دانلود مقاله طراحی و ساخت دستگاه ثبت كننده سيگنال الكترومايوگرام دو كاناله و مدلسازی فعاليت ايزومتريک ساعد

هدف از اين پروژه ساخت امپلي فاير دو كاناله EMG و مدلسازي فعاليت ايزومتريك ساعد و به دست اوردن رابطه كيفي بين نيروي وارد بر كف دست و دامنه EMG دو عضله دو سر و سه سر بازو و ميزان نيروي متوسط ايجاد شده در انهاست. سيگنال EMG دو عضله به وسيله كارت صوتي به كامپيوتر … پیشنهاد می کنیم ادامه این مطلب مفید و ارزشمند را در مقاله طراحی و ساخت دستگاه ثبت كننده سيگنال الكترومايوگرام دو كاناله و مدلسازی فعاليت ايزومتريک ساعد دنبال نمایید. این فایل شامل 67 صفحه و در قالب word ارائه شده است.

مشخصات فایل طراحی و ساخت دستگاه ثبت كننده سيگنال الكترومايوگرام دو كاناله و مدلسازی فعاليت ايزومتريک ساعد

عنوان: طراحی و ساخت دستگاه ثبت كننده سيگنال الكترومايوگرام دو كاناله و مدلسازی فعاليت ايزومتريک ساعد
فرمت فایل : word (قابل ویرایش)
تعداد صفحات : 67
حجم فایل : 4,60 مگابایت

بخشی از  مقاله طراحی و ساخت دستگاه ثبت كننده سيگنال الكترومايوگرام دو كاناله و مدلسازی فعاليت ايزومتريک ساعد را در ادامه مشاهده خواهید نمود.

مقدمه

در اثر انتقال سيگنالهای عصبی به عضله , تارهای عضلانی فعال شده و ايجاد پتانسيل عمل  می نمايد که به آن EMG گويند که در واقع تجلی اراده انسان برای انجام حرکت است . انتشار اين پتانسيل های عمل در طول عضله ادامه يافته و بر روی پوست قابل دريافت می گردند . با نصب الکترودهای پوستی می توان اين سيگنالها را از سطح پوست دريافت نمود .

سيگنالهای EMG از نظر فرکانس در محدودهhz 25 تا چند کيلو هرتز تغيير می کنند و دامنه های سيگنال بسته به نوع سيگنال والکترودهای استفاده شده از 100 ميکروولت تا 90 ميلی ولت تغيير می کنند .

بطور کلی سيگنال EMG توسط دو نوع منبع نويز می پذيرد :

       1 منابع بيولوژيکی

  2منابع غير بيولوژيکی

منابع بيولوژيکی شامل حرکات ساير عضلات مانند عضله قلب و حرکات ناشی از ضربان رگهای خونی است و منابع غير بيولوژيکی شامل سيستمهای اندازه گيری و تداخلات برق شهر  و محيط اطراف آن و حرکات شخص آزمايش دهنده و حرکت الکترودها می باشد .

ثبت کننده EMG شامل  مدارهايی است که می تواند سيگنال بسيار ضعيف EMG را که حداکثر دامنه ای به اندازهmv 1 دارد و دارای نويز نيز می باشد , را پردازش کرده و با کمترين نويز و دامنه قابل قبول در خروجی ظاهر سازد

در طراحی مدار ثبت کننده EMG بدليل اينکه پهنای باند فرکانسي اين سيگنال عموما” بين 25 تا 1000 هرتز است , از يک فيلتر بالا گذر و يک فيلتر پايين گذر استفاده شده است .همچنين براي حذف نويز hz 50 برق شهر كه به ورتداخلي وارد مي شود از يك فيلتر ميان ناگذر تيز استفاده مي كنيم .براي رساندن سطح سيگنال به مقدار قابل نمايش

   هم گين 1000 را در مدار تعبيه مي كنيم.سپس سيگنال حاصله را به وسيله وسيله كارت صدا به كامپيوتر مي دهيم.

         بنابراين تا اين مرحله اطلاعات A/D كارت صدا از طريق پورت PCI به پردازنده كامپيوتر انتقال يافته است . حال به دنبال راهي مي گرديم كه اين اطلاعات را بتوانيم نمايش دهيم و بر روي ان پردازش انجام دهيم. نرم افزاری که ما در این پروژه از ان استفاده کردیم MATLAB می باشد.MATLAB به عنوان یک زبان برنامه نویسی و ابزار دیداری کردن داده , قابلیت های بسیاری در زمینه های مهندسی , محاسبات و ریاضیات دارا می باشد. براي دادن سيگنال EMG دو عضله به طور همزمان از مد استريوي كارت صدا استفاده مي كنيم.

پس ان واردمرحله ي مدلسازي حركت ايزومتزيك ساعد مي شويم. مدل سازی یکی از جنبه های مهم اغلب مطالعات مهندسی پزشکی است . مدل عبارت است از نمایش ساده شده ی اشیا و سیستمها و به همین دلیل جزء مهمی از زندگی روزمره نیز به شمار می رود.

در بحث مدلساز ي ابتدا به ساده سازي سيستم مي پرازيم . سپس با وارد كردن نيرو به كف دست و ثبت جابجايي دست در فاز ديناميك حركت به وسيله سنسور جابجايي طراحي شده وارد مرحله بعد مي شويم.

مرحله بعدي انتخاب مدل مناسب براي ماهيچه است كه مامدل مكانيكي هيل را در نظر گرفتيم و با محاسبه تابع تبديل پارامتري اين مدل و به دست اوردن خروجي زماني ان با فرض اينكه ورودي پله باشد و مقايسه ان با خروجي سنسور ، پارامترها را محاسبه كرديم.

اين پايان نامه شامل شش فصل است كه در فصل اول به بررسي سيگنال EMG پرداختيم .در فصل دوم مطالبي راجع به الكترودهاي ثبت سيگنال اورده شده است و فصل سوم هم مفصلا به شرح سخت افزار پروزه مي پردازد.

فصل چهارم هم حاوي مطالبي درباره كارت صدا مي باشد.

سپس در فصل پنجم به مبحث مدلسازي حركت ايزومتريك ساعد و به دست اوردن رابطه بين وزنه ها و دامنه EMG مي پردازيم.

فصل ششم هم به بررسي نرم افزار پروژه و الگوريتم هاي نوشته شده مي پردازد.

فصل اول

مقدمه

در اثر انتقال سيگنالهای عصبی به عضله , تارهای عضلانی فعال شده و ايجاد پتانسيل عمل می نمايد که به آن EMG گويند که در واقع تجلی اراده انسان برای انجام حرکت است . انتشار اين پتانسيل های عمل در طول عضله ادامه يافته و بر روی پوست قابل دريافت می گردند . با نصب الکترودهای پوستی می توان اين سيگنالها را از سطح پوست دريافت نمود . سيگنالEMG به عنوان يک ابزار غير تهاجمی برای کنترل دست مصنوعی به کار می رود . اين سيگنال حاوی اطلاعات زيادی در حوزه زمان و فرکانس است که محققان با تبديلات رياضی متنوع , سعی در استخراج و تحليل اينگونه اطلاعات داشته اند .

سيگنالهای EMG از نظر فرکانس در محدودهhz 25 تا چند کيلو هرتز تغيير می کنند و دامنه های سيگنال بسته به نوع سيگنال والکترودهای استفاده شده از 100 ميکروولت تا 90 ميلی ولت تغيير می کنند , بنا براين تقويت کننده های EMG نسبت به تقويت کننده های ECG  پاسخ فرکانسی وسيعتری را پوشش مي دهند ولی در عوض لازم نيست فرکانسهای بسيار پايين را مانندECG  پوشش دهند . و اين امر بدليل وجود آرتيفکت ناشی از حرکت در فرکانسهای پايين بسيار مطلوبست چرا که ميتوانند بدون تحت تأثير قرار دادن سيگنال مؤثر , فيلتر شوند .

در نمودارشكل 1-1 مقايسه اي بين محدوده تغييرات فركانس و ولتاژ سيگنال EMG و سيگنالهاي متداول ديگر انجام شده است :

شكل 1-1-مقايسه دامنه و فركانس EMG با سيگنالهاي حياتي ديگر

همانطور كه ملاحظه مي كنيد سيگنال EMG نسبت به سيگنالهاي ECG,EEG,EOG محدوده فركانسي وسيعتري را شامل مي شود و همينطور شامل فركانسهاي خيلي كم نمي شود و نسبت به آنها دامنه بزرگتري نيز دارد . ولي دامنه آن نسبت به پتانسيل عمل آكسون پايين تر است و فركانسهاي پايين تري را نسبت به آن پوشش مي دهد .

