انجام پایان نامه

درخواست همکاری انجام پایان نامه  بانک مقالات رایگان انجام پایان نامه

سفارش پایان نامه

|

انجام پایان نامه ارشد

 پایان نامه پروژه پایانی بررسي سيگنالهاي الكترو مايوگرافي در حركت دست 168 ص

پایان نامه|  پایان نامه پروژه پایانی بررسي سيگنالهاي الكترو مايوگرافي در حركت دست


مقدمه
مشکلات عصبی وحرکتی  همواره محققان را واداشته تا بدنبال یافتن روشهایی برای رفع این مشکلات برایند .استفاده از الکترومایو گرافی  یکی از این روش ها  میباشد .الکترو مایو گرافی در لغت به معنی برق نگاری ماهیچه ای است.واز نظر علمی روشی تجربی در زمینه بسط ،ثبت وانالیز سیگنالهای الکتریکی عضله می باشد ،که این سیگنال  ها بوسیله دگرگونی های فیزیولوپیکی در غشا فیبر عضلانی شکل می گیرد .این تحقیق ابتدا به بررسی این سیگنال انواع ان ومفاهیم اساسی در به دست اوردن ان وس÷س به بررسی این سیگنال در حرکت دست می÷ردازد،در اینجا ما سعی کده ایم مطالب را به گونه ای ساده وقابل فهم توضیح دهیم.هدف از این کار اشنایی مختصری با استفاده از الکترونیک در علم پزشکی  میباشد.همانطور که در این تحقیق خواهیم خوتند این سیگنال کمک بسیاری به حرکت دست های مصنوعی وکسانی که مقطوع العضوند می کند .دنیای  الکترومایو گرافی دنیای بسیار گستر دهای می باشد وما در اینجا مختصری از ان را بیان کرده ایم ،امیدواریم که توانسته باشیم مطالب را به گونه ای مفید ارائه کرده باشیم .





فصل اول

آشنايي كلي با سيگنال الكترو مايو گرافي









1-1مقدمه   
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.
 
3-1منشا ء سيگنال EMGكجاست؟  
1-3-1واحد حركتي
واحد حركتي كوچكترين واحد عملي  است كه مي تواند براي تشريح كنترل عصبي  روند  انقباض عضلاني بكر رود . واحد حركتي شامل يك فيبر عصبي (تنه ي سلولي  نورون حركتي ،دندريتها ، اكسون  و شاخه هاي متعدد ان) وتمام فيبر هاي عضلاني است  كه  به انها عصب رسانده شده است.
واژه واحدها پيرامون رفتار حركتي  است . تمام فيبر هاي  عضلاني واحد حركتي  بصورت متحد عمل  ميكنند .
در حين فعاليت عصبي ماهيجه ها \هر موتو ر حركتي  كامل ،فعال يا غير فعال  است .هر ماهيچه شامل  چندين واحد حركتي  ،از تعداد اندك تا چند هزار مي باشد.
                                                    

                        شكل 1:نمونه اي از سيگنال EMG
 
4-1 آناتومی عضله    
1-4-1رشته عضلانی واحد
هر رشته عضلانی واحد، حاوی دسته ای از تارهای ریز راه راه بنام فیبریلهاست. بدلیل خطوط روی این فیبریلها این نوع ماهیچه، ماهیچه راه راه نیز خوانده می شود. هرگاه رشته عضلانی پیامی را از مغز (از طریق دستگاه عصبی) دریافت کند، فیبریلهای آن همگی منقبض می شوند و رشته عضلانی را کوتاهتر می کنند. این امر بنوبه خود موجب عمل کششی کل ما هیچه بر روی استخوان می شود.                                                                




شكل 2:واحد حركتي

2-4-1ساختار سلول ماهیچه
درون سارکوپلاسم سازه های بلند نازک روشن و تیره ای به اسم تارچه ماهیچه (فیلامان) در امتداد طولی قرار گرفته اند که به همین دلیل یک شکل راه راه پدید می آورند. هر تارچه شمال واحدهای متعددی به اسم سارکومر است.
سارکومرها کوچکترین واحدهای قابل انقباض در یک فیبر عضلانی هستند.  هزاران سارکومر یک زنجیره طولانی در هر تارچه ماهیچه تشکیل می دهند.  غشاء Z نشانه مرز بین هر دو سارکومر با هم میباشد.  طرح خطوط روشن و تیره به خاطر دو نوع تارچه پروتئینی طولی است. میوزین( فیلامان ضخیم تر) که منحصر به باند تیره A  و منطقهH  است و آکتین ( فیلامان نازکتر) که در باند روشن I و بین میوزین در سرهای باند تیره A قرار دارد.

                                



شكل 3:مدل اناتوميكي عضله

5-1انقباض عضلانی
وقتی ماهیچه منبسط می شود همه باندهای آن دیده می شود، در حالیکه در ماهیچه منقبض باند I روشن، باریک  و بعد ناپدید می شود . زیرا تارچه های نازک آکتین در بین تارچه های ضخیم  میوزین بطرف داخل، کشیده تر می شوند.
رمز فرآیند انقباض ماهیچه در روی هم قرار گرفتن تارچه های ضخیم میوزین و تارچه های نازک آکتین است.  تارچه های نازک آکتین از دو زنجیره از پروتئینهای گلبولی تروپومیوزین و تروپونین تشکیل شده اند. رشته های تروپومیوزین دور تارچه های نازک آکتین پیچیده اند و تروپونین در فاصله های منظم به تروپومیوزین متصل است.
در حالت انبساط ، تروپونین تروپومیوزین را در حالتی نگاه می دارد که محل های تماس میوزین را بر روی تارچه های آکتین مسدود می کند.
هنگامیکه سیگنال عصبی به سلول ماهیچه می رسد، شروع به آزادسازی یونهای کلسیم Ca++ از ذخیره های خاص حفره های T در شبکه سارکوپلاسمی می کند.
تروپونین تمایل زیادی به یونهای کلسیم دارد و هنگامیکه یونهای کلسیم به تروپونین می چسبند،  شکل مجتمع تروپونین-تروپومیوزین عوض می شود تا مناطق فعال را بر روی تارچه های آکتین آشکار سازد.
یونهای کلسیم با آشکار ساختن مناطق فعال بر روی تارچه های آکتین، ماهیچه را به انقباض تحریک می کنند. در همان حال، سرهای تارچه میوزین بوسیله  ATP فعال می شوند.  ATP  وقتی به ADP و فسفات آزاد تجزیه می شود، مقدار زیادی انرژی آزاد می کند. رهای میوزین خود را به منطقه های منتخب بر روی تارچه های آکتین مجاور می چسبانند تا رشته های آکتین – میوزین را که معمولاً پل عرضی نامیده می شوند،  تشکیل دهند.




بلافاصله بعد از آن ، پل های عرضی باز می شوند و سرهای میوزین دوباره به محل های آکتین بعدی وصل می شوند و به همین ترتیب ادامه می یابد.
پیامد کلی این فرآیند این است که تارچه های آکتین کشیده می شوند و از تارچه های میوزین می گذرند، بطوریکه لبه ها بیش از زمان انبساط روی هم قرار می گیرند و بنابراین سارکومر را کوتاه می کنند. فرآیند ذکر شده در شکل 5 به تصویر در آمده است.   



شكل 4:اكتين وميوزين وباند هاي  مربوط به ان

6-1تحریک پذیری غشاء عضله
تحریک پذیری فیبرهای عضلانی، در کنترل عصبی نشان دهنده عامل عمده فیزیولوژی عضله است.  این پدیده می تواند تحت عنوان مدل نیمه تراوا شرح داده شود که توصیف کننده خواص الکتریکی سارکولم  است . یک موازنه یونی بین فضای درونی و بیرونی یک سلول ماهیچه ای، یک پتانسیل استراحت ساکن را در غشاء فیبر عضله شکل می دهد. (زمانی که در انقباض نیست یعنی در محدود    -80  تا -90 میلی ولت).  این اختلاف پتانسیل که با روندهای فیزیولوژیکی حفظ شده (پمپ یونی) منجر به بار منفی درون سلول نسبت به خارج سطح سلول می شود.
فعال سازی یک سلول شیپوری قدامی موتور آلفا (که بوسیله سیستم عصبی مرکزی تحریک شده ) منجر به هدایت تحریک در طول عصب حرکتی می شود.  با آزاد شدن مواد انتقال دهنده در صفحه انتهایی   واحد حرکتی،  یک پتانسیل صفحه انتهایی در فیبر عضلانی که بوسیله این واحد حرکتی پی داده  می شود، شکل می گیرد.  مشخصه های انتشار غشاء فیبر عضلانی  بطور مختصر تعدیل شده و یون های NA+ سرازیر می شوند.
  این روند منجر به دپلاریزاسیون غشاء می شود که  فوراً با  تبادل رو به عقب یونها در مکانیسم پمپ یونی ( رپلاریزاسیون ) جایگزین می شود.
                                  



شكل 5:پروسه انقباض عضله

7-1تولید سیگنال EMG
1-7-1پتانسیل عمل
اگر نفوذNa++ از آستانه مشخصی تجاوز کند، دپلاریزاسیون غشاء باعث پتانسیل عملی می شود که پتانسیل غشاء سریعا از -80 میلی ولت به بالای +30 میلی ولت برسد.  سپس یک از هم پاشیدگی   الکتریکی تک قطبی سریعا با فاز رپلاریزاسیون جایگزین می شود و درپی آن یک دوره هایپرپلاریزاسیون غشاء رخ میدهد.  پتانسیلهای عمل با شروع از صفحه انتهایی غشاء در طول فیبر عضلانی درهر دو جهت و درون فیبر عضلانی از میان یک سیستم لوله مانند  پخش می شوند .




شكل 6:شماتيك تصويري سيكل دپلاريزاسيون /پلاريزاسيون درون غشاهاي تحريك شونده این تحریک منجر به آزاد شدن یونهای کلسیم در فضای درون سلولی می شود. فرآیندهای شیمیایی مرتبط (کوپلینگ  الکترومکانیکی) در نهایت المانهای منقبض شونده سلول ماهیچه ای را کوتاه می کنند. این مدل که انقباض و تحریک را به هم متصل می کند، نشاندهنده یک ارتباط با همبستگی  بالا می باشد. (هرچند تحریکهای ضعیفی وجود دارند که می توانند منجر به انقباض نشوند. ) از نقطه نظر عملی می توان فرض را بر این دانست که در یک عضله سالم هر انقباض عضلانی از مکانیسم فوق تبعیت می کند. سیگنال EMG بر پایه پتانسیل های عمل غشاء فیبر عضلانی است که از روند دپلاریزاسیون و رپلاریزاسیون شرح داده شده منتج می شوند.شكل 7: نمودار پتانسيل عمل(بر حسب ميلي ولت)






شکل 8: ناحیه دپلاریزاسیون در غشاء فیبر عضلانی

8-1ترکیب سیگنال EMG
1-8-1انطباق   واحدهای حرکتی
در مطالعات کینزیولوژیکی، پتانسیل های عمل واحد حرکتی تمامی واحدهای حرکتی فعال و قابل ردیابی در زیر ناحیه الکترود، از نظر الکتریکی منطبق هستند و بصورت یک سیگنال دوقطبی با توزیع متقارن دامنه های مثبت و منفی (با میانگین صفر)مشاهده می شوند که به آن الگوی تداخلی می گویند.

 



شکل 9: پتانسیل عمل واحدهای حرکتی متعدد
 
9-1فعال سازی عضله
پنج مشخصه عضلات اسکلتی در بر دارنده  هم خواص الکتریکی (قابلیت تحریک و رسانایی) و هم خواص مکانیکی(قابلیت انقباض، قابلیت انبساط و کشسان بودن یا الاستیسیته) هستند. سه تا از مهمترین مشخصه های عضله عبارتند از تحریک پذیری، رسانایی و قابلیت انقباض. بنابراین در نتیجه فعال سازی نورونی هم پاسخ مکانیکی و هم پاسخ الکتریکی وجود دارد. دو مورد از مهمترین مکانیزم های موثر در بزرگی و چگالی سیگنال رویت شده، بکار گیری واحدهای حرکتی و فرکانس شروع آنهاست. اینها استراتژی های اصلی کنترلی برای میزان کردن روند انقباض و مدوله کردن نیروی خروجی عضلهٌ درگیر است. از آنجاییکه بافت متصل کننده و لایه های پوست، اثر فیلتر پایین گذر را در سیگنال اصلی دارند، فرکانس شروع آنالیز شده برای مثال EMG سطحی، نشاندهنده مشخصه های  شروع  بنیادی و دامنه سیگنال نیست.به عبارت ساده تر می توان گفت که سیگنال EMG، بطور مستقیم بازتابنده مشخصه های شروع و بکار گیری واحدهای حرکتی ردگیری شده درون ماهیچه مورد اندازه گیری می باشد.


 

شکل 10 : بکار گیری و فرکانس شروع واحدهای حرکتی نیروی خروجی را مدوله کرده در سیگنال EMG منطبق شده   بازتابانده می شود.
کل ماهیچه شامل بافت ماهیچه و بافت متصل کننده است و معمولا به یک تاندون چسبیده است.
- ماهیچه
- دسته فیبر ها
 - فیبر ها
- فیبریل ها
- فیلامانها
تنها بافتهای ماهیچه ای در سیگنال EMG  شرکت دارند.  بنابراین بافت متصل کننده می تواند نیروی انفعالی ایجاد کند ولی پاسخ الکتریکی ایجاد نمی کند.

10-1طبیعت سیگنال EMG
به سیگنال فیلتر نشده (به استثنا تقویت کننده میان گذر) و پردازش نشده ای که MUAP های منطبق را رد یابی می کند، سیگنالEMG خام می گویند.
 در شکل نمونه زیر ثبت  یک سیگنال EMG  سطحی خام برای سه انقباض استاتیک عضله دو سر انجام شده است:
 

 
شکل 11 : ثبت سیگنال خام سه انقباض برای عضله دوسر

هنگامی که عضله در وضعیت استراحت قرار دارد، Baseline EMG  بدون نویز، کم و بیش دیده می شود.  نویز Baseline EMG  به فاکتورهای زیادی از جمله کیفیت تقویت کننده، نویز محیطی و کیفیت شرایط رد یابی بستگی دارد.  با فرض تقویت کنندگی مناسب و آماده سازی مناسب پوست،Baseline  نویز بیشتر از از 3 تا 5 میکروولت نمی شود.  هدف معمولا 1 تا 2 میکروولت است.
عضله سالمی که در وضعیت استراحت قرار دارد، با توجه به نبود دپلاریزاسیون و پتانسیل عمل، هیچ فعالیت EMG  خاصی نشان نمی دهد.  بطور طبیعی تیزی  های سیگنال های EMG  خام اَشکالی تصادفی هستند.  این بدین معنی است که یک ثبت نمی تواند دوباره عیناً بازسازی شود . این مسئله این حقیقت را عیان می سازد که یک دسته واحد های حرکتی بکار گرفته شده  بطور ثابت در ماتریس و یا قطر واحدهای حرکتی موجود تغییر می کنند.  اگر گاهاً دو یا تعداد بیشتری واحد حرکتی در یک زمان شروع به فعالیت کنند و در مجاورت الکترودها قرار داشته باشند، تولید یک تیزی شدید منطبق   می کنند.  با اعمال یک الگوریتم هموار کننده و یا انتخاب یک پارامتر دامنه مناسب، مقادیر غیر قابل بازسازی سیگنال حذف می شوند و یا اینکه به حداقل می رسند.
EMG سطحی خام در بازه 5000 ± (برای ورزشکاران) قرار دارد و فرکانس مقادیر آن نوعاً بین 6 تا 500 هرتز می باشد که نشاندهنده بیشترین قدرت فرکانسی در بازه 20 تا 150 هرتز می باشد.
11-1فاکتورهای موثر بر سیگنال EMG
 سیگنال EMG  در طول مسیرش از غشاء عضله تا الکترودها تحت تاثیر عوامل محیطی مختلفی قرار دارد که شکل و مشخصه آن را  تغییر می دهند.  این عوامل بطور اساسی به این گروه ها تقسیم بندی می شوند:
a) مشخصه های بافت
بدن انسان رسانای خوب الکتریکی است ولی این رسانایی با توجه به نوع بافت، ضخامت، تغییرات فیزیولوژیکی و دما تغییر می کند.  این شرایط از موضعی به موضع دیگر بشدت تغییر می کنند و مانع مقایسه کمی پارامترهای محاسبه شده دامنه سیگنال EMG  پردازش نشده  می شوند.

 Cross Talk( b  

عضلات مجاور هم، مقدار قابل توجهی سیگنال EMG  تولید می کنند که در  محل
 الکترود، ردیابی می شود.  بطور معمول این Cross Talk  از 10 تا 15 درصد
مقادیر کل EMG  تجاوز نمی کند و یا اصلاً موجود نیست.  با این وجود باید موارد
 احتیاطی برای تنظیمات دقیق داخل گروه عضلات رعایت شود.  تیزی سیگنال ECG  می توانند در  ثبت EMG   تداخل ایجاد کند خصوصا هنگامی که EMG ،
مربوط به اندام فوقانی و شانه ها باشد.  این اثرات به آسانی قابل رویت هستند و الگوریتم های جدیدی برای از بین بردن آنها وجود دارد.

 



شکل 12: سیگنال EMG  خام با تداخل سنگین ECG-
c )تغییرات در هندسه بین بطن عضله و محدوده الکترودها
هرگونه تغییر فاصله بین مبدا سیگنال و محدوده ردیابی، خواندن سیگنال را تحت تاثیر قرا می دهد.  این مسئله یکی از مشکلات اصلی در مطالعات حرکت دینامیک می باشد و می تواند از فشار خروجی تاثیر گرفته باشد.
d).نویز خارجی
در محیط هایی که نویز زیاد دارند باید احتیاط لازم رعایت شود.  بیشترین نویز بر اثر زمین کردن نادرست و یا تجهیزات خارجی دیگر به وجود می آید.
(e الکترود و تقویت کننده ها
کیفیت الکترودها و نویز داخلی تقویت کننده ها ممکن است مقداری سیگنال  به Baseline  EMG اضافه کنند.  نویز داخلی تقویت کننده نباید از 5 ولت rms  تجاور کند.
بیشتر این عوامل با آماده سازی دقیق و چک کردن شرایط آزمایش قابل کنترل و به حد اقل رسیدن هستند.در  فصل اينده به بررسي  انواع الكتر مايو گرافي ،معايب ومزايا وروش هاي  طراحي  خواهيم پرداخت.

 فصل دوم   
  انواع سيگنال هاي الكترومايو گرافي و روش هاي طراحي








1-2انواعEMG:
دونوع اصلي الكترومايوگرافي داريم:
1.باليني.كه گاهي اوقات EMGتشخيصي ناميده ميشود.
2.kine siological EMG و به وسيله ي پزشك يا متخصص اعصاب انجام مي شود
Kine Siological EMG مطالعه مشخصات پتاسيل عمل واحد حركتي از نظر مدت وطول دامنه است وبراي كمك به تشخيص اسيب شناصي اعصاب انجام مي شود  با اين روش هم چني ن مي توان دشارژ هاي خود بخودي عضله ي در حال استراحت را ارزيابي كرد و يا فعاليت يك واحد حركتي منفرد را ايزوله نمود. این نوع از EMG رابطه بین عملکرد عضله با حرکت بخشهای مختلف بدن را ارزیابی می کند و زمان بندی فعالیت عضله با حرکت را مورد بررسی قرار می دهد. به علاوه بسیاری از مطالعات در تلاشند تا قدرت عضله و نیروی تولید شده در عضله را بررسی کنند.
..برای Kine Siological EMG دو نوع اصلی الکترود وجود دارد:
اين تقسيم بندي براساس ساختمان فيزيكي انها ميباشد:
1.الكترومايوگرافي سطحي(چون به وسيله الكترودهااندازه گيري ميشودبه ان الكترودسطحي هم ميگويند)
2.الكترومايوگرافي سوزني(الكترود سوزني)
الكترودبه مبدل ياتراسديوسرهايي گفته ميشودكه فعاليت الكتريكي ارگانهاي زنده رادريافت وثبت ميكنند.
الکترودهای سطحی خود به دو گروه تقسیم می شوند. گروه اول الکترودهای فعال که در سطح آنها آمپلی فایر وجود دارد و امپدانس را بهبود می بخشد. ( برای این الکترودها نیازی به استفاده از ژل نیست و این الکترودها آرتی فکت حرکتی را کاهش و نسبت سیگنال به نویز را افزایش می دهند ). الکترود دیگر, الکترود غیر فعال ( Passive ) است که سیگنال EMG را بدون آمپلی فایر درونی آشکارسازی می کنند و لذا کاهش تمام مقاومتهای پوست تا حد ممکن برای آن اهمیت می یابد ( لذا نیاز به ژل هادی و آماده سازی پوست دارد.)
با الکترود غیر فعال نسبت سیگنال به نویز کاهش یافته و بسیاری از آرتی فکتهای حرکتی با تقویت سیگنال اصلی, تقویت می شوند.

2-2الكترومايوگرافي سطحي:رديابي وثبت
1-2-2ارتباطات كلي
هنگام رديابي وثبت سيگنال EMG دو موضوع مهم مرتبط وجود دارد كه برصحت سيگنال تاثير ميگذارد.نخستين نسبت سيگنال به نويز است .كه نسبت انرژي درسيگنال EMGبه انرژي درسيگنال نويز.درحالت كلي به عنوان سيگنال الكتريكي كه قسمتي از سيگنال خواسته شده نيست تعريف ميشود.بعبارت ديگر اعوجاج سيگنال است.
 
2-2-2مشخصه هاي سيگنال EMG
ثابت شد ه است كه دامنه سيگنال الكترومايو گرافي درحالت طبيعي بصورت Randomاست وميتوان با استدلال با تابع توزيع گوسين ان را نشان داد.دامنه سيگنال ميتواند از 0تا mv10 (p-p)يا 0تا1.5mv(rms)تغييركند.انرژي قابل استفاده درمحدوده فركانسي 0تا500hzمحدودشده است. تبرخلاف عمده انرژي موجود دررنج تغييراتي 50تا150hz.سيگنالهاي قابل استفاده انرژيبالاترازسطح نويز الكتريكي دارند.يك مثال ازطيف فركانسي سيگنال EMGدرشكل 1نشان داده شده است .
شكل 1.طيف فركانسي سيگنال EMGاشكار شده ازجلوي ماهيچه
 
3-2مشخصه هاي نويزالكتريكي
نويزالكتريكي ممكن است از منابع مختلفي ناشي شودازقبيل:
-نويز ذاتي دراجزاي الكترونيكي دراشكارسازي وثبت تجهيزات
همه تجهيزات الكترونيكي نويز الكتريكي توليد ميكنند.اين نويز مولفه هاي فركانسي دارد كه تغيير ميكننداز 0تاچندين هزارهرتز.اين نويز نميتواندحذف شود.تنها ميتواند بااستفاده از اجزاي الكترونيكي باكيفيت بالا,طراحي مدارات هوشمندوتكنيكهاي ساخت كاهش يابد.
1-3-2-نويزمحدودشده
اين نويز ازمنابع تابش الكترومغناطيسي سرچشمه ميگيرد,ازقبيل ارسال راديويي وتلوزيوني,سيم برق,لامپهاي روشن,لامپهاي فلوروسنتوغيره.درحقيقت هروسيله الكترومغناطيسي نويزتوليد ميكندوممكن است كمك كندبه ان.سطوح بدن مادائماتحت تاثيرتابش اشعه الكتريكي-مغناطيسي استوواقعانميتوان ازمعرض اين اشعه ها ان را دور كرد.سيگنال نويزمحدودممكن است دامنه اي  يك تاسه برابر بزرگترازمقداردامنه سيگنال EMGداشته باشد.
-2-3-2آرتي فكتهاي حركتي
دو منبع اصلي ارتي فكت وجود دارد:يكي از سطح مشترك بين سطح اشكارسازي الكترود وپوست.ديگري ازحركت كابل متصل به الكترود تا امپلي فاير.هريك ازاين منابع ميتوانند به طور اساسي با طراحي مناسب مدارهاي الكترونيكي كاهش يابند.سيگنالهاي الكتريكي هردو منبع نويز بيشترين انرژيشان را  درمحدوده فركانسي0تا20HZدارند.
3-2-2ناپايداري ذاتي سيگنال
دامنه سگنال EMGدرحالت عادي شبه تصادفي است .مولفه هاي فركانسي بين0تا20HZمخصوصا ناپايدارندزيرا انهابوسيله ماهيت شبه  تصادفي نرخ گرمايش واحدهاي حركتي كه دربيشترين شرايط دراين ناحيه فركانسي گرماتوليد ميكنند.بواسطه ي ماهيت ناپايدار اين مولفه هاي سيگنال قابل توصيه است كه انه به عنوان نويز ناخواسته در نظرگرفته شده واز سيگنال زدوده شوند.
3-2بيشينه ي درستي سيگنالEMG
مطلوبست بدست اوردن يك سيگنالEMGشامل ماكزيمم مقدار اطلاعات از سيگنال EMGومينيموم مقدارناخالصي ازنويزالكتريكي.بنابراينبايد ماكزيمم نسبت سيگنال به نويز باكمترين مقداراعوجاج درسيگنال EMGداشته باشيم.بنابراين مهم است كه هروسيله ي اشكارسازي وثبت سيگنال رابه طورخطي  پردازش كند.درواقع سيگنال نبايد برش خورده باشدبعبارت ديگرپيك نبايد ازشكل طبيعي افتاده شده بادونه غيرضروري است فيلتربايدانجام شود.
 چونكه تابش خط انتقال توان (50يا60HZ)يك منبع برجسته ي نويز الكتريكي است طراحي وسايلي كه يك فيلترتله اي دراين فركانس دارند اغواكننده است.ازلحاظ فرض علمي اين نوع فيلترايننوع فيلتر تمايل دارد تنها فركانسهاي ناخواسته ي خط انتقال توان رابرطرف كند.درهرحال پياده سازي علمي گذشته از اين اجزاي مولفه هاي فركانسي نزديك به هم را برطرف ميكند.براي اينكه انرژي برتر سيگنال EMGدرمحدوده 50تا100HZواقع شده است استفاده از فيلترهاي تله اي مقرون به صلاح نيست زماني كه روشهاي ديگررفتار با تابش خط انتقال توان وجود دارد .
4-2طراحي الكترودوامپلي فاير
طراحي بخش الكترود مهمترين جنبه ي لوازم الكترونيكي است كه براي بدست اوردن سيگنال استفاده خواهدشد.صحت سيگنال اشكار شده توسط الكترودتحت تاثير همه رفتار هاي بعدي سيگنال قرار دارد.تقريباغيرممكن است اصلاح صافي ونسبت سيگنال به نويز كمي دورترازاين نقطه.بنابراين ساخت دستگاه الكترودي كه كمترين اعوجاج با بالاترين نسبت سيگنال به نويز رامهياميكندمهم است.درزير مشخصه هايي كه براي دستيابي به اين امرمهم لازم است اورده شده است:

5-2تقويت تفاضلي
براي اينكه عامل خيلي بزرگتر سيگنال نويز از منابع خط انتقال توان حذف شود يك تركيب اشكارساز تفاضلي بكار گرفته ميشود.تكنيك تقويت تفاضلي بطورخلاصه درشكل 2نشان داده شده است.اساس بحث ساده است.سيگنال دردو نقطه اشكارسازي شده است مدارات الكترونيكي دوسيگنال را ازهم كم ميكنندوسپس اختلاف راتقويت ميكند.درنتيجه هرسيگنال مشترك بين دو نقطه اشكارسازي شده حذفخواهدشدوسيگنالهايي كه مختلف هستند دردو مكان تفاضلي خواهند داشت كه تقويت خواهدشد هرسگنيالي كه دورترازمكان هاي اشكارسازي سرچشمه بگيردبعنوان يك سيگنال مشترك ظاهرخواهدشد چون سيگنالها درمجاورت خيلي نزديك سطوح اشكارسازي اختلاف خواهندداشت ودايماتقويت خواهندشد.بنابراين سيگنال نويز نسبتا فاصله دار حذف خواهندشدسيگنالهاي نسبتا موضعي(محلي)تقويت خواهندشد.اين شرح وتفسير به يك كاهشگربادقت بالا نيازدارد.درعمل حتي با استفاده از مدارات الكترونيكي شگفت انگيزامروزي كم كردن سيگنالها كاملا بدون عيب خيلي مشكل است.درجه دقت بااين تقويت كننده تفاضلي ميتواند سيگنالهاي اندازه گيري شده بوسيله نسبت عدم پذيرش مد مشترك(CMRR)راكاهش دهد.يك كاهشگربي عيب يكCMRRبا مقدارنامحدود خواهدداشت.يك CMRR 32000يا90DB براي از بين بردن نويزهاي الكتريكي خارجي كاملا كافيست.تكنولوژي رايج براي CMRR  120DBاجازه ميدهد.اما دستكم سه دليل براي نگرفتن CMRRوجود دارد تامحدود شود:1.اين قبيل وسايل گران هستند2.براي نگهداري از پايداري الكتريكي دشوارندبرسند به دوسطح اشكارساز درفازوبنابراين انهادرمفهوم مطلق سيگنالهاي مدمشترك نيستند.
شكل2:طرح كلي شكل يك تقويت كننده تفاضلي.سيگنال EMGباmوسيگنال نويزباnنشان داده شده است.
6-2امپدانس داخلي
امپدانس منبع دراتصال پوست وسطح اشكارسازي ممكن است رنجي از چندين هزاراهم تاچندين مگااهم براي پوست خشك دارد.به طوري كه از تضعيف واعوجاج سيگنال اشكارشده به علت اثرات بار داخلي جلوگيري ميكند,امپدانس داخلي تقويت كننده تفاضلي بدون ايجاد عوارض معين دركاركرد تقويت كننده تفاضلي به اندازه كافي بايد بزرگ باشد.لوازم الكترونيكي امروزه به اساني امپدانس داخلي درحدود 1012ohmدرموازات با 5pfتهيه ميكند(ميسر ميسازد).علاوه بر مقدار امپدانس داخلي امپدانس متعادل (هم تراز)بين دومكان اشكارسازي نيزامپدانس بزرگي است.اين رسيدگي نياز به طراي مدارات دقيق دارد.
7-2طراحي الكترود فعال
نياز به يك امپدانس داخلي بالايك مشكل معروف به عنوان ظرفيت كوپلينگ درداخل امپلي فاير تفاضلي معرفي ميكند.يك ظرفيت كوچك خازني بين سيمهاي هادي داخل امپلي فايروخط انتقال توان به عنوان سيگنال نويز خط انتقال توان مطرح ميشود.اين پديده مشابه است به انچه باعث ميشود سگنال قوي تلوزيوني افزايش يابد زماني كه جاهايي دست نزديك ميشود به انتن داخلي اما تماس پيدانميكند.راه حل اين است كه تا حدممكن امپلي  فاير تفاضلي  درسطح اشكارسازي الكترود بسته باشد.اين راه حل معرفي ميشود بعنوان الكترودفعال.يكي ديگراز فوايداين تركيب اين است كه امپدانس خارجي امپلي فاير ميتواند خيلي كوچك ساخته شودحدود10ohm.بنابراين هرحركت كابل ازخارج الكترودتوليدنخواهدكردسيگنال نويز مهم يا حتي برجسته دركابلي كه داخل امپلي فاير بعدي را تغذيه ميكند.
8-2فيلترينگ(فيلتركردن)
حتي با رسيدگي هاي بالا سيگنال emgبه مقداري نويزالوده است.نيبت سيگنال به نويز ميتواندبه وسيله فيلترينگ حساب شده بين 20-500hzافزايش يابدبا يك افت ارام12db/oct.(طراحي محكم مشخصه ها ميتواند400hzرابه عنوان فركان قطع بالادرنظربگيرد.مقدار 500HZرا براي  يك حاشيه ايمني درطراحي مدارتصويب ميكند.).اين فيلترينگ معمولا انجام ميشود درطبقه امپلي فاير واقع دربيرون الكترودفعال.
9-2استقرارالكترود
زماني كه يك الكترودروي پوست قرارميگيرد سطوح اشكارسازي ثبت ميكنندمحل تماس رابا الكتروليتهاي درپوست.يك واكنش شيميايي رخ ميدهد كه نياز دارد به زمان كمي تاثابت شود,بطورنمونه درحدودثانيه هاي خيلي كم اگرالكترود بدرستي طراحي شده است.امامهمتراينكه واكنش شيميايي بايد درطول ثبت session(جلسه)ثابت باقي بماندو اگرمشخصه هاي الكتريكي پوست دراثر تغييرات رطوبت وتعريق تغييركند نبايد تغييرقابل توجهي داشته باشد.
10-2روش مرجح(برگزيده) مصرف
ارايه كارايي بالا وسايز كوچك الكتونيك مدرن امروزي ميسر ساخته است طراحي الكترودفعال كه نيازهاي بالارابدون نياز به تهيه هرگونه پاك كننده پوست وبرداشتن مو جبران ميكند.
11-2هندسه الكترود
درطول تاريخ الكترومايوگرافي شكل ولايه ي بيروني سطح اشكارسازي الكترودتوجه زيادي دريافت نكرده است .محتمل براي اينكه پايان يافته كاربران الكترومايوگرافي كه فقط درجنبه هاي كيفي سيگنال EMG  علاقه داشته اند.ظهورتكنيك هاي پردازش جديد براي استخراج اطلاعات كيفي ازسيگنال EMGنياز به مركزتوجه(كانون) بزرگتري بررو تركيب الكترود دارد.نكات اصلي(اما نه همه)  به صورت زير درنظرگرفته ميشوند:
1)نسبت سيگنال به نويز سيگنال اشكار شده
2)پهناي باندسيگنال
3)سايزمهيچه ي نمونه برداري
4)قابليت مكالمه متقابل (كراستاك)
1-11-2نسبت سيگنال به نويز
نسبت سيگنال به نويز تابع برهم كنش شيميا يي پيچيده بين الكتروليتهاي درون پوست وفلزسطح اشكارسازي الكترود است.اين يك موضوع پيچيده وفراترازميدان ديد اين توضيحات است.همين قدركافيست كه چندين راه براي كاهش نويز وجود دارد از قبيل استفاده از سطح بزرگتري براي سطح اشكارسازي ,بكارگيري الكتروليتهاي رسانا براي بهتر شدن تماس با پوست وبرداشتن پوست مرده ازروي سطح پوست.از طرق ازمون وخطا تشخيص داديم كه سطوح ساخته شده از نقره خالص(99.5%)درشكل ميله هاي 1سانتي متر درطول و1ميلي متر در عرض سطح متوسط خوب كافي براي سطح اشكارسازي فراهم ميكند.
دامنه سيگنال EMGمستقيما با فاصله ي بين سطوح اشكارسازي متناسب است.بنابراين اين ففاصله بايد بيشينه باشد.اما افزايش اين فاصله مشخصه هاي ناخواسته(نامطلوبي)درطراحي الكترود مطرح ميكند.بنابراين الكترودبزرگتر ميشود,ان وزين ميشود ونميتواند در اشكارسازي سيگنالهاي  EMGازهمسايگي كوچك استفاده شود ماهيچه هايي ازاين قبيل دردست يافت ميشودساعدوساق پا.بطور اضافي بعنوان مثال افزايش فاصله مشخصه هاي فيلترينگ تقويت تفاضلي ميكاهد درپهناي باند.(توضيح اين نكته ي محرمانه ممكن است درفصل 2muscles Alive(1985)توسطذBasmajian وDe Luca)بنابراين يك مصالحه لازم است.
2-11-2پهناي باند
پهناي باند سيگنال EMGبافاصله گذاري سطوح اشكارساز داخلي وسرعت رسانايي پتانسيل هاي فعال درامتداد فيبرهاي ماهيچه تغييرميكند.تركيب تفاضلي دارار يك فيلترفاصله اي است كه به طور برجسته نشان ميدهد كه ميتواند به صورت يك فيلتر ميان گذردرناحيه ي طيف فركانسي سيگنال EMG عمل كند.يكبارديگربه كتاب Muscle alive(ماهيچه هاي زنده) صفحات46-50براي دريافت جزييات مراجعه كنيد.براي سرعت متوسط رسانايي 4m/sسطح اشكارسازي داخلي بافاصله ي1cmفركانس عبور200hz ونقطه ي صفر 400hzاست.اين پهناي باندتمام فركانسهاي طيف سيگنال EMGراميگيردونويز را در فركانسهاي بالاتر ازبين ميبرد(متوقف ميكند).
3-11-2سايزماهيچه  نمونه
سايز ماهيچه ي نمونه نياز نيسست بزرگ باشدزيرابخش هاي حركتي فيبرهاي ماهيچه تماما درمقطع عرضي پخش شده اند .بنابراين ضروري نيست كه بخش بزرگي از ماهيجه با سطح اشكارساز الكترود پوشانده شود براي بدست اوردن نمونه اي كه بيانگر سيگنال EMGبراي يك بخش خاص واحدحركتي فعال است.
 4-11-2قابليت Cross-talk
عضلات مجاور هم، مقدار قابل توجهی سیگنال EMG  تولید می کنند که در  محل الکترود، ردیابی می شود.  بطور معمول این Cross Talk  از 10 تا 15 درصد مقادیر کل EMG  تجاوز نمی کند و یا اصلاً موجود نیست.  با این وجود باید موارد احتیاطی برای تنظیمات دقیق داخل گروه عضلات رعایت شود.  تیزی سیگنال ECG  می توانند در  ثبت EMG   تداخل ایجاد کند خصوصا هنگامی که EMG ، مربوط به اندام فوقانی و شانه ها باشد.  این اثرات به آسانی قابل رویت هستند و الگوریتم های جدیدی برای از بین بردن آنها وجود دارد.




12-2بارموازي الكترود
ازبحث بالا پيداست كه طراحي يك الكترود همه منظور تنها با توافق بر روي اندازه وشكل سطح اشكارسازي الكترود و سطح اشكارسازي داخلي فاصله دار ميتواند تحقق يابد.ازمايش ماررا سوق داده است تا از بارهاي موازي (1cmطول و1mmعرض)با فاصله 1cmكنارهم چنانكه درشكل زير نشان داده شده است .

    
          شكل 3:ارايه طرح كلي باروتركيبات مدور بر الكترود
علاوه برجبران بيشترين نياز هاي بالا اين تركيب همچنين تعدادي مزيتها ي كاربردي :
1)ميتواند به قدر كافي كوچك وكم وزن ساخته شود بطوريكه مزاحم اشيا نباشد.
2)فاصله ي 1cmبين سطوح اشكارسلزي بقدركافي بزرگ است براي اينكه از اتصال كوتاه الكتريكي وقتي پوست عرق كرده است جلوگيري نكند.

13-2قرار دادن الكترود EMG
1-13-2تعيين مكان وجهت يابي الكترود
الكترود بايد بين نقطه ي حركتي و تعبيه ي تاندون يا بين دو نقطه ي حركتي درامتداد خط مياني طولي ماهيچه قرار داده شود.خط محور الكترود(كه درطول هر سطح اشكارسازي ميگذرد )بايد دريك رديف موازي با طول فيبرهاي ماهيجه قرار بگيرد.شكل 4نمايش طرح كلي مكان مرجح الكترود  رادراختيارقرار ميدهد.
 

شكل4:مكان مرجح الكترود بين  بخش حركتي وتعبيه ي تاندون (زردپي) است با سطوح اشكارسازي شده
                  
2-13-2نه روي يا نزديك به تاندون(زردپي)ماهيچه
چنانچه فيبرهاي ماهيچه به فيبرهاي تانتدون فيبرهاي ماهيچه نازكتر وكمتر ميشوند ودامنه ي سيگنال EMGكاهش مي يابد.همچنين در اين ناحيه اندازه ي فيزيكي ماهيچه بطور قابل ملاحظه اي كاهش ميبابد بتعبيري تعيين موقعيت الكترود احتمالا مشكل است و اشكارسازي سيگنال را حساس به كراستاك (crosstalk)ميسازد بواسطه نزديكي احتمالي ماهيچه هاي مجادله اي(agonistic).
 
3-13-2نه روي نقطه ي محرك
در طي نيم قرن گذشته  تعليم داده شده است كه بمنظور اشكارسازي سيگنال EMGالكترود بايد روي نقطه ي محرك ماهيچه قرار بگيرد.نقطه ي محرك نقطه اي در ماهيچه است جايي كه ورود جريان خيلي كوچك سبب يك انقبا ض ناگهاني قابل درك سطح فيبر هاي ماهيچه ميشود.اين نقطه معمولا،نه هميشه،با ان بخش محدوده ي عصبي درماهيچه كه بيشترين تراكم عصبي را دارد ،مربوط به ناهمسا نگردي(الوتوروپي) ماهيچه دراين ناحيه درارتباط است.احتمالا،نقاط محرك به عنوان راهنما استفاده شده اند زيرا انها قابل شناسايي بوده اند و يك راهنماي اناتوميكال(تشريحي) ثابت را فراهم كردند.متاسفانه از نقطه نظر پايايي سيگنال،بدترين مكان را براي اشكارسازي سيگنال EMGفراهم ميكند.درمحدوده ي يك نقطه ي محرك ،حركت caudallyوrostrallyپتانسيل هاي حركت درطول فيبرهاي ماهيچه دارند،بدينسان فازهاي مثبت ومنفي پتانسيل هاي حركت (اشكار شده بوسيله يتركيب تفاضلي ) با اختلاف فازهاي كوچكترجمع وتفريق خواهند شد تا  نتيجه سيگنا لEMG  مولفه هاي فركانسي بزرگتري داشته باشد.در محدوده زماني ،سيگنالبهمان اندازه  ناهموارتر وبا قله هاي تيز تر اشكار ميشود.نبود پايذاري  از اين امر رخ ميدهد كه يك تغيير مكان كوچك (1mm) بطور غير قابل پيش بيني  برميزان تغيير درمشخصه هاي فركانسي سيگنال تاثير خواهد گذاشت.
يك يادداشت توجه درباره نقاط محرك ونواحي تحريك عصبي.بيشترين ماهيچه ها چندين ناحيه ي تحريك عصبي درطول ماهيچه دارند.انها ميتوانند با به كار بردن تحريك الكتريكي در روي پوست  درسطح ماهيچه يا با روش ديگرپيچيده( ازلحاظ فني)  تكنيك هاي نگاشت سطحي شناسايي شوند.اگر هيچيك از روش ها راحت نيست،الكترود را درمنطقه ي مياني ماهيچه بين نقطه ي شروع و محل درج قرار بدهيد.
4-13-2نه درلبه ي بيروني ماهيچه
دراين ناحيه الكترود حساس به اشكار سازي سيگنالهاي القايي ماهيچه هاي مجاور است.اين تجربه ي خوبي است تا از اين محل دوري كرده واستفاده نكنيم.براي برخي كاربرد ها ،سيگنال هاي القايي ممكن است نامطلوب باشد.
14-2موقعيت الكترود نسبت به فيبر هاي ماهيچه
محور طولي الكترود (كه درطول هر سطح اشكارسازي ميگذرد)بايد به موازات طول فيبرهاي ماهيچه همتراز شود.وقتي اينچنين مرتب شد،هر يك از سطوح اشكار سازي بيشتر فيبرهاي مشابه ماهيچه را تقسيم خواهد كرد.بنابراين ،مشخصه هاي طيفي سيگنال EMG مشخصات مجموعه ثابت فيبر هاي ماهيچه در محدوده الكترودرا منعكس خواهد كرد.همچنين ،طيف فركانسي سيگنالEMG از هر عامل مثلثاتي كه سرعت هدايت را اشتباه تخمين بزن مستقل است.مقدارناشي سرعت هدايت بر سيگنال EMGبوسيله ي  تغييرات زماني مشخصات سيگنال EMGوهمچنين طيف فركانسي ان تاثير گذار است.

15-2قرار دادن الكترود مقايسه
الكترود مقايسه (سابقا الكترود زمين ناميده ميشد)براي ايجاد يك مقايسه ي عمومي تفاضل داخلي امپلي فاير و اكترود لازم است.براي رسيدن به اين هدف ،الكترود مقايسه بايد تا حد امكان دوروروي بافت هاي طبيعي مانند برق قرار بگيرد .(مثلا روي يك برجستگي استخواني).اغلب اين ارايش ناجور است زيرا تفكيك رابط هاي برق الكترود اشكارسازي ومقايسه نياز به دو سيم بين الكترود ها و امپلي فاير نياز دارد.
اين ضروري است كه الكترود مقايسه تماس الكتريكي خوبي با پوست بوجود اورد.بنابراين الكترود بايد بزرگ باشد(2cm*2cm).اگر كوچكتر باشد،مواد بايد رسانايي بالاتري داشته باشند وخصوصيات چسبندگي قوي داشته باشندكه بااستحكام مكانيكي قابل توجهي ان را در پوست محكم خواهد كرد.ژلهاي رسانا ي الكتريكي مخصوصا براي اين رسيدن به اين منظور خوب ميباشند.اغلب ،نويز تداخلي خطوط انتقال توان ممكن است باجايگذاري حساب شده الكترود زمين كاهش يابد.
 
16-2پردازش سيگنال EMG
به مدت چندين دهه به طور عادي پذيرفته شده است كه روش برگزيده براي پردازش سيگنال EMG محاسبه ي سيگنال يكسوشده مجتمع ميباشد.اين كار بوسيله راستگردي (يكسوسازي)سيگنال EMG(به تعبيري سيگنال گردش يك قطبيتي دارد)،انتگرال گيري سيگنال روي بازه زماني معين ومتعقبا شكل گيري رشته زماني مقدارهاي مجتمع.اين روش همگاني شد وساخت اين محاسبات را به مقدار كمي درست وكم هزينه با تكنولوژي الكترونيكي گذشته  ميسر ساخته بود.پيشرفت ساخت درقطعات الكترونيكي كه درطول دهه هاي گذشته ساخته شده اند، هدايت و محاسبه درست (rms)ريشه ي مربعات ومقدار متوسط يكسوسازي (avr)سيگنال EMGميسر ساخته است. اگرمحاسبات بطور درست وبا دقت انجام شود، مقدار avrمشابه مقدار يكسوشده مجتمع است.اما اين متغييرها اندازه گيري زير سطح سيگنال را فراهم ميكند (مقرر ميكند)اما معني فيزيكي علمي ندارد.از طرفي ديگر ،مقدار rmsاندازه گيري توان سيگنال است ،بنابراين  معني فيزيكي واضحي دارد.به اين دليل ،مقدار rms براي بيشتر كاربردها ترجيح داده ميشود.
 
17-2كاربردهاي سيگنال EMG
معمولا سه كاربرد عمومي براي سيگنال EMG وجود دارد ،عبارتند از :
-تعيين زمان فعال شدن ماهيچه،به عبارت ديگر ،زماني كه تحريك ماهيچه شروع ميشود وپايان ميابد.
-تخمين نيروي توليد شده توسط ماهيچه.
-بدست اوردن يك شاخص سرعت در يك ماهيچه ي خسته در طول اناليز طيف فركانسي سيگنال .
در اينده اي نه چندان دور ،ما ميتوانيم منتظر كاربردهايي درتشخيص بيماريهاي عصبي كه برطبقه بندي فيبر يا ناحيه ي سطح مقطع فيبر ماهيچه اثر ميگذارد.
رابطه بين نيروي توليد شده بوسيله ي ماهيچه ودامنه سيگنال EMGمستلزم شرح بيشتر است.در طول  پنج دهه ي گذشته ،مطبوعات علمي يك مباحثه ي  واضح ذر اين زمينه منتشر كرده است.برخي گزارشات رابطه ي نسبتا خطي را توصيف ميكنند،درحاليكه ديگر مقالات رابطه ي غير خطي نسبي رابا دامنه سيگنال EMGافزايشي بزرگتراز نيرو شرح ميدهند.در حقيقت هر دو حالت صحيح ميباشند و اين مباحثه (جدال)ساختگي است.اين نشان ميدهد كه در ماهيچه هاي كوچك جايي كه سرعت گرمايش واحدهاي محرك رنج ديناميكي بزركتري دارد وواحد محرك مستلزم محدوديت شده است تا از بيشترين مقدار نيرو كمتر باشد،رابطه نسبتا خطي است.در حاليكه در ماهيچه هاي بزرگتر جايي كه واحد محرك مستلزم  بيشتر از رنج نهايي نيرو است، سرعت(نرخ) گرمايش رنج ديناميكي كمتري دارد،رابطه نسبتا غير خطي است.

