POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 88 Electrical Engineering 2016 Zbigniew KRAWIECKI* Arkadiusz HULEWICZ* Mariusz CICHOCKI-KAISER* KOMPUTEROWE STANOWISKO POMIAROWE DO REJESTRACJI SYGNAŁU ELEKTRYCZNEGO Z MIĘŚNI Praca zawiera opis komputerowego stanowiska pomiarowego, w którym do pozyskania sygnału elektrycznego z mięśni wykorzystano elektrody powierzchniowe. Do wzmocnienia sygnału z elektrod zastosowano wzmacniacz instrumentalny. Następnie w torze sygnałowym użyty został filtr dolnoprzepustowy i karta pomiarowa DAQ. Sterowanie z poziomu komputera zostało zrealizowane z zastosowaniem magistrali USB. Do obsługi stanowiska oraz przetwarzania pozyskanych danych napisany został program w języku graficznym. Przeprowadzono wielokrotne pomiary testowe w stanie spoczynku i aktywności mięśni a przykładowe wyniki zostały zamieszczone w pracy. Zakłada się, że wykonane komputerowe stanowisko pomiarowe zostanie przeznaczone na cele dydaktyczne w zakresie nieinwazyjnych biopomiarów. SŁOWA KLUCZOWE: stanowisko pomiarowe, sygnał elektromiograficzny, karta DAQ 1. WPROWADZENIE Aktywność bioelektryczna mięśnia jest związana z wielkością siły przyłożonej do przyczepów mięśnia oraz efektem skurczu włókna mięśniowego wywołanego potencjałem czynnościowym motoneuronu α po osiągnięciu poziomu depolaryzacji. Motoneuron α i unerwiane przez niego włókna mięśniowe tworzą jednostkę motoryczną. Potencjał czynnościowy pojedynczej jednostki motorycznej jest sumą przestrzenną i czasową potencjałów czynnościowych pochodzących od jej włókien mięśniowych. Wobec powyższego, między dwoma punktami mięśnia powstaje różnica potencjałów, którą można zmierzyć przy użyciu przyrządów o odpowiedniej czułości. Poglądowy szkic jednostki motorycznej złożonej z motoneuronu α i włókien mięśniowych, z zaznaczonym miejscem detekcji sygnału przedstawiono na rysunku 1. Wytworzony przez mięsień sygnał jest nazwany sygnałem elektromiograficznym. Jedną z metod pomiaru tego sygnału jest metoda powierzchniowa nazywana elektromiografią powierzchniową (ang. surface EMG, semg) [1, 2, 4]. * Politechnika Poznańska.
48 Zbigniew Krawiecki, Arkadiusz Hulewicz, Mariusz Cichocki-Kaiser Elektromiografia powierzchniowa jest używana przede wszystkim w ortopedii i rehabilitacji, w badaniu grup mięśniowych kończyn górnych i dolnych oraz w ocenie efektów leczenia operacyjnego, farmakologicznego i rehabilitacyjnego. Rys. 1. Poglądowy szkic jednostki motorycznej z zaznaczonym motoneuronem α, płytkami motorycznymi (synapsami) i włóknami mięśniowymi oraz przykładowym miejscem detekcji sygnału, zmodyfikowane [6] Do pozyskania sygnału wykorzystywane są elektrody naklejane na powierzchnię skóry. Sygnał odbierany przez te elektrody, podczas wysiłku (skurczu) mięśnia jest o bardzo małej wartości, rzędu miliwoltów (sportowcy). Wartość ta zależy przede wszystkim od ilości i wielkości aktywnych mięśni a także siły skurczu. Zarejestrowany sygnał elektromiograficzny, a następnie wyświetlony na ekranie komputera ma postać szybkozmiennych impulsów i przypomina bardziej szum niż użyteczną informację. Na rysunku 2 przedstawiony został przykładowy sygnał elektromiograficzny. Rys. 2. Przykładowy sygnał elektromiograficzny 2. ZAŁOŻENIA I REALIZACJA STANOWISKA POMIAROWEGO W technice nieinwazyjnego pomiaru sygnału EMG stosuje się elektrody, których konstrukcja pozwala na łatwy montaż na powierzchni skóry oraz zapewnia dobry kontakt elektryczny. Główną częścią elektrody jest element prze-
