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 ………………………………………………………………………………………………………. ۱

فصل اول : ‌آشنايي با الكترومايوگرافي

۱-۱ مقدمه ……………………………………………………………………………………………….. ۳

۲-۱ الكترومايوگرافي چيست ؟…………………………………………………………………….. ۳

۳-۱ منشأ سيگنال EMG كجاست ؟…………………………………………………………….. ۷

۱-۳-۱ واحد حركتي ………………………………………………………………………………….. ۷

۴-۱ آناتومي عضله…………………………………………………………………………………….. ۸

۱-۴-۱ رشته عضلاني واحد………………………………………………………………………… ۸

۲-۴-۱ ساختار سلول ماهيچه …………………………………………………………………….. ۸

۵-۱ انقباض عضلاني …………………………………………………………………………………. ۹

۶-۱ تحريك‌پذيري غشاء عضله …………………………………………………………………. ۱۱

۷-۱ توليد سيگنال EMG………………………………………………………………………….. 12

1-7-1 پتانسيل عمل ………………………………………………………………………………… ۱۲

۸-۱ تركيب سيگنال EMG………………………………………………………………………… 14

1-8-1 انطباق واحدهاي حركتي ………………………………………………………………… ۱۴

۹-۱ فعال سازي عضله ……………………………………………………………………………. ۱۵

۱۰-۱ طبيعت سيگنال MMG…………………………………………………………………….. 16

11-1 فاكتورهاي موثر بر سيگنال EMG……………………………………………………. 18

فصل دوم :انواع سيگنال‌هاي الكترومايوگرافي و روشهاي طراحي

۱-۲ انواع EMG …………………………………………………………………………………….. 21

2-2 الكترومايوگرافي سطحي : رديابي و ثبت ……………………………………………… ۲۲

۱-۲-۲ ارتباطات كلي ……………………………………………………………………………….. ۲۲

۲-۲-۲ مشخصه‌هاي سيگنال EMG………………………………………………………….. 23

3-2 مشخصه‌هاي نويز الكتريكي ………………………………………………………………. ۲۴

۱-۳-۲ نويزمحدود شده …………………………………………………………………………… ۲۴

۲-۳-۲ آرتي فكت‌هاي حركتي …………………………………………………………………… ۲۴

۳-۲-۲ ناپايداري ذاتي سيگنال ………………………………………………………………….. ۲۵

۳-۲ بيشينه سيگنال EMG………………………………………………………………………… 25

4-2 طراحي الكترود و ‌آمپلي فاير ……………………………………………………………… ۲۶

۵-۲ تقويت تفاضلي ………………………………………………………………………………….. ۲۶

۶-۲ امپدانس داخلي …………………………………………………………………………………. ۲۸

۷-۲ طراحي الكترودفعال ………………………………………………………………………….. ۲۹

۸-۲ فيلترينگ ………………………………………………………………………………………….. ۲۹

۹-۲ استقرار الكترود ……………………………………………………………………………….. ۳۰

۱۰-۲ روش مرجح مصرف ………………………………………………………………………. ۳۰………..

۱۱-۲ هندسه الكترود………………………………………………………………………………… ۳۰

۱-۱۱-۲ نسبت سيگنال به نويز …………………………………………………………………. ۳۱

۲-۱۱-۲ پهناي باند…………………………………………………………………………………… ۳۲

۳-۱۱-۲ ساير ماهيچه نمونه …………………………………………………………………….. ۳۲

۴-۱۱-۲ قابليت cross talk………………………………………………………………………. 33

12-2 بار موازي الكترود …………………………………………………………………………. ۳۳

۱۳-۲ قرار دادن الكترود EMG………………………………………………………………… 34

1-13-2 تعيين مكان و جهت‌يابي الكترود ……………………………………………………. ۳۴

۲-۱۳-۲ نه روي نقطه محرك …………………………………………………………………… ۳۵

۳-۱۳-۲ نه روي نقطه محرك …………………………………………………………………… ۳۶

۴-۱۳-۲ نه در لبه‌ي بيروني ماهيچه ………………………………………………………….. ۳۷………..

