LABORATORIUM BIOMECHANIKI Instrukcja do ćwiczenia nr 1 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. Wstęp teoretyczny W układzie regulacji ruchu człowieka można wyróżnić wewnętrzne i zewnętrzne sprzężenie zwrotne oraz tzw. sprzężenie proste. W zewnętrznym sprzężeniu zwrotnym rolę czujników dostarczających informacji na temat przebiegu ruchu pełnią narządy zmysłów (wzrok, słuch, powonienie, dotyk, smak). W wewnętrznym sprzężeniu zwrotnym rolę tę pełnią proprioreceptory (organ ścięgnisty Golgiego, wrzeciono mięśniowe) [1]. Bezpośrednio za wywołanie impulsu do skurczu danej grupy włókien mięśniowych odpowiedzialny jest motoneuron α (umiejscowiony w rogach przednich kręgosłupa), który wraz z aksonem i włóknami mięśniowymi tworzy tzw. jednostkę motoryczną [2]. Elektromiografia (EMG) zajmuje się badaniem funkcjonowania mięśnia poprzez rejestrację sygnałów elektrycznych przez niego wytwarzanych [5]. Na sygnał EMG (na jego amplitudę oraz częstotliwość) ma wpływ wiele czynników, m.in. umiejscowienie elektrod, liczba rekrutowanych jednostek motorycznych, częstotliwość ich wyładowań, grubość tkanki pomiędzy włóknami mięśniowymi a elektrodą, typ włókien mięśniowych, prędkość przewodzenia i wiele innych [3]. Sygnał EMG analizowany jest w dziedzinie czasu oraz częstotliwości. Do analizy w dziedzinie częstotliwości najczęściej wykorzystuje się szybką transformatę Fouriera (SFTT). W literaturze pojawia się również analiza czasowo-częstotliwościowa z wykorzystaniem falek [5]. Sygnał EMG ma zastosowanie w takich dziedzinach jak: ergonomia, analiza chodu, medycyna sportowa, rehabilitacja czy leczenie zaburzeń nietrzymania moczu [2]. Instrukcja obsługi programu 1. Osobę wykonującą ćwiczenie przygotować do pomiaru umieszczając po dwie elektrody na mięśniu dwugłowym ramienia (biceps) oraz mięśniu trójgłowym ramienia (triceps) 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 imię i nazwisko lub 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, natomiast w zakładce Dorsal View triceps. 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. Celem rozpoczęcia właściwego pomiaru klikamy przycisk Record znajdujący się w lewym dolnym rogu. 15. Po zakończeniu pomiaru klikamy przycisk Finish. 16. Pojawi się okienko zapisu pomiaru, w którym należy nadać właściwą nazwę poprzez wpisanie inicjałów osób, które będą wykonywały sprawozdanie na bazie zarejestrowanego sygnału oraz nazwę ćwiczenia celem odróżnienia zapisywanego sygnału od innych sygnałów, które będą zapisywane do wykonania sprawozdania, np. TW_JG_ciezarek1. 17. W celu wykonania kolejnej rejestracji powtarzamy czynności od punktu 9. 18. Aby wygenerować widmo zarejestrowanego sygnału należy w oknie bazy danych wybrać odpowiednią rejestrację. Następnie kliknąć View/Analyze w dolnej części ekranu. Teraz należy wprowadzić dwa markery zgodnie ze wskazówkami prowadzącego. Następnie w lewej dolnej części ekranu wybrać Analyze i poczekać na otwarcie okna Select Report. Teraz z zakładki Standard Reports należy wybrać Spectrum Report i kliknąć Ok. W oknie Report Setup Step Scheme kliknąć Next, a następnie w górnej części wybrać opcję By markers/red lines oraz Every other interval i kliknąć Set, a następnie Next oraz Finish. W oknie Save changes in the record? wybrać Yes. Po wyświe-