Komputerowe stanowisko pomiarowe do rejestracji sygnału elektrycznego z... 49 wodzący, który przylega do ciała. Element ten jest wykonany z metalu lub tworzywa sztucznego pokrytego warstwą chlorku srebra (elektrody chlorosrebrowe Ag/AgCl). Aby dodatkowo poprawić właściwości przewodzące, pasek metalu w miejscu przylegania jest otoczony pianką nasączoną przewodzącym żelem. Przy pomiarze sygnałów elektrofizjologicznych elektrody chlorosrebrowe wykazują dobre właściwości elektryczne oraz cechuje je niski potencjał standardowy. W zależności od potrzeb, elektrody różnią się kształtem i wielkością. Najpowszechniej stosowane są jednorazowe elektrody okrągłe o średnicy nieprzekraczającej 50 mm. Powszechnie stosowanym łącznikiem elektrody z elektromiografem jest łącznik napowy (SNAP). Na rysunku 3 przedstawione zostały przykładowe żelowane elektrody stosowane w pomiarze powierzchniowym sygnału EMG firmy Covidien Kendall z przewodami przyłączeniowymi do elektromiografu. Tego typu elektrody zostały użyte w pomiarach testowych wykonanego stanowiska komputerowego. Rys. 3. Przykładowe jednorazowe, żelowane elektrody do pomiaru sygnału EMG firmy Coviden Kendall z przewodem przyłączeniowym [17] Do rejestracji potencjałów czynnościowych mięśni stosuje się urządzenia nazywane elektromiografami. W zależności od rozwiązania pomiar może być wykonywany jednocześnie nawet dla kilku mięśni, przy zastosowaniu urządzenia wielokanałowego. W pracy autorzy zdecydowali się na wykonanie prototypu komputerowego systemu pomiarowego z jednym kanałem pomiarowym, ale w dalszej perspektywie z możliwością rozbudowy o kolejne kanały, po powieleniu wybranych bloków obwodów wejściowych. Ten aspekt mógłby zostać wykorzystany w dydaktyce przy porównaniu wyników z torów pomiarowych o różnej konstrukcji, czy też różnych parametrach elektrycznych. Rozpoczynając etap projektowania i budowy komputerowego stanowiska pomiarowego przyjęto następujące ogólne założenia: pozyskanie sygnału będzie realizowane przy użyciu dwóch elektrod oraz zastosowana zostanie elektroda trzecia do ustalenia potencjału odniesienia (elektroda referencyjna);
50 Zbigniew Krawiecki, Arkadiusz Hulewicz, Mariusz Cichocki-Kaiser wzmacniacz instrumentalny będzie podłączony możliwie blisko elektrod pomiarowych; zasilanie wzmacniacza instrumentalnego będzie wykonane z pakietu baterii; zastosowana zostanie filtracja dolnoprzepustowa pozyskanego sygnału pomiarowego; zasilanie filtru dolnoprzepustowego będzie wykonane z pakietu baterii; do rejestracji sygnału zostanie użyta karta pomiarowa sterowana i zasilana z magistrali USB komputera; rejestracja, przetwarzanie, analiza i wizualizacja wyników pomiarów oraz konfiguracja karty DAQ będą wykonywane przy użyciu oprogramowania napisanego w środowisku LabVIEW; komputer zastosowany do obsługi stanowiska pomiarowego powinien być zasilany z akumulatora (izolacja od sieci energetycznej, komputer typu laptop). Na rysunku 4 przedstawiony został schemat blokowy wykonanego komputerowego stanowiska do pomiaru sygnału elektrycznego z mięśni. Rys. 4. Schemat blokowy wykonanego komputerowego stanowiska pomiarowego do rejestracji sygnału elektromiograficznego Jako wzmacniacz instrumentalny został zastosowany moduł pomiarowy MyoWare Muscle Sensor firmy Advancer Technologies [20]. Moduł ten zawiera gniazda, przeznaczone do zamocowania elektrod powierzchniowych, które są zamontowane na płytce drukowanej. Takie rozwiązanie, w przypadku bardzo małych sygnałów jest uzasadnione, gdyż poprawia właściwości metrologiczne stanowiska pomiarowego ze względu na mniejszą wrażliwość układów wejściowych na potencjalne zakłócenia i szumy. Na rysunku 5 przedstawiony został zastosowany wzmacniacz pomiarowy. Sygnał pomiarowy z wyjścia wzmacniