طراحی وساخت دستگاه ثبت کننده سیگنال الکترومایوگرام دو کاناله و مدلسازی فعالیت ایزومتریک ساعد70ص

طراحی وساخت دستگاه ثبت کننده، سیگنال الکترومایوگرام دو کاناله و، مدلسازی فعالیت ایزومتریک ساعد70ص

 

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 . 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 :

1- منابع بیولوژیکی

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 :

1. ثبت کننده های شنیداری در انواع مختلف وجود دارد که باید در آنها توجه داشت که کدام یک از آنها بیمار را به فعالیت بیشتر ترغیب می کند .
2. در ثبت کننده های تصویری بیمار با دیدن سیگنال بر روی اسیلوسکوپ به به فعالیت بیشتر ترغیب می شود .

 

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 . سیگنالهای عصبی توسط پتانسیلهای عمل که تغییرات سریع در پتانسیل غشاء سلولهای عصبی هستند , انتقال می یابند . پتانسیل عمل برای هدایت سیگنال عصبی در طول فیبر عصبی به حرکت در می آید تا اینکه به انتهای 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 پتانسیل 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 پتانسیلهایفوق 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 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

بررسی الکترودها

الکترودهای پتانسیلهای حیاتی , عمل وساطت بین بدن و دستگاه اندازه گیری الکترونیکی را به منظور اندازه گیری و ثبت پتانسیلها را فراهم می آورند .

هنگامی که دو محلول آبی یونی با غلظتهای مختلف توسط یک غشاء نیمه تراوای انتخاب کننده یون جدا می شوند , پتانسیل الکتریکی در این غشاء به وجود می آید . می توان نشان داد که این پتانسیل با معادله زیر تعیین می شود :

E = -RT Ln[C1/C2]/(nF)

در این رابطه , C1وC2 فعالیتهای یونها در هر طرف غشاء می باشند . هنگامی که یک فلز با محلول در تماس قرار گیرد اختلاف پتانسیلی بین بین آن فلز و مایع برقرار می شود . تیغه ای ازجنس نقره و محلولی از کلرید نقره را در نظر بگیرید و در حالت تعادل لایه نازکی به صورت تک ملکولی از یونهای نقره سطح تیغه را فرا گرفته است که به آن لایه Helmholtz می گویند . در داخل محلول مماس بر این لایه , لایه ای از یونهای کلر که غلظت نسبی آن بصورت نمایی نسبت به فاصله کم می شود و به لایه Gouy- Stern مشهور است , قرار دارد . به این دو لایه double layer گفته می شود که در محل تماس یک فلز با محلول الکترولیت آن به وجود می آید . مقدار این پتانسیل بین 100 تا 800 میلی ولت می باشد و در حالت پایدار مقدار آن از رابطه زیر قابل محاسبه می باشد :

E = E0+ RT*Ln(C)/F

که در این رابطه 9652F= و314/8 R= ثابت گازها است .

چنانچه الکترودی از نقره داخل و یا روی بدن قرار گیرد دیگر نمی توان از این رابطه استفاده نمود

بنابراین پوشاندن این الکترود با لایه ای از کلرید نقره ، آن را تبدیل به الکترودی قابل استفاده خواهد نمود که امروزه به عنوان الکترود پایدار مورد استفاده قرار می گیرد . این لایه به صورت لایه ای نفوذ ناپذیر غیر هادی رسوبی و تقریبا" غیر محلول در آب قرار دارد و نقش آن ایجاد یک محیط یونی اشباع شده در سطح فلز می باشد . رابطه بین غلظت یونهای کلر ونقره در این لایه به صورت زیر می باشد :

C(Ag) = Ksp/C(Cl )

که در این رابطه Ksp ثابت حلالیت بوده و برای محلول اشباع در دمای ثابت مقدار ثابتی است . این رابطه مشخص می کند که غلظت یونهای نقره به وسیله یونهای کلر تعیین می شود . غلظت یونهای نقره مقدار پتانسیل نیمه سلولی (پتانسیل بین فلز و الکترولیت ) را معین می کند ودر نتیجه پوشش AgCl بوسیله یونهای منفی کلر بارهایی را با محیط کلرید سدیم و به وسیله یونهای مثبت نقره بارهایی را با الکترود نقره رد و بدل می کند . با استفاده از روابط قبلی مقدار این پتانسیل برابر خواهد بود با :

E(Ag_AgCl) = E0(Ag_AgCl) - RT * Ln(C(Cl))/F

که بخش آخر این رابطه تنها به فعالیت یون کلر و درجه حرارت محیط بستگی دارد . بستگی این ولتاژ به غلظت یونهای کلر باعث می شود که ولتاژ مزبور کاملا" مشخص و پایدار باشد و چنانچه اختلالی مانند دور شدن یکباره یونهای کلر ونقره رخ دهد این یونها بلا فاصله بوسیله پوشش رسوبی الکترودها جایگزین می شوند و الکترود پایدار خواهد شد .

هنگامی که دو الکترود به ورودی آمپلی فایر متصل شوند ولتاژی به نام ولتاژ افست در ورودی مشاهده می شودکه با توجه به ضعیف بودن سیگنالهای بیو الکتریک نسبت به ولتاژ مذکور باید به وسیله تنظیم آمپلی فایر بر این ولتاژ فایق شویم . همچنین به علت ایده آل نبودن آمپلی فایر مقداری از ولتاژ نیم سلولی با بهره مشترکAc در خروجی ظاهر می شود . بنا براین باید از مداری تقویت کننده ای استفاده نمود که دارای CMRR بسیار زیاد باشد .

 

 

محل قرارگیری الکترودها :

یکی از الکترودها بر روی شکم عضله که دارای بیشترین دامنه EMG است و الکترود دیگر نزدیک تاندون نصب می شود . فاصله بین دو الکترود نیز باید بین 2 تا 3 سانتیمتر باشددر عضله ای

که قطع شده باشد بزرگترین دامنه EMG بین و کمی بالاتر از محل قطع شدگی وجود دارد . عضله قطع شده باید به وسیله جراحی به یک جا بسته شده باشد .

در شکل 2-1 نحوه الکترودگذاری بر روی بازو را نمایش می دهد الکترودها را تاحد امکان باید نزدیک به هم قرار داد و اگر از الکترود رفرنس استفاده می شود ، الکترود رفرنس بر روی مچ دست قرار می گیرد.

شکل 2-1- نحوه الکترود گذاری

 

بررسی انواع الکترود :

 

الکترودهای صفحه فلزی : این نوع الکترود از یک هادی فلزی در تماس با پوست تشکیل شده است . یک نوع از آن عموما" برای ECG در دست و پا استفاده می شود که شامل یک صفحه فلزی پهن است که به شکل قطعه استوانه ای شکلی خم شده است . پایه ای روی سطح خارجی آن و نزدیک به انتهای آن قرار داده می شود . از این پایه برای اتصال سیم لید به ECG استفاده می شود . شکل 2-2 نمایی از این الکترود را نشان می دهد :

شکل 2-2- الکترود صفحه فلزی که برای عضوها به کار می رود .

نوع متداول دوم الکترود صفحه فلزی ، دیسک فلزی است که سیم لید از پشت به لحیم یا جوش داده شده است . از این نوع الکترود برای ثبت ECG در ثبتهای طولانی مدت به عنوان الکترود سینه ای استفاده می شود. شکل 2-3 نمایی از این الکترود را نشان می دهد :

شکل 2-3- الکترود صفحه فلزی که با نوار جراحی استفاده می شود .

در این موارد الکترودها معمولا" از دیسکی نقره ای ساخته می شوند و یک لایه از کلرید نقره روی سطح تماس خود دارد .به منظور ایجاد و حفظ تماس ، این الکترود با ژل الکترولیت پوشانده شده و به قفسه سینه بیمار فشار داده می شود . استفاده از این نوع الکترود برای ثبتهای سطحی EMG متداول است . شکل 2-4 نمایی از این الکترود را نشان می دهد :

شکل 2-4- الکترود های فوم پد یک بار مصرف ، اغلب با دستگاههای مونیتورینگ استفاده می شوند .

دریافت فایل

---

جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید