مقدمه

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

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

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

 

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

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

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

اما اگر از الکترودهای سوزنی فرو رونده در ماهيچه استفاده شود , سيگنالهای EMG می توانند دارای دامنه ای در حدود دو برابر حالت قبلی شوند و در نتيجه به بهره کمتری برای تقويت نياز دارند و همچنين از آنجاييکه سطح الکترودهای سوزنی EMG نسبت به الکترودهای سطحی به مراتب کمتر است , امپدانس منبع مولد سيگنال بالاتر بوده و لذا امپدانس ورودی بالاتر تقويت کننده لازم است .

در مراکز بهداشتی و درمانی EMG اغلب به روش سوزنی انجام می شد و روش سطحی با وجود بهداشتی بودن و عدم درد , بندرت به کار می رفت زيرا اين روش دارای شکل موج کاملا" تصادفی است و استخراج پارامترهای آن بدون استفاده از روشهای پردازش کامپيوتری امکان پذير نيست , ولی اخيرا" با پيشرفتهای انجام گرفته در روشهای پردازش کامپيوتری بتدريج استفاده از الکترودهای در ثبت EMG رو به افزايش است .

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

منابع نويز :

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

1- منابع بيولوژيکی

2- منابع غير بيولوژيکی

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

منشاْ سيگنال EMG :

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

بررسي الکترودها

الکترودهای پتانسيلهای حياتی , عمل وساطت بين بدن و دستگاه اندازه گيری الکترونيکی را به منظور اندازه گيری و ثبت پتانسيلها را فراهم می آورند .

هنگامی که دو محلول آبی يونی با غلظتهای مختلف توسط يک غشاء نيمه تراوای انتخاب کننده يون جدا می شوند , پتانسيل الکتريکی در اين غشاء به وجود می آيد . می توان نشان داد که اين پتانسيل با معادله زير تعيين می شود :

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

در اين رابطه , C1وC2 فعاليتهای يونها در هر طرف غشاء می باشند . هنگامی که يک فلز با محلول در تماس قرار گيرد اختلاف پتانسيلی بين بين آن فلز و مايع برقرار می شود . تيغه ای ازجنس نقره و محلولی از کلريد نقره را در نظر بگيريد و در حالت تعادل لايه نازکی به صورت تک ملکولی از يونهای نقره سطح تيغه را فرا گرفته است که به آن لايه Helmholtz می گويند . در داخل محلول مماس بر اين لايه , لايه ای از يونهای کلر که غلظت نسبی آن بصورت نمايی نسبت به فاصله کم می شود و به لايه Gouy- Stern مشهور است , قرار دارد . به اين دو لايه double layer گفته می شود که در محل تماس يک فلز با محلول الکتروليت آن به وجود می آيد . مقدار اين پتانسيل بين 100 تا 800 ميلی ولت می باشد و در حالت پايدار مقدار آن از رابطه زير قابل محاسبه می باشد :

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

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

چنانچه الکترودی از نقره داخل و يا روي بدن قرار گيرد ديگر نمي توان از اين رابطه استفاده نمود

بنابراين پوشاندن اين الكترود با لايه اي از كلريد نقره ، آن را تبديل به الكترودي قابل استفاده خواهد نمود كه امروزه به عنوان الكترود پايدار مورد استفاده قرار مي گيرد . اين لايه به صورت لايه اي نفوذ ناپذير غير هادي رسوبي و تقريبا" غير محلول در آب قرار دارد و نقش آن ايجاد يك محيط يوني اشباع شده در سطح فلز مي باشد . رابطه بين غلظت يونهاي كلر ونقره در اين لايه به صورت زير مي باشد :

C(Ag) = Ksp/C(Cl )

كه در اين رابطه Ksp ثابت حلاليت بوده و براي محلول اشباع در دماي ثابت مقدار ثابتي است . اين رابطه مشخص مي كند كه غلظت يونهاي نقره به وسيله يونهاي كلر تعيين مي شود . غلظت يونهاي نقره مقدار پتانسيل نيمه سلولي (پتانسيل بين فلز و الكتروليت ) را معين مي كند ودر نتيجه پوشش AgCl بوسيله يونهاي منفي كلر بارهايي را با محيط كلريد سديم و به وسيله يونهاي مثبت نقره بارهايي را با الكترود نقره رد و بدل مي كند . با استفاده از روابط قبلي مقدار اين پتانسيل برابر خواهد بود با :

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

كه بخش آخر اين رابطه تنها به فعاليت يون كلر و درجه حرارت محيط بستگي دارد . بستگي اين ولتاژ به غلظت يونهاي كلر باعث مي شود كه ولتاژ مزبور كاملا" مشخص و پايدار باشد و چنانچه اختلالي مانند دور شدن يكباره يونهاي كلر ونقره رخ دهد اين يونها بلا فاصله بوسيله پوشش رسوبي الكترودها جايگزين مي شوند و الكترود پايدار خواهد شد .

هنگامي كه دو الكترود به ورودي آمپلي فاير متصل شوند ولتاژي به نام ولتاژ افست در ورودي مشاهده مي شودكه با توجه به ضعيف بودن سيگنالهاي بيو الكتريك نسبت به ولتاژ مذكور بايد به وسيله تنظيم آمپلي فاير بر اين ولتاژ فايق شويم . همچنين به علت ايده آل نبودن آمپلي فاير مقداري از ولتاژ نيم سلولي با بهره مشتركAc در خروجي ظاهر مي شود . بنا براين بايد از مداري تقويت كننده اي استفاده نمود كه داراي CMRR بسيار زياد باشد .

 

 

محل قرارگيري الكترودها :

يكي از الكترودها بر روي شكم عضله كه داراي بيشترين دامنه EMG است و الكترود ديگر نزديك تاندون نصب مي شود . فاصله بين دو الكترود نيز بايد بين 2 تا 3 سانتيمتر باشددر عضله اي

كه قطع شده باشد بزرگترين دامنه EMG بين و كمي بالاتر از محل قطع شدگي وجود دارد . عضله قطع شده بايد به وسيله جراحي به يك جا بسته شده باشد .

در شكل 2-1 نحوه الكترودگذاري بر روي بازو را نمايش مي دهد الكترودها را تاحد امكان بايد نزديك به هم قرار داد و اگر از الكترود رفرنس استفاده مي شود ، الكترود رفرنس بر روي مچ دست قرار مي گيرد.

شكل 2-1- نحوه الكترود گذاري

 

بررسي انواع الكترود :

 

الكترودهاي صفحه فلزي : اين نوع الكترود از يك هادي فلزي در تماس با پوست تشكيل شده است . يك نوع از آن عموما" براي ECG در دست و پا استفاده مي شود كه شامل يك صفحه فلزي پهن است كه به شكل قطعه استوانه اي شكلي خم شده است . پايه اي روي سطح خارجي آن و نزديك به انتهاي آن قرار داده مي شود . از اين پايه براي اتصال سيم ليد به ECG استفاده مي شود . شكل 2-2 نمايي از اين الكترود را نشان مي دهد :

شكل 2-2- الكترود صفحه فلزي كه براي عضوها به كار مي رود .

نوع متداول دوم الكترود صفحه فلزي ، ديسك فلزي است كه سيم ليد از پشت به لحيم يا جوش داده شده است . از اين نوع الكترود براي ثبت ECG در ثبتهاي طولاني مدت به عنوان الكترود سينه اي استفاده مي شود. شكل 2-3 نمايي از اين الكترود را نشان مي دهد :

شكل 2-3- الكترود صفحه فلزي كه با نوار جراحي استفاده مي شود .

در اين موارد الكترودها معمولا" از ديسكي نقره اي ساخته مي شوند و يك لايه از كلريد نقره روي سطح تماس خود دارد .به منظور ايجاد و حفظ تماس ، اين الكترود با ژل الكتروليت پوشانده شده و به قفسه سينه بيمار فشار داده مي شود . استفاده از اين نوع الكترود براي ثبتهاي سطحي EMG متداول است . شكل 2-4 نمايي از اين الكترود را نشان مي دهد :

شكل 2-4- الكترود هاي فوم پد يك بار مصرف ، اغلب با دستگاههاي مونيتورينگ استفاده مي شوند .