از آنجاييکه در اين پروژه از الکترودهای سطحی استفاده شده است , سطوح سيگنالها پايين و پيک دامنه های آنها از 1/0 تا 1 mv  است .

اما اگر از الکترودهای سوزنی فرو رونده در ماهيچه استفاده شود , سيگنالهای EMG می توانند دارای دامنه ای در حدود دو برابر حالت قبلی شوند و در نتيجه به بهره کمتری برای تقويت نياز دارند و همچنين از آنجاييکه سطح الکترودهای سوزنی EMG نسبت به الکترودهای سطحی به مراتب کمتر است , امپدانس منبع مولد سيگنال بالاتر بوده و لذا امپدانس ورودی بالاتر تقويت 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 زيرا اين روش دارای شکل موج کاملا” تصادفی است و استخراج پارامترهای آن بدون استفاده از روشهای پردازش کامپيوتری امکان پذير نيست , ولی اخيرا” با پيشرفتهای انجام گرفته در روشهای پردازش کامپيوتری بتدريج استفاده از الکترودهای در ثبت EMG رو به افزايش است .

يکی از مناسبترين روشهای تحليل EMG همراه با الکترود سطحی , بررسی محتوای فرکانسی سيگنال و استخراج ويژگيهای آن با استفاده از تابع چگالی طيف توان است .

منابع نويز :

بطور کلی سيگنال EMG توسط دو نوع منبع نويز می پذيرد :

     1- منابع بيولوژيکی

  2- منابع غير بيولوژيکی

منابع بيولوژيکی شامل حرکات ساير عضلات مانند عضله قلب و حرکات ناشی از ضربان رگهای خونی است و منابع غير بيولوژيکی شامل سيستمهای اندازه گيری و تداخلات برق شهر  و محيط اطراف آن و حرکات شخص آزمايش دهنده و حرکت الکترودها می باشد .

ثبت کننده EMG شامل  مدارهايی است که می تواند سيگنال بسيار ضعيف EMG را که حداکثر دامنه ای به اندازهmv 1 دارد و دارای نويز نيز می باشد , را پردازش کرده و با کمترين نويز و دامنه قابل قبول در خروجی ظاهر سازد

در طراحی مدار ثبت کننده EMG بدليل اينکه پهنای باند فرکانسي اين سيگنال عموما” بين 25 تا 1000 هرتز است , از يک فيلتر بالا گذر و يک فيلتر پايين گذر استفاده شده است .

ثبت کننده سيگنالهای حياتی بطور کلی عبارت است از بکارگيری تجهيزاتی الکترونيکی که بعضی از وقايع فيزيولوژيکی نرمال و يا غير نرمال درونی انسان را به شکل سيگنالهای سمعی و بصری نمايش می دهد و به ا و ياد می دهد که روی وقايع احساس نشده و يا غير ارادی خود با ديدن اين سيگنالهای سمعی و بصری کار کند .

در زمينه مسائل مربوط به توانبخشی مفيد ترين ثبت کننده , EMG است . اما سيگنال EMG به تنهايی قابل استفاده نيست چونکه بيمار و پزشک معالج سيگنالهای EMG را نمی بينند و اين سيگنالها بايد به علائم صوتی و تصويری قابل درک تبديل شوند .

تجربيات نشان می دهد که بيمار در حين آزمايش ثبت EMG به تقاضای پزشک برای تغيير اندازه فعاليت ماهيچه ای , پاسخ مثبت می دهد .

مقدار IAV ويا ا نتگرال قدر مطلق يکی از مشخصه های مهم سيگنال است که با نيروی انقباض عضلانی رابطه دارد .

