بررسي سيگنالهاي الكترو مايوگرافي در حركت دست

فهرست مطالب
عنوان     صفحه
چكيده
مقدمه     1

فصل اول : ‌آشنايي با الكترومايوگرافي
1-1 مقدمه     3
2-1 الكترومايوگرافي چيست ؟    3
3-1 منشأ سيگنال EMG كجاست ؟    7
1-3-1 واحد حركتي     7
4-1 آناتومي عضله    8
1-4-1 رشته عضلاني واحد    8
2-4-1 ساختار سلول ماهيچه     8
5-1 انقباض عضلاني     9
6-1 تحريك‌پذيري غشاء عضله     11
7-1 توليد سيگنال EMG    12
1-7-1 پتانسيل عمل     12
8-1 تركيب سيگنال EMG    14
1-8-1 انطباق واحدهاي حركتي     14
9-1 فعال سازي عضله     15
10-1 طبيعت سيگنال MMG    16
11-1 فاكتورهاي موثر بر سيگنال EMG    18

فصل دوم :انواع سيگنال‌هاي الكترومايوگرافي و روشهاي طراحي
1-2 انواع EMG     21
2-2 الكترومايوگرافي سطحي : رديابي و ثبت     22
1-2-2 ارتباطات كلي     22
2-2-2 مشخصه‌هاي سيگنال EMG    23
3-2 مشخصه‌هاي نويز الكتريكي     24
1-3-2 نويزمحدود شده     24
2-3-2 آرتي فكت‌هاي حركتي     24
3-2-2 ناپايداري ذاتي سيگنال     25
3-2 بيشينه سيگنال EMG    25
4-2 طراحي الكترود و ‌آمپلي فاير     26
5-2 تقويت تفاضلي     26
6-2 امپدانس داخلي     28
7-2 طراحي الكترودفعال     29
8-2 فيلترينگ     29
9-2 استقرار الكترود     30
10-2 روش مرجح مصرف     30   
11-2 هندسه الكترود    30
1-11-2 نسبت سيگنال به نويز     31
2-11-2 پهناي باند    32
3-11-2 ساير ماهيچه نمونه     32
4-11-2 قابليت cross talk    33
12-2 بار موازي الكترود     33
13-2 قرار دادن الكترود EMG    34
1-13-2 تعيين مكان و جهت‌يابي الكترود     34
2-13-2 نه روي نقطه محرك     35
3-13-2 نه روي نقطه محرك     36
4-13-2 نه در لبه‌ي بيروني ماهيچه     37   
14-2 موقعيت الكترود نسبت به فيبرهاي ماهيچه     37
15-2 قرار دادن الكترود مقايسه     38
16-2 پردازش سيگنال EMG    39
17-2 كاربردهاي سيگنالEMG    40
18-2 الكترومايوگرافي سوزني    41
19-2 مزايا و معايب الكترودهاي سطحي و سوزني     43
1-19-2 مزيت‌هاي الكترود سطحي     43
2-19-2 معايب الكترودهاي سطحي     43
3-19-2مزاياي الكترودهاي سوزني     43   
4-19-2 معايب الكترودهاي سوزني     44
20-2 تفاوت موجود بين الكترودهاي سطحي وسوزني     45
21-2 انواع طراحي     45

فصل سوم :مفاهيم اساسي در بدست آوردن سيگنال EMG
1-3 مقدمه     48   
2-3 معرفي     48   
1-2-3 نمونه‌برداري ديجيتال چيست ؟    48   
2-2-3 فركانس نمونه‌برداري     49   
3-2-3 فركانس نمونه‌برداري چقدر بايد بالا باشد ؟    49   
4-2-3 زير نمونه‌برداري – وقتي كه فركانس نمونه‌برداري خيلي پائين باشد     52   
5-2-3 فركانس نايكوئيست     53   
6-2-3 تبصره‌ي كاربردي DELSYS    54   
3-3 سينوس‌ها و تبديل فوريه     54       
1-3-3 تجزيه سيگنال‌ها به سينوس‌ها     55
2-3-3 دامنه فركانس     57   
3-3-3 مستعارسازي – چطور از آن دوري كنيم ؟    59   
4-3-3 فيلترپارمستعاد     61
5-3-3نكته كاربردي DELSYS    63
4-3 فيلترها     64
1-4-3 انواع فيلترهاي ايده‌ آل     65
2-4-3 پاسخ فاز ايده‌آل     67
3-4-3 فيلتر كاربردي     68
4-4-3پاسخ فاز غير خطي     71
5-4-3 اندازه‌گيري ولتاژ - دامنه ، توان ودسي بل     72
6-4-3 فركانس 3 Db    74
7-4-3 مرتبه فيلتر     75
8-4-3 انواع فيلتر     76
9-4-3 فيلترهايdigital - Analog Vs     80
10-4-3 نكته كاربردي Delsys    84
5-3 رسيدگي به مبدل‌هاي آنالوگ به ديجيتال     85
1-5-3 كوانتايي سازي     85
2-5-3 رنج ديناميكي     87
3-5-3 كوانتايي سازي سيگنال EMG    90
4-5-3 مشخص ك ردن ويژگي‌هاي ADC    92
5-5-3 نكته كاربردي Delsys    95
6-3 نتيجه‌گيري     95

فصل 4: بكارگيري مناسبت نيرويgrip مبني بر سيگنال EMG
1-4 مقدمه     98
2-4ديد كلي پايه‌اي يك سيستم     98
3-4 منطقي براي توليد نيروي گريپ     99
4-4 دستاورد     102
5-4 نتيجه     103

فصل پنجم : طبقه‌بندي سيگنال EMG براي شناسايي سيگنال دست
1-5    مقدمه     105
2-5 سيگنال‌هاي EMG و سيستم اندازه‌گيري     107
3-5 طرح ويژگي‌ خود سازمان دهي     107
4-5 روش طبقه بندي سيگنال EMG پيشنهادي     109
5-5 نتيجه‌گيري     117

فصل 6: ارتباط بين نيروي ماهيچه‌اي ايزومتريك و سيگنال EMG به
عنوان هندسه بازو
1-6    مقدمه     119
2-6    نتايج     121
3-6 بحث     123
1-3-6 ارتباط EMG- Force    127
2-3-6 رابط نيروي MF    129
3-3-6 رابطه‌ي درصد نيروي DET    131
4-3-6 نتايج     131
4-6 روش تجربي     132
1-4-6 اشخاص     132
2-4-6 مجموعه تجربي     132
3-4-6 مدارك EMG و نيرو    133
4-4-6 تحليل‌هاي EMG غير خطي     135
5-4-6 تحليل‌هاي ‌آماري و پارامترها     136
5-6 نتيجه‌گيري     136

فصل 7: طبقه‌بندي سيگنال EMG براي كنترل دست مصنوعي
1-7 مقدمه     138
2-7 روش‌ها     140
3-7 آزمايش و نتايج    141
1-3-7 نتيجه‌گيري     142

فصل 8 : يك استخوان‌بندي كنترل شده توسط EMG براي نوسازي دست
1-8 مقدمه     144
2-8 سيستم اصلاح دست     148
1-2-8 استخوان‌بندي خارجي     148
2-2-8 الكترونيك و نرم افزار     149
3-8 پردازش EMG    151
4-8 تستهاي اوليه دستگاه     153
1-4-8 نتيجه‌گيري     155
2-4-8 كارهاي آينده     156   

فصل نهم : يك مدار ‌آنالوگ جديد بر اي كنترل دست مصنوعي
1-9 مقدمه     158
2-9 چكيد‌ه‌اي از سيستم     160
3-9 پياده‌سازي مدار     163
4-9 نتايج شبيه سازي     166
5-9 نتيجه‌گيري     168