۱۴-۲ موقعيت الكترود نسبت به فيبرهاي ماهيچه ………………………………………… ۳۷

۱۵-۲ قرار دادن الكترود مقايسه ……………………………………………………………….. ۳۸

۱۶-۲ پردازش سيگنال EMG…………………………………………………………………… 39

17-2 كاربردهاي سيگنالEMG………………………………………………………………… 40

18-2 الكترومايوگرافي سوزني………………………………………………………………….. ۴۱

۱۹-۲ مزايا و معايب الكترودهاي سطحي و سوزني …………………………………….. ۴۳

۱-۱۹-۲ مزيت‌هاي الكترود سطحي ……………………………………………………………. ۴۳

۲-۱۹-۲ معايب الكترودهاي سطحي …………………………………………………………… ۴۳

۳-۱۹-۲مزاياي الكترودهاي سوزني ………………………………………………………….. ۴۳………..

۴-۱۹-۲ معايب الكترودهاي سوزني ………………………………………………………….. ۴۴

۲۰-۲ تفاوت موجود بين الكترودهاي سطحي وسوزني ………………………………… ۴۵

۲۱-۲ انواع طراحي ………………………………………………………………………………….. ۴۵

فصل سوم :مفاهيم اساسي در بدست آوردن سيگنال EMG

1-3 مقدمه ……………………………………………………………………………………………… ۴۸………..

۲-۳ معرفي …………………………………………………………………………………………….. ۴۸………..

۱-۲-۳ نمونه‌برداري ديجيتال چيست ؟……………………………………………………….. ۴۸………..

۲-۲-۳ فركانس نمونه‌برداري …………………………………………………………………… ۴۹………..

۳-۲-۳ فركانس نمونه‌برداري چقدر بايد بالا باشد ؟…………………………………….. ۴۹………..

۴-۲-۳ زير نمونه‌برداري – وقتي كه فركانس نمونه‌برداري خيلي پائين باشد …. ۵۲………..

۵-۲-۳ فركانس نايكوئيست ………………………………………………………………………. ۵۳………..

۶-۲-۳ تبصره‌ي كاربردي DELSYS……………………………………………………….. 54………..

3-3 سينوس‌ها و تبديل فوريه …………………………………………………………………… ۵۴………..

۱-۳-۳ تجزيه سيگنال‌ها به سينوس‌ها ……………………………………………………….. ۵۵

۲-۳-۳ دامنه فركانس ………………………………………………………………………………. ۵۷………..

۳-۳-۳ مستعارسازي – چطور از آن دوري كنيم ؟……………………………………… ۵۹………..