يکی از ا هداف اوليه همه ثبت کننده های EMG , قادرسازی بيمار به اعمال کنترل ارادی بر عضلات مخطط (عضلات ارادی ) خود است که به منظور افزايش فعاليت ماهيچه های ضعيف و کاهش فعاليت ماهيچه های متشنج به کار مي رود

در آموزش کلينيکی , بيمار از طريق سيگنالهای سمعی و بصری , از انقباضهای خيلی کوچک و خيلی بزرگ ماهيچه اش  آگاه می شود

در انتخاب ابزار ثبت کننده EMG بايد به دو نکته توجه داشت :

1. ثبت کننده های شنيداری در انواع مختلف وجود دارد که بايد در آنها توجه داشت که کدام يک از آنها بيمار را به فعاليت بيشتر ترغيب می کند .
2. در ثبت کننده های تصويری بيمار با ديدن سيگنال بر روی اسيلوسکوپ به به فعاليت بيشتر ترغيب می شود .

منشاْ سيگنال EMG :

 سيگنال EMG   از  ترکيب  اجزای  کوچکتری  به  نام  پتانسيل  عمل  واحد  حرکتی                                      (motor unit action potential ) که توسط واحد های مختلف توليد می شود تشکيل شده است .

واحد حرکتی کوچکترين واحد عملکردی يک ماهيچه است که می تواند به طور ارادی فعال شود .

پتانسيلهای الکتريکی در دو طرف غشاء , عملا” در تمام سلولهای بدن وجود دارند . سلولهای عصبی و عضلانی , سلولهای قابل تحريک هستند يعنی قادر به توليد ايمپالسهای الکتروشيميايی در غشاء خود هستند .

هر فيبر عصبی به طور طبيعی به دفعات زياد منشعب شده و 3 الی چند فيبر عضلانی را تحريک می کند . سيگنا لهای عصبی توسط پتا نسيل های عمل که تغييرات سريع در پتا نسيل غشاء سلولهای عصبی هستند , انتقال می يابند . پتا نسيل عمل برای هدايت سيگنال عصبی در طول فيبر عصبی به حرکت در می آيد تا اينکه به ا نتهای فيبر می رسد . محل تماس رشته های عصبی با فيبر عضلانی تقريبا” در وسط آن و به نام محل تماس عصبی _ عضلانی (Neuromuscularjunction )  می باشد به طوريکه پتا نسيل عمل در هر دو جهت به سوی انتهای فيبر عضلانی سير می کند . فيبر عصبی در انتهای خود منشعب شده و مجموعه ای از ترمينالهای منشعب شده عصبی تشکيل می دهد که در يک فرو رفتگی از سطح فيبر عضلانی قرار می گيرد , اما به طور کامل در خارج غشاء پلاسمايی فيبر عضلانی قرار دارد . فرو رفتگي غشاء فيبر عضلانی موسوم به ناودان سيناپسی و فضای بين ترمينال عصبی و غشاء  فيبر عضلانی موسوم به شکاف سيناپسی است .

قطر عصب در حدود يک دهم قطر فيبر عضلانی است و ايمپالسهای عصبی به تنهايي نمي توانند جريان لازم را در فيبر عضلانی ايجاد کنند و استيل کولين مانند يک تقويت کننده عمل می کند .

پتانسيل های عمل ايجاد شده در واحد های حرکتی عضله به صورت هدايت حجمی در فضای عضله پخش شده , به سطح پوست می رسند . با قرار دادن الکترود , مجموعه ای از پتانسيلهای فوق الذکر که می توانند از نظر زمانی با هم اختلاف فاز داشته باشند , دريافت می شوند . سيگنال دريافت شده همان سيگنال EMG می باشد . هنگامی که يک ايمپالس عصبی به محل تماس عصبی_ عضلانی می رسد , عبور پتانسيل عمل از روی غشاء ترمينال عصب , باعث می شود تا حدود 125 وزيکول استيل کولين به داخل شکاف سيناپسی آزاد شود . استيل کولين نفوذ پذيری غشای عضله را نسبت به يونهای سديم با بار مثبت زياد می کند و اين امر موجب بروز يک پتانسيل عمل در فيبر عضلانی مي شود . پتانسيل عمل در طول غشاء فيبر عضلانی سير می کند و باعث رها شدن مقادير زيادی از يونهای کلسيم و داخل شدن آنها به سارکو پلاسم محيطی فيبرها می شود . يونهای کلسيم نيروهای جاذبه ای بين فيلمانهای اکتين و ميوزين ايجاد می کنند , و موجب لغزيدن آنها بر روی يکديگر می شوند و بنابراين فر آيند انقباض صورت می گيرد