نتيجه‌گيري كلي     169
 
چكيده :
الكترومايوگرافي (EMG) مطالعه عملكرد عضله از طريق تحليل سيگنال‌هاي الكتريكي توليد شده در حين انقباضات عضلاني است كه اندازه‌گيري آن همراه با تحريك عضله است كه ميتواند شامل عضلات ارادي و غيرارادي شود اين سيگنال به طور كلي به دو دسته‌ي باليني وKine Siological EMG تقسيم‌بندي مي شود كه خود دسته‌ي دوم باز دونوع سوزني وسطحي را در خود جاي مي‌دهدكه هر كدام درجاي خود بسته به نوع ماهيچه و بيماري مورد استفاده قرار مي گيرند در الكترومايوگرافي آنچه از اهميت ويژه‌اي برخوردار است نوع طراحي الكترود است كه در اين مقاله به سه نوع طراحي الكترود اشاره شده است . براي اندازه‌گيري و ثبت سيگنال الكترومايوگرافي مكان قرار دادن الكترود بسيار مهم ميباشد . الكترومايوگرافي موضوع تحقيقي بسيار گسترده‌اي مي‌باشد و پرداختن به هر قسمت آن خود به زمان بسيار زيادي احتياج دارد در اينجا به بررسي اين سيگنال در حركت دست مي‌پردازيم . براي شناسايي سيگنال دست از طبقه‌بندي الگوي EMG استفاده مي‌كنند كه اين طبقه‌بندي روش‌هاي گوناگوني از جمله swids ، هوش مصنوعي sofms و غيره مي باشد كه روش مورد بررسي در اين تحقيق طبقه بندي الگوي EMG با استفاده از نقشه‌هاي خود سازمانده مي باشد sofm يك شبكه رقابتي يادگيري بدونكنترلي است كه داراي الگوي طبقه‌بندي مي‌باشد . گر چه طبقه‌ بندي الگوهاي EMG بسيار مشكل مي‌باشد اما به حركت دست كمك زيادي مي‌كند بيشترين استفاده EMG براي نوسازي دست است نوسازي دست اصولاً با استخوان بندي كنترل شده انجام مي‌شود . فعاليت الكتريكي ماهيچه‌ها به ما اين اجازه را مي‌دهد كه بدانيم آيا بيمار در سعي در تكان دادن انگشت‌ها مي‌كند يا نه .
هدف از ارائه استخوان بندي خارجي براي اين است كه بيمار احساس استقلال بيشتري داشته باشد براي كنترل‌ دست‌هاي مصنوعي مدار ‌آنالوگي طراحي شده است كه براي كمك به افراد مقطوع العضو مناسب است كه ما در اين جا همه اين مباحث گفته شده را مورد تحليل و بررسي قرار مي‌دهيم .
1مقدمه   
الكترو ما يو گرافي  روشي  تجربي  در زمينه  ي  بسط  ، ثبت واناليز  سيگنال  هاي  الكتريكي  عضله است . سيگنال  هاي  الكتريكي  عضله بوسيله ئگرگونيهاي  فيزيو لو ژيكي  در غشا فيبر  عضلاني  شكل  مي  گيرند. الكترو مايو گرافي  شامل  رديا بي  ثبت ، تقويت ،اناليز  وتفسير  جهت سيگنال  هاي  ايجاد شده توسط  عضله اسكلتي  ،هنگام فعاليت براي  توليد نيرو است.اهداف  كلي  در اين فصل معرفي  جامع  سيگنال  الكترومايو گرافي،وهم چنين منشا ايجاد سيگنال ميباشد براي  فهم كامل  اين موضوع  شرح مختصري از اناتومي  عضله اورده  شده است.هم جنين در مورد فاكتور هاي  موثر بر سيگنال  توضيح مختصري  داده شده  كه در فصل هاي  اتي  به انها پرداخته مي شود.به طور كلي  در اين فصل هدف درك كامل EMGبراي كاربرد درست ان در  زمينه هاي  مختلف مي باشد،كه ما در اين تحقيق  به بررسي  ان در حركت دست مي پردازيم.

