LABORATORIUM BIOMECHANIKI Instrukcja do ćwiczenia nr 3 Rejestracja i analiza sygnału EMG

Transkrypt

1 LABORATORIUM BIOMECHANIKI Instrukcja do ćwiczenia nr 3 Rejestracja i analiza sygnału EMG Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie z metodą pomiaru sygnału EMG oraz nabycie podstawowych umiejętności jego analizy z wykorzystaniem elementarnych metod przetwarzania sygnału EMG. Instrukcja obsługi programu 1. Osobę wykonującą ćwiczenie przygotować do pomiaru umieszczając na oczyszczonej skórze po dwie elektrody na mięśniu dwugłowym ramienia (biceps), mięśniu trójgłowym ramienia (triceps), mięśniu ramienno-promieniowym przedramienia (flexor carpi radialis) oraz mięśniu naramiennym (deltoid) jednej ręki, zgodnie ze wskazówkami prowadzącego. 2. Włączyć urządzenie NORAXON TeleMyo 2400R G2 (włącznik znajduje się na lewej bocznej ściance). 3. Włączyć urządzenie NORAXON TeleMyo DTS przyciskiem Power. 4. Włącz bezprzewodowe czujniki sygnału EMG umieść wszystkie czujniki w pojemniku do ładowania, podłącz na chwilę ładowarkę do sieci, odłącz kabel ładowarki od pojemnika. Czujniki powinny zacząć mrugać zieloną diodą. 5. Następnie podłączyć do zamocowanych elektrod bezprzewodowe czujniki EMG zwracając uwagę na to, aby elektroda referencyjna przylegała do ciała oraz zapamiętując numery czujników oraz z którego mięśnia dany czujnik będzie mierzył sygnał. 6. Uruchomić program MR-XP 1.07 Master Edition ikonka programu znajduje się na Pulpicie. 7. W lewym górnym rogu z listy rozwijanej Project wybrać biomechanika. Następnie w ramce Subject wpisać nazwę grupy wraz z datą, np. A11_27_04_2013 i kliknąć New. 8. Otworzy się okienko o nazwie New Subject, w którym można wpisać informacje na temat badanej osoby imię (First Name), nazwisko (Last Name), itd. Na potrzeby ćwiczeń z Biomechaniki inżynierskiej wystarczy wpisać pseudonim, bądź inicjały osoby wykonującej ćwiczenie. Na końcu wcisnąć Ok w lewym dolnym rogu okna. 9. Następnie klikamy w lewym dolnym rogu okna przycisk Measure. 10. W ramce Muscle/Device Maps należy wybrać odpowiednie umiejscowienie elektrod zwracając uwagę na to, na której ręce umiejscowione są czujniki i przeciągnąć do ramki Channels do odpowiedniego numeru czujnika. W zakładce Frontal View zaznaczamy biceps oraz mięsień ramienno-promieniowy, natomiast w zakładce Dorsal View triceps oraz mięsień naramienny. Można wykonać zrzuty ekranów z widokiem umiejscowienia elektrod i dołączyć je do sprawozdania. 11. Po wykonaniu powyższych czynności klikamy przycisk Start w lewym dolnym rogu. 12. Pojawi się okno podglądu. Osobę wykonującą ćwiczenie prosimy teraz o swobodne siedzenie na krześle oraz rozluźnienie ręki, na której wykonywany jest pomiar. Następnie prosimy o wykonanie kilku ruchów w stawie barkowym i łokciowym celem skontrolowania czy wszystko jest właściwie podłączone. 13. Ponownie prosimy osobę wykonującą ćwiczenie o rozluźnienie ręki. 14. Jeśli czujniki prawidłowo rejestrują sygnał mięśniowy, należy przejść do pracy w programie BTS Smart Capture. W tym celu należy umieścić markery refleksyjne w