انرژی لازم جهت ادامه اين فرآيند به وسيله شکستن پيوند های پر انرژی ATP و تبديل آن به ADP حاصل می شود . از طرف ديگر چنانچه استيل کولين ترشح شده در همان حال باقی بماند , ايجاد ايمپالسهای متوالی خواهد کرد . حدود 5/1 ثانيه استيل کولين توسط آنزيمی در سطح غشاء به شکل اسيد استيک و کولين تبديل می شود . در نتيجه تقريبا” بلا فاصله پس از تحريک فيبر عضلانی به وسيله استيل کولين , ماده محرک از بين می رود .

فعاليت الکتريکی عضلات اسکلتی برای نخستين بار توسط piper (1912) ثبت گرديد و EMG

نام گرفت . امروزه از اين سيگنال نه تنها به عنوان ابزار تشخيص کلينيکی عضله , بلکه به عنوان شاخصی برای ارزيابی عضلات در فعاليت های ورزشی و يا به عنوان ورودی جهت کنترل اندام مصنوعی به کار می رود .

ماهيت سيگنال EMG سطحی يک فرآيند تصادفی غير ايستا است , دامنه و طيف فرکانسي آن حتی با ثابت نگه داشتن فعاليت ماهيچه , تغيير می کند , که با تقريب قابل قبولی در فواصل کوتاه زمانی ايستا است . سيگنال EMG بر آيند زمانی _ فضايی پتانسيل های تارهای عضلانی است که مي توان توسط الکترود در سطح پوست برداشت . تغيير حالت انقباضی عضله , مشخصات زمانی و فرکانسی سيگنال EMG را تغيير می دهد , زيرا فيبرهای عضلاني متفاوتی فعال می شود و از همين خاصيت برای تشخيص 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 ديسکی استفاده می شود و پيک سيگنالهای دريافت شده بين 0.1 تا 1 ميلی ولت می باشد . امپدانس الکترودها بين 200 تا 5000 اهم متغير است و به نوع الکترود , محل تماس الکترود و الکتروليت و فرکانسی که امپدانس را مشخص می کند بستگی دارد . نکته مهم در پهنای باند سيگنال دريافتی (25-1000hz) , عدم وجود مؤلفه DC آن می باشد که علت آن می تواند مربوط به شکل فيبر عضلانی باشد . پس از بازگشت يونهای پتاسيم به خارج غشاء مرحله ديگری بنام After potential  آغاز می شود که حدود 50 تا 100 ميلی ثانيه دوام دارد .

در اين مرحله پمپ سديم و پتاسيم مجدد ا” يونهای سديم را به خارج سلول هدايت می کند تا غلظت نرمال درون و برون غشاء حفظ شود . اين مرحله می تواند به گونه ای باشد که انتگرال سطح  زير منحنی صفر شود , در واقع از ديد تبديل فوريه , اين سيگنال ديگر دارای مؤلفه DC  نخواهد بود . (اختلاف  پتانسيل 90 ميلی ولتی در واقع در دو طرف غشاء قرار دارد و توسط الکترود سطحی دريافت نمی شود . )

تغيير حالت انقباضی عضله , مشخصات زمانی و فرکانسی سيگنال EMG را تغيير می دهد , زيرا فيبرهای عضلانی متفاوتی فعال می شوند و همين خاصيت است که می تواند برای تشخيص نوع حرکت از سيگنال EMG استفاده نمود .

در صورت تمایل شما می توانید مقاله طراحی و ساخت دستگاه ثبت كننده سيگنال الكترومايوگرام دو كاناله و مدلسازی فعاليت ايزومتريک ساعد را به قیمت 15900 تومان از سایت فراپروژه دانلود نمایید. اگر در هر کدام از مراحل خرید یا دانلود با سوال یا ابهامی مواجه شدید می توانید از طریق آدرس contact-us@faraproje.ir و یا ارسال پیامک به شماره: 09382333070 با ما در تماس باشید. با اطمینان از وب سایت فراپروژه خرید کنید، زیرا پشتیبانی سایت همیشه همراه شماست.