2-1الكترومايو گرافي چيست؟
الكترو مايو گرافي مطالعه عملكرد عضله از طريق تحليل سيگنال هاي الكتريكي توليد شده در حين انقباضات عضلاني است .EMGاغلب به طور نادرستي به وسيله ي پزشكان ومحققان به كار گرفته مي شود.در بيشتر موارد حتي الكترو مايو گرافر هاي با تجربه نيز نمي توانند اطلا عات كافي وجزييات مورد نظر را از پروتكل به دست اورند و لذا محققان ديگر مجازند كه كارهاي انها را تكرار كنند.
الكترومايو گرافي اندازه گيري سيگنال  الكتريكي  همراه با تحريك عضله است كه مي تواند شامل عضلات ارادي وغير ارادي شود.وضعيت  EMG انقباصات عضله ارادي به ميزان كشش بستگي دارد.واحد عملكري انقباض عضله يك واحد حركتي  است كه متشكل از يك نورون الف منفرد وتمام فيبر هايي كه از ان منشعب مي شوند.وقتي پتانسيل عمل عصب حركتي كه فيبر را تغذيه مي كند به استانه ي دپلاريزاسيون برسد فيبر عضله منقبض مي شود .دپلاريزاسيون با عث ايجاد ميدان الكترو مغناطيسسي مي شود واين پتانسيل به عنوان ولتاژ انداره گرفته ميشود .دپلاريزاسيون كه در طول غشا عضله منتشر مي شود يك پتانسيل عمل عضله است .پتانسيل عمل واحد حركتي مجموع پتانسيل عمل هاي منفرد تمامي فيبر هاي يك واحد حركتي است .بنابراين سيگنال EMG جمع جبري تمام پتانسيل عمل هاي واحد هاي حركتي موجود در ناحيه اي است كه الكترود درانجا قرار گرفته است.ناحيه ي قرار گرفتن الكترود معمولا شامل بيش از يك واحد حركتي است زيرا فيبر هاي عضلا ني واحد هاي  حركتي مختلف  در تمام طول عضله در تركيب با هم قرار دارند . هر بخش از عضله مي تواند حاوي فيبرهاي متعلق به حدود 20 تا 50 واحد حركتي باشد.يا واحد حركتي مستقل مي تواند داراي 3 تا 2000 فيبر عضله باشد. عضلاتي كه  پنج حركت را در كنترل دارند از تعداد فيبر هاي عضلاني كمتري به ازاي هر واحد حركتي بر خوردارند (معمولا كمتر از 10 فيبر به ازاي هر واحد حركتي).در مقابل عضلاتي كه محدودي وسيعي از حركات را در كنترل دارند داراي 100 تا 1000فيبر در هر واحد حركتي مي باشند . در خلال انقباضات عضلاني ترتيب خاصي وجود دارد به اين صورت كه واحد هاي حركتي با فيبر عضلاتي كمتر درابتدا وسپس واحد هاي حركتي داراي فيبر هاي عضلاني بيشتر منقبض مي شوند .تعداد واحدهاي حركتي درعضلات  بدن متغير است .رابطه اي بين EMGبا ساير متغير هاي بيو مكانيكي وجود دارد . با در نظر گرفتن انقباضات ايزومتريك ،رابطه اي مثبت در افزايش كشش عضله و دامنه سيگنال ثبت شده EMG وجود دارد . اگرچه يك زمانتاخير وجود دارد و به اين دليل است كه دامنه EMGبه صورت مستقيم با build – up كشش ايزو متريك در تطابق نيست .براي تخمين قدرت توليد شده ازروي سيگنال EMG مي بايست دقت زيادي كرد چون اعتبار رابطه ي نيرو با دامنه وقتي تعداد زيادي عضله از يك مفصل منشعب شده اند يا يك عضله به مفاصل متعددي وصل  است قطعي نيست .در بررسي فعاليت يك عضله با توجه به انقباضات Concentricوeccentric مشخص مي شود كه انقباضات eccentric نسبت به انقباضات Concentric در مقابل نيروي وارده برابر فعاليت كمتري در عضله توليد مي كنند.همراه با خستگي  عضله  ،كاهش در ميزان كشش عضله اغلب همراه با دامنه ثابت يا حتي بيشتر در فعاليت عضله مشاهده مي شود.بخش پر فركانس سيگنال همراه با خستگي فرد افت مي كند و مي تواند به صورت كاهش در فركانس مركزي سيگنال عضله ديده شود.در خلال حركت رابطه اي تقريبي بين EMG وسرعت حركت مشاهده مي شود .رابطه اي معكوس بين قدرت انقباض توليد شده بوسيله ي انقباض concentric و سرعت حركت وجود دارد در حاليكه eccentric  توانايي  حمل وزنه بيشتر با سرعت بيشتري را دارد. به عنوان مثال اگر وزنه اي بزرگ وسنگين را به سرعت ولي با كنتر ل پايين ببريد ان وزنه  ر ابا استفاده از انقباض eccentric پايين برده ايد.شما قادر نخواهيد بود كه وزنه را با همان سرعت پايين بردن ،بالا  ببريد (انقباض concentric).نيروي توليد شده لزوما بيشتر نخواهد بود امام شما توانستيد وزنه بيشتر ي را حمل كنيد و فعاليت EMGدر عضلات مورد استفاده كمتر بوده است.بنابراين رابطه اي معكوس  براي انقباضاتconcentric  و رابطه اي مثبت  براي انقباضات eccentric از نظر سرعت حركت وجود دارد.از نقطه نظر ثبت سيگنال ،EMG دامنه پتانسيل عمل واحد حركتي به عوامل مختلفي بستگي دارد نظير: قطر فيبر عضله ، فاصله بين فيبر عضله فعال ومحل اشكار سازي (ضخامت چربي بافت) .هدف اصلي بدست اوردن سيگنال بدون نويز است.بنابراين نوع الكترود  و خصوصيات  تقويت كننده نقش حياتي در بدست اوردن سيگنال بدون نويز ايفا ميكند.