2 trzech punktach ręki, na której uprzednio zostały umieszczone elektrody: nadgarstek, łokieć, bark oraz dodatkowo (w celach lepszej wizualizacji) należy oznaczyć wyrostek kolczysty piątego lub szóstego kręgu szyjnego oraz kość krzyżową. 15. Uruchomić program BTS Smart Capture, sprawdzić czy wszystkie markery są widoczne przez większość kamer oraz włączyć podgląd sygnału EMG przekazywanego przez program Noraxon MR-XP 1.07 Master Edition. Wykonanie pomiarów 1. W pierwszym pomiarze należy zarejestrować maksymalną pracę dla każdego z mięśni, których sygnał jest rejestrowany (pomiar MVC). W tym celu osoba ćwicząca, przy pomocy drugiej osoby asystującej wykonuje ćwiczenia po kolei na każdy z mięśni, przy czym osoba asystująca hamuje ruch wykonywany przy każdym ćwiczeniu, tak aby napięcie mięśniowe było maksymalne (ćwiczenia izometryczne). 2. Nagranie zarejestrowane w programie Smart Capture należy zapisać, opisać w programie Smart Tracker przy użyciu modelu kgorna.xmf oraz sygnał mięśniowy wyeksportować w postaci pliku tekstowego przy użyciu programu Smart Analyzer. Plik zapisać pod nazwą max_napiecie_miesni.emt. Ten plik będzie stanowił podstawę do obliczenia maksymalnego napięcia mięśniowego dla poszczególnych mięśni osoby ćwiczącej. 3. Dla każdej osoby uczestniczącej w zajęciach należy opracować ćwiczenie na kończynę górną (z użyciem ciężarka, bądź bez ciężarka), w którym to jest możliwe zaobserwowanie pracy dwóch z mięśni przygotowanych do badania. Ćwiczenie powinno być wykonywane w taki sposób, aby ruch zgięcia i wyprostu lub odwiedzenia i przywiedzenia kończyny był wykonywany w płaszczyźnie XY przestrzeni rejestrowanej przez system BTS Smart. Ćwiczenie powinno rozpoczynać i kończyć się od pozycji ręki, w której wszystkie mięśnie są rozluźnione (przez ok. 2s). 4. W każdym ćwiczeniu powinny zostać zarejestrowane trzy powtórzenia wykonywanego ruchu, w wolnym lub umiarkowanym tempie. Zarejestrowane nagranie należy zapisać i opisać w programie Smart Tracker przy użyciu modelu kgorna.xmf. 5. Następnie należy uruchomić program Smart Analyzer, otworzyć w nim opisane nagranie ćwiczenia oraz otworzyć protokół obliczeniowy o nazwie zgiecie_i_odwiedzenie_emg2.epx i wprowadzić do niego przed chwilą otwarte nagranie przy użyciu niebieskiej strzałki otwartego okna dialogowego. 6. W programie Smart Analyzer należy wyeksportować do pliku tekstowego wszystkie zapisy sygnału mięśniowego EMG oraz obliczone przez protokół zmiany kąta między przedramieniem i ramieniem ( ZgiecieLokcia ) oraz zmiany kąta między ramieniem i tułowiem ( OdwiedzenieRamienia ). 7. Zamknąć program Smart Analyzer oraz Smart Tracker. 8. Punkty od 4 do 7 powtórzyć dla każdego z zaplanowanych ćwiczeń. 9. Po zakończeniu pomiarów wyłącz program Smart Capture oraz czujniki EMG używając do tego celu urządzenia NORAXON TeleMyo DTS. Kliknij przycisk Enter (środkowy przycisk panelu). Następnie strzałką w dół najedź na opcję Shutdown Sensors i znów kliknij Enter. Po chwili pojawi się komunikat SHUTDOWN SENT PRESS ENTER TO CONTINUE. Naciśnij Enter. 10. Wyłącz urządzenie NORAXON TeleMyo poprzez przycisk Power. 11. Wyłącz urządzenie NORAXON TeleMyo 2400R G2 przyciskiem znajdującym się z lewej strony urządzenia. 12. Jeżeli pomiary wykonywane były na lewej ręce to przy rozluźnionych mięśniach w przebiegu sygnału EMG można zauważyć pojawiające się w regularnych odstępach

3 czasu wyładowania. Co to jest? Czy można to wyeliminować? Wnioski zamieścić w sprawozdaniu. Opracowanie wyników 1. Tabelka do porównania wyników poziomu aktywności mięśni dla dwóch analizowanych podczas ćwiczenia mięśni. Tabela 1 Maksymalna amplituda sygnału [mv] Mięsień 1 Mięsień 2 2. Obliczanie RMS sygnału dla danej szerokości okna (w programie Microsoft Excel). a) Wczytać w programie dane z pliku tekstowego z zapisem surowego sygnału EMG. b) b) Po wczytaniu pierwsza kolumna zawiera informacje na temat wartości chwil czasu, druga i trzecia kolumna wartości surowego sygnału EMG z mięśnia nr 1 (bicepsa) oraz mięśnia nr 2 (tricepsa). c) Zamienić wszystkie kropki na przecinki. d) W czwartej i piątej kolumnie (kolumny D i E na rys. 1) obliczyć kwadraty wartości sygnału EMG odpowiednio z drugiej i trzeciej kolumny (kolmny B i C na rys. 1). e) Na rys. 1 przedstawiono przykładowe obliczenia RMS sygnału EMG dla szerokości okna 10 ms. Częstotliwości próbkowania wynosiła 1500 Hz. Dlatego dla szerokości okna 10 ms do obliczenia wartości RMS wziętych zostało 16 próbek (bo wartość chwili czasu równą 10 ms osiągnięto w 16 próbce). Stąd formuła, którą wpisano w komórce F17 do obliczenia wartości RMS miała postać: PIERWIASTEK(SUMA(D2:D17)/16). Rysunek 1 Obliczanie RMS w programie Microsoft Excel.

