بررسي سيگنالهاي الكترو مايوگرافي در حركت دست

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات
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 .

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

فهرست تصاوير
فصل 1
شكل 1 : نمونه‌اي از سيگنالEMG 7
شكل 2: واحد حركتي 8
شكل 3: مدل آناتومي عضله 9
شكل 4: اكتين و ميوزين و باندهاي مربوط به آن 11
شكل 5: پروسه انقباض عضله 12
شكل 6: شماتيك تصويري سيكل دپلاريزاسيون / پلاريزاسيون درون
غشاهاي تحريك شونده 13
شكل 7: نمودار پتانسيل عمل 13
شكل 8: ناحيه‌ي دپلاريزاسيون در غشاء فيبرعضلاني 14
شكل 9: پتانسيل عمل واحدهاي حركتي متعدد 14
شكل 10: بكارگيري و فركانس شروع واحدهاي حركتي نيرو 15
شكل 11: ثبت سيگنال خام سه انقباض براي عضله سه سر 16
شكل 12: سيگنال خام EMG با تداخل سنگين ECG 19

فصل 2
شكل 1 :طيف فركانسي سيگنال EMG آشكار شده جلوي ماهيچه 23
شكل 2: طرح‌هاي شكل تقويت كننده تفاضلي 28
شكل 3: ارائه طرح كلي بارو تركيبات مدور بر الكترود 34
شكل 4: مكان مرجع الكترود بين تاندون و بخش حركتي 35

فصل3
شكل 1: سيگنال آنالوگ كشف شده توسط الكترود DE2.1 49
شكل 2: A) نمونه‌برداري از سينوس 1 ولت ، 1 هرتز در 10 هرتز 51
B) بازآفريني سينوس نمونه‌برداري شده در 10 هرتز 51
شكل 3: A) نمونه‌برداري يك سينوس 1 ولت ، 1 هرتز در 2 هرتز 52
B) بازآفريني سينوس نمونه برداريشده در 2 هرتز 52
شكل 4: A) نمونه‌برداري يك سينوس 53
شكل 5: تجزيه‌ي فوريه‌ي يك پتانسيل عمل واحد حركتي نمونه‌برداري شده 56
شكل 6 : هيستوگرام دامنه 10 سينوس شكل 5 58
شكل7: طيف موج فركانسي سيگنال نمونه در شكل 6 60
شكل 8 : مستعار سازي نويز 13 61
شكل 9 : پاد مستعارسازي 62
شكل 10: انواع فيلترها 66
شكل 11: طرح فاز يك فيلترايده آل 68
شكل 12: خصوصيات فيلترهاي كاربردي 72
جدول 1: فاكتورهاي تضعيف وگين نمونه 74
شكل 13: فيلتر پائين گذر مرتبه اول و دوم 76
شكل 14: اندازه ومقايسه انواع فيلترهاي بالاگذر 79
شكل 15: فيلتر پائين گذر تك قطبي 82
شكل 16: نمونه‌برداري و فيلتر ديجيتالي سيگنال آنالوگ 83
شكل 17: مراحل كوانتايي سازي مبدل آنالوگ به ديجيتال 86
شكل 18: تحليل رنج A/D 89

فصل 4
شكل 1: بلوك دياگرام دستگاه 99
شكل 2: سطوح و شماتيك‌ها 100
شكل 3: نيروهاي گريپ 102

فصل 5
شكل 1: بلوك دياگرام سيستم اندازه‌گيري سيگنال EMG 110
شكل 2 : موقعيت الكترودها 110
شكل 3: بلوك دياگرام روش‌ هاي پيشنهادي 111
شكل 4: سيگنال‌هاي دست براي كاراكترهاي كره‌ اي 112
شكل 5: نرون‌هاي خروجي 113
شكل 6: بلوك دياگرام ترتيب آزمايشگاهي 114
شكل 7: عكس وضعيت آزمايش 114
شكل 8: سيگنال EMG اندازه‌گيري شده و سيگنال داخلي قابل استفاده 115
شكل 9: نرون‌هاي خروجي sofm1 بعد از مرتب كردن 115
جدول 1: نرون‌هاي خروجي بعد از يادگيري 116
جدول 2: نتايج ‌آزمايش 116

فصل 6
شكل 1 : مقادير ميانگين نيروهاي ارادي ماكزيمم در ANT و POST 123
شكل 2 : رابطه‌ي نيروي EMG 124
شكل 3: رابطه‌ي نيروي MF 125
شكل 4: رابطه‌ي درصد نيروي DET 126
شكل 5: دياگرام‌هاي ارتباط بين فركانس متوسط و DET 127

فصل 8
شكل 1: طرح هندسي سيستم توانبخشي دست 146
شكل 2: نماي سيستم توانبخشي دست 147
شكل 3: نماي جانبي استخوان‌بندي بيروني 148
شكل 4: دست‌مجازي وواسط درمان 150
شكل 5: محل قرارگيري الكترود سطحي 151
شكل 6: سيگنال EMG يكسو شده 152

فصل 9
شكل 1: بلوك دياگرام سيستم پيشنهادي 160
شكل 2: دياگرام حالت كنترل حالات مختلف دست با استفاده از EMG 161
جدول 1: حالات دست وسيگنال‌هاي مربوطه 161
شكل 3: بلوك دياگرام پردازش سيگنال 162
شكل 4: بلوك دياگرام تحليل‌ گر EMG 163
شكل 5: شماتيك مدار پردازش سيگنال 164
جدول 2: اندازه‌ي تراتريستورها 165
شكل 6: سيگنال‌هاي داخلي شبيه‌سازي شده‌ي تحليل‌گر سيگنال EMG 166
شكل 7: مجموعه‌ي سيگنال‌هاي EMG وپاسخ خروجي ماشين حالت 167
شكل 8: پاسخ‌هاي شبيه‌سازي شده براي تغييرات انگشتان مختلف 167