8

2-4-1 ساختار سلول ماهیچه ................................................................................ 8

5-1 انقباض عضلانی .............................................................................................. 9

6-1 تحریك‌پذیری غشاء عضله ............................................................................ 11

7-1 تولید سیگنال EMG........................................................................................ 12

1-7-1 پتانسیل عمل ............................................................................................. 12

8-1 تركیب سیگنال EMG..................................................................................... 14

1-8-1 انطباق واحدهای حركتی ........................................................................... 14

9-1 فعال سازی عضله ........................................................................................ 15

10-1 طبیعت سیگنال MMG................................................................................. 16

11-1 فاكتورهای موثر بر سیگنال EMG.............................................................. 18

 فصل دوم :انواع سیگنال‌های الكترومایوگرافی و روشهای طراحی

1-2 انواع EMG ................................................................................................... 21

2-2 الكترومایوگرافی سطحی : ردیابی و ثبت ...................................................... 22

1-2-2 ارتباطات كلی ............................................................................................ 22

2-2-2 مشخصه‌های سیگنال EMG...................................................................... 23

3-2 مشخصه‌های نویز الكتریكی ......................................................................... 24

1-3-2 نویزمحدود شده ....................................................................................... 24

2-3-2 آرتی فكت‌های حركتی .............................................................................. 24

3-2-2 ناپایداری ذاتی سیگنال ............................................................................. 25

3-2 بیشینه سیگنال EMG..................................................................................... 25

4-2 طراحی الكترود و ‌آمپلی فایر ........................................................................ 26

5-2 تقویت تفاضلی ............................................................................................... 26

6-2 امپدانس داخلی .............................................................................................. 28

7-2 طراحی الكترودفعال ...................................................................................... 29

8-2 فیلترینگ ........................................................................................................ 29

9-2 استقرار الكترود ............................................................................................ 30

10-2 روش مرجح مصرف .................................................................................. 30...........

11-2 هندسه الكترود............................................................................................. 30

1-11-2 نسبت سیگنال به نویز ............................................................................ 31

2-11-2 پهنای باند................................................................................................ 32

3-11-2 سایر ماهیچه نمونه ................................................................................ 32

4-11-2 قابلیت cross talk................................................................................... 33

12-2 بار موازی الكترود ..................................................................................... 33

13-2 قرار دادن الكترود EMG............................................................................. 34

1-13-2 تعیین مكان و جهت‌یابی الكترود ............................................................. 34

2-13-2 نه روی نقطه محرك .............................................................................. 35

3-13-2 نه روی نقطه محرك .............................................................................. 36

4-13-2 نه در لبه‌ی بیرونی ماهیچه .................................................................... 37...........

14-2 موقعیت الكترود نسبت به فیبرهای ماهیچه ................................................ 37

15-2 قرار دادن الكترود مقایسه .......................................................................... 38

16-2 پردازش سیگنال EMG................................................................................ 39

17-2 كاربردهای سیگنالEMG............................................................................. 40

18-2 الكترومایوگرافی سوزنی............................................................................. 41

19-2 مزایا و معایب الكترودهای سطحی و سوزنی ............................................ 43

1-19-2 مزیت‌های الكترود سطحی ...................................................................... 43

2-19-2 معایب الكترودهای سطحی ..................................................................... 43

3-19-2مزایای الكترودهای سوزنی .................................................................... 43...........

4-19-2 معایب الكترودهای سوزنی .................................................................... 44

20-2 تفاوت موجود بین الكترودهای سطحی وسوزنی ....................................... 45

21-2 انواع طراحی ............................................................................................... 45

 فصل سوم :مفاهیم اساسی در بدست آوردن سیگنال EMG

1-3 مقدمه ..................................................................... 48.

2-3 معرفی .......................................................................... 48.

1-2-3 نمونه‌برداری دیجیتال چیست ؟................................................................. 48...........

2-2-3 فركانس نمونه‌برداری .............................................................................. 49...........

3-2-3 فركانس نمونه‌برداری چقدر باید بالا باشد ؟............................................ 49...........