۴-۳-۳ فيلترپارمستعاد …………………………………………………………………………….. ۶۱

۵-۳-۳نكته كاربردي DELSYS……………………………………………………………….. 63

4-3 فيلترها …………………………………………………………………………………………….. ۶۴

۱-۴-۳ انواع فيلترهاي ايده‌ آل …………………………………………………………………… ۶۵

۲-۴-۳ پاسخ فاز ايده‌آل …………………………………………………………………………… ۶۷

۳-۴-۳ فيلتر كاربردي ……………………………………………………………………………… ۶۸

۴-۴-۳پاسخ فاز غير خطي ……………………………………………………………………….. ۷۱

۵-۴-۳ اندازه‌گيري ولتاژ – دامنه ، توان ودسي بل ……………………………………… ۷۲

۶-۴-۳ فركانس ۳ Db………………………………………………………………………………. 74

7-4-3 مرتبه فيلتر …………………………………………………………………………………… ۷۵

۸-۴-۳ انواع فيلتر ……………………………………………………………………………………. ۷۶

۹-۴-۳ فيلترهايdigital – Analog Vs ……………………………………………………. 80

10-4-3 نكته كاربردي Delsys………………………………………………………………… 84

5-3 رسيدگي به مبدل‌هاي آنالوگ به ديجيتال ……………………………………………… ۸۵

۱-۵-۳ كوانتايي سازي …………………………………………………………………………….. ۸۵

۲-۵-۳ رنج ديناميكي ……………………………………………………………………………….. ۸۷

۳-۵-۳ كوانتايي سازي سيگنال EMG……………………………………………………….. 90

4-5-3 مشخص ك ردن ويژگي‌هاي ADC…………………………………………………. 92

5-5-3 نكته كاربردي Delsys…………………………………………………………………… 95

6-3 نتيجه‌گيري ………………………………………………………………………………………. ۹۵

فصل ۴: بكارگيري مناسبت نيرويgrip مبني بر سيگنال EMG

1-4 مقدمه ……………………………………………………………………………………………… ۹۸

۲-۴ديد كلي پايه‌اي يك سيستم ………………………………………………………………….. ۹۸

۳-۴ منطقي براي توليد نيروي گريپ ………………………………………………………….. ۹۹

۴-۴ دستاورد ……………………………………………………………………………………….. ۱۰۲

۵-۴ نتيجه …………………………………………………………………………………………….. ۱۰۳

فصل پنجم : طبقه‌بندي سيگنال EMG براي شناسايي سيگنال دست

۱-۵  مقدمه ……………………………………………………………………………………………. ۱۰۵

۲-۵ سيگنال‌هاي EMG و سيستم اندازه‌گيري ………………………………………….. ۱۰۷

۳-۵ طرح ويژگي‌ خود سازمان دهي ………………………………………………………… ۱۰۷

۴-۵ روش طبقه بندي سيگنال EMG پيشنهادي ……………………………………….. ۱۰۹

۵-۵ نتيجه‌گيري …………………………………………………………………………………….. ۱۱۷

فصل ۶: ارتباط بين نيروي ماهيچه‌اي ايزومتريك و سيگنال EMG به
عنوان هندسه بازو

۱-۶  مقدمه ……………………………………………………………………………………………. ۱۱۹

۲-۶  نتايج ……………………………………………………………………………………………… ۱۲۱

۳-۶ بحث ……………………………………………………………………………………………… ۱۲۳

۱-۳-۶ ارتباط EMG- Force…………………………………………………………………. 127

2-3-6 رابط نيروي MF………………………………………………………………………… 129

3-3-6 رابطه‌ي درصد نيروي DET………………………………………………………… 131

4-3-6 نتايج …………………………………………………………………………………………. ۱۳۱

۴-۶ روش تجربي ………………………………………………………………………………….. ۱۳۲

۱-۴-۶ اشخاص ……………………………………………………………………………………. ۱۳۲

۲-۴-۶ مجموعه تجربي ………………………………………………………………………….. ۱۳۲

۳-۴-۶ مدارك EMG و نيرو………………………………………………………………….. ۱۳۳

۴-۴-۶ تحليل‌هاي EMG غير خطي …………………………………………………………. ۱۳۵

۵-۴-۶ تحليل‌هاي ‌آماري و پارامترها ………………………………………………………. ۱۳۶

۵-۶ نتيجه‌گيري …………………………………………………………………………………….. ۱۳۶

فصل ۷: طبقه‌بندي سيگنال EMG براي كنترل دست مصنوعي

۱-۷ مقدمه ……………………………………………………………………………………………. ۱۳۸

۲-۷ روش‌ها …………………………………………………………………………………………. ۱۴۰

۳-۷ آزمايش و نتايج………………………………………………………………………………. ۱۴۱

۱-۳-۷ نتيجه‌گيري ………………………………………………………………………………… ۱۴۲

فصل ۸ : يك استخوان‌بندي كنترل شده توسط EMG براي نوسازي دست

۱-۸ مقدمه ……………………………………………………………………………………………. ۱۴۴

۲-۸ سيستم اصلاح دست ……………………………………………………………………….. ۱۴۸

۱-۲-۸ استخوان‌بندي خارجي …………………………………………………………………. ۱۴۸

۲-۲-۸ الكترونيك و نرم افزار ………………………………………………………………… ۱۴۹

۳-۸ پردازش EMG………………………………………………………………………………. 151

4-8 تستهاي اوليه دستگاه ……………………………………………………………………… ۱۵۳

۱-۴-۸ نتيجه‌گيري ………………………………………………………………………………… ۱۵۵

۲-۴-۸ كارهاي آينده …………………………………………………………………………….. ۱۵۶………..