18-2الكترومايو گرافي سوزني
براي مطالعه ي اعصاب وعضلات از الكترو مايو گرافي سوزني استفاده مي شود ،البته روش ديگري به نام مطالعات هدايت عصبي(NCS) نيزبراي انجام اين امر وجود دارد .
در تست EMGپزشك با وارد كردن الكترود سوزني در عضلات مورد نظر فعاليت الكتريكي را ثبت واناليز مي كند. EMGاستفاده از الكترود هاي سوزني داخل عضلاتي است كه واحد هاي محرك را (شامل مجموعه ي سلولي شاخ قدامي واكسون هايش ،محل اتصال عصبي عضلات وتمام فيبرهاي عضلاتي مربوط به ان اكسون ) را مورد ارزيابي قرار ميدهد.
پتاسيل الكتريكي كه منعكس كننده ي فعاليت الكتريكي يك واحد حركتي منفرد اناتوميك مي باشد پتانسيل الكتريكي واحد حركتي (MUAP=motor unit action potential ) ناميده مي شود.
اكثر مطالعات EMGبه منظور ارزيابي دنرواسيون انجام مي شود ، پتاسيل هاي دنرواسيون شامل,پتانسيلهاي دنرواسيون شامل پتانسيلهاي فيبريلاسيون وامواج تيزمثبت ميباشد.اين پتانسيلهانشانه ي تخليه خودبه خودي غيرطبيعي يك فيبرعضلاني منفرد ميباشدوبه علت تحريك پذيري بيش ازحدغشايي ايجادمي شود.
پتانسيل هاي دنرواسيون ممكن است درميوپاتيت هاي التهابي (مثل پلوموزيت)وتقريبا هرميوپاتيت ديگر(به استثناي ميوپاتي مزمن استروئيدي ويا ميوپاتي تيروئيدي)بيماريهاي محل اتصال عصبي عضلاني (مثل مياستني گروا),ضايعات نرون محرك فوقاني (نظير سكته مغزي واسيبهاي طناب نخاعي),تروماي مستقيم عضله ودرتزريقات ويا خونريزيهاي داخل عضلاني ديده ميشوند.
به طور كليMUAPsدرنروپاتيهابه صورت افزايش دامنه مدت زمان وتعدادفازها همراه باكاهش الگوي به كارگيري(recruitment pattern)ظاهرشده ولي درميوپاتيهابه صورت كاهش دامنه ومدت زمان همراه افزايش تعداد فازهاوالگوي به كارگيري تسهيل شده تعريف ميشود.دربيماريهاي محل اتصال عصبي عضلاني MUAPsكاملاشبيه به ميوپاتيهاظاهرميشوند.
به طورخلاصه الكترومايوگرافي ميتواند به منظورتععين فعاليت الكتريكي غيرعادي غضلاتي دربسياري از بيماريهانظيرويستروفي عضلاني ,التهاب عضلات,اعصاب محيطي تحت فشار,مياستني گروا,اسيب اعصاب محيطي,بيماريALS هرنياسون ديسك و...بكاررود.
EMGاغلب زماني به كار ميرودكه بيمار ضعف عضلاني توجيه نشده داشته باشدضمنا اين تكنيك به افتراق مشكلات بامنشاعضلاني ازموارد عصبي كمك كرده ونيز ضعف واقعي راازضعف ناشي از عدم كاربرد عضو افترق ميدهد.
مطالعات هدايت عصبي((MUAPsاغلب همراه با EMGبه منظور تشخيص يا رد بيماريهاي عضلاني بكار ميرود.

19-2مزايا ومعايب الكترودهاي سطحي وسوزني
1-19-2مزيت هاي الكترود سطحي :
 1 - كاربر د انها بدون درد است.
2 - كاربرد انها ساده است.
3 - قابليت تكرار بيشتري دارن.
4 - براي كاربردهاي حركتي مناسب است.

2-19-2 معايب الكترودهاي سطحي
1.ناحيه ي اشكارسازي انها وسيع است ولذا پتانسيل هايي از عضلات كناري را نيز ثبت مي كنند.
2.اين الكترود ها تنها براي عضلات سطحي بكار مي روند.
3-19-2 مزاياي الكترودهاي سوزني(سيم باريك)
1.پهناي باند وسيع.
2.ناحيه ي اشكار سازي اختصاصي تر
3.توانايي مطالعه ي عضلا ت عمقي.
4.جدارسازي بخش هاي مشخص عضلات بزرگ .
5 .توانايي مطالعه ي عضلات كوچك كه اشكار سازي انها به دليل اثر عضلات كناري(cross-talk)با الكترود هاي سطحي غير ممكن است.

 4-19-2معايب الكترود هاي سوزني
1.فرو كردن سوزن با عث ايجاد ناراحتي مي شود.
2.ناراحتي باعث افزايش گرفتگي وسفتي در عضله مي گردد.
3.برخي مواقع گرفتگي عضله رخ مي دهد.
4.الكترود ها تكرار پذيري كمتري دارند،چون قراردادن مجدد سوزن وسيم نازك در همان محل قبلي در عضله مشكل است،بعلاوه ممكن است كه فزد براي تعيين دقيق محل الكترود ان را تكان دهد وبا عث افزايش ناراحتي بيمار شود.
با اين وجود براي برخي عضلا ت مشخص الكترود هاي سوزني تنها امكان براي بدست اوردن اطلاعات مي باشد.
 
 20-2تفاوت موجود بين الكترود هاي سطحي وسوزني
تفوت هاي موجود بين الكترود هاي سطحي وسوزني به دليل تفاوت در پهناي باند انها است .الكترود هاي سوزني داراي فركانس بالاتري هستند وفعاليت يك واحد حركتي را نيز ثبت مي كنند.پهناي باند انها بين 2تا 1000هرتز است درحاليكه پهناي باند الكترود هاي سطحي بين 10 تا 600 هرتز مي باشد.
21-2انواع طراحي
صرف نظر از نوع الكترود مورد استفاده ،برخي از طراحي ها ي الكترود ي مي توانند به افزايش نويز ناخواسته كمك كنند.
طراحي تك قطبي ساده ترين شكل ممكن است كه در ان تنها يك الكترود ويك زمين وجود دارد .با اين وجود اين طراحي سيگنالهاي ناخواسته ي بيشتري را نسبت به ساير روش ها جمع اوري ميكند.
طراحي دو قطبي روشي است كه در تحليل حركت به طور شايعي به كار مي رود،در اين طراحي در الكترود ويك زمين وجود دارد .اين روش به اين صورت است كه دران سيگنالهاي مشترك بين دو الكترود به عنوان نويز در نظر گرفته مي شودوحذف وي گردندوانچه بين دو الكترود متفاوت است به عنوان سيگنال مورد نظر نگهداري مي شود.اين روش به عنوان سيستم تقويت اختصاصي ناميده مي شود وكمتر تحت تاثير تداخل عضلات كناري يا عمقي قرار دارد.
طراحي سوم تركيبي از دو سيستم اختصاصي است .در اين سيستم سه الكترود فعال ويك زمين وجوددارد ،بنابراين در اينجا دو جفت سيگنا دو قطبي داريم كه به صورت اختصاصي تقويت مي شوند،اين روش نايه اشكارسازي كوچكتري دارد ولذا نويز ان از روش دوقطبي كمتر است.
اين روش طراحي الكترودها بسته به سيستم تقويت كننده ي خريداري شده منحصر به فردندوحداقل يك سيستم دو قطبي مورد نياز است.
در  فصل اينده به بررسي  مفاهيم اساسي  دراكتساب الكترو مايو گرافي خواهيم پرداخت.
 



 فصل سوم
          
مفاهيم اساسي دربدست اوردن سيگنا لEMG   








1-3مقدمه
تحقيق در رشته ي الكترومايو گرافي درسالهاي گذشته  با سرعت زيادي رواج پيدا كرده است .درك تصاعدي از بدن انسان ،اگاهي زياد در كشف منافع مطالعات ميان رشته اي ،امتيازات تكنولوژي حس گر وافزايش تواني درتوانايي محاسبات كا مپيوترها ،فاكتورهايي جهت توسعه تحقيق EMGهستند.با اطلاعات فراوان واهداف مختلف تحقيقي ،اغلب صرف نظر كردن از چشم انداز ،صحت ودقت دركيفيت سيگنال هاي EMGاسان ميشود.
در اين فصل مفاهيم مربوط  به اكتساب داده انالوگ به ديجيتال با اهداف مخصوص ثبت كيفيت سيگنال هاي EMG بيان ميشود.مفاهيم به روش شهودي به همراه مثالهاي گويا بيان ميشود.اقتباس هاي رياضي ونظري در حد ميني موم استفاده شده با اين فرض كه خواننده ارايه را به مفاهيم وادراك پردازش سيگنال محدود كرده است.

2-3.معرفي
1-2-3نمونه برداري ديجيتالي چيست ؟
در واقع تمامي تحليل ها وكاربردهاي هم زمان سيگنال الكترومايو گرافي سطحي با الگوريتم هاي اجرا شده كامپيوتري صورت گرفته  اند .طبيعت اين الگوريتم ها وضروريات كامپيوتري به اين است كه سيگنالها با ترتيب عددي بيان ميشوند .
به پردازشي كه سيگنالهاي كشف شده به اين ترتيب عد دي (شمارشي )برگردانده شدند كه توسط كامپيوتر قابل فهم است ،تبديل انالوگ به ديجيتال  گفته ميشود .سيگنال هاي انالوگ سيگنالهايي هستند كه به سيگنالهاي فيزيكي ارايه شده شبيه هستند.دامنه اين سيگنالها به صورت پيوسته در رنجشان درحال تغيير هستند.
پردازش تبديل انالوگ به ديجيتال تعدادي اعداد را توليد كرده كه هر عدد دامنه سيگنال انالوگ را دريك لحظه از زمان بيان ميكند.عدد بدست امده سيگنال ديجيتالي ناميده شده وگفته مي سود از سيگنال انالوگ نمونه برداري شده است.
پردازش در شكل 1نشان داده شده است،با يك پتانسيل فعال واحد حركتي نمونه اندازه گيري شده با الكترودDE-2.1


شكل 1:a)سيگنال انلوگ كشف شده توسط الكترود DE2.1
b)نتيجه ي دنباله ي  ديجيتالي از نمنه برداري سيگنال در شكل a،در در فركانس 2هرتز،(هر 5.ميلي ثانيه)

2-2-3فركانس نمونه برداري
پردازش ديجيتالي كردن سيگنا ل با مفهوم فركانس نمونه برداري تعريف شده است .شكل 1(b)نمونه برداري يك سيگنال انالوگ را در يك مقطع زماني (.5ms) مقدر نمايش ميدهد.يك روش جايگزين جهت بيان اين اطلاعات اين است كه بگوييم در يك فركانس (samples/sec)2000نمونه بر ثانيه نمونه برداري شده است.
اين مقدار توسط معكوس كردن فاصله زماني بدست امده ونوعا در هرتز (HZ)بيان ميشود.بعد فركانس نمونه برداري بايد KH2شود.اين پارامتر نقش بحراني را در تصديق درستي وتكثير سيگنال نمونه برداري شده ايفا ميكند.

3-2-3فركانس نمونه برداري چقدر بايد بالا باشد؟
دانستن اين مطلب كه حداقل فركانس نمونه برداري يك سيگنال قابل قبول براي توليد مجدد اطلاعات انالوگ اصلي چقدر باشد مهم است.اقتباس(استنتاج) رياضياتي پاسخ به اين سوال را دركتابهاي پردازش سيگنال مقدماتي ميتوان پيدا كرد.مابا يك ديد شهودي توسط نمونه برداري يك سينوس ساده همان طور كه در شكل زير نشان داده شده است به پاسخ اين سوال نزديك ميشويم



شكل 2:a) نمونه برداري از سينوس 1ولت ،1هرتزدر10 هرتز
         b)باز افريني سينوس نمونه برداري شده در 10 هرتز
اين نمودار سينوسي دقيق با دامنه 1ولتي وفركانس 1هرتز خودش ميتواندتوضيح داده شود.
نمونه برداري اين اين سيگنال با فركانس 10 هرتز،نقاطي از داده ها را كه خيلي به سينوس هاي اصلي شبيه هستند ،وقتي كه توسط يك خط به هم وصل ميشوند را توليد مي كند.(شكل 2).نكته ي مهم اين است كه سينوس فركانس پايين قادر به ترسيم تمامي نقاط نمونه گيري است كه موج 1ولت ،1هرتز اوليه هستند.
حال به شكل 3توجه كنيد اينجاهمان  سينوس 1ولت ،1هرتز دركمترين فركانس ،تقريبا 2هرتز نمونه برداري شده است..در ارتباط دادن گروهي از نتايج داده ها با خطوط ،تصوير بصري سينوس اصلي دوباره توليد نمي شود (شكل3(b)).اگر اين طور فرض شود كه دنباله ي نقاط بايد با پايين ترين فركانس ممكن تطبيق داده شود ،تنها موج سينوسي ممكن كه با اين اطلاعات توضيح داده مي شود ،سيگنال اصلي 1ولت ويك هرتز است.اطلاعات اصلي در دنباله نمونه برداري شده از نقاط حفظ مي شوند.

شكل 3:a)نمونه برداري يك سينوس 1ولت ،1هرتزدر حدود2هرتزb)باز افريني سينوس نمونه برداري شده در 2هرتز
4-2-3زير نمونه برداري _وقتي كه فركانس نمونه برداري خيلي پايين باشد
زمان پاياني را باهمان سينوس 1ولت و1هرتز در نظر بگيريد،اين مرحله هر 0.75ثانيه (3/4هرتز)نمونه گيري شده ،برخلاف دو مورد قبلي بازده سينوس فركانس پايين كه از تمامي اين دنباله نقاط مي گذرد يك سينوس 1هرتز نيست ولي تقريبا موج سينوسي 1.3 هرتز است با اين مثال مشخص ميشود كه سيگنال اصلي زير نمونه برداري شده است ولي نه به اندازه اي كه تمام جزييات كامل از اطلاعات جمع شده را داشته باشد.به اين شرايط زير نمونه برداري گفته ميشود كه ناشي از مستعار سازي است.

شكل 4:(aنمونه برداري يك سينوس 1ولت ،1هرتزدر3/4هرتز
(bبازافريني سينوس نمونه برداري شده در 3/4هرتزحاصلش سيگنال قرمزدر 3/1هرتز است. سيگنال 1هرتز اصلي زير نمونه برداري شده است.   

5-2-3فركانس نايكوئيست
به كمك تصاوير بالا تشخيص اين نكته كه يك سينوس تنها زماني ميتواند مجددا توليد شود كه كمتر از دوبار فركانسش نمونه برداري نشود مهم است.اين قانون به عنوان قاعده نايكوئيست شناخته شده است .نقص اين قاعده منجربه توليد يك نمونه نادرست از سيگنال مي شود با رجوع به مستعار سازي كه بعدا توضيح داده ميشود.گرچه اين مثالها با شكل هاي سينوسي ساده نشان داده شده اند قاعده ي نايكوئيست براي تمامي سيگنال هاي پيچيده كه در بخش هاي زيرين نشان داده شده اند ،صدق ميكند.

6-2-3تبصره كاربردي Delsys
اجزاي delsys EMG جهت كمك به كاربردراجراي ثبت وضبط سيگنال با كيفيت بالا طراحي شده است .نرم افزاركاربردي  EMGامتيازات واضحي را زمان ارتباط با ابزار ضبط Delsysپيشنهاد ميكند.واسط (رابط)كاربر Delsysهميشه فركانس نمونه برداري بهينه را كه دراماده سازي ازمايشي استفاده مي شود ،اظهار ميكند كه قاعده ي نايكوئيست هميشه تكميل است.هنگام استفاده از نرم افزار ;كاربردي EMGبا سخت افزاردسته ي سوم ،اين مسئوليت كاربر است كه به حداقل فركانس لازم نمونه برداري دست پيداكند.بخش هاي زير كاربر را راهنمايي ميكند تا اين تخمين ها درست وموثر باشند.

3-3.سينوس ها وتبديل فوريه
مثال بالابا سيگنال هاي سينوسي نشان داده شده است چون انها مفهوم خاصي از علم پردازش سيگنال را در بر دارند.اين گونه ميتواند نشان داده شود كه هر سيگنال متناوب واقعي به عنوان يك جمع بي نهايت سينوس وزن دار بيان مي شود .اين مجموعه از سينوس  يك سري فوريه ناميده ميشود مشتق وخصوصيات هر كدام فراتر از كحدوده اين تحقيق است .بيان  مثلثاتي براي اين سري به شكل زير امده است
تساوي1:    
                 
تساوي2:         
X(t)=A+Bcos(f1.t)+C1sin(f1 .t)+B2cos(f2 .t)+C2sin(f2.t)…

ضريبAهر جز سيگنال dcكه سيگنال ممكن است داسته با شد را ارايه مي دهد،(يعني متوسط غير صفر) ،CnوBn،ضريب واحدي براي دامنه هر واحد sinوcosدر حاليكه fnفركانس واحد هر sinوcos را ارايه ميدهد.

1-3-3تجزيه سيگنال ها به سينوس ها
بياييد يك سيگنال نمونه را كه در ظاهر شبيه به MUAP ثبت شده ي سطحي نشان داده شده در اثرقرمز در پايين شكل 5 است را در نظر بگيريم.اين شكل(اثر) مي تواند به يك سري از سينوس هاي مشتق شده از سري فوريه كه در بالا توضيح داده شد ،تجزيه شود .10 سينوس اوليه ي حاصل شده در شكل 5 نشان داده شده اند. . مجموع اين 10 سينوس در شكل ابي در پايين اثر شرح داده شده اند .با مقايسه ي اين اثر با اثر قرمزواضح است كه يك توليد مجدد صادقانه ي سيگنال ميتواند تنها توسط 10 سينوس انجام شود.درواقع صحت سيگنال مجد د توليد شده به عنوان سينوس هاي فركانسي بالاتر افزايش ميابد.

 



شكل 5:تجزيه ي فوريه يك پتانسيل عمل واحد حركتي نونه برداري شده(MAUP) ثبت شده با استفاده از يك الكترودDE1.2.سيگنال اصلي در شكل قرمز نشان داده شده است.
.2-3-3 دامنه فركانس
اطلاعات نشان داده شده در شكل 5 مي تواند متناوبا با يك روش مناسب توسط  كشيدن يك هيستوگرام دامنه براي هر سينوس بيان شود.اين مفهوم در شكل 6 ،فركانسي سينوسي را بر محور Xودامنه متناظرش را بر روي محور Yنشان مي دهد .در اين روش ،توضيح پياده سازي كامل سينوسي كه سيگنال هاي الكتريكي را ميسازد ،ممكن است.


 
شكل6:هيستوگرام دامنه ي 10 سينوس نشان داده شده در مثال بالا شكل 5.توجه داشته باشيد كه با اين روش نشان دادن دامنه براحتي مي توان اجزاي فركانسي قوي موجوددر سيگنال را نشان دادكه بين 1و 5 هرتز است.

اثر اصلي نشان داده شده در شكل 5،گفته شده كه از زماني كه يك سيگنا ل ولتازي رابه عنوان تابعي از زمان بيان ميكند،درحوزه ي زماني بيان مي شود.شكل 6 همان سيگنال را در حوزه ي فركانس شرح مي دهد  از زماني كه دامنه فركانس ها را توضيح ميدهد.اين نوع از گراف عموما طيف موج فركانسي ويا طيف برق ناميده ميشود.الگوريتم ها وتكنيك هاي بيشماري ،سالها براي استخراج اطلاعات فركانسي از سيگنال هاي مختلف زماني درست شده اند.
رايج ترين واصلي ترين الگوريتم براي انجام اين كار ،تبديل سريع فوريه  يا FFTاست.به درك كامل شرايط ،فرض واخطا رFFTوالگوريتم هاي مشابه ،قبل از تداخل انها در تحليل داده ،توصيه شده است.

3-3-3مستعارسازي-چطور از ان دوري كنيم؟
بحث بالا نشان داد كه براي دسترسي صحيح يك سيگنال سينوسي ،نرخ نمونه گيري بايد حداقل 2 بار باشد كه از فركانس سيگنال است.از زمانيكه همچنين توضيح داده شد كه تمامي سيگنالهاي انالوگ پيوسته(متوالي) به عنوان يك مجموعه از سينوس ها ميتواند بيان شود،اين موضوع بيان ميكند كه فركانس نمونه برداري براي هر سيگنال بايد حداقل دو مرتبه از بالا ترين جزء فركانسي درسيگنال باشد.با رجوع به مثال توضيح داده شده در شكل 6 ،حداقل فركانس نمونه برداري قابل قبول براي دسترسي به تمامي  اطلاعات مرتبط به اين سيگنال 20 هرتز است چون كه ،بالاترين جزء فركانس 10 هرتز است.
سيگنال توضيح داده شده در شكل 6 را به اضافه يك نويز ناخواسته 13 هرتز در نظر بگيريد. اين مورد با فركانس قرمز در شكل 7 نشان داده شده است.

 
شكل7:طيف موج فركانسي سيگنال نمونه كه در شكل 6 با موقعيت بالاي يك فركانس خارجي كه در سيگنال اصلي وجود ندارد ،با رنگ قرمز نشان داده  است.اين جزءفركانسي با 13هرتز ظاهرشده وبه عنوان نويز در نظر گرفته ميشود.

براي درست ديجيتالي كردن تمامي اطلاعات اين سيگنال ،نمونه برداري ان با يك فركانس 27 هرتز ضروري است.اين كار صورت نگرفته وسيگنال در 20 هرتز زير نمونه برداري شده است واطلاعات به صورت اشتباه طبق شكل 8 بدست امده است .به خاطر داشته باشيد كه فركانس هاي زير 2/1نرخ نمونه برداري بدرستي بدست امده اند اما مولفه ي 13هرتز مستعار ساز است و به عنوان مولفه(جزء) اتصال كوتاه در فركانس 7 هرتز ظاهر شده ودامنه اصلي اين مولفه را تغيير ميدهد.


 
شكل 8:مستعارسازي نويز 13هرتز كه در بالا نشان داده شده است ،بعلت زير نمونه برداري سيگنال دريك فركانس 20 هرتزي است .به ياد داشته باشيد كه نويز در يك فركانس اشتباه 7 هرتزي ظاهر مي شود كه گفته مي شود اين مولفه مستعار ساز شده است.

4-3-3فيلتر پادمستعار
جهت دوري ازاثرات ناخوشايند مستعارسازي ،يك فيلتر پاد مستعار قبل از اينكه سيگنا ل نمونه برداري شود بكر گرفته مي شود .مهم است بدانيم كه پهناي باند سيگنال براي اجراي درست اين وظيفه را انجام مي دهد.براي مثال يك فيلتر پاد مستعار با يك پهناي باند 10 هرتزي مي تواند براي سيگنال در مثال بالا بكار گرفته شود .كه به طور موثر نويز 13 هرتزي را از بين ميبرد.زماني كه اين مرحله تكميل شد،سيگنال مي تواند در 20 هرتز بدون هيچ نتيجه ي منفي نمونه برداري شود.
                        
     
شكل 9:برداشت نويز 13هرتزي با استفاده از يك فيلترنيز با قطع جريان 10 هرتز مي تواند .فيلتر استفاده شده جهت رد كردن هر فركانسي نه در رنج نمونه برداري يك فيلتر پاد مستعار نام دارلد.

روش جايگزين جهت نمونه برداري  تمامي اطلاعات نشان داده شده در شكل 9 براي اماده كردن فيلتر پاد مستعار به قطع جريان بعد از 13 هرتز ونمونه برداري سيگنال در 27 هرتز ي است كه اين به تمامي اطلاعات حاضر شامل نويز كه مي تواند توسط يك فيلتر ديجيتال در نقطه بعدي در زمان از بين برود دسترسي دارد.
استفاده از فيلتر پاد مستعار ، در زمان نمونه برداري هر سيگنال اهميت بسيار زيادي دارد.اثرات مستعار سازي  نمي تواند ناتمام بماند  همان طور كه وقوع وتكرار انها نيز هميشه كشف نميشود .در هرسيستم  كشف A/D،فيلتر پاد مستعار فركانس قطع جريان بايد هميشه كمتر از نصف فركانس نمونه برداري باشد.اين تضمين ميكند كه هيچ مستعارسازي اتفاق نمي افتد.
5-3-3نكته كاربردي Delsys
پهناي باند كامل سيگنال EMGسطحي تا 500 هرتز را احاطه مي كند.تمامي اجزاي استاندارد Delsysطراحي وپيكر بندي شده اند براي كشف بهينه ي طيف كامل سيگنال EMG .همه ي سيستم ها فيلترهاي پاد مستعار توكار با پهناي باند بالاتر 500 هرتز دارند.
در اين اوضاع ،سيگنال S EMG كشف شده شامل انرژي كوچك بالاي 400 هرتز بوده ،گرچه توصيه شده كه نمونه برداري سيگنال EMGحداقل در 1000 هرتز انجام شده ،همان طور كه توسط قضيه ي نايكوئيست نوشته شده اشت.
نمونه برداري خروجي سيستم EMG با نرخ كمتراز 1000 نمونه بر ثانيه ،ممكن است كه به طور جبران ناپذيري ،سيگنال را به دليل مستعار سازي ،تحريف ميكند .حداقل نرخ نمونه برداري شده ي پيش فرض سيگنال EMGونرم افزار تحليل گر ،1024 هرتز است.
نهايت دقت بايد در جهت نگهداري بي نقص سيگنال در زمان شناسايي پارامترهاي پيش فرض نرم افزار يا سخت افزار صورت گيرد.

4-3.فيلترها
فيلتر پاد مستعار به عنوان يك مورد خاص فيلتر پايين گذر معرفي شده است،در واقع يك قسمت اصلي وبنيادين هر پردازش ديجيتالي در عمل ،بيش تر مواقع كه ذيگر انواع فيلتر ها ،بعضي ها شامل شرايط سيگنالي مناسب (اشاره به استفاده از فيلتر هاي انالوگ)وبقيه كه براي تحليل داده ها لازم بوده وديجيتالي شده اند (فيلترهاي ديجيتالي) لازم است.مطالعه ي تئوري فيلتر ها وكاربرد هايشان،درحوزه ي خود علمي است كه موضوع بسياري از متون بوده كه درباره شان بحث شده است .بحث زير ارايه ي بعضي فيلتر هاي پايه است (كه اغلب به اشتباه درك مي شود)،در باره ي مطالعه ي الكترو مايو گرافي است كه بار ديگر به دليل پيچيدگي موضوع خواننده مجبو ر به مرور منابع مي شود.

1-4-3انواع فيلتر هاي ايده ال
يك فيلتر قطعه اي است كه جهت تضعيف بازه هاي مشخصي از فركانس ها طراحي شده در زماني كه به بقيه اجازه ي عبور ودر بعضي از روش هاي طيف فركانس يك سيگنال ،محدوديتي ايجاد مي كند.بازه هاي فركانسي كه تضعيف شده اند stopbandوبازه اي كه انتقال داده شده است ،passbandناميده ميشود.وضعيت فيلترها توسط يكي از 4 تابع نمايش داده شده در شكل 10 توصيف مي شود :پايين گذر،بالاگذر،passband،stopband

 

شكل 10:چهار نوع فيلتر هاي پايه ،فركانس جايي كه دامنه واكنش فيلتر ها يك است،به عنوان ناحيه ي passbandودر جاييكه دامنه صفر است ،به عنوان ناحيه ي stopband شناخته ومعرفي مي شود.فركانس قطع جريان با fcمشخص مي شود.a) فيلتر پايين گذر –تمامي فركانس هاي بالاتر از fcبه صفر تبديل شده اند.b) فيلتر بالا گذر – تمامي فركانس هاي زير fcبه صفر رسيده اند.c) band- pass - تمامي فركانس هاي بالا تر از fc2به صفر رسيده اند.d)band-stop- تمامي فركانس هاي بالاتر از fc1و پايين تر از fc2به صفر رسيده اند.

تعريف شكل 10 ،ارائه ي خصوصيات فيلتر هاي ايده ال بوده كه كه به پاسخ هاي brick-wallمنسوب شده كه وضعيت زير را نشان مي دهد.
1.پاسخ دامنه pass-band،به طور پيوسته به ارزش 1 يكنواخت است .فركانس هايي كه اجازه ي عبور در ميان فيلتر را دارند كاملا از حالت انحراف خارج مي شوند.
2.پاسخ دامنه stopband،يكنواخت با ارزش صفر است .فركانس هاي نامطلوب كاملا متوقف ميشوند.
3.انتقال بين passbandوstopbandفورا اتفاق مي افتد.

2-4-3پاسخ فاز ايده ال
پاسخ هاي brick wall فيلتر هاي ايده ال در شكل 10 ،تنها به توضيح تغييرات در مقدار سيگنا ل ها به عنوان يك تابع فركانسي ميپردازند.از زمانيكه سينوس ها كاملا توسط دامنه شان وزاويه ي فازشان توضيح داده شدند،مشخصات كامل يك فيلتر بايد شامل پاسخ  فازي اش باشد.تمامي فيلتر هاي بي ثبات ،موقعي كه فورا نمي توانند برروي سيگنال ورودي كار بكنند،يك زمان تاخيري را در خروجي معرفي ميكنند.
يك زمان تاخير ايده ال مستقل از فركانس است .قابل ذكر است كه فيلتر فاز هر جزء فركانسي را كه وارد سيستم مي شود دقيقا به همان روش اصلاح مي كند(تغيير مي دهد).اين وضعيت با طرحي كه در شكل 11 نشان داده شده است،مشخص شده است.
 

شكل 11:طرح فاز يك فيلتر ايده ال .به خاطر داشته باشيد كه تمامي فركانس ها تحت تاثير تاخير ي مشابه قرار گرفته ودرنتيجه هيچ انحراف فازي اتفاق نمي افتد.

پياده سازي كاربردي فيلتر ها چه در شكل ديجيتال وچه انالوگ تنها مي تواند به وضعيت توضيحي توسط خصوصيات ايده ال نزديك شود به علاوه فيلترها اغلب جهت افزايش وضعيت ايده ال يكي از اين خصوصيات طراحي شده اند.براي دسترسي بهتر براي اين سبك وسنگين ها لازم است تا درشرايط واقع بين تري به توضيح پاسخ فيلتر بپردازيم.

3-4-3فيلتر كاربردي
مدل هاي فيلتر هاي ايده ال ارايه شده در شكل 10 مي تواند پارامترهايي رابا دقت بيشتر به توضيح فيلتر هاي قابل تشخيص معرفي كند(كه ممكن است در واقع انالوگ يا ديجيتال باشد).پهناي مربوط به pass- bandوstop- bandمي توانند با فاكتور هاي موج دار كه ماكزيمم وميني موم انحراف مقدار ايده ال را مشخص ميكنند،توضيح داده شوند.به علاوه ويژگي هاي انتقال يك فيلتر نمي تواند بين stop- bandوpass- band به طوري كه در پاسخ brick wall توضيح داده شد ،تغيير كند.يك ناحيه ي انتقال ناحيه اي را كه در ان انتقال پهناي باند درانتقال سيگنال از pass- bandبهstop- band ويا بر عكس است نشان مي دهد.
طبيعتا ناحيه ي گذر باريكتر فيلتر ايده ال تري است.كمبود يك گوشه ي تيز(corner)درناحيه ي گذر (انتقال) ،توصيف فركانس cornerرا كه به صورت بصري در فيلتر پاسخ brick wallتعريف شده است ،ايجاب مي كند.اين خصوصيت فيلتر،به عنوان فركانس در جاييكه توان خروجي  فيلترنصف توان ورودي است ،تعريف شده است.
.

شكل 12:خصوصيات فيلترهاي كاربردي:a)پايين گذر (b بالا گذر c )passband    d)stopband
به خاطر داشته باشيد كه تعيين انحراف دامنه براي تمامي نواحي stop- bandوpass- bandها بخوبي تعريف يك ناحيه ي گذر با يك corner frequency(fc)وگاهي شيب باند انتقال ميابد.
شيب نسبي ناحيه ي گذر فيلتر با مرتبه ي  فيلتر توصيف شده است،بازده فيلتر هاي مرتبه بالاتر ،نواحي گذر را باريك ميكنند.به ياد داشته با شيد كه ناحيه ي  stop bandفيلتر ،هيچ وقت درا ين بازه اجزاي فركانسي حذف نمي كنند.مشخص كردن حداقل فاكتورهاي تضعيف براي كاربردهاي خاصي از فيلتر ها مهم است.بازه ي فاكتورهاي db20-تاdb100دست يافتني هستند.

4-4-3پاسخ فاز غير خطي
پياده سازي بسياري از فيلتر هاي كاربردي از پاسخ فاز غير خطي رنج مي برندودر اين گونه موارد،تاخير فاز فيلتر به عنوان يك تابع از فركانس ورودي تغيير ميكند.قابل ذكر است كه فركانس هاي مختلف كه توسط مقادير مختلفي تاخير ميابند ،درداخل سيگنا ل باعث انحراف فاز مي شوند.به خاطر داشته باشيد كه سيگنالEMGسطحي،انطباقي از بسياري از پتانسيل هاي عمل است.انطباق اطلاعات فاز ارائه شده ي  هر پتانسيل عمل از بسياري از همسايه هايش غير قابل تشخيص است.به علاوه تغيير لحظه اي در فيبر ماهيچه اي،نرخ گرمايش واحد حركتي وموقعيت اتصال الكتريكي الكترود ممكن است باعث تغييرات مهم در خصوصيات فاز شده كه منجر به ناسازگاري بين ثبت شده ها وحتي در يكي از انها شود.به دليل بي اهميت بودن اطلاعات فازي در سيگنال EMG،خصوصيات فاز فيلتر هايي كه در الكترومايو گرافي استفاده مي شود،در مقايسه با خصوصيات پاسخ دامنه ،با جزييات مطر ح نشد.
 
5-4-3اندازه گيري ولتاژ –دامنه ،توان ودسي بل
 فيلتر نشان داده شده در شكل 10 و12 ،دامنه ي تقريبي 1 براي باندهاي انتقال فيلتر وصفر براي فيلتر stopbandرا نشان مي دهند.اين دامنه مقدار تابع انتقال رابيان مي كند(يعني گين).يك پارامتر استفاده شده جهت شناسايي فيلتر ها گين است كه به عنوان نرخ ولتاژ خروجي به ولتاژ ورودي تعريف مي شود،با اين توضيح كه ولتاژها ممكن است به عنوان توابع مختلف زماني بيان شوند:
تساوي3:
Gain(v)        
در فرمول بالا ،زماني كه ولتاژ خروجي فيلتر با ورودي برابر است ،گين تابع انتقال فيلتر برابر يك است وهنگامي كه ولتاژ خروجي صفر است ،صفر ميشود.
روش معمول براي توضيح خصوصيت گين فيلتر،توسط واحد هاي الگوريتمي دسي بل بيان مي شود.يك گين ولتاژ فيلتر در دسي بل به صورت زير محاسبه شده است:
تساوي4:
 
توجه داشته باشيد كه اگر نرخ دامنه ولتاژ خروجي فيلتر به ورودي اش 1 باشد،گين فيلتر در واحد دسي بل ،صفر دسي بل است.
Gain(v) filter = 20log(1) dB    تساوي 5:

Gain(v) filter = 0 dB    تساوي6:

براي مثال يك فيلتر با گين 100در ناحيه يpassbandدر نظر بگيريد.براي اين باند فركانسي گين در واحد دسي بل به اين صورت ميباشد:
Gain(v) filter = 20log(100) dB    تساوي 7:

Gain(v) filter = 40 dB    تساوي 8:

در مقايسه همان فيلتررا با دامنه 100/1درناحيه ي stopbandدر نظر بگيريد.براي اين باند فركانسي گين به اين صورت است:
    تساوي9
Gain(v) filter = 20log(0.01) dB:
تساوي 10
Gain(v) filter = -40 dB    :

جدول 1 گين هاي نمونه وميرايي را به صورت نسبت ودر واحد دسي بل شرح مي دهد.

جدول 1:فاكتور ها ي تضعيف وگين نمونه را در واحد دسي بل شرح داده .توجه داشته باشيد مقادير دسي بل كمتر از صفر بيانگر تضعيف ومقادير مثبت بيانگر تقويت است.

مي توان اينگونه نشان داد كه توان در درجه دوم به به دامنه سيگنالش بستگي دارد.بنابراين توان تابع انتقال فيلتر به صورت زير بيان ميشود :                                                                      
تساوي11:
PowerGain v ( )=vout^2/vin^2    :


6-4-3فركانس db3
بخش قبل ،پاسخ  brick wallويژگي هاي فيلتر ايده ال را به دليل محدوديت هاي پياده سازي كاربردي ارائه كرد.يكي از مشخصه هاي مهم فيلتر هاي فركانس محدوداز فركانس گوشه كه ناحيه ي passbandوstopbandرا تعيين ميكند تشكيل شده است.در بسياري موارد اين مقدار به عنوان فركانسي در جايي كه خروجي سيگنال فيلتر،2/1ورودي ان است تعريف شده است.فركانس گوشه در جايي كه ولتاژ خروجي  707/ مقدار ورودي است،مشخص وتعريف شده است.در واحد دسي بل فركانس نقطه يdb 3ناميده مي شود.
    

7-4-3مرتبه ي فيلتر
مشخصه اي كه جهت توصيف حالت يك فيلتر است ،پهناي ناحيه ي گذر است .پيچيدگي هاي فيلتر توسط مرتبه ي فيلتر مشخص شده است .ساده ترين طراحي ،فيلتر دسته ي اول است.باند انتقال اين فيلتر ،سيگنا ورودي را تضعيف ميكند كه در فيلتر مرتبه اول اين مفهوم نشان داده شده است.با توجه به اين كه db20 برابر كاهش توسط فاكتور 10 است كه فيلتر دامنه سيگنا ل ورودي زا با th10/1 كم ميكند.شيب دامنه متناوبا db/octaveاست كه در اينجا octave،2برابر يك فركانس است.زماني كه اجراي طرح قبلي از طرح قبل ترش ،2برابر شد،داراي پيچيدگي بيشتري شده وفيلتر مرتبه دوم متشكل از دو مرحله سري هاي فيلتر مرتبه اول است.




شكل 13:فيلترپايين گذر مرتبه اول.فركانس هاي ورودي بالاي fcبا افزايش فركانس با يك فاكتور 10 تضعيف شدند.با توجه به اينكه db20- مربوط به كاهش دامنه
توسط يك فاكتور 10 است كه به طور هم ارز به عنوان db/octave6- بيان شده كه octave2برابر يك فركانس ميشود .مقدار واكنش فركانس فيلتر به راحتي توسط محور لگاريتمي رسم شده كه  كه مي توانند با طرح هاي خطي ارائه شوند(b).فيلتر پايين گذر مرتبه دوم :شيب اين طرح نشان ميدهد كه تضعيف فركانس هاي ورودي 2 برابر فيلتر در aاست.

8-4-3 انواع فيلتر
حالا كه ويژگي هاي اوليه فيلتر ها ارائه شده، به درك وبررسي خصوصيات برجسته ي انوا ع فيلتر هايي كه به طور مشترك مورد استفاده قرار گرفته اند،مي پردازيم .هر گونه پارامتر هاي مخصوصي داشته كه به خصوصيات فيلتر ايده ال نز ديك شده است ولي متاسفانه فيلتري كه براحتي بتواند به تمام خصوصيات يك فيلتر ايده ال برسد وجود ندارد.
الف) فيلتر butter worth(باترورث)
اين فيلتر بهترين مورد جهت حداكثر پاسخ در passbandوكم كردن موج(ريپل) در passbandاست. همان طور كه در شكل مشاهده مي شود butter worth ايده ال،همان گونه كه مرتبه Nافزايش ميابد،نزديك ميشود.با مشخص كردن  ماكزيمم خطا در PASSBANDمي توانيم كمترين فرمان لازم جهت دست يابي  به پاسخ مورد نظر را تعيين كنيم.
اين فيلتر مناسب ترين فيلتر جهت درخواست براي حفظ ونگهداري دامنه در ناحيه  ي passbandاست.اين خصوصيت  باعث مي شود كه فيلتر butter worth يك فيلتر ايده ال براي سيگنال EMGباشد.fcاين فيلتر به شكل db3همان طور كه در بخش هاي قبلي توضيح داده شد ،مشخص شده است .توجه داشته باشيد كه فاز اين فيلتر خطي نيست.اين فيلتر توسط حداكثرگين passbandوفركانس قطع ومرتبه ي فيلتر مشخص شده است.

ب)فيلتر چبي شف(the chebyshev filter)
همانند فيلتر butter worth ،اين فيلتر مي تواند با طراحي مرتبه بالا به افت ارام (roll off) دسترسي داشته باشد.اين فيلتر در باند انتقال ،تضعيف butter worthرا با همان طراحي ،بهتر انجام مي دهد .گرچه اين مزيت درناحيه ي ريپل دار passband قابل توجه است .بيشترين وكمترين تعداددر passband،برابر با مرتبه فيلتر است.برخلاف فيلتر butter worth فركانس قطع اين فيلتر ،در نقطه ي db3مشخص نشده است ،ولي نسبتا در مركانسي كه ماكزيمم ريپل passbandاز حد خود تجاوز كرده است انجا مشخص است.همانند فيلتر butter worth ،اين فيلتر كاملا توسط ماكزيمم گين passband،فركانس قطع،ومرتبه ي فيلتر تعيين شده است.

ج) فيلترElliptic
در مقايسه با فيلتر هاي butter worthوchebyshev،فيلتر Ellipticبيشترين شيب قطع جريان را براي پايين ترين مرتبه ي فيلتر نگه ميدارد.گرچه در هر دو ناحيه passbandوstopbandاز ريپل در امن نيست .با افزودن شيب ها با بريدگي ها در نواحي stop bandبه قطع جريا با شيب تندي مي رسيم.اين شكاف ها يا بريدگي ها انتقال صفر را در نواحي انتخاب شده معرفي ميكنند.
علاوه بر ماكزيمم گين passbandوfc،كاملترين خصوصيا ت اين فيلتر شامل مرتبه وريپل stop band اش مي باشد. پيچيدگي اين فيلتر ،معمولا استفاده از كامپيوتررادر زمان طراحي الزامي ميكند.توجه داشته باشيد كه پاسخ فازي اي فيلتر معمولا غير خطي است.
د) فيلترBesselياThompson
اندازه پاسخ اين فيلتر ،يكنواخت بوده ودر باند انتقال ويا stopbandهيچ ريپلي ندارد.هر چند كه roll off(افت ارام)اين فيلتر ،شيب كمتري نسبت به قبلي ها دارد.مهم ترين مزيت اين فيلتر ،استثنا فازش خطي است.اين نگهداري از فاز هم چنين نوسان ولرزشي كه توسط ورودي بوجود امده است را كوچك ميكند.




شكل 14:اندازه ومقايسه ي انواع فيلتر بالاگذر با قطع جريان 20هرتز ومتغيير هاي (8و4و2و1=n)(a)فيلتر  butter worth(b)فيلترchebyshev (c)فيلتر  Bessel(d)فيلتر Elliptic.توجه داشته باشيد كه بيان لگاريتمي ،الگوهاي وضعيت خاص را در تضعيف هاي بالا،اشكار مي كند.اين مثال ها ،ويژگي هاي مهمي از هر فيلتر را نشان داده همانند حالت طولي passband،stop band،پاسخ هاي فازي همانند قطع جريا ن نسبي
9-4-3 فيلتر هاي Analog vs.Digital
در بخش قبلي ،وضعيت وحالت وخصوصيات  فيلتر هاي متعددي را توضيح داديم .اين فيلتر ها  حتي در نواحي سيگنال انلوگ ويا ديجيتال پياده سازي مي شوند.
الف) فيلترهاي انالوگ
فيلتر هاي انالوگ معمولا توسط مدارهاي الكتريكي با استفاده از 3 جرءاصلي  پياده ساري ميشوند :مقاومت ها ،خازن هاو القاگرها.با مرتب كردن اين اجزا در يك پيك بندي ،سازگاري وانطباق كارايي فيلتر جهت احتياجات خاص ممكن مي شود.به علاوه تقويت كننده ها معمولا جهت كارايي بالاتر اين فيلتر ها استفاده ميشوند.نكته مهم اين است كه فيلتر ها معمولا قبل از اين كه هر ديجيتالي كردني اتفاق بيفتد،در مراحل اماده سازي سيگنال مورد استفاده قرار ميگيرد.كه اين اماده سازي سيگنال به تشخيص يك سيگنا ل جهت اسان تر كردن تعامل با ديگ اجزا ،مدارات وسيستم ها صورت مي گيردكه ممكن است شامل حذف نويز هاي ناخواسته ويا كاهش پهنا ي باند  براي ساده كردن تحليل هاي سيگنال ويا پردازش باشد. كارايي فيلترهاي انالوگ مستقيما به كيفيت اجزاي استفاده شده وطراحي مدار بستگي دارد .موارد ي از جمله تحمل اجزا ،مصرف توان ،تكنيك هاي طراحي واغلب ساير فيزيكي اجزاي،همگي در تصديق محدوديت هاي كاربردي فيلتر هاي انالوگ نقش مهمي را ايف ميكنند.
ب) فيلتر هاي ديجيتال
ديجيتالي كردن سيگنال هاي الكتريكي به تعدادي از اعداد،باعث  رياضياتي شدن اين سيگنال ها مي شود .سيگنال هاي ولتاژي كه به عنوان اعداد بيان شد،مي تواند به سادگي در ضرب عددي ياoffset،با اضافه كردن ثابت عددي ،قياس شود وتوسط عملگر مقاديرمطلق يا تغيير توسط ضرب سيگنال ها اصلاح مي شوند.ناحيه ي ديجيتالي فرصت هاي نامحدودي را جهت شرايط وپردازش سيگنال ،ايجاد ميكند.اين شاخه از دانش ،يه عنوان پردازش سيگنال ديجيتالي شناخته شدهاست.
 