4-2-3 زیر نمونه‌برداری – وقتی كه فركانس نمونه‌برداری خیلی پائین باشد .... 52...........

5-2-3 فركانس نایكوئیست .................................................................................. 53...........

6-2-3 تبصره‌ی كاربردی DELSYS..................................................................... 54...........

3-3 سینوس‌ها و تبدیل فوریه .............................................................................. 54...........

1-3-3 تجزیه سیگنال‌ها به سینوس‌ها ................................................................. 55

2-3-3 دامنه فركانس ........................................................................................... 57...........

3-3-3 مستعارسازی – چطور از آن دوری كنیم ؟............................................. 59...........

4-3-3 فیلترپارمستعاد ......................................................................................... 61

5-3-3نكته كاربردی DELSYS.............................................................................. 63

4-3 فیلترها ........................................................................................................... 64

1-4-3 انواع فیلترهای ایده‌ آل .............................................................................. 65

2-4-3 پاسخ فاز ایده‌آل ....................................................................................... 67

3-4-3 فیلتر كاربردی .......................................................................................... 68

4-4-3پاسخ فاز غیر خطی ................................................................................... 71

5-4-3 اندازه‌گیری ولتاژ - دامنه ، توان ودسی بل ............................................. 72

6-4-3 فركانس 3 Db........................................................................................... 74

7-4-3 مرتبه فیلتر ................................................................................................ 75

8-4-3 انواع فیلتر ................................................................................................. 76

9-4-3 فیلترهایdigital - Analog Vs ................................................................ 80

10-4-3 نكته كاربردی Delsys............................................................................. 84

5-3 رسیدگی به مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال ...................................................... 85

1-5-3 كوانتایی سازی ......................................................................................... 85

2-5-3 رنج دینامیكی ............................................................................................ 87

3-5-3 كوانتایی سازی سیگنال EMG................................................................... 90

4-5-3 مشخص ك ردن ویژگی‌های ADC............................................................ 92

5-5-3 نكته كاربردی Delsys............................................................................... 95

6-3 نتیجه‌گیری .................................................................................................... 95

 فصل 4: بكارگیری مناسبت نیرویgrip مبنی بر سیگنال EMG

1-4 مقدمه ............................................................................................................ 98

2-4دید كلی پایه‌ای یك سیستم ............................................................................. 98

3-4 منطقی برای تولید نیروی گریپ .................................................................... 99

4-4 دستاورد ..................................................................................................... 102

5-4 نتیجه ........................................................................................................... 103

 فصل پنجم : طبقه‌بندی سیگنال EMG برای شناسایی سیگنال دست

1-5 مقدمه .......................................................................................................... 105

2-5 سیگنال‌های EMG و سیستم اندازه‌گیری ................................................... 107

3-5 طرح ویژگی‌ خود سازمان دهی .................................................................. 107

4-5 روش طبقه بندی سیگنال EMG پیشنهادی ................................................. 109

5-5 نتیجه‌گیری .................................................................................................. 117

 فصل 6: ارتباط بین نیروی ماهیچه‌ای ایزومتریك و سیگنال EMG به
عنوان هندسه بازو

1-6 مقدمه .......................................................................................................... 119

2-6 نتایج ............................................................................................................ 121

3-6 بحث ............................................................................................................ 123

1-3-6 ارتباط EMG- Force.............................................................................. 127

2-3-6 رابط نیروی MF..................................................................................... 129

3-3-6 رابطه‌ی درصد نیروی DET.................................................................... 131

4-3-6 نتایج ....................................................................................................... 131

4-6 روش تجربی ............................................................................................... 132

1-4-6 اشخاص ................................................................................................. 132

2-4-6 مجموعه تجربی ...................................................................................... 132

3-4-6 مدارك EMG و نیرو............................................................................... 133

4-4-6 تحلیل‌های EMG غیر خطی .................................................................... 135

5-4-6 تحلیل‌های ‌آماری و پارامترها ................................................................ 136

5-6 نتیجه‌گیری .................................................................................................. 136

 فصل 7: طبقه‌بندی سیگنال EMG برای كنترل دست مصنوعی

1-7 مقدمه .......................................................................................................... 138

2-7 روش‌ها ....................................................................................................... 140

3-7 آزمایش و نتایج........................................................................................... 141

1-3-7 نتیجه‌گیری ............................................................................................. 142

 فصل 8 : یك استخوان‌بندی كنترل شده توسط EMG برای نوسازی دست

1-8 مقدمه .......................................................................................................... 144

2-8 سیستم اصلاح دست ................................................................................... 148

1-2-8 استخوان‌بندی خارجی ............................................................................ 148

2-2-8 الكترونیك و نرم افزار ........................................................................... 149

3-8 پردازش EMG............................................................................................. 151

4-8 تستهای اولیه دستگاه ................................................................................. 153

1-4-8 نتیجه‌گیری ............................................................................................. 155

2-4-8 كارهای آینده ......................................................................................... 156...........

 فصل نهم : یك مدار ‌آنالوگ جدید بر ای كنترل دست مصنوعی

1-9 مقدمه .......................................................................................................... 158

2-9 چكید‌ه‌ای از سیستم .................................................................................... 160

3-9 پیاده‌سازی مدار ......................................................................................... 163

4-9 نتایج شبیه سازی ....................................................................................... 166

5-9 نتیجه‌گیری .................................................................................................. 168

 نتیجه‌گیری كلی ................................................................................................... 169

فهرست تصاویر

فصل 1

شكل 1 : نمونه‌ای از سیگنالEMG .......................................................................... 7

شكل 2: واحد حركتی .............................................................................................. 8

شكل 3: مدل آناتومی عضله ................................................................................... 9

شكل 4: اكتین و میوزین و باندهای مربوط به آن ................................................ 11

شكل 5: پروسه انقباض عضله ............................................................................. 12

شكل 6: شماتیك تصویری سیكل دپلاریزاسیون / پلاریزاسیون درون
غشاهای تحریك شونده ........................................................................................ 13

شكل 7: نمودار پتانسیل عمل ................................................................................ 13

شكل 8: ناحیه‌ی دپلاریزاسیون در غشاء فیبرعضلانی ......................................... 14

شكل 9: پتانسیل عمل واحدهای حركتی متعدد ..................................................... 14

شكل 10: بكارگیری و فركانس شروع واحدهای حركتی نیرو.............................. 15

شكل 11: ثبت سیگنال خام سه انقباض برای عضله سه سر ............................... 16

شكل 12: سیگنال خام EMG با تداخل سنگین ECG.............................................. 19

 فصل 2

شكل 1 :طیف فركانسی سیگنال EMG آشكار شده جلوی ماهیچه ....................... 23

شكل 2: طرح‌های شكل تقویت كننده تفاضلی ........................................................ 28

شكل 3: ارائه طرح كلی بارو تركیبات مدور بر الكترود ........................................ 34

شكل 4: مكان مرجع الكترود بین تاندون و بخش حركتی .................................... 35

 فصل3

شكل 1: سیگنال آنالوگ كشف شده توسط الكترود DE_{2.1............................................................................. 49}

شكل 2: A) نمونه‌برداری از سینوس 1 ولت ، 1 هرتز در 10 هرتز ..................... 51

B) بازآفرینی سینوس نمونه‌برداری شده در 10 هرتز ......................................... 51

شكل 3: A) نمونه‌برداری یك سینوس 1 ولت ، 1 هرتز در 2 هرتز ...................... 52

B) بازآفرینی سینوس نمونه برداریشده در 2 هرتز ............................................. 52

شكل 4: A) نمونه‌برداری یك سینوس .................................................................. 53

شكل 5: تجزیه‌ی فوریه‌ی یك پتانسیل عمل واحد حركتی نمونه‌برداری شده ...... 56

شكل 6 : هیستوگرام دامنه 10 سینوس شكل 5 ................................................... 58

شكل7: طیف موج فركانسی سیگنال نمونه در شكل 6........................................... 60

شكل 8 : مستعار سازی نویز 13 ......................................................................... 61

شكل 9 : پاد مستعارسازی ................................................................................... 62

شكل 10: انواع فیلترها .......................................................................................... 66

شكل 11: طرح فاز یك فیلترایده آل ....................................................................... 68

شكل 12: خصوصیات فیلترهای كاربردی ............................................................ 72

جدول 1: فاكتورهای تضعیف وگین نمونه ............................................................ 74

شكل 13: فیلتر پائین گذر مرتبه اول و دوم .......................................................... 76

شكل 14: اندازه ومقایسه انواع فیلترهای بالاگذر ................................................. 79

شكل 15: فیلتر پائین گذر تك قطبی ....................................................................... 82

شكل 16: نمونه‌برداری و فیلتر دیجیتالی سیگنال آنالوگ....................................... 83

شكل 17: مراحل كوانتایی سازی مبدل آنالوگ به دیجیتال ................................... 86

شكل 18: تحلیل رنج A/D ..................................................................................... 89

 فصل 4

شكل 1: بلوك دیاگرام دستگاه .............................................................................. 99

شكل 2: سطوح و شماتیك‌ها ............................................................................... 100

شكل 3: نیروهای گریپ ...................................................................................... 102

 فصل 5

شكل 1: بلوك دیاگرام سیستم اندازه‌گیری سیگنال EMG................................... 110

شكل 2 : موقعیت الكترودها................................................................................ 110

شكل 3: بلوك دیاگرام روش‌ های پیشنهادی ..................................................... 111

شكل 4: سیگنال‌های دست برای كاراكترهای كره‌ ای ........................................ 112

شكل 5: نرون‌های خروجی ................................................................................ 113

شكل 6: بلوك دیاگرام ترتیب آزمایشگاهی ......................................................... 114

شكل 7: عكس وضعیت آزمایش ......................................................................... 114

شكل 8: سیگنال EMG اندازه‌گیری شده و سیگنال داخلی قابل استفاده ............ 115

شكل 9: نرون‌های خروجی sofm₁ بعد از مرتب كردن ..................................... 115

جدول 1: نرون‌های خروجی بعد از یادگیری ..................................................... 116

جدول 2: نتایج ‌آزمایش ...................................................................................... 116

 فصل 6

شكل 1 : مقادیر میانگین نیروهای ارادی ماكزیمم در ANT و POST................. 123

شكل 2 : رابطه‌ی نیروی EMG........................................................................... 124

شكل 3: رابطه‌ی نیروی MF................................................................................ 125

شكل 4: رابطه‌ی درصد نیروی DET................................................................... 126

شكل 5: دیاگرام‌های ارتباط بین فركانس متوسط و DET................................... 127

 فصل 8

شكل 1: طرح هندسی سیستم توانبخشی دست ................................................... 146

شكل 2: نمای سیستم توانبخشی دست ............................................................... 147

شكل 3: نمای جانبی استخوان‌بندی بیرونی ........................................................ 148

شكل 4: دست‌مجازی وواسط درمان ................................................................. 150

شكل 5: محل قرارگیری الكترود سطحی ............................................................ 151

شكل 6: سیگنال EMG یكسو شده ..................................................................... 152

 فصل 9

شكل 1: بلوك دیاگرام سیستم پیشنهادی ........................................................... 160

شكل 2: دیاگرام حالت كنترل حالات مختلف دست با استفاده از EMG.............. 161

جدول 1: حالات دست وسیگنال‌های مربوطه ..................................................... 161

شكل 3: بلوك دیاگرام پردازش سیگنال ............................................................. 162

شكل 4: بلوك دیاگرام تحلیل‌ گر EMG................................................................ 163

شكل 5: شماتیك مدار پردازش سیگنال ............................................................. 164

جدول 2: اندازه‌ی تراتریستورها ........................................................................ 165

شكل 6: سیگنال‌های داخلی شبیه‌سازی شده‌ی تحلیل‌گر سیگنال EMG.............. 166

شكل 7: مجموعه‌ی سیگنال‌های EMG وپاسخ خروجی ماشین حالت ................ 167

شكل 8: پاسخ‌های شبیه‌سازی شده برای تغییرات انگشتان مختلف 167