فصل نهم : يك مدار ‌آنالوگ جديد بر اي كنترل دست مصنوعي

۱-۹ مقدمه ……………………………………………………………………………………………. ۱۵۸

۲-۹ چكيد‌ه‌اي از سيستم ………………………………………………………………………… ۱۶۰

۳-۹ پياده‌سازي مدار …………………………………………………………………………….. ۱۶۳

۴-۹ نتايج شبيه سازي …………………………………………………………………………… ۱۶۶

۵-۹ نتيجه‌گيري …………………………………………………………………………………….. ۱۶۸

نتيجه‌گيري كلي ……………………………………………………………………………………… ۱۶۹

فهرست تصاوير

فصل ۱

شكل ۱ : نمونه‌اي از سيگنالEMG ……………………………………………………………… 7

شكل ۲: واحد حركتي …………………………………………………………………………………. ۸

شكل ۳: مدل آناتومي عضله ……………………………………………………………………….. ۹

شكل ۴: اكتين و ميوزين و باندهاي مربوط به آن ………………………………………… ۱۱

شكل ۵: پروسه انقباض عضله ………………………………………………………………….. ۱۲

شكل ۶: شماتيك تصويري سيكل دپلاريزاسيون / پلاريزاسيون درون
غشاهاي تحريك شونده ……………………………………………………………………………. ۱۳