شكل 15:a)فيلتر پايين گذر تك قطبي .اين ساده ترين فيلتر انا لوگ ممكن با يك مقاومت ويك خازن است .roll offاين طرح اوليه db/decad20،با يك فركانس گوشه اي كه به صورت 1/RCمحاسبه ميشود.(bفيلتر پايين گذر دو قطبي. طرح اصلي اتصال ابشاري دو فيلتر تك قطبي  ، با استفاده از يك اپ امپ اسان ميشود.تركيب درست مقادير RوCمناسب ميكند اين فيلتر ها تا پاسخ هاي مختلفي داشته با شن از قبيل فيلتر هاي  butter worthوchebyshev كه قبلا شرح داده شد.فيلتر هاي مرتبه بالاتر با اتصال ابشاري تعداد بيشتر فيلتر هاي RCبدست مي ايد.
پياده سازي فيلتر ها كه در بخش قبل توضيح داده شد توسط ميانگين هاي وزن دار مختلفي صورت گرفت.به عنوان مثال با يك سيگنال ولتاژ انالوگ كه با يك ADC،ديجيتالي شده ،شروع مي شود .طبق نمونه برداري ،سيگنال توسط تعدادي دامنه ولتاژ در نمونه خاصي از زمان مشخص شد.يك پنجره nاز ورودي tapsتوليد شده كه هر ضربه ،يك مقدار از داده نمونه برداري شده را نگه مي دارد.مقادير ضربه منحصر به فرد با فاكتور وزن دار مخصوص ضرب مي شوند.خروجي فيلتر ،yi،با جمع تمامي مقادير ضربه ورودي محاسبه ميشود:
تساوي 18:

وقتي kشاخص جمع ،iشاخص مقدار نمونه ،nتعداد ضربه هاي فيلتر ،xمقدار ورودي  فيلتر hوزن ضربه وyخروجي فيلتر است.

شكل 16:نمونه برداري و فيلتر ديجيتالي  يك سيگنا انالوگ.انتقال سيگنا ل در شكل از چپ به راست.با يك سيگنال  ولتاژانالوگ شروع مي شود ابتدا ديجيتالي شده سپس فيلتر مي شود .توجه داشته باشيد خروجي فيلتر،yiمي تواند تابعي از مقادير قبليXi+k باشد واگر مطلوب بود مقادير بعدي Xi+k (k>0).تركيب فيلتر هاي ديجيتالي از مقاديربعدي استفاده ميكنند non-casual ناميده ميشوند
با توجه به شكل 16 يك خصوصيت جالب اين فيلتر اشكار مي شود :yiخروجي فيلتر مي تواند براساس خروجي فيلتر yiمي تواند برا ساس مقادير قبليXi+k(k<0) ،همچنين مقادي بعدي i+k X(k>0) باشد.به علاوه فيلتر هاي ديجيتالي جهت استفاده از خروجي محاسبه شده قبلي طراحي مي شوند.فيلتر ديجيتال با داشتن جزءفيد بك (yi_1)استفاده شده جهت تعيين خروجي yiدر نظر گرفته مي شود.اين فيلترها عموماIIRويا بازگشتي ناميده مي شوند.در مقايسه ،فيلتر هايي كه از خروجي هاي قبلي استفاده نمي كنند FIRناميده مي شوند.عموما فيلتر هاي IIRبيشتر از فيلتر هاي با تعداد ضربه هاي ورودي يكسان FIRبه rolloffدسترسي دارند. اما جهت تضمين فيد بك در فيلتر ،بايدنظارت ومراقبت شود.فيلتر هاي FIRاغلب ثابت بوده اما براي رسيدن به نتايج يكسان احتياج به ضربات بيشتري نسبت به IIRدارند.

10-4-3نكته كاربردي Delsys
 سيستم هاي Delsys EMG جهت پادمستعار سازي سيگنا ل ومديريت نويز اجزا ،شامل فيلتر هاي انالوگ با كارايي بالا ي است.همه ي فيلتر ها جهت زياد كردن حالت خطي passbandهمانند خطي بودن فاز ،طراحي شده اند .باندهاي انتقال سيستم هاي EMG،db80-،با ريپل %5/ passbandهستند.فيلترهاي موجود درسيستم EMG،به محض درخواست تعيين شده ونبايد حذف شده ويا مانع از سيستم شوند .فيلتر هاي انالوگ موجود در سخت افزار براي بدست اوردن پهناي باند كامل  سيگنال EMGطراحي شده ، در ارتباط با ثبت EMG به خوبي هر سيگنال كمكي استفاده شده.زمانيكه سيگنال ها ،ديجيتالي شده ودر كامپيوتر ثبت ميشوند ،فيلتر اضافي مي تواند بر سيگنال ها در نرم افزار EMG،تاثير بگذارد.اين فيلتر كردن به تعريف ديجيتالي FIRياIIRدر ضريب ورودي ضربه ،احتياج دارد.
5-3.رسيدگي به مبد ل هاي انالوگ به ديجيتال
پردازش ديجيتالي سيگنال انالوگ  كه با يك  قطعه اجرا شده ،به عنوان يك مبدل انالوگ به ديجيتال شناخته شده است .اين قطعات ،اجزاي معمول محصولات الكترونيكي مدرن بوده واستفاده ي گوناگون زياد وگسترده اي داشته واين نكته كه هر درخواست يا رسيدگي به امتيازات ومحدوديت هاي ADC،تععين مي شود ،مهم است.
 1-5-3كوانتايي سازي
مفهوم كوانتايي سازي زماني كه مقادير داده تنها توسط  تعدادمحدودي عدد ارائه مي شود معرفي مي گردد.اين مقادير با اررقام باينري توضيح داده شده وبا عنوان بيت ،خلاصه شده اند.تمامي مبدل هاي انالوگ به ديجيتال  تعداد ثابتي بيت براي تعيين سيگنال ولتاژ در ورودي دارند.رايج ترين اضافه شدن ها ي رقمي با دقت 8و12يا16بيت كوانتايي سازي مي شوند.توجه داشته باشيد كه 4بيت،16 مقدار منحصربه فردرا بيان ميكند .تعداد مقادير توصيفي توسط n-bitبا فرمول زير محاسبه مي شود.
Range of n-bit ADC = 2n values    تساوي 19:


شكل 17:مراحل كوانتايي سازي مبدل انالوگ به ديجيتال 4بيتي .مراحل از 0 تا 15 براي ارائه ولتاژ كامل ورودي قياس شده اند.(براي مثال زمانيكه مقدار ورودي ،زمانيكه بيت ها از صفر تا 7 ،بازه ولتاژ منفي را نشان مي دهد ،v1±است وبيت هاي 8 تا 15 بازه ولتاژ مثبت رابيان ميكند.)توجه داشته باشيد كه كه دقت ممكن با جمع هر بيت با طول كلمه ،دو برابر مي شود.
 
2-5-3 رنج ديناميكي
ديجيتالي كردن يك سيگنال ولتاژ انالوگ در يك بازه ي خاص ،تعيين ميشود .قابل ذكر است كه ولتاژ ورودي maxياminجايي كه بايد حالت تدريج اتفاق بيفتد ،تعريف شده است.با تعريف اين بازه براي كوانتايي سازي  n-bit ،دقت يارزولوشن مبدل انالوگ به ديجيتال بايد بايد با معادله زير مشخص شود:
تساوي 20:
Vresolution=Vrange/(2^n)

براي مثال ،يك سيستم A/D16بيتي ،در بازه ي بين 5- و5+ ولت ،رزولوشن به شكل زير در ميايد:
تساوي 21:
Vresolution =10V/(2^16)    
=1.53x10-4 V
=153 µ
دراين مورد پردازش ديجيتالي ،قادر به حل نوسان هاي ولتاژ ورودي كه كمتر از uv153هستند نيست كه به ان خطاي كوانتايي سازي درپردازش اندازه گيري  مي گويند.تضمين اين مورد كه پيغام خطاي كوانتايي سازي تاثيري بر سيگنال اندازه گيري نمي گذارد،مهم است.با زه هاي عمومي براي ADC1.25±،±2.5،5±،10± ولت هستند.در مثال بالا adc16 بيتي براي بازه ي 5± ولت دقت uv153خواهد داشت.همان ADCبراي 4/1ان بازه،در 1.25± ولت،دقت uv38را خواهد داشت.مطمعن باشيد كه محدوده ي ADCشامل دوره ي كاملي از وروديولتاژ در زمان نگهداري حداقل دقت لازم است.
اگر دقت لازم جهت تغيير ولتاژ ورودي داده شده نباشد،استفاده از يك ADCبا تعداد بيشتر ي بيت هاي كوانتايي سازي  لازم است.


شكل 18:تحليل vs. رنجA/D.a)سيگنال نمايش داده شده با دامنه پيك تو پيك v2.5±از روي يك رنج v5±نمونه برداري شده است.براي يك مبدل ديجيتالي 16 بيتي ، .me153.b) همان سيگنال نمونه برداري شده از روي رنج 1.25±ولت .براي همان ADC16 بيتي نتيجه  تا چها ر تا افزايش ميابد يعني 38 ميلي ولت ميشود.
 
3-5-3كوانتايي سازي سيگنال EMG
زمان انتخاب يك ADCبراي ديجيتالي كردن سيگنا لهاي EMG،در نظر گرفتن سه فاكتور تعامل مهم است:
الف).بهبود بهره ي سيستم
ب).نويز ورودي سيستم
ج).ماكزيمم ولتاژخروجي سيستم
ذرك اين مطلب كه چگونه اين 3مورد در تعيين خصوصيات مهم سيستم مبدل انالوگ به ديجيتال مربوط هستند ،مهم است.
الف) بهبود سيستم
داشتن تقويت كل سيستم ،جهت ارتباط سيگنال هاي خروجي به سيگنال هاي ورودي كشف شده لازم است.
زمانيكه دامنه ي سيگنال هاي خروجي بر بهره ي سيستم تقسيم شود ،براي بدست اوردن دامنه ي ورودي گفته مي شود كه به ورودي رجوع شده وبا r.t.iخلاصه  شده اند .كه اين رويه ي مفيدي جهت مدل كردن ومقايسه كردن خصوصيات سيگنال ونويز است.
ب) نويز سيستم
نويز مي تواند به عنوان هر قسمت سيگنال خروجي كه ناخواسته بوده وممكن است باعث پنهان شدن سيگنال واقعي شود تعريف شود.نويز مي تواند منابع وتفسير زيادي داشته باشد كه مي تواند توسط منابع پراكنده ي خارجي توليد شود.ومي تواند به دليل اختلالات درون محيط توليد شودوهم چنين به صورت ذاتتي در قطعات ثبت شده باشد.طراحي تجهيزات EMG،ايجاد نويز محيطي ،متولوژي براي استفاده از ابزار EMGدقيقا بايد مورد توجه قرار گيردجرا كه سيگنال EMGممكن است با پايداري بالايي ثبت شده ونرخ سيگنال به نويز افزايش يابد.
در بيشتر موارد ،چه در منابع نويز پراكنده خارجي ومنابع نويز محيطي كه بر سيگنال كشف شده ثاثير ميگذارد ،مي تواند به طور گسترده اي توسط كاربرومتولوژي  ثبت ،كنترل شود .گرچه ويز دروني تجهيزاتEMG،تحت كنترل كاربر بوده وبا طرح وساختمان تجهيزات مشخص ميشود . اجزاي الكتريكي وطرح ابزار Delays ،جهت پيشرفت  هاي اخير در تكنولوژي هاي سيستم با نويز پايين ،به روز رساني شده اند.در اين مورد، Delaysموفق به نگهداري وحفظ سيستم با نويز كم uv5در هركانال شده است ،كه توسط اتصال ورودي الكترود EMGبه پتا نسيل منبع ،اندازه گيري شده است.اين بدين معني است كه اگر خروجي يك كانال با هيچي سيگنال EMGثبت نشده باشد،يك نويز با ميانگين دامنه ي 5 ميكرو ولت مشاهده مي شود.
ج) محدوده ي سيگنال
بازه ي سيگنال يك سيستم به عنوان ماكزيمم ولتاژ خروجي دستگاه ،قادربه نگهداري است.خروجيولتاژ سيستم EMG،دربازه ي v5±تعيين شده است.اين بدين معني است كه حتي در وضعيت نامطلوب ،زماني كه تقويت كننده ها اشباع شده اند ويا در دقت بيش از حد نويز هاي زياد ،خروجي سيستم هرگز از v5±فراتر نمي رود.
4-5-3مشخص كردن ويژگي هاي ADC
با توضيحات قبلي ،بيان ويژگي هاي ADCممكن مي شود.نكات زيربايد در نظر گرفته شود:
الف) مجموعه ي رنج ADC
منطقي است كه بگوييم رنج ADCبايد با ولتاژ خروجي انالوگ سيستم EMG،v5±،برابر شود .يك بازه ي ورودي بزرگتر از 10 ولت هيچ مزيتي نداشته ،همانطور كه از لحاظ فيزيكي قادر به خروج سيگنال ها نيست.يك بازه ي كوچكتر از خروجي باعث افزايش دقت در كل سيگنال شده ولي بايد با در نظر گرفتن امكان اشباع ورودي ADC،مورد استفاده قرار بگيرد.
ب) مجموعه ي گين
انتخاب گين براي يك سيگنال توسط محدوده ي دامنه سيگنال هاي ورودي وبازه ي سيگنال خروجي سيستم مورد نظر مشخص شده است.بازه ي دامنه ي ورودي از 20±ميكرو ولت براي ضعيف ترين سيگنال تا2±ميكروولت براي قوي ترين سيگنال است.يك فاكتور تقويت كننده 1000 مي تواند براحتي سيگنال EMGرا دربازه ي 20±ميكروولت تا2±ميكرو ولت قرار دهد.اگر سيگنال كشف شده به طور غير عادي بزرگ فرض شود ،به طور مثال 20±ميكرو ولت ،دران صورت گين 100 مي تواندمورد استفاده قرار بگيرد.اگر مجموعه ي گين انتخابي،درست انتخاب شود،در ان صورت بازه ي سيگنال خروجي با مرحله ي بعدي الكترونيكي سازگار بوده كه اين كليد اصلي يك سيگنال مناسب است.
نكته ي مهم ديگر درزمان انتخاب گين سيستم،تاثير غير خطي بودن  خروجي سيگنال است كه اكثرا مواقعي اتفاق مي افتد كه سيگنال ورودي خارج از حد مورد نظر وايده ال است . براي مثال اگر فاكتور تقويت 1000استفاده شده است وسيگنال ورودي سيستم 1ميلي ولت است ،خروجي مورد نظر بايد 10 ولت باشد.گرچه اگر سيستم تنها قادر به خارج كردن سيگنال با بازه ي 5 ولت است ،سيگنال خروجي كوتاه خواهد شد.و ان وقت سيگنال ثبت شده،حالت خطي درستي جهت ارائه ي سيگنال ورودي نخواهد بود.موارد غير خطي ديگر توسط اجزائي كه جهت حفاظت الكتريكي استفاده شده اند،معرفي مي شوند.تمامي زير سيستم هاي تنها با زه هاي مخصوص به خود دارند وان موقع پتانسيل سيگنال براي از بين رفتن است.
سيستم هاي Delsys EMG،گين هاي انتخاب شده 10000،1000،100 را دارند.بيشترين مورد پيشنهادي v/v1000است .همان طور كه توضيح داده خواهد شد استفاده از A/D16 بيتي ،تمام سيگنال EMGرا تسخير ميكند .هم چنين عمليات دربازه ي خطي مبدل هاي هر سيستم را تضمين مي كند.
 
ج) حداقل دقت:
يك خصوصيت مهم جهت معرفي كمترين دقت سيگنال است .با نويز uv5±،ديجيتالي كردن سيگنال با بيت هاي كافي نياز است كه يك سيستم 16بيتي انالوگ به ديجيتال v5±،دقت uv153/رابراي يك سيستم با گين 1000 دارد اين بدين معني است  كه مي تواند با حداقل 5 بيت برطرف شود .كه براي فعاليت هاي EMGدقت بالايي را اورده كه از سطح baseline هم بالاتر خواهد بود.در مقابل يك سيستم A/D12بيتي با همان پارامترها ،دقت ضعيف تري دارد.(441/2)كه اگر يك گين 10000استفاده شود ،تا 244ميكرو ولت مي تواند پيشرفت كند.
يك سيستم ديجيتالي 16 بيتي با يك گين ثابت 1000،براي حداقل دقت سيگنال انتخاب شده است.
جدول 2:نتايج موفقيت اميز به عنوان تابعي از بيت هاي قابل استفاده براي مجموعه ي رنج ADCوگين سيستم.همه ي محاسبات به ورودي ارجاع داده مي شود.(r.t.i).توجه داشته باشيد كه سيستم هاي Delsys يك نويز baseline ،uv5دارند.
 
5-5-3نكته كاربردي Delsys
كل دستگاه DelsysEMGبا قابليت داده ي 16 بيتي تامين مي شوند .اين سيا ست ،حداقل دقت سيگنال را به خوبي بازه ي ديناميكي v5±تضمين مي كند اين پيكربندي چند كاره بوده همانطور كه براي گارانتي دقت سيگنال هاي EMGبا ولتاژ بسيار پايين زمان احاطه ي سيگنال هاي ولتاژ بالا ،ايده ال هستند .سيستم هاي بدست امده ي داده با كمتر از 16 بيت در هنگام تحليل EMG سطح پايين ،محدوديت هايي را ايجاد كرده ،زماني كه افزايش دقت درADCبيشتر از 16 بيت اضافي است وبراورد هزينه بيشتري دارد.
6-3 نتیجه گیری
در اين فصل با مواردي  كه در كسب سيگنال EMG مورد نيزاست اشنا شديم با به كارگيري نكات گفته شده در اين دو فصل مي توان سيگنال  EMGدلخواه را بدست اورد.در فصل بعد به بررسي نيرويي به نام gripبر مبناي سيگنال  EMG  مي پردازيم تا با كاربرد اين سيگنال  بيشتر اشنا شويم.

 

فصل چهارم  
بكارگيري مناسب نيروي grip مبني برسيگنال EMG  









دست انسان درانجام كارهاي روزمره نقش خيلي مهمي دارد.اشيا بااوزان مختلف نياز دارد به گريپ مختلف دست براي نگهداري دارد.براي مثال عدسي ترموكپل به نيروي خيلي كوچكينياز داردتاان را نگهدارد.درصورتي كه اشيا سنگين به همان نسبت به نيروي بزرگتري نياز دارد تا به پايين نلغزد,كنترل نيروي گريپ كارايي برتر,بهره وري بيشتروفشاروخستگي ذخيره شده كمتري راتضمين ميكند.دراين بخش تكنيك جديدي براي كنترل نيروي گريپ دست ارايه ميشود.سيگنال EMGازخستگي باقيمانده درون ماهيچه بر مبناي قدرت ان ثبت واناليزميشود.گشتورموتور DCمتناسب با كنترل نيروي نيروي گريپ اجرا شده به وسيله دست مصنوعي كنترل ميشود.
 
1-4مقدمه   
بسياري ازكارگران صنعتي دستشان را از دست ميدهندباتصادفات عجيبي هنگام انجام كارهاي مختلف ماشيني دركارخانه.به طورمشابه خيلي ازافرادنظامي به اجبار در طول جنگ قطع شدن دستشان رامتحمل شدند.دست قطع شده شان بايك دست مصنوعي به  منظور نوتوتن كردن انها جايگزين ميشود.اين بيماران وسيله اي ميخواهندكه به طورعادي هم جنبه تزييني وهم وظايف دست راامكان پذيركند.اين ايجاب ميكندپيشرفت به يك دست كاملا مشابه دست واقعيمان ,كه خصوصياتي مانندنيروي گريپ داردكاملا راحت وطبيعي كارانجام ميشود.فعاليت كلي ممكن است باجمع سيگنا EMGازخستگي باقيمانده در ماهيچه وبرمبناي قدرت انجام شود.نيروي گريپ باتغيير نيروي گشتاورموتور توليد ميشود.

2-4.ديد كلي پايه اي يك سيستم
سيكنالemgبه وسيله ماهيچه درطول انقباض يااستراحت توليد ميشوداين فعاليت الكتريكي ازدرون ماهيچه ميايد.سيگنال تفاضلي EMGخام درحدود ميكروولت است تقويت ميشود به وسيله ي تقويت كننده ي تفاضلي وسپس فيلتر ميشودتاوسيله مصنوعي را بلندكند. تضعيف با اين فيلتر به وسيله يك امپلي فاير كوپل ACجبران شده وبا يك مبدل RMSبه    DCميانگين گيري ميشود.سطح خروجي مبدل درحالت استراحت دست پايين است وهنگامي كه دست باز ميشود افزايش ميابد.بارسيدن به شكل يكسان درسطح خروجي سيگنال dcگين متغييري درامپلي فاير dc تامين ميشود.سيگنال dcبه وسيله يك ADC8بيتي كدگذاري ميشود.سيگنال كدشده با يك ميكروكنترلر خوانده ميشود.اين ميكروكنترلر ورود هاي خود را از كليد هاي محدود نوري OPENوCLOSEميگيردتاموتور را درانتهامتوقف سازدمتعاقبا جهت ان را تغيير بدهد.همچنين مبدل A/Dورله هاي مورد استفاده براي بكارگيري نيروي گزيپ متغيررا كنترل ميكند.
3-4.منطقي براي توليد نيروي گريپ
سيستم هاي سوئچينگ رله شامل سوئيچ هاي رله اي,مقاديرمختلفي از مقاومت وموتور همگي دريك ماتريس مربع گذاشته شده اند.دو رله براي باز وبسته كردن سوئيچ هاي محدود ودوتا ي ديگر براي اجراي گريپ كنترل شده ي تابع منط







شكل1.بلوك دياگرام دستگاه
اين تابع وابسته به فعالسازي سوئيچ هاي رله اي خاص در زمانهاي مختلف لحظه اي طبق دستورالعملي از ميكرو كنترلر است.منطق مجموعه اي با سه سطح مختلف نيرو است.وقتي كمترين سطح منطقي ثبت ميشود انگاه كمترين گريپ فراخوانده بعنوان گريپ 1 فعال ميشود.گريپ 2 براي سطح منطقي متوسط وگريپ 3براي سطح منطقي بالا است.
 

شكل 2.سطوح وشماتيكها

بر مبناي سيگنال emg بكاربرده شده بوسيله ي كاربر,مقاومت هاي مختلف بوسيله ي يك ماتريس رله اي كه جريان را در كل موتورتغيير دهدوبعلاوه كنترل گريپ دست باتغييرجريا درسراسر موتور.
بيت پورتهاي ميكروكنترلرهاي مختلف به شرح زير مورد استفاده هستند:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

زماني كه powerرويonگذاشته ميشود,جريان حالت دست به وسيله ميكروكنترلر دريافت ميشود وبرگردانده ميشود به حالت پيش فرض يعني حالت بسته.اگردست پيش از اين بسته باشد انگاه ان بسيار اماده است.بررسي راادمه ميدهد براي فرمان باز شدن از كاربر.هنگامي كه EMG بوسيله كاربر اغازميشودان باز خواهد شدوپس ازان پردازشGRIPاغاز خواهد شد.اگران باز است پردازش گريپ فورااغازميشوددرنتيجه دست بانيروي گريپ دقيق بكاربرده شده,وگريپ هاي  مقصود مبني برسطح سيگنال EMGبسته ميشود.
مورد1:دست درابتدابسته است,دراينده باز ميشود آيا نيروبكاربرده شده؟مقدارADC؟بيمار تلاش ميكند تاان راباز كند .گريپ 3 بكار برده شده است.موتورروي ONگذاشته ميشود.مسير براي براي باز شدن دست اماده است.دست باز ميشود.
اين باز بودن ادامه ميابداگر نيرو باقي بمانددركل پردازش تازماني كه كليدمحدود openكار ميكند.اگردر بين پردازش باز بودن نيرو افت پيدا كند,احتمال داده ميشود كه بيمار گريپ مقصود راخواسته وميخواهد دست را ببند.موتورمتوقف ميشود .پردلزش گريپ پس ازان شروع ميشود.اگركليد هاي محدود openكارميكند,پردازش گريپ پس از ان شروع ميشود.
مورد2:دست درابتدا بسته است,دراينده باز خواهدشد-پردازش گريپ بوسيله تركيب رله ها,موتور روي onگذاشته ميشودومسير براي بسته شدن اماده است.كاربر مجبور است emgاز ماهيچه رابكارببردبراي نيرويگريپ لازم براي كمتراز 2ثانيه وسپس شل كردن.دست شروع به بسته شدن ميكند با ان نيروبرمبناي سطح سيگنال EMG.طرح كلي براي اين سه مورد در شكل زير نشان داده شده است:
بنابراين جريانهاي مختلفي دركل موتور جريان ميابد كه كمك كند به گريپ مورد  نياز دردست.
مورد3:دست بسته;بازخواهد شد- شي ازاد شده
اين عينا مشابه مورد 1 است.







4-4.دست اورد
ازمايش درازمايش گاه بخوبي انجام شده است ومقدار مناسب براي سه سطح نيروي گريپ دردست شناسايي شده است.
 
5-4.نتيجه
براي صافي بيشتر گريپ دست ,سطح شايد افزايش يابد.براي دقت بيشتر ميكرو كنترلر ميتواند استفاده شودتاكنترل كند نيروي گشتاور موتوربطور دقيق بوسيله نيروي گريپ دست همچنين ميتواند كنترل شود براي عمل صافي .
در اين فصل با توليد واندازه گيري نيروي grip  مبني بر سيگنالEMG  در سه سطح اشنا شديم  ودر فصل اينده به طبقه بندي سيگنال EMG براي شناسايي سيگنال دست مي پردازيم. در انجا ما يكي از روش هاي طبقه بندي را كه روشي بنام SOFMميباشد بكار ميگيريم كه در فصل بيشتر با اين روش اشنا خواهيم شد.











فصل پنجم
طبقه بندي سيگنال EMG  براي شناسايي سيگنال دست









طبقه بندي الگوي EMG با استفاده از SOFM جهت شناسايي سيگنال دست

1-5مقدمه
در فصلول  گذشته در  مورد سيگنال  EMGدر حالت كلي  بحث  كرديم در  اين فصل وفصلهاي اينده به بررسي اين سيگنال در حركت دست خواهيم پرداخت.
از زمانيكه electroencephalogram را در سال 1924 اندازه گيري كرد ، تحقيقات بر روي سيگنال هاي بدن زنده ، منجر به توسعه electromyorganm و electrooculogram شد . اينها نشان دهنده وضعيت بدن انسان جهت تشخيص پزشكي و تحقيقات منابع سيگنال براي قطعات واسط است . از جمله سيگنال هاي EMG ، ظهور الكتريكي فعاليت هاي عصبي ماهيچه هاي منقبض هستند كه مي توانند در سطح پوست نزديك ماهيچه ها با يك سطح الكترود ، به طور مناسبي اندازه گيري شوند .
سيگنال هاي EMG يك ساختمان عضلاني سالم بدن جهت شناسائي فرمان هاي حركت براي كنترل قدرت مصنوعي خارجي ، استفاده شده اند . گر چه با پيچيدگي هاي سيگنال EMG ، داشتن ساختاري دقيق و يا مدل محاسباتي را كه سيگنال هاي اندازه گيري شده فرمان حركت را اندازه گيري مي كند ، مشكل است .
بعضي عمليات ديگر بر روي كنترل بازوي مصنوعي ، كنترل بازتابي توسط Lyman الگو توسط Swidis است . Gottlieb و Brown و Karst حركت بدن را توسط زمان سيگنال EMG ، دامنه و فركانس ، با موفقيت پياده سازي كردند . افراد ديگري بر روي پيكر بندي و پيگيري دست توسط قدرت ماهيچه با سيگنال EMG ، كار كردند . اخيراً تلاش هاي زيادي جهت استفاده هوش مصنوعي براي شناسائي الگوي EMG انجام شده است . بيش ترين اين دستاوردها به پيش پردازي جهت توسعه زمان سيگنال هاي EMG  ، دامنه و اجزاي فركانس قبل از محاسبه قدرت عضلاني احتياج دارند . كه هر 2 مورد زمان محاسبه و زمان تأخير را افزايش مي دهد .
در اين بخش ما يك روش طبقه بندي الگوي سيگنال EMG را با استفاده از نقشه هاي خود سازمانده ، پيشنهاد و ارائه مي كنيم كه روش ساده اي جهت درخواست به نظر مي آيد . سيگنال هاي EMG مستقيماً به عنوان ورودي هاي SOFMs بدون هيچ پيش پردازشي استفاده شده اند . SOFM يك شبكه رقابتي و يادگيري بدون كنترلي است كه داراي الگوي طبقه بندي مي باشد . يك شبكه SOFM ابتدا يك نرون پرنده را با استفاده از لايه رقابتي نشان مي دهد . بعد در طي يادگيري ، بردارهاي وزن همه نرون ها در يك همسايگي خاص از نرون پرنده با قانون kohonen ، به روز رساني شده اند . جهت مشخص كردن سودمندي روش پيشنهادي ، يك آزمايش را جهت شناسائي سيگنال دست از الفباي كره اي اجرا مي كنيم .
 
2-5سيگنال هاي EMG و سيستم اندازه گيري
سيگنال هاي EMG ظهور الكتريكي فعاليت فعاليت ماهيچه اي نرون ها با انقباض ماهيچه ها هستند كه عموماً بين 10 تا 2000 هرتز و    10 تا mu 15 هستند . معمولاً تحليل هاي سيگنال در ناحيه 500-10 هرتز صورت مي گيرد . سيگنال هاي EMG به دست آمده توسط الكترود هاي Ag/Agcl تقويت و در بين فيلترهاي بالا گذر و پائين گذر ، تقويت عبور داده شدند .

3-5طرح ويژگي خود سازماندهي
SOFM پيشنهاد شده توسط kohonen در سال 1984 يك الگوريتم بدون كنترل ، تشكيل شده از لايه رقابتي است . يك شبكه SOFM در ابتدا نرون پرنده را مشخص كرده و بعد بردارهاي وزن تمامي نرون ها در همسايگي نرون پرنده با استفاده از قانون kohonen ، به روز رساني شده است .
وقتي بردار P ارائه شد ، وزن نرون پرنده و همسايه هايش به طرف P حركت مي كنند . نتيجه اش اين است كه نرون هاي همسايه ، بردارهاي يكساني خواهند داشت . اجراي شبكه به شكل همسايه ها ، حساس نيست . SOFM ، از شبكه دو بعدي و منظمي تشكيل شده است . الگوريتم پيشنهادي Kohonen شامل مراحل زير مي باشد .
مرحله 1 : مقدار اوليه t=0 ، wjj بردارهاي وزن از N ورودي به M خروجي ، مقادير رندومي كوچك و همسايگي اوليه را مشخص مي كند .
مرحله 2 : بردار ورودي   به نود ورودي وصل مي كند .
مرحله 3 : فاصله هاي بين بردار ورودي x(t) و هر نود خروجي j محاسبه مي شوند
مرحله 4 : نرون برنده j را كه كمترين فاصله را دارد ، انتخاب مي كند . min(d1,d2,…du)=dj
مرحله 5 : بردار وزن نرون هاي j و نودهاي همسايه اش با معادله داده شده ، به روز رساني شده اند.                                                     
  ((t) Wij - Xi(t)) (t) +   Wij(t+1)= Wij(t)

   j   NEj(t) ,  i= 1,……,N     j= 1,……..,M            

NEj(t)=  نرون هاي مجاور

  (t) (0)<  (t) ≤ 1 =     نرخ يادگيري

مرحله 6 : Set t=t+1  ، اگر الگوريتم همگرا نشد از مرحله 2 دوباره تكرار كنيد .


4-5روش طبقه بندي سيگنال EMG پيشنهادي
روش هاي طبقه بندي الگوي EMG قراردادي در ابتدا از سيگنال EMG كه بعداً به عنوان سيگنال ورودي استفاده مي شود ، فركانس ، طيف قدرت ماهيچه را دريافت مي كند . اين روش ها به پيش پردازش احتياج ندارند روش پيشنهادي ساده است زيرا سيگنال هاي EMG مستقيماً به عنوان ورودي هاي SOFM بدون هيچ پيش پردازشي استفاده شده اند . ما طبقه بندي الگوي EMG را با استفاده از سيگنال دست الفباي كره اي نشان مي دهيم و 4 كانال سيگنال هاي EMG كه در 4 محل ثابت اندازه گيري شده اند و آنهائي كه جهت آموزش SOFM اندازه گيري شده اند ، شركت مي دهيد . سيگنال هاي EMG به سادگي توسط الكترودهاي پوست جمع آوري شده اند . 4 مكان الكترود استفاده شده در اين تحقيق ، از پوست جدا و توسط پدهاي چشبنده ، وصل شده اند. SOFM به تنهايي سيگنال هاي EMG را طبقه بندي مي كند . بعد طبقه بندي نهايي سيگنال دست ارائه شده را توليد مي كند . سيگنال هاي EMG در 4 كانال به عنوان ورودي SOFM استفاده مي شوند . هر SOFM از 100 نرون خروجي تشكيل شده و شعاع همسايگي با set , d=1 شده است . سيگنال هاي كانال هاي 1 ، 2 ، 3 و 4 جهت آموزش SOFM4, SOFM3, SOFM2, SOFM1 بكار مي روند .
مي خواهيم به توصيق روش هاي پيشنهادي براي طبقه بندي الگوي EMG سيگنال هاي دست بپردازيم . ثبت مجموعه سيگنال هاي EMG با بيش تر از 2 ثانيه به وجود آمدند در حاليكه حركت دست طبيعي و واقعي در 7/0 ثانيه كامل مي شود . ما قسمت هاي غير ضروري سيگنال هاي اندازه گيري شده براي تهيه سيگنال هاي ورودي SOFM هر كدام با 700 مورد نمونه گيري حذف كرديم . اين مجموعه متشكل از 1400 نمونه از هر كانال ، 10 هزار بار صورت گرفته .

شكل 1:بلوك دياگرام سيستم اندازه گيري سيگنال EMG



شكل 2:موقعيت الكترود ها








شكل 3:بلوك دياگرام روش هاي پيشنهادي


نقشه انتخابي يك توپولوژي 2 بعدي با 100 نرون براي هر كانال مي باشد . فاصله بين بردارهاي ورودي و بردارهاي وزن با استفاده از Euclidean محاسبه شده اند . هر SOFM همسايه اي به شعاع d-1 ، نرخ بادگيري 1/0 و يادگيري 10 هزار بار صورت گرفت . بعد از آموزش ، SOFM جهت تست شناسائي الگوي سيگنال هاي دست EMG استفاده مي شوند . اندازه گيري سيگنال هاي EMG هر حركت  دست 20 مرتبه تكرار مي شود . مجموعه تست ها شامل 280 سيگنال براي هر كانال هستند و اين سيگنال ها به عنوان ورودي هاي SOFM براي طبقه بندي حركت هاي دست استفاده مي شوند . تجربه نشان داد كه سيگنال هاي EMG توسط حركت هاي دست با سيستم SOFM پيشنهادي با موفقيت نرخ حدوداً 90% توليد شده اند .


 

شكل 4:سيگنال هاي دست براي كاراكترهاي كره اي







 


شكل 5:نرون هاي خروجي .مجاورت SOFMS







 
شكل 6:بلوك داياگرام ترتيب ازمايشگا هي


 
شكل 7: عكس وضعيت ازمايش

 
شكل 8: سيگنال EMGاندازه گيري شده وسيگنال داخلي قابل استفاده
 
شكل9:نرون هاي خروجي sofm1بع از مرتب كردن

 
جدول1:نرون هاي خروجي sofmبعد از يادگيري
 
جدول 2:نتايج ازمايش
5-5نتيجه گيري
به اين دليل كه سيگنال هاي EMG استفاده شده مستقيماً به عنوان ورودي SOFM بدون هيچ پيش پردازشي استفاده مي شوند روش پيشنهادي ، روش ساده اي مي باشد . جهت مشخص كردن سودمندي روش پيشنهادي ، با استفاده و ارائه الفباي كره اي طبقه بندي الگوي EMG سيگنال هاي دست را تجربه و آزمايش كرديم . اين آزمايشات نشان داد كه نرخ موفقيت اين طبقه بندي حدود 90 درصد است . تأثير سيگنال EMG طبقه بندي شده كه توسط حركت دست با سيستم SOFM توليد شدند . مشخص شد . حال  پس  از طبقه بندي  سيگنالEMGدر  فصل  اينده  به ارتباط اين سيگنال با نيروي  بين ماهيچه اي  ايزومتريك خواهيم پرداخت .











فصل ششم
ارتباط بين نيروي ماهيچه اي ايزومتريك وسيگنالEMG
به عنوان هندسه ي بازو







    
ارتباط بین نيروي ماهیچه ای isometric و EMG سطحی در ماهیچه های دست طبیعی به عنوان تابعي ازهندسه(ژئومتريك) بازو

1-6مقدمه
علائم واختصارات:


سیگنال الكترومايو گرافي  سطحی(EMG)، شامل مجموع پتانسیل های عمل واحد حركتي (MUAP) از واحدهای مختلف حركتي (MUS)، درون بازه ضبط شده الکترود است. در بسیاری از موارد فرض می شود که EMG حاصل از پردازش خطی، در واقع جبری و مجموع سلسله پتانسیل های عمل مختلف است که توسط MUS(واحدهاي حركتي) فعال، به وجود آمده است.
تصدیق post-hoc این مفهوم در ماهیچه های soleus به دست آمده است. شدت سیگنال های فیزولوژی اعصاب تنها بستگی به واحدهایی که فعال هستند ندارد بلکه به نرخ های تخلیه الکتریکی و زمان مربوط به فعالیت در سرتاسر جمعیت نیز وابسته است.
 رابطه بین نیروی ايزومتريك و دامنه EMG سطحی، موضوع تحقيقي وسیعی بوده است. برای ماهیچه های کوچک بارنج نیروی واحد حركتي کم تر، مانند ماهیچه های دست طبیعی، مشاهدات مربوط به ارتباط نیرو و EMG سطحی به صورت خطی مطرح شده است. برای ماهیچه های بزرگتر بارنج بیش تر واحد حركتي، مانند پای مجاور و ماهیچه های بازو، رابطه غیر خطی گزارش شده است.
رابطه Muap-twitch،  گروه بندی، سرعت انتقال فیبر ماهیچه ای، موقعیت Mu درون ماهیچه، تنظیم فیبرهای ماهیچه ای و ضخامت بافت های زیر پوستی ، همگی فاکتورهای کمک کننده در شکل گیری نیروی دامنه EMG هستند.
اخیراً ثابت کرده ایم که وضعيت شانه احتمالا از طريق سیگنال های مختلف  ناشي  از گيرنده هاي خارجي بر خاصیت هسته ای حركتي عضو جلو وماهيچه هاي دست تأثیر می گذارد. برای مثال ظرفیت تولید نیروی عضله انگشت کوچک (ADM) در POST توسعه یافته،به طور چشمگيري کمتر است و ماهیچه های دست با توجه به موقعیت مفصل شانه در صفحه افقی ، به عبارتی دیگر زمانیکه شانه در POST  قرار ميگيرد ، نرون های ADM جهت فرمان ارادي، کمتر در دسترس هستند.
 مطلب ارائه شده جهت آزمایش رابطه نیروی EMG درتوضيح مشخص شدن ظرفیت تولید نیرو توسط موقعیت مختلف در مفصل شانه، طراحی شده بود. نیروی ماهیچه ای، میانگین مربع ریشه EMG (RMS)، فرکانس میانه (MF) طیف قدرت و تعریف بازگشت فیبر خطی، درصد جبری EMG را که در طی 10 سطح ثابت انقباض ADM ثبت شده بود، تحلیل می کند.

  2-6  نتایج
در طی3(ماكزيمم انقباض ارادي) MVC هم اندازهADM، حداکثر نیروی مطلق برابر با 32/12 نیوتن(N) می باشد. قدرت تولید حداکثر نیرو در post، 79/0 ANT و حداکثر RMS در هر موقعیت بازو mu2 36/0   و  mu2 32/0 در ANT و post بود. حداکثر دامنه EMG  در post 12/0 پایین تر از ANT بود.
شکلA.2  ارتباط بین نیروی هم اندازه و RMS با افزایش سطح نیرو نشان می دهد. مقادیر نیرو با N بیان شده، در حالی که دامنه  RMD با 2MU  در هر دو موقعیت شانه، رابطه نیروی EMG، خطی بود. در post حداکثر مقدار RMS با 30/0 کمتر از ANT قابل دسترسی بود. شیب بازگشت خطی داده آزمایشی 2%   95%  و 5%   29/1 را در ANT و post بود.
تفاوت در دامنه  RMS- EMG بین دو موقعیت در 20/0 MUC برای داده های آزمایشی، اهمیت پیدا کرد. مقدار RMS میانگین، mu2  14/0 و mu2 17/0 در ANT و post تخمین زده شد.
شکلB3 رابطه بینmf(فركانس مياني) و افزایش سطوح نیرو در 2 موقعیت بازو را نشان می دهد. مقادیر MF، 76.42و و 82.51 در ANT وpost هستند که تفاوتشان خیلی مهم است(06/0=p ; 699/2=t). با استفاده از مناسب ترین معادله، 2 فاز مختلف مشخص شدند شیب معادله خطی فازهای سطح MF مربوط به S.E 021/0   09/0 و 059/0   045/0 در ANT و post است. کمترین مقادیر 06/0  74.94 و 75/0  73.40 در ANT و post هستند.
شکل 4A رابطه بین DET% و سطوح نیرو را نشان می دهد. مشخص شده است که DET% تغییر نکرده ونشان دهنده این است که هیچ تغییر مهمی در سرعت انتقال ماهیچه ها یا گروه بندی در طی 3 انقباض صورت نمی گیرد. در هر2 موقعیت بازوها، DET%  ،  افزايشفاز با افزایش سطوح نیرو ارائه شد. تحلیل های hoc- post نشان داد که DET% با سطوح نیروی بیش نداز 30% MUC افزایش یافته وبا 50% MUC این فاز پایان می یابد. هیچ تفاوت مهمی بین میانگین DET%   در ANT در post وجود ندارد.
شکل 5 رابطه بین mf و DET%  را نشان می دهد. ارتباط نیروی  EMG در AMD تحت تأثیر انقباض ضعیف ماهیچه عضله قرار نگرفت. تفاوت point to point (نظیر به نظیر) بین رابطه EMG در ANT با فعال سازی و بدون فعال سازی ماهیچه عضله، به اهمیت آماری دست نیافت. هم چنین تفاوت دیگری در ارتباط خطی بین 2 شرایط مشاهده نشد.
3-6 بحث
در مطالعه اخیر ما به بررسی تأثیر موقعیت های مفصل شانه در رابطه بین دامنه EMG سطحی و نیروی هم اندازه ADM می پردازیم. بنا به یافته اصلی، ظرفیت تولید نیروی کاهش یافته ADM با توجه به جای گذاری مفصل شانه در post، شیب نیروی rms افزایش یافت در بحث زیرین فرض شده است که تغییر در شیب نیرویrms. در افزا يش گين نرخ گرمايش حركتي نرون حركتي داراي پي ADMتاثير ميگذارد.
 

شكل 1:a)مقدار ميانگين بزرگ (S.E) نيروهاي ارادي ماكزيمم در ANTوPOST جاسازي دو موقعيت مختلف را نشان مي دهد:30 نزديك شانه(ANT)و30 دور از شانه .(POST)  (B)ارائه ي شماتيك دست و وضعيت ثبت ان.


 
شكل 2: رابطه ي نيروي EMG. A) مقادير متوسط مهم (S.E±) دامنه ي EMG-RMS با افزايش سطوح نيرو در ANT(محدوده ي باز) وpost(محدوده ي پر).مقادير نيرو با نسبت انقباض ماكزيمم در ant نرماليزه شده اند. برگشت خطي با داده هاي تجربي در POST  تطبيق داده شده اند.ذر POST مقدار نيروي ماكزيمم معادل 70  MVCدرANTاست.B))مقدار متوسط مهم ماكزيمم EMGارادي درANTوPOST.C)) مقادير ميانگين مهم شيب رابطه ي نيروي EMGدر ANTوPOST.
 
شكل 3:رابطه ي نيروي MF.A)) مقاير متوسط(S.E±)ميانگين طيفي  EMGبا افزايش سطوح نيرو در ANTوPOST. مقادير نيرو نسبت به ماكزيمم در ANT نرماليزه شده اند.B)) نمايش هيستوگرام ميانگين كل مقادير MFدر موقعيت هاي بازو درANTوPOST.
















شكل4:رابطه ي دزصد نيروي DET. A)) مقادير متوسط (S.E±)   با افزايش سطوح نيرو در ANT (open-circle) وpost (filled- circles) . مقادير نيرو نسبت به ماكزيمم درANTنرماليزه شده اند .B)) نمايش هيستوگرام ميانگين كل مقادير DETدر موقعيت هاي بازوANTوPOST .


 
شكل 5:ارائه دياگرام هاي ارتباط بين فركانس متوسط ودرصد دترمينيسم DET)) درموقعيت هاي بازو،ANT  (A) وpost   (B)



1-3-6ارتباط EMG- force
فرمان های موتور با توجه به 2 پردازش وابسته بهم، سرانجام در نیروی ماهیچه ای اسکلتی تفسیر شدند.
1- با تنوع و تغییر تعداد واحدهای موتوری در یک انقباض شرکت می کنند.
2- با تغییر فرکانس نرخ واحد موتور تحریک پتانسیل های عمل .
پیشنهاد شده است که سهم نسبی که کد گذاری و واحد موتور برای اجبار به تولید، در ماهیچه های ترکیب فیبرهای مختلف و توابع متفاوت است. بطور دقیق نرخ کد گزاری نقش مهم تری را در  ماهیچه های کوچک همانند ماهیچه های دست طبیعی ایجاد می کند زمانیکه MUS نقش مهم تری را در بازه نیروی منقبض شده در ماهیچه های بزرگ ترکیب فیبر مانند عضله ها ایفا می کند. به طور وسیع خصوصیات مختلف دامنه EMG سطحی برای ماهیچه های بزرگ و کوچک توضیح داده شده است. برای ماهیچه های دست طبیعی، رابطه تقریباً خطی گزارش شده در حالیکه برای ماهیچه های بزرگتر نظیر پای مجاور یا ماهیچه های بازو، رابطه غیر خطی گزارش شده است. به طور مشابه به چیزی که در ماهیچه پشتی اول و ماهیچه های عضله دور کننده ، مشاهده شد، رابطه بین دامنه EMG سطحی و نیرویی هم اندازه در ADM، خطی بود.مکانیسم اساسی جهت این خطی بودن نیازمند خالص و ناب بودن است. مطالعات شبیه سازی پیشنهاد می کند که رابطه بین خصوصیات مکانیکی و الکتریکی سطح MU، فاکتور غالب در رابطه بین دامنه EMG سطحی و نیروی هم زمان است.
از زمانیکه اثبات شده است که MUS ماهیچه های دست طبیعی همراه با پتانسیل واکنش هایی که باعث می شود، کلاس بندی شان به بزرگ/ کوچک یا سریع/ کند، سخت شود انجام می شود. مجموع MUS  با خصوصیات یکسان می تواند در یک رابطه نیروی EMG  خطی شرکت کند. تغییرات در هندسه بازو، شکل رابطه نیروی EMG زماینکه تحت تأثیر شیب بود مشخص نکردند.
مخصوصاً زمانیکه شیب در post بیش تر از ANT بود نشان می داد که سیگنال های EMG در post ، بیش تر از نیرو افزایش یافته. تغییرات در استراتژی استخدام بی شباهت به افزایش شیب در post نیست از زمانیکه ماهیچه های طبیعی دست طبیعی مانند ADM ، با اعتماد بسیار به نرخ کد گزاری جهت افزایش نیرو و رابطه نیروی EMGبه طور ناچیز نسبت به تغییرات استراتژی واحد موتور شده اند. این مؤلفان هم چنین مشاهده کردند که اعمال جزیی انطباق واحد موتور، بر روی کل رابط نیروی EMG تأثیر می گذارد. بنابراین نتیجه گرفتیم که شیب بیش تر در post نسبت به ant توسط یک نرخ اشتغال mu افزایش یافت.