tleniu raportu należy z prawej strony ekranu z ramki Tools wybrać opcję Export Report, a po wyświetleniu listy wybrać Text (*.txt). Następnie zaznaczyć opcję Total Power Spectrum klikając dwukrotnie lewym przyciskiem myszy i wcisnąć Ok. Plik zapisać do odpowiedniego folderu na Pulpicie o nazwie z inicjałami osób wykonujących ćwiczenie, wskazaniem jakiego ruchu dotyczy plik i że jest to widmo częstotliwościowe, np. TW_JG_ciezarek1_freq.txt. 19. Po zakończeniu pomiarów i przetwarzania sygnału EMG należy wyeksportować zarejestrowane surowe sygnały do plików tekstowych. W tym celu należy wrócić do bazy danych i w oknie Records wybierając interesujący nas sygnał kliknąć na niego prawym przyciskiem myszy i wybrać opcję Export to, a następnie ASCII. Pojawi się okno, w którym należy wybrać folder, w którym ma być zapisany plik proszę wybrać właściwy folder z Pulpitu (Desktop), a następnie kliknąć przycisk OK. W kolejnym oknie należy wpisać nazwę pliku, do którego mają być wyeksportowane dane, np. TW_JG_ciezarek1, a następnie kliknąć Ok. 20. Na koniec tworzymy raport, który zostanie dołączony do sprawozdania. W tym celu w oknie Records odszukujemy wskazany przez prowadzącego surowy sygnał EMG i zaznaczamy go w taki sposób, aby był podświetlony na niebiesko. Następnie klikamy przycisk View/Analyze. 21. Z prawej strony ekranu z ramki Record Options wybieramy Signal Processing. 22. Następnie w oknie Selected Operations klikamy Smoothing. 23. Po prawej stronie z listy rozwijanej należy wybrać RMS, a w oknie Window wpisać 100 ms. Następnie kliknąć Ok. 24. Z lewej strony przebiegów przyciskami oraz + wyskalować tak oś pionową, aby każdy z sygnałów na wydruku był dobrze widoczny. 25. Wydrukować raport klikając przycisk Print u dołu ekranu. Po wydrukowaniu wpisać nazwiska osób wykonujących sprawozdanie i dać raport do podpisu prowadzącemu. 26. Po zakończeniu pomiarów wyłącz 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. 27. Wyłącz urządzenie NORAXON TeleMyo poprzez przycisk Power. 28. Wyłącz urządzenie NORAXON TeleMyo 2400R G2 przyciskiem znajdującym się z lewej strony urządzenia. 29. Jeżeli pomiary wykonywane były na lewej ręce to przy rozluźnionych mięśniach w przebiegu sygnału EMG można zauważyć pojawiające się w regularnych odstępach czasu wyładowania. Co to jest? Czy można to wyeliminować? Wnioski zamieścić w sprawozdaniu.
Opracowanie wyników 1. Tabelka do porównania wyników poziomu aktywności mięśni. Opis ruchu Tab. 1 Porównanie wyników dla różnych warunków ruchu Maksymalna amplituda sygnału [mv] Biceps Częstotliwość dla maks. wart. widma sygnału [Hz] Maksymalna amplituda sygnału [mv] Triceps Częstotliwość dla maks. wart. widma sygnału [Hz] 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) Po wczytaniu pierwsza kolumna zawiera informacje na temat wartości chwil czasu, druga i trzecia kolumna wartości surowego sygnału EMG z bicepsa oraz 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: PIERWIA- STEK(SUMA(D2:D17)/16). Rys. 1 Obliczanie RMS w programie Microsoft Excel.
Sprawozdanie powinno zawierać 1. Wstęp teoretyczny. 2. Umiejscowienie elektrod w trakcie pomiaru. 3. Przebieg sygnału dla rozluźnionej ręki. Czy pojawiły się jakieś artefakty? Jeśli tak to jakie? 4. Porównanie wskazanego przez prowadzącego ruchu wykonywanego dla różnych warunków (ruch wykonywany ze stałą prędkością i ruch dynamiczny oraz ruch z obciążeniem i bez obciążenia). Porównanie powinno zawierać zarówno przebiegi sygnałów, jak i tabelkę z maksymalną wartością amplitudy oraz częstotliwością, dla której uzyskano maksimum w widmie sygnału oraz komentarz do uzyskanych wyników (obserwacje). 5. Obliczenie RMS dla różnych szerokości okien czasowych (50 ms, 100 ms, 200 ms) dla wskazanej przez prowadzącego rejestracji. 6. Wnioski. 7. 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, Wrocław 2003. [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. 135-167. [4] Merletti R., Parker P.A., Electromyography. Physiology, Engineering and Nonincasive Applications, IEEE Press 2004. [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 2008.