4 W ćwiczeniu należy wziąć pod uwagę, że sygnał EMG był nagrywany z częstotliwością 400 Hz oraz przyjąć szerokość okna jako 20 ms. 3. Porównanie pracy dwóch wybranych mięśni w określonych fazach ruchu. Celem ćwiczenia jest porównanie pracy dwóch mięśni w trakcie wykonywania określonego zadania ruchowego, z uwzględnieniem różnych faz ruchu (zgięcia i wyprostu, w określonych położeniach kątowych). W tym celu należy porównać wartości otrzymywanej amplitudy sygnału, dzieląc zakres zgięcia/wyprostu na 6 faz oraz odczytać wartość sygnału przy danym położeniu kończyny, rejestrowanym przy pomocy systemu analizy ruchu BTS Smart. Przykład: Rysunek 2 Wykres zależności zmiany kąta między przedramieniem i ramieniem. Z wykresu zależności zmiany kąta między przedramieniem i ramieniem (Rys. 2) można odczytać, że zmieniał się on od 160 do ok. 60 przy każdym z dwóch widocznych powtórzeń. Dlatego wartość sygnału mięśniowego została odczytana dla kątów zgięcia: 160, 140, 120, 100, 80 oraz 60, a więc sygnał mięśniowy RMS został odczytany dla chwil czasowych odpowiadających chwilom, dla których zgięcie łokcia wynosi 160, 140, 120, 100, 80 oraz 60. Wartości odczytane dla trzech powtórzeń powinny być odczytanie oddzielnie dla obu analizowanych mięśni, oddzielnie dla ruchu zgięcia i wyprostu oraz uśrednione z trzech powtórzeń (wraz z podaniem odchylenia standardowego). Tabela 2 Wartości sygnału EMG w poszczególnych fazach ruchu Faza ruchu Zgięcie Wyprost Mięsień 1 [mv] Mięsień 2 [mv] Mięsień 1 [mv] Mięsień 2 [mv]

5 Należy zwrócić uwagę, że kamery rejestrują położenie markerów z częstotliwością 100 Hz, natomiast sygnał EMG jest rejestrowany z częstotliwością 400 Hz, dlatego też przy odczytywaniu wartości należy sugerować się chwilą czasową nagrania, a nie numerem klatki (frame). Sprawozdanie powinno zawierać 1. Wstęp teoretyczny. 2. Rysunek 1 - umiejscowienie elektrod w trakcie pomiaru (tylko dwóch mięśni branych pod uwagę przy analizie w sprawozdaniu). 3. Tabela 1 maksymalne wartości amplitudy sygnału EMG wyznaczone dla dwóch analizowanych mięśni (wyznaczone po obliczeniu RMS sygnału dla pliku o nazwie max_napiecie_miesni.emt ). 4. Rysunek 2 - Schemat ćwiczenia analizowanego w sprawozdaniu, wykonywanego przez osobę badaną. 5. Wykres 1 oraz Wykres 2 obliczony RMS sygnału (odpowiednio dla mięśnia 1 i 2) w funkcji czasu, znormalizowany względem wartości maksymalnej wyznaczonej w Tabeli Wykres 3 zmiana kąta zgięcia stawu łokciowego lub zmiana kąta między ramieniem, a tułowiem w funkcji czasu (w zależności od rodzaju analizowanego ćwiczenia). 7. Tabela 2 wartości sygnału EMG w poszczególnych fazach ruchu (jak w przykładzie powyżej) 8. Wnioski mogą dotyczyć: a. porównania wartości sygnału w poszczególnych fazach ruchu kiedy dany mięsień pracuje, a kiedy nie? Który z nich bardziej intensywnie? Czy kierunek wykonywania ruchu (zgięcie/wyprost) ma znaczenie? b. przebiegu sygnału dla rozluźnionej ręki. Czy pojawiły się jakieś artefakty? Jeśli tak to jakie? c. komentarz do uzyskanych wyników (obserwacje). d. Co mogło mieć wpływ na dokładność pomiarów? 9. Spis wykorzystanej literatury. Zagadnienia kontrolne 1. Układ sterowania ruchem człowieka. 2. Proprioreceptory. 3. Jednostka motoryczna. 4. Definicja sygnału EMG. 5. Elektromiografia igłowa i powierzchniowa. 6. Powstawanie sygnału EMG. 7. Czynniki wpływające na sygnał EMG. 8. Procedury przygotowania skóry. 9. Artefakty w sygnale EMG. 10. Obróbka sygnału EMG. 11. Normalizacja MVC (wady i zalety). 12. Standardowe parametry amplitudy i częstotliwości sygnału EMG. 13. Zastosowanie sygnału EMG. Literatura [1] Bober T., Zawadzki J., Biomechanika układu ruchu człowieka, Wydawnictwo BK,

6 Wrocław [2] Konrad P., ABC EMG, Noraxon INC. [3] De Luca C., The use of surface electromyography in biomechanics, Journal of Applied Biomechanics, Vol. 13(2), 1997, str [4] Merletti R., Parker P.A., Electromyography. Physiology, Engineering and Nonincasive Applications, IEEE Press [5] Smoleń M., Elektromiografia i jej zastosowania, w: Praca zbiorowa pod red. R. Tadeusiewicza i P. Augustyniaka, Podstawy Inżynierii Biomedycznej, t. 1, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków [6] Buśkiewicz J., Grabski J. K., Walczak T., Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych z biomechaniki inżynierskiej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2015