2-3-6 رابطه نیروی mf
فرکانس میانه شامل سیگنال EMG(MF) در post  بیش تر از ant بود. سریع ترین تفسیر این است که نرخ اشتغال mu در post، جهت کاهش نرون، افزایش یافت. به عبارتی دیگر جهت نگهداری همان  سطح از نیرو در  CNS.ANT  باید عمل سوخت د ر  post را   افزایش می داد.
گرچه در هر 2 موقعیت شانه ها، رابطه نیروی mf یک رفتار 2 فازی را نمایش گذاشت: یک فاز فلاتی(بین 10% و 50% MUG) تابع یک فاز بیهوده نمایی، در حیوانات mf با افزایش سرعت انتقال باند به ترتیب mu، افزایش می یابد. گرچه این نتایج مستقیماً به توسعه نمی یابند، مدرکی است که ثابت می کند، mf هم چنان یک شاخص خوب ومناسب در استخدام MUS  در ادغام می باشد.
به علاوه فاز فلات uf در حدود 50/0 MUG به پایان رسید. یک مقدار بسیار نزدیک به حد بالایی که در ماهیچه های دست طبیعی کاملاً توضیح داده شد. فاز برآمده از رابطه نیروی mf ، تابع یک فاز بیهوده نمایی بود.
 مدرکی وجود دارد که می گوید در طی قدرت ادغام بار به علت نرخ اشتغال بالا، بعضی نرون ها به طور مؤثری نسوز می شوند. در واقع استخراج یک در نرون ها در زمانیکه کوتاه تر است، کاهش  می یابد، وقتی پتانسیل ها در طی گرمایش فرکانس بالا به آستانه نزدیک می شوند، زیرا نرخ گرمایش بالا در طی ادغام ارادی قوی ممکن است مانع تخلیه الکتریکی بعضی از نرون ها شود. فرکانس شامل سیگنال EMG، انتظارمی رود که کاهش یابد. گرچه کاهش MFدر post در سطح بالاتری نسبت به ANT اتفاق افتاد که در ظاهر با فرض اینکه نرخ اشتغال از ANT بالاتر است، تضاد دارد.
 در واقع با توجه به مفهوم بالا فرکانس شامل سیگنال EMGدر post باید سریع تر کاهش یابد. توضیح ما برای این رفتار تضاد این است که به دلیل کاهش مؤثر نرون های ADMدر post , ازANT محدوده استخدام بالاتر، به تعویق می افتد.
فاز بیهوده MF هم چنین می تواند گروه بندی MU افزایش یافته را منعکس کند. در واقع گروه بندی(با کاهش تعداد MU مستقل) باعث نشستMF به فرکانس های پایین تر شود. در تجربیات حاضر فهمیدیم که MF کاملاً به DET% مربوط بوده است: فاز بیهوده MF که با یک فاز برآمده از DET%، پیوند زده شده بود.
همان طور که اشاره شد با افزایش DET% انتظار می رود با افزایش گروه بندی MU، افزایش یابد و فرسودگی ماهیچه ها طبق تجربیات ما فرض بر این است که افزایش DET% با کاهش MF، حداقل با گروه بندی MU در نظر گرفته شود.

3-3-6رابطه ي درصد نيروي DET
مدرکی است که ثابت می کند که سرعت انتقال فیبر ماهیچه ای و گروه بندی MU فاکتورهای مهمی جهت ترکیب DET% سیگنال EMG هستند. در مطالعات اخیر تفاوت مهم در میانگین DET%  بین ANT و post مشاهده شده با پیشنهاد اینکه تغییرات بالا تحت تأثیر موقعیت شانه قرار نگرفتند. به عبارتی دیگر این متغیرها مسئول شیب های مختلف نیروی EMG مشاهده شده در ANT و postنبودند.

4-3-6 نتایج
در مطالعات اخیر، ما تماس (فشار) مفصل شانه را بر روی شیب نیروی EMG در ADM کشف کردیم. فهمیدیم که ظرفیت تولید نیروی کاهش یافته ADM که با تغییر موقعیت شانه از  ANT به post به دست آمده بود، شیب نیروی EMG به طوری مؤثری افزایش یافت. تحلیل های بازگشت غیر خطی و فرکانس میانه طیف قدرت سیگنال EMG، می گوید که شیب افزایشی، کاملاً توسط یک نرخ اشتغال MU افزایش یافته به وجود آمد.
 همان طور که قبلاً گفته شد سیستم عصبی ممکن است که یک پیکر بندی ارجاعی را توسط             مجموعه ای از مفصل آستانه ، جایی که ماهیچه ها خاموش هستند، مشخص کرده است . فعالیت و حرکت ماهیچه ای ممکن است موجب پدیدار شدن واکنش های تغییر پذیر سیستم طبیعی به انحراف بدن از پیکر بندی شوند.
از این رو تأثیر تغییرات موقعیت مفصل شانه همان طور که در مطالعات اخیر مشاهده شد. می توانست نبودن تناسب بین پیکر بندی بازوی واقعی و ارجاعی، مثلاً تولید تحریک پذیری که همراه با ماهیچه های چند گانه تغییر کند را تفسیر کند.

4-6 روش تجربی
1-4-6 اشخاص
9 نفر(4 زن و 6 مرد) راست دست جهت مطالعه و تحقیق داوطلب شدند. رضایت اطلاع داده شده توسط تمامی اشخاص قبل از تست و هم چنین این افراد جهت کنترل انقباض ADM مربوط به مطالعه آموزش دیدند.
2-4-6 مجموعه تجربی
افراد در یک صندلی راحتی خمیده (شیب دار) با بازوی دست راست در یک سطح افقی و قرار گرفتن شانه در زاویه 90 بر روی یک سطح عمودی نشسته، بازوی دست راست و مساعد طوری قرار گرفتند که مفصل آرنج را در زاویه 90 و مفصل  مچ را در یک موقعیت خنثی همان طور که در شکل A1 آمده ، ثابت قرار دادند .
دست و 4 انگشت اول همان طور که در شکل B1 نشان داده شد در یک قطعه محکم قرار دادند. انگشت پنجم در زاویه تقریباً 10 افقی جهت اندازه گیری نیرویی هم اندازه ADM قرار داده شده است. مفصل شانه در یک سطح  افقی از نزدیکی 30(ANT) به 30 (post) چرخش می یابد.
مراقبت های مخصوصی جهت جلوگیری تغییرات مفصل انگشت و بازو در طی انقباض ADM صورت می گرفت.

3-4-6 مدارک EMG و نیرو
زمانیکه نیروی میانگین که توسط ADM در طی 3 انقباض یکنواخت که با 5% بین 2 آزمایش تغییر کرد توضیح داده شد، MUG فرض شده بود MUG در موقعیت ANT به عنوان مرجعی به 9 سطح نیرو(10تا 90 درصد MUG در 10% افزایش در هر 2 موقعیت بازو) استفاده شد. موقعیت اولیه بازو برای هر شخص به صورت تصادفی بود جهت کاهش اریب فرسودگی، آزمایشات به صورت تصادفی شده بودند.
 بنابراین انقباض ها بین سطوح نیروی پایین و بالای 50 در MUG متناوب بودند به علاوه هر انقباض همراه با 5 دقیقه استراحت بود. فیدبک بصری هدف و سطح نیروی درخواستی برای افراد بر صفحه کامپیوتر نشان داده شده بود. و بر الکترودهای AG/AGCL سطحی قابل عرضه که با فاصله ثابتmm15 برای هر شخص گذاشته شده بود، یکی که بر روی شکم ماهیچه ثابت شده و دیگری که بر روی اولین مفصل انگشت پنجم قرار گرفته است برای مشخص کردن نبود سیگنال ماهیچه در الکترود مرجع، یک مدرک اولیه با الکترود فعال در زمانیکه انقباض پیشینه کوتاهی صورت گرفت، وجود داشت.
سیگنال های EMG به دست آمده با ( 1000) تقویت شده (Hz22000) فیلتر شده به صوررت منتقل شده و ذخیره شدند.
داده در یک نرخ نمونه گیری 1000 هرتز جهت ترسیم مکانیکی و 10000 هرتز برای EMG نمونه گیری شد. بالاخره تحت شرایط آزمایشی ما، احتمال اینکه انقباض غیر عمومی ماهیچه های بازوی مجاور ممکن است شرایطی را جهت ارتباط نیروی EMGدر ADMایجاد کند که نیاز است. الکترودهای Ag/Agcl سطحی قابل عرضه بر روی عضله دو سر شکم، 5 سانتی متر بالای محل الحاق انتهائی اش قرار گرفته اند. رابطه نیروی EMG در ADM با وجود و بدون فعال سازی عضله های دو سر در ANT و POST مقایسه شدند. آزمایشات در روزهای مختلف ، تکراری و یکنواخت بود.
 
4-4-6 تحلیل های EMG غیر خطی
برای هر موقعیت و فرد، تحلیل تعریف بازگشت غیر خطی صورت گرفت. این تحلیل ها الگوهای تکراری را در سیگنال ها و دلیلی که موقعیت ها و وضعیت هائی تغییر می کنند که با روش های خطی کلاسیک، قابل تشخیص نیستند، را به دست می آورد.
مدرکی وجود دارد که ثابت می کند تغییرات در سرعت انتقال فیبرهای ماهیچه ای به خوبی سطحی از انطباق منبع MU جهانی ، حساس است. هم چنین مشخص شده است که طی انطباق های هم اندازه، DET% همان طور که با RQA اندازه گیری شد، تحت تأثیر سطح های مختلف نیرو قرار نگرفته است.
 ابعاد جاسازی بهینه با نزدیک ترین الگوریتم اشتباه مجاور به دست آمد که با 15 ثابت شده بود. مقدار تأخیر زمانی با الگوریتم اشتراک اطلاعات محاسبه شده بود. مقادیر شعاعی با فاصله اقلیدی که از 10 درصد ماکزیمم فاصله نرمال شده هر بردار فضا کوچکتر شوند، محاسبه شده بود برای نرمال سازی انرژی هر انقباض و بعد از رندوم سازی فازی.
DET% برای هر انقباض در هر موقعیت بازو جهت مشخص کردن متغیر هایش تحت زمان انقباض محاسبه شده و وضعیت و رفتارش با ارتباط خطی DET/TIME% برای هر انقباض، مورد تست قرار گرفت.
 
5-4-6 تحلیل های آماری و پارامتر های طیفی
تبدیل سریع فوريه به بخش های داده ای در 4096 نقاط غیر مشترک در خواست شده بود.mf طیف قدرت EMG برای هر مرحله از انقباض با استفاده از تعریف ریاضیاتی میانه، محاسبه شد از نتایج تست گرفته شد و مقادیر نیرو بین 2 موقعیت بازو جهت اجرای یکسان خروجی در هر 2 موقعیت انقباض مقایسه شدند. سطح فعالیت EMG ، DET% ، MF و نیرو بین 2 موقعیت شانه با استفاده از تست 2 شاگرد مقایسه شدند. نیروی DET% بین ANTو post متغیر است.
5-6 نتیجه گیری
در این فصل به ارتباط بین نیروی ایزومتریک والکترومایو گرافی سطحی در ماهیچه های دست پرداختیم ،فهمیدیم که شیب بیشتر درpostنسبت به ANTتوسط یک نرخ گرمایش MUافزایش یافتیم چنین فشار مفصل شانه را بر روی شیب نیروی EMGدر ADMکشف کردیم .بدلیل اینکه سیگنال الکترومایو گرافی کاربرد زیادی در کنترل دست مصنوعی وهم چنین نوسازی دست دارد نگاه خودرا به ان معطوف کرده ودر فصل به دسته بندی سیگنال EMGبرای کنترل دست مصنوعی می پردازیم.





فصل هفتم
طبقه بندي سيگنال EMG براي كنترل دست مصنوعي  









طبقه بندی سیگنالEMG برای اجرای عضله ای برقی یک دست آهنی ماهر

1-7مقدمه:
دست های مصنوعی عضله ای برقی در دهه های متعددی مورد مطالعه قرار گرفته اند. تابع اصلی این دست ها،گیرآوردن اشیاء با انواع ---است ولی قطعی دست . توابع چند وظیفه ای را به تک وظیفه ای ترجیح می دهد . یکی از امتیازات دست آهنی ماهر، این است که حرکت گیر انداختن انگشت ها با سیگنال های کمتری می توانند کنترل شوند. که برای عضوهای قطع شده تشخیص اشیای گیرآورنده بدون هیچ مشکلی، موثر خواهد بود. تئوری درباز چگونگی گیرانداختن و کنترل  دست های آهنی ماهر در 3 دهه اخیر مورد مطالعه قرار گرفته است. تعداد زیادی الگوریتم توسط محققان مورد بررسی قرار گرفته است. دست ماهر یکی از معروف ترین دست های آهنی در جهان است و مطالعاتی بر روی آن صورت گرفته است. طبق تجربیات دستDLR یک دست آهنی ماهر کوچکتر شبیه به دست انسان که با کمترین مشکلی ساخته شده است در موسسه Harbin بوده است. دستDLR/HIT یک دست آهنی ماهر چند انگشته بوده و انگشت 3DOF و 4 مفصل دارد. وزن و سایز فاکتورهای اصلی و مهمی هستند که مانع تبلیغاتی شدن این دست ها می شوند اما پیشرفت های اخیر در ساخت و کوچک کردن سخت افزار می گوید که این فاکتورها ممکن است سبب مشکلاتی شوند . پیشرفت ها ممکن است دست آهنی ماهر را به دست مصنوعی برگرداند. در دهه های اخیر بسیاری محققان به بررسی تمایز سیگنال های EMG برای این دست ها پرداخته اند . تابع کنترل اصلی مصنوعی باز کردن و بستن دست ها.جهت تمایز این توابع ، محققان از ویژگی های EMG مختلف شامل دامنه سیگنال،(IAV)، تغییر علامت، ویژگی های فرکانس می باشد.EMG، طیف توان تحلیل شده توسط تبدیل سریع (FFT)Fourier و ضریب مدل EMG AR استفاده کرده اند.طبقه بندی ابزار مشخص توابع خطی، شبکه های عصبی و سیستم های فازی.chanetal از یک مدل پنهان marrkon برای پردازش 4 کانال سیگنالEMG، با تمایز 6 کلاس حرکت عضو استفاده کرد. استراتژی هایی جهت کنترل دست ماهر وجود دارد.
تمایز انواع مختلف حرکت ها مورد مطالعه قرار گرفته است. Huang et cl از سیگنال EMG 3 کانال جهت تشخیص حرکت ها استفاده کرد. کنترل حرکت دست انسان تنها شامل گیرانداختن نیست بلکه شامل حرکت انگشت فردی نیز می باشد. حرکت شصت بسیار مهم است ولی به اندازه کافی جهت کنترل یک دست آهنی ماهر نیست . طبه بندی حرکات چند انگشتی بر اساس شناخت الگوهای EMG با موفقیت به انجام رسید. در این قسمت مدل AR با ANN ترکیب شده و استفاده از  مجموعه ای از حرکات انگشتان، شامل مشت، اشاره و حرکات انگشت وسطی با نتایج رضایت بخشی همراه بود.
 
2-7. روش ها
در سیستم طبقه بندی EMG مدل AR و ANN با هم ترکیب شده اند. در ANN الگوریتم BP اصلاح شده در طبقه بندی الگوهای EMG سطحی مربوط به 6 نوع حرکت های انگشت  بکار رفته است: کشیدگی و خمیدگی انگشت شصت، کشیدگی انگشت اشاره، خمیدگی انگشت اشاره و کشیدگی انگشت وسط و خمیدگی آن.EMG سطحی با مدلAR پیش پردازش شده است.
مدل رياضي ان به صورت زير ميباشد:
    t=1,2,…..,m
در اينجا   بيانگر رشته زمانهاي الكترو مايو گرافي كشف شده از ماهيچه ي iام است.  پارامترAR iام رشته هاي زماني iام    است.pمرتبه ي مدل كه در اينجا برابر با (10)4=p ميباشد.mطول نمونه و  نويز سفيد است.

طبقه بندی: در سیستم طبقه بندی EMG شبکه عصبی BAR ، 3 لایه دارد. که ترکیبی از لایه درونی 16 مولکولی متناظر با ضریب 4 ضریب AR 36 سلول لایه میانی و 6 سلول لایه بیرونی است. بردار لایه بیرونی حرکات 6 گانه انگشت ها را در جدول 1 تعریف کرد.
 
3-7-آزمایش و نتایج
آزمایشات در آزمایشگاه ما انجام شد یک تقویت کننده سیگنالEMG جهت بدست آوردن 4 جریان سیگنال EMG در ثبت هم زمان حرکت انگشتی شخص، توسعه یافته است. مهم بالائی از سیگنال نویز دارد. حصول 100، 500، 1000 یا 10000 می تواند جهت اکتساب ایده آل سیگنال های دامنه مختلف انتخاب شود. تقویت کننده، سیگنال های EMG را به پهنای باندی بین 5 و 1000 هرتز فیلتر می کند. در آزمایشات 4 جفت الکترود بر روی بازوی دست راست شخص قرار گرفت.الکترودها بر روی سطح پوست دقیقاً بالای ماهیچه های فعال قرار گرفتند. 4 مرد با سنین بین 23 تا 27 و در شرایط سلامت جسمانی در این آزمایشات شرکت کردند. به افراد آموزش داده شد که هر حرکت انگشت را تکرار کنند.حداقل 100 مجموعه سیگنال EMG از حرکت انگشت ثبت شده بود. سیگنال های EMG، 100 بار تقویت شده و با نرخ 2400 هرتز نمونه گیری شده اند. جهت کنترل دست آهنی ماهر زمان نمونه گیری سیگنال های EMG ، 200 میلی ثانیه و تعداد نمونه گیری 480 است. بعد از 360 سیکل آموزشی برای هر شبکه، بیش تر از 185 الگو از 240 تا با موفقیت شناسایی شدند. جدول 2 نرخ کلی هر مورد را با سیستم طبقه بندی نشان می دهد. با استفاده از این جدول، متوجه می شویم که نرخ کلی هر فرد، بیش تر از 77% است.
 
1-3-7نتیجه گیری
سیستم طبقه بندی EMG سطحی مدل AR با BPNN جهت اجرای دست ماهر، ساخته شده است. 6 نوع حرکت انگشت در سیستم با استفاده از 4 جفت الکترود جهت سیگنال های EMG سطحی، مشخص شده اند. نرخ تمایز می تواند به بیش تر از 77% دست یابد. که سیستم یک رویه تناوبی را در طبقه بندی حرکت انگشت ثابت می کند.حال که با طبقه بندی سیگنال EMGبرای کنترل دست مصنوعی اشنا شدیم برای نوسازی دست واصلاح دست استخوان بندی خارجی با کنترل EMGارائه میدهیم.



 

فصل هشتم
يك استخوان بندي بروني كنترل شده توسطEMG براي نوسازي دست












يك استخوان بندي بروني كنترل شده با EMG براي نوسازي دست

1-8مقدمه
هدف از اين كار و تجربه استخوان بندي براي ترميم دست يك شيء ساختگي توسط ضربه و حركت است . استفاده از سيگنال هاي EMG اندازه گيري شده توسط عضو ، سيگنال اجراي حركت خاص و عمليات بر روي دست بيمار را پيش بيني مي كند .
در سال هاي گذشته ما به درمان هاي نوسازي زيادي نياز داشتيم بنا به دلايل مختلفي از جمله افزايش ميانگين بين جمعيت ، پيشرفت در درمان آسيب شناسي كه در گذشته علاج ناپذير بوده و ريسك بالائي از صدمات جسمي را دارا بود .
به طور طبيعي كمبودهاي موتور با صدمات جسمي مانند شكستگي استخوان ، زخم رباط ها و يا تنزل طبيعي اسكلت ماهيچه ، به وجود مي آيد . همچنين آسيب شناسي سيستم عصبي افزايش مي يابد . صدمات جمجمه ، بيماري پاركينسون ، ضربات نخاعي جز اين گروه به شمار مي آيند . براي مثال در آمريكا تقريباً 3 ميليون نفر به دليل اين بيماري ، كمبود موتور دائمي دارند .
معمولاً درمان نوسازي بر طبق عضو فلج تحت درمان ، پايه گذاري شده است . بر اساس اين رويه با فركانس روزانه براي چند ماه هدايت مي شود . واضح است كه مقدار زيادي منبع و زمان نياز است هم براي بيمار و هم براي پزشك .
مورد ديگر هزينه درمان است كه معمولاً خيلي بالا است در واقع در طي طول درمان پزشك ، تنها به يك بيمار اختصاص دارد . براي حل اين مسائل در دهه اخير آزمايشگاههاي مجهز به روباتيك ، پروژه اي را جهت طراحي و تجربيات خودكار يا سيستم هاي نيمه خودكار براي نوسازي دست شروع كرده اند . در دانشگاه Rutgers . واسط لامسه اي را درست كردند كه با 4 محرك هوايي قادر به خم كردن انگشتان فرد با بيش ترين نيرو (N 16) است . هر محرك با يك حسگر موقعيت مجهز شده كه اجازه كنترل انگشتان را توسط يك واسط كامپيوتري مطابق آموزش خاص ، مي دهد . سيستم ديگر در دانشگاه كاليفر نيا ، درمان Joystick جاوا است . اين دستگاه از نيروي دسته فرمان feedback با نوعي نرم افزار بازي استفاده مي كند كه با Juu اجرا مي شود كه براي نوسازي و اصلاح بيماران نيمه فلج بوده و به راحتي در خانه قابل استفاده است .
 
شكل 1:طرح هندسي سيستم توانبخشي دست

آزمايشگاه ديگري بر روي جسمي كار مي كند كه از يك روبات جهت حركت عضو استفاده مي كند . اين قطعه براي اصلاح مچ دست و داشتن مقاومت كم براي حركت طراحي شده بود . قطعه اي كه ما در آزمايشگاه همان توليد كرديم حاصل تجربيات قبلي از دست مصنوعي شبيه انسان و واسط لامسه
اي براي كاربردهاي واقعيت مجازي بود .
                         
                         شكل 2:نماي كلي سيستم توانبخشي كامل

                         
                شكل 3:نماي جانبي استخوان بندي بيروني     

 2-8سيستم اصلاح دست
سيستم اصلاح دستي كه پياده سازي كرديم شامل اجزاي مهم يك PC ، يك ميلرو كنترلر ، يك استخوان بندي خارجي و يك قطعه جهت ثبت سيگنال هاي EMG است . PC ، 3 تابع دارد 8 همراه با يك عملگر . توسط يك واسط گرافيكي اثر كرده ، سيگنال هاي myoelectric بيمار را ثبت و پردازش كرده و بالاخره با ميكرو كنترلر با ارتباط سريالي جهت ارسال فرمان ها و يا به دست آوردن اطلاعات حساس ، ارتباط برقرار مي كند . ميكرو كنترلر سيگنال هاي فرمان را با توجه به نياز محرك ها توليد كرده و موقعيت واقعي آنها را به وسيله حس گرها كنترل مي كند . محرك بر استخوان بندي بيمار موثر است .
1-2-8استخوان بندي خارجي
استخوان بندي خارجي كه در نظر گرفتيم شامل يك دستكش كه بر روي ساختار تكيه گاه است ، به صورت پلاستيكي پياده سازي شده است . قسمت پلاستيكي روي دستكش به 2 دليل استفاده شده : هدايت انگشتان بيمار جهت انجام يك حركت طبيعي و جلوگيري از اينكه انگشتان مجبور به تحمل Load (بارگذاري) مفرط بر نوك شان شوند . به علاوه ما 2 پوشش خميده پلاستيكي ساخته ايم كه بالا وپائين ساعد بيمار و توسط تسمه كنار هم قرار گرفته اند . ما پوشش بالائي را بر روي ساعد با وسيله اي پلاستيكي بر روي دستكش توسط يك ميله فلزي بسته ايم . بر روي پوشش بالائي ، 2 محرك گذاشته ايم كه BB805 –HS هستند . اين موتورهاي الكتريكي در موقعيت مي توانند كنترل شوند . 2 سيم به نوك انگشتان وصل شده و از طرفي ديگر به طرف قرقره خود تنظيم ميچرخد سيم ها در لوله هاي پلاستيكي كوچك مي لغزند و ماكزيمم نيروي توليد شده توسط محرك ها را حدودN100 است ، انتقال مي دهند . يك سيم به انحناي شست اختصاص داشته زمانيكه ديگري 4 انگشت را در يك زمان خم مي كند . در قسمت پشتي ، جهت حركات اضافي به 2 جهش احتياج است . در اين روش تنها با 2 درجه تحريك ، قطعه قادر به اجراي حركت است نهايتاً ، 2 پتانسيل را بر روي قرقره هاي خود تنظيم قرار داده جهت ثبت 2 سيگنال موقعيت .
2-2-8 الكترونيك و نرم افزار
واسط بين PC و قطعه نوسازي با يك board مدار انجام مي شود . يك ميكرو كنترلر ريز تراشه ، فرمان ها را از PC دريافت كرده ، سيگنال هاي فرمان را براي 2 خود تنظيم توليد كرده و به سيگنال هاي آنالوگ پتانسيل سنج نياز دارند . در هر ثانيه 6 810 عمليات را اجرا مي كند . ميكرو كنترلر داده را دريافت و ارسال مي كند از او به PC توسط يك ارتباط سريالي به زبان C برنامه نويسي شده و در كتابخانه هاي MPLAB به خودش كمك مي كند . يك برنامه مطلب ، واسط گرافيكي را پياده سازي كرده ، به پردازش سيگنال هاي EMG مي پردازد . واسط شامل يك دست مجازي و يك ميز فرمان است . دست مجازي در URUL پياده سازي شده و با يك برنامه Simulink تحريك مي شود .
 در طي جلسه درمان : اول از همه واسط حركت دست را كه بيمار بايد انجام دهد نشان داده و بعد دستكش حركت واقعي را انجام مي دهد . با استفاده از ميز فرمان ، پزشك يا حتي خود بيمار مي تواند جلسات اصلاح را تنظيم كند .
                                                                 
                         شكل 4:دست مجازي وواسط درمان   
                
                             
                    شكل 5:محل قرارگيري الكترودهاي سطحي
               
3-8پردازش EMG
جهت افزايش تأثير درمان نوسازي و اصلاح ، از سيگنال هاي myoelectric استفاده كرديم . فعاليت الكتريكي ماهيچه ها به ما اين اجازه را مي دهد كه بدانيم آيا بيمار سعي در تكان دادن انگشت ها مي كند يا نه . در طول تعداد مفاصل بي شماري كه انگشت ها را حركت مي دهد ، ما اين ها را انتخاب كرديم چرا كه الكترودهاي EMG مي تواند بر روي ساعد قرار گيرد و در اين روش سيگنال هاي ثبت شده به دليل حركت انگشتان از هيچ نويز با صدايي ، رنج نمي برند . در واقع هر 2 ماهيچه بيش تر يا كم تر در وسط ساعد قرار گرفته اند (به سمت شكم) . در پيشرفت هاي اوليه فاز دستگاه ما ماهيچه ها را كنترل و رسيدگي نكرديم .
شكل 5 جايي را كه الكترود ها رابراي اندازه گيري فعاليت ماهيچه قرار داده ايم نشان مي دهد.سيگنال هاي ميو الكتريك در فركانس 500 هرتز نمونه برداري شده ،يكسو وسپس طبق تساوي زير فيلتر شده اند:
 
دراينجا  و  به ترتيب بيانگر نمونه هاي سيگنال كنترل استفاده شده براي كنترل محرك ها وسيگنال ميو الكتريك در زمان   وkپارامتري است كه عض مجموع عملگر پنجره را تعيين ميكند.
 
 شكل 6:سيگنال EMGيكسوشده عضله خم كننده دبجيتروم سطحي b)سيگنال كنترل c )درصد چرخش زاويه ي چرخك (قرقره) فرمان يار(خودتنظيم)

 
4-8 - تست هاي اوليه دستگاه
جهت انجام تست اوليه سيستم ، فعاليت myoelectric يك فرد سالم 26 ساله را ضبط كرديم . اولين گراف شكل 6 زمانيكه شخص 3 سري حركت انگشتان را اجرا كرد در فاصله 1 دقيقه نشان مي دهد . در 17 ثانيه اول ، تنها انگشت شست خم شده بود . در 27 ثانيه بعدي ، شست در يك موقعيت استراحت قرار گرفت و شخص به خم كردن 4 انگشت ديگر به طور هم زمان پرداخت . در پايان اين تست تمامي انگشتان به طور يكسان خم شدند . داشتن اين نكه كه تداخل صدا در قسمت اول ضبط كه باعث پردازش تحت سيگنال مي شود ، مهم است . در گراف دوم شكل 6 سيگنال فرمان استفاده شده جهت كنترل محرك ، طراحي شده است . طبق معادله 1 با500 K= محاسبه شد . داده پردازش شده با يك كامپيوتر مجهز به پردازشگر Athlon ,AuD با GH 1 و ub 256 رم . جهت كنترل محرك ها ، يك استانه كار را كه در شكل 6 آمده تعريف مي كنيم . كه براي اين تست 8 را معادله u 500 مي گذاريم . اين حد استانه را جهت تشخيص فعاليت الكتريكي واقعي ماهيچه ها تعريف كرديم . در گراف آخر گردشي موتور فرمان قرقره ، همان طور كه توسط حس گر ضبط شدند ، نشان داده شده اند . زاويه چزخش با درصد بيان شده 8 (0) به معني اين است كه انگشت ها كشيده شده اند ، مقدار 5/0 برابر اين است كه در حالت استراحت قرار دارد و  انگشتان خميده شده اند ، و مقدار 1 يك دست كاملاً بسته را نشان مي دهد . يك محرك حركا انقباضي را وقتي سيگنال كندانس از حد آستانه تجاوز مي كند شروع مي كند ، سرعتش به موقعيت زاويه اش بستگي داشته و در زمان t به صورت زير محاسبه مي شود :
u(t)=A.(1-u(t))
در اين روش سرعت موتور بستگي به باز كردن دست و به طور تصاعدي وقتي انگشت ها منقبض مي شوند ، (0) مي شود . زمانيكه سيگنال كنترل كمتر از حد آستانه باشد ، انگشتان به حالت استراحتي خود بر مي گردند . همان طور كه ديده مي شود انتخاب مناسب حد آستانه به فيلتر بيش تر نونرها به دليل تداخل صدا ، اجازه مي دهد .
گرچه اين استراتژي كنترل تنها در فاز پيشرفته اي از درمان ، مفيد است ، زماني كه بيمار قادر به توليد مقدار مهمي فعاليت ماهيچه اي است . اما هنوز قادر به اجراي حركات به تنهايي نمي باشد . در حقيقت در مراحل اوليه سيستم اصلاح و نوسازي ، حركت برنامه ريزي شده كوتاهي را اجرا مي كند ، حتي اگر سيگنال هاي EMG ضبط نشده باشند . و بعد به سرعت حركت ، به فعاليت myoelectric بيمار افزايش مي يابد .
براي اينكه بدانيم آيا مي توانيم نظريه ما را به صورت تجربي شروع كنيم ، آن را بر روي يك بيمار خانم نيم فلج 65 ساله امتحان كرديم كه به دليل يك نوع كم خوني يك ماه قبل اتفاق افتاد و توانائي صحبت كردن بيمار را هم به خطر انداخت .
استخوان بندي نتيجه مطلوبي را ارائه نكرد و جهت تضمين نصب يك سيستم بهينه احتياج به يك دستيار واجد شرايط بود . مخصوصاً كه ما متوجه شديم كه سازگاري ساختار پلاستيكي با نصب 4 انگشت ، به خوبي نبود . در حالي كه با انگشت شست مشكلي نداشت . حركات بدون ضبط EMG صورت مي گرفت . در نتيجه تحت كنترل كامپيوتر ، كاملاً منفعل بودند . يادآوري مي كنيم كه اين نوع پياده سازي خاص ، اجازه گرفتن يا چنگ زدن طبيعي را نمي دهد : خميدگي انگشتان بايد جهت مقاومت انگشت شست ، هماهنگ باشند . به علاوه زمانيكه محرك 4 انگشت را با هم خم مي كند ، چرخش مفاصل بين انگشتي مجاور قابل توجه تر از مفاصل استخوان هاي كف دست است .

1-4-8. نتيجه گيري
ما استخوان بندي خارجي را جهت اصلاح و نوسازي دست ارائه كرديم : هدف اصلي ما اين بود كه بيمار احساس استقلال بيش تري داشته باشد . در اين روش يك درمانگر از لحاظ نظري اگر امكان اتصال به اينترنت باشد ، بهتر از يك بيمار در همان زمان مي تواند اجرا كند . در نتيجه مي تواني هزينه درمان نسبتاً زياد را كم كرده و سرويس نوسازي را بهبود داده ، زيرا بيمار مي تواند با يك نظارت كنترل شده اي در خانه ، آموزش ببيند . يك واسط گرافيكي حسي را توسعه داده ايم كه حتي يك انسان عادي هم بتواند از آن استفاده كند . استخوان بندي جهت سازگار بودن طراحي شده و با 2 موتور فرمان تحريك مي شود . 2 پتانسيل سنج به عنوان حس گرهاي موقعيت جهت كنترل وضعيت واقعي دست بيمار استفاده شده اند .

2-4-8 . كارهاي آينده
با احترام به ساختار مكانيكي ، مفاصل استخوان هاي كف دست بازه حركات بيش تر و استخوان بندي خارجي ، تعداد درجات آزادي بيش تري دارند . بدين معني است كه محرك هاي بيش تري مورد نياز است . گرچه ما بيش تر تلاشمان را بر روي استخوان بندي سازگارتري كرديم ، يك ساختار پيچيده تر ممكن است راحت تر توسط بيمار پوشيده شود . تكنيك هاي پيشرفته تر جهت پردازش EMG ، براي تغيير پذيري طبيعي اين سيگنال ها مهم است . بدين دليل ضبط فعاليت myoelectric در موقعيت هاي ديگر مي تواند مفيد باشد . اين مورد خيلي مهم است چرا كه ممكن است يك فاكتور انگيزشي مهمي شود . در فصل اينده يك مدار انالوگ براي كنترل دست مصنوعي معرفي خواهيم كرد.






فصل نهم
يك مدار انالوگ جديد براي كنترل دست صنوعي












1-9مقدمه
دست های مصنوعی برای کمک به افرادی که دچار قطع عضو هستند، طراحی شده اند. از این دست ها انتظار می رود که همانند دست واقعی عمل کنند. حرکت انگشتان جهت تغییر گیرانداختن و گیرآوردن یک شی در یک دست واقعی این فعالیت ها با سیگنا ل های عصبی کنترل می شوند. تعداد عملیات دست یافتنی محدود به تکنولوژی موجود و تعداد کمی سیگنال های EMG استفاده شده جهت کنترل دست مصنوعی است. هم چنین در بسیاری از موارد مشاهده شده است که سطح عضو قطع شده ممکن است سبب محدود شدن تعداد سیگنال های EMG در دسترس بنابراین محدود شدن تعداد عملیات ممکن می شود.
روش های مختلفی جهت پردازش سیگنال های EMG در دسترس برای کنترل حرکت انگشتان در یک دست مصنوعی ، پیشنهاد شده است. عموماً پردازش در ناحیه دیجیتالی، با استفاده از یک شبکه عصبی صورت می گیرد. این روشها به سیگنال های EMG چند گانه ای که تنها در سطح پائینی از قطعی عضو در دسترس هستند، احتیاج دارد. زمانیکه سطح قطعی عضو بالاتر می رود منابع EMG کمتری در دسترس هستند که در بدترین موارد به یک سیگنال EMG مجزا، منجر می شود. به علاوه جهت افزایش تاثیر دست مصنوعی در گرفتن و نگهداشتن اشیای مختلف، سیگنال های بازخورد از حس گرهای کارگذاشته شده بر روی نوک انگشتان، احتیاج به پردازش در نقاط تقاطع توسط سیگنا ل های EMG در دسترس دارند. در اصل سیگنال های EMG، در طبیعت آنالوگ طیف وسیعی هستند و به فاکتورهای متعددی وابسته هستند. شکل و دامنه واقعی اش می تواند از زمانی به زمان دیگر و از فردی به فرد دیگر تغییر کند. و پردازش این سیگنال ها در ناحیه آنالوگ واقع گرایانه گر از ناحیه دیجیتال است. به علاوه تحقیقات اخیر نشان داده است که پردازش طبیعی سیگنال ها در ناحیه آنالوگ ممکن است نتیجه محاسباتی مهمی را در مقایسه با پردازش آنها در ناحیه دیجیتال داشته باشد. با در نظر داشتن این حقایق یک مدار آنالوگ جدید جهت کنترل موثر دست های مصنوعی با استفاده از سیگنال های EMG، پیشنهاد شده است. گرچه مدار می تواند جهت پردازش سیگنال های EMG با تغییر کمی، استفاده شود، بدترین سناریو این است که یک سیگنال EMG تنها در دسترس باشد. هم چنین یک روش موثر و ساده جهت کنترل طرز قرار گرفتن دست با استفاده از سیگنال EMG تنها، در نظر گرفته شده است.
به علاوه مدار ، ظرفيت كنترل موثرتري را توسط پردازش سيگنال هاي بازخورد (feedback) ، از نيروي نوك انگشت ها و حس گرهاي لغزان در تركيبي از سيگنال هاي EMG ورودي دارد از جمله توليد كنترل مناسب حركت انگشت شخصي .
 
2-9چكيده اي از سيستم

         
شكل 1:بلوك دياگرام سيستم پيشنهادي
يك دياگرام عمومي سيستم پيشنهاد شده در شكل 1 نشان داده شده است كه تركيبي از الكترودهاي استاندارد ، تحليل گر سيگنال EMG يك ماشين وضعيت آنالوگ ، يك واحد پردازش سيگنال و يك دست مصنوعي با حس گرهاي گذاشته جهت كشف فعاليت توان و لغزش است . و حل آن بسيار مشكل است . يعني با در نظر گرفتن مقدار باينري سيگنال EMG ، تنها 2 حالت مي تواند كنترل شود كه در اينجا يك متدولوژي جهت غلبه بر اين مشكل وجود دارد . هر كدام از وضعيت هاي ممكن با يك حالت هم مرتبط شده اند . انتقال از يك حالت به حالتي ديگر توسط شمارش تعداد EMG هاي از هم پاشيده متوالي به دست مي آيد .
براي مثال براي ايجاد امكان انتقال از وضعيت 1 به وضعيت 3 ، 2 EMG از هم پاشيده شده بايد در زمان T  توليد شوند كه پردازش در شكل 2 توضيح داده شده است . زمان T با مقدار سيگنال Load cap مشخص شده است .
هنگامي كه Load cap =1 ما در زمان مشخص شده T هستيم . در واقع مدارات كنترل كامل ، به عنوان يك ماشين وضعيت ساده در نظر گرفته مي شود . تكنيك طراحي آنالوگ جهت پياده سازي در اينجا استفاده شده است .
يادآوري شده است كه مدت زمان T ممكن است از شخصي به شخص ديگر تعديل يافته كه بستگي به خروجي تقويت كننده EMG دارد . گرچه وضعيت هاي توصيف شده در جدول 1 تنها براي مثال بوده و هر وضعيتي ممكن است مطابق با هر حالتي استفاده شود . متدلوژي پيشنهاد شده جهت يكپارچه كردن بيش تر وضعيت هاي پيچيده استفاده شده اند .
 
شكل 2:ديا گرام حالت كنترل حالات مختلف دست با استفاده از سيگنال EMG
 
جدول 1:حالات دست وتعداد سيگنال هاي مربوطه
متاسفانه خود  شكل سيگنال EMGبراي روش  ذكر شده در بالا مناسب نسيت ،بنابراي هر سيگنال EMGابتدا به وسيله ي تكنيك thersholdingبه موج مربعي تبديل مي شود همانطور كه در شكل 3 نشان داده شده اشت.در اينجا يك سيگنال  مداوم استفاده شده است.اين عمل براي  استفاده از تحليل گرسيگنالEMG انجام مي شود.براي سيگنال هاي متوالي خروجي اين مدار توليد ميكند يك رشته پالس جايي كه  پالس ها در هر زمان متوالي  پنجره زماني Tبه عنوان  يك راهنما براي ماشين حالت انالوگ در نظر گرفته شده است تا انتخاب كند حالت مخصوصي از حالات پيش فرض مختلف بطوري كه  قبلا شرح داده شد.
بعد از انتخاب حالت توسط كاربر سيگنال هاي هم تراز به واحد پردازش فرستاده مي شوند (شكل 3) جهت تول  يد سيگنال هاي موازينه براي كنترل حركت انگشت .
                             
                         شكل3:بلوك دياگرام پردازش سيگنال
واحد پردازش سيگنال ، يك واحد محاسباتي آنالوگ چند منظوره است كه قادر به اجراي عمليات چند جمله اي مزتبه اول است:
 
در معادله ي بالا Aيك ورودي از ماشين انالوگ جهت كنترل حركت انگشتان مصنوعي .Bبه عنوان ميزان سازي ورودي براي تغيير واكنش ولتاژ خروجي است.CوD ورودي جهت كنترل دستگاه سيگنال هاي Feedback ، جمع و تفريق شده اند .
3-9پياده سازي مدار
1-3-9 . تحليل گر سيگنال EMG : شكل 5 ، يك نمودار كلي و شكل سيگنال EMG را تحت پردازش نودهاي مختلف نشان مي دهد . سيگنال EMG  به دست آمده ، دامنه   200 را نشان مي دهد . زمانيكه ماهيچه در حال استراحت است ، سيگنال دامنه مقدار كمي دارد (0 ولت) و هنگامي كه ماهيچه منقبض مي شود ، بيش ترين مقدار ( 100) در نتيجه يك مقايسه كننده با ولتاژ 50 ولت جهت نشان دادن زمانيكه ماهيچه منقبض شده است يانه ، احتياج است . خروجي مقايسه گر C1 توسط ترانزيستوري به عنوان ديود و خازن pF 50 ، محكم شده است . اين سيگنال با ولتاژ منبعي از mu100 با استفاده از مقايسه گر C2 جهت توليد پالس خواسته شده مقايسه شده است . از وقتي كه توسط C1 ، اشتباهات كوچكي توليد شدند ، سيگنال EMG دامنه نزديك به ولتاژ منبع C1 ، و مقايسه گر C2 ، جهت جلوگيري از اشتباهات بيش تر ، از ولتاژ منبع بالاتري استفاده مي كند .
                                     
                           شكل 4:بلوك دياگرام تحليل كننده ي سيگنال EMG
2-3-9 ماشين حالت آنالوگ : طبق تحليل سيگنال EMG جهت پردازش تعداد سيگنال هاي EMG وارده به ماشين حالت آنالوگ فرستاده شد . فليپ فلاپ هاي FF1 وFF2  به عنوان شمارنده هاي 2 بيتي جهت نگهداشتن مسير تعداد سيگنال هاي EMG تحريك شده ، استفاده شده اند در زمانيكه تقويت كننده موثر OP1 همراه با ترانزيستور M1 و خازن Cap1 به عنوان ردياب ساخته شده اند .
اين پيكر بندي ردياب مي تواند ولتاژ خروجي را در زمان s 1 نگهدارد . كاربر مي تواند سيگنال هاي EMG پي در پي را در زمان T براي تغيير حالت دست مصنوعي بفرستد .
 شكل 5:شماتيك مدار پردازش سيگنال
مقايسه گرهاي C4,C3 جهت دادن u 6/0 به خروجي شان هر زماني كه سيگنال از ولتاژ هاي منبع عبور مي كند ، set  مي شوند . لبه بالا رونده خروجي C4,C3 ، در صورتيكه لبه هاي پائين رونده شان در ms556 و ms750 ، اتفاق بيفتد ، تقريباً هم زمان هستند . خروجي C3 جهت ذخيره سازي شمارنده هاي 2 بيتي به FF3 و FF4 استفاده شده است ، زمانيكه خروجي C4 شمارنده را reset مي كند . در نتيجه كاربرد بايد سيگنال هاي پي در پي را تا 556 ميلي ثانيه بفرستد . شكل كنترل سوئيچ جهت كنترل 5 سوئيچ آنالوگ جائيكه عمليات كنترل دست طبيعي صورت مي گيرد ، توسط سيگنالهاي ذخيره شده در FF4,FF3 استفاده شده است .
3-3-9 واحد پردازش سيگنال : جهت كنترل 5 انگشت هر واحد در طراحي ها استفاده شده اند . ابعاد ترانزيستور استفاده شده در اين طراحي در جدول II آْمده اند . يك هسته تقويت كننده استاندارد با اجزاي RC اوليه در اينجا استفاده شده است . ضريب مدار در اين بخش مدار تفريق استفاده شده جهت پردازش خروجي هسته تقويت كننده را در تركيب عطفي با جريان خروجي پخش d,c ارائه   مي دهد . بخش d,c دامنه هاي سيگنال feedback كه در نودهاي D,C  آمده ترميم مي كند . در واقع توليد بخش C براي ورودي مثبت بخش تفريق تهيه شده است . در حاليه توليد بخش d به جدول 2:اندازه ي  ترانزيستورهاورودي منفي مدار تفريق متصل است
 
4-9نتايج شبيه سازي
براي نشان دادن اجراي سيستم ، يك شبيه سازي با استفاده از Cadence Spectre صورت گرفته است . سيگنال هاي Real Life EMG ، جهت شبيه سازي استفاده شده اند . گرچه زمان تكراري پالس هاي EMG براي به دست آوردن عامليت سيستم يكپارچه ، تغيير كرده است . بعد از ورود سيگنال EMG به سيتم ، طبيعت سيگنال هاي پردازش شدن در خروجي هر واحد چك شده است . از اين شكل ها متوجه مي شويم كه مدار طراحي شده يك تابعيت دارد .
                                  
 شكل 6:سيگنالهاي  داخلي شبيه سازي  شده ي  تحليل گر  سيگنالEMG
واكنش مدار ماشين حالت آنالوگ زمانيكه سيگنال هاي EMG در سيتم عملي شده اند ، در شكل 7 آمده است . در اين شكل نشان مي دهد كه چطور يك ماشين حالت آنالوگ مي تواند تعداد پالس هاي EMG را هر زماني كه فاصله بين پالس هاي EMG پي در پي ، از يك زمان از پيش تعيين شده  فراتر مي رود ، ذخيره كند .
                                             
                        شكل7:مجموعه سيگنال هاي  EMGوپاسخ خروجي  ماشين حالت انالوگ
مهم ترين اينها نتيجه ي نشان داده شده در شكل  8 ميباشد.در  اينجا حركات انگشتان شخص  نشان داده شده وپاسخ زماني اين انگشتان مي تواند تغيير كند.هم چنين جريان  گرفته شده از منبع تغذيه نيز اندازه گيري شده كه توان مصرفي 4ميلي ولت را براي كل مدار نشان مي دهد.
                        
شكل 8: پاسخ هاي شبيه سازي شده براي تغييرات انگشتا ن مختلف
5-9نتيجه گيري
در اين بخش كنترل دست هاي مصنوعي با سيگنال هاي EMG در تركيب سيگنال هاي feedback از حس گرهاي فشاري كه در دست هاي مصنوعي كار گذاشته شده اند ، ارائه شده است . استفاده از سيگنال هاي EMG سطحي واقعي توانايي مدار جهت اجراي تعداد حالت ها نشان داده شده است . همين طور زمان پاسخ انگشت هاي شخصي كه مي تواند تنها با استفاده از EMG تنها در اين مدار ، تغيير كند ، نشان داده شده است .

پایان نامه

برای دیدن ادامه مطلب از لینک زیر استفاده نمایید

 

انجام پایان نامه | دانلود مقاله

سفارش پایان نامه