شكل ۷: نمودار پتانسيل عمل …………………………………………………………………….. ۱۳

شكل ۸: ناحيه‌ي دپلاريزاسيون در غشاء فيبرعضلاني ………………………………….. ۱۴

شكل ۹: پتانسيل عمل واحدهاي حركتي متعدد …………………………………………….. ۱۴

شكل ۱۰: بكارگيري و فركانس شروع واحدهاي حركتي نيرو………………………… ۱۵

شكل ۱۱: ثبت سيگنال خام سه انقباض براي عضله سه سر …………………………. ۱۶

شكل ۱۲: سيگنال خام EMG با تداخل سنگين ECG……………………………………. 19

فصل ۲

شكل ۱ :طيف فركانسي سيگنال EMG آشكار شده جلوي ماهيچه ………………… ۲۳

شكل ۲: طرح‌هاي شكل تقويت كننده تفاضلي ……………………………………………….. ۲۸

شكل ۳: ارائه طرح كلي بارو تركيبات مدور بر الكترود …………………………………. ۳۴

شكل ۴: مكان مرجع الكترود بين تاندون و بخش حركتي ……………………………… ۳۵

فصل۳

شكل ۱: سيگنال آنالوگ كشف شده توسط الكترود DE_{2.1………………………………………………………………… 49}

شكل ۲: A) نمونه‌برداري از سينوس ۱ ولت ، ۱ هرتز در ۱۰ هرتز ……………….. ۵۱

B) بازآفريني سينوس نمونه‌برداري شده در ۱۰ هرتز …………………………………. ۵۱

شكل ۳: A) نمونه‌برداري يك سينوس ۱ ولت ، ۱ هرتز در ۲ هرتز ………………… ۵۲

B) بازآفريني سينوس نمونه برداريشده در ۲ هرتز …………………………………….. ۵۲

شكل ۴: A) نمونه‌برداري يك سينوس ……………………………………………………….. ۵۳

شكل ۵: تجزيه‌ي فوريه‌ي يك پتانسيل عمل واحد حركتي نمونه‌برداري شده …… ۵۶

شكل ۶ : هيستوگرام دامنه ۱۰ سينوس شكل ۵ …………………………………………… ۵۸

شكل۷: طيف موج فركانسي سيگنال نمونه در شكل ۶……………………………………. ۶۰

شكل ۸ : مستعار سازي نويز ۱۳ ………………………………………………………………. ۶۱

شكل ۹ : پاد مستعارسازي ……………………………………………………………………….. ۶۲

شكل ۱۰: انواع فيلترها ……………………………………………………………………………… ۶۶

شكل ۱۱: طرح فاز يك فيلترايده آل …………………………………………………………….. ۶۸

شكل ۱۲: خصوصيات فيلترهاي كاربردي …………………………………………………… ۷۲

جدول ۱: فاكتورهاي تضعيف وگين نمونه …………………………………………………… ۷۴

شكل ۱۳: فيلتر پائين گذر مرتبه اول و دوم …………………………………………………. ۷۶

شكل ۱۴: اندازه ومقايسه انواع فيلترهاي بالاگذر …………………………………………. ۷۹

شكل ۱۵: فيلتر پائين گذر تك قطبي …………………………………………………………….. ۸۲

شكل ۱۶: نمونه‌برداري و فيلتر ديجيتالي سيگنال آنالوگ………………………………… ۸۳

شكل ۱۷: مراحل كوانتايي سازي مبدل آنالوگ به ديجيتال …………………………….. ۸۶

شكل ۱۸: تحليل رنج A/D ………………………………………………………………………… 89

فصل ۴

شكل ۱: بلوك دياگرام دستگاه …………………………………………………………………… ۹۹

شكل ۲: سطوح و شماتيك‌ها ……………………………………………………………………. ۱۰۰

شكل ۳: نيروهاي گريپ ………………………………………………………………………….. ۱۰۲

فصل ۵

شكل ۱: بلوك دياگرام سيستم اندازه‌گيري سيگنال EMG…………………………… 110

 شكل ۲ : موقعيت الكترودها…………………………………………………………………….. ۱۱۰

شكل ۳: بلوك دياگرام روش‌ هاي پيشنهادي …………………………………………….. ۱۱۱

شكل ۴: سيگنال‌هاي دست براي كاراكترهاي كره‌ اي …………………………………. ۱۱۲

شكل ۵: نرون‌هاي خروجي …………………………………………………………………….. ۱۱۳

شكل ۶: بلوك دياگرام ترتيب آزمايشگاهي ………………………………………………… ۱۱۴

شكل ۷: عكس وضعيت آزمايش ………………………………………………………………. ۱۱۴

شكل ۸: سيگنال EMG اندازه‌گيري شده و سيگنال داخلي قابل استفاده ……….. ۱۱۵

شكل ۹: نرون‌هاي خروجي sofm₁ بعد از مرتب كردن ………………………………. ۱۱۵

جدول ۱: نرون‌هاي خروجي بعد از يادگيري …………………………………………….. ۱۱۶

جدول ۲: نتايج ‌آزمايش ………………………………………………………………………….. ۱۱۶

فصل ۶

شكل ۱ : مقادير ميانگين نيروهاي ارادي ماكزيمم در ANT و POST…………. 123

شكل ۲ : رابطه‌ي نيروي EMG……………………………………………………………….. 124

شكل ۳: رابطه‌ي نيروي MF……………………………………………………………………. 125

شكل ۴: رابطه‌ي درصد نيروي DET……………………………………………………….. 126

شكل ۵: دياگرام‌هاي ارتباط بين فركانس متوسط و DET…………………………… 127

فصل ۸

شكل ۱: طرح هندسي سيستم توانبخشي دست …………………………………………… ۱۴۶

شكل ۲: نماي سيستم توانبخشي دست ……………………………………………………… ۱۴۷

شكل ۳: نماي جانبي استخوان‌بندي بيروني ……………………………………………….. ۱۴۸

شكل ۴: دست‌مجازي وواسط درمان ……………………………………………………….. ۱۵۰

شكل ۵: محل قرارگيري الكترود سطحي …………………………………………………… ۱۵۱

شكل ۶: سيگنال EMG يكسو شده ………………………………………………………….. ۱۵۲

فصل ۹

شكل ۱: بلوك دياگرام سيستم پيشنهادي ………………………………………………….. ۱۶۰

شكل ۲: دياگرام حالت كنترل حالات مختلف دست با استفاده از EMG…………. 161

جدول ۱: حالات دست وسيگنال‌هاي مربوطه …………………………………………….. ۱۶۱

شكل ۳: بلوك دياگرام پردازش سيگنال ……………………………………………………. ۱۶۲

شكل ۴: بلوك دياگرام تحليل‌ گر EMG…………………………………………………….. 163

شكل ۵: شماتيك مدار پردازش سيگنال ……………………………………………………. ۱۶۴

جدول ۲: اندازه‌ي تراتريستورها ……………………………………………………………… ۱۶۵

شكل ۶: سيگنال‌هاي داخلي شبيه‌سازي شده‌ي تحليل‌گر سيگنال EMG………… 166

شكل ۷: مجموعه‌ي سيگنال‌هاي EMG وپاسخ خروجي ماشين حالت …………… ۱۶۷

شكل ۸: پاسخ‌هاي شبيه‌سازي شده براي تغييرات انگشتان مختلف……………….. ۱۶۷

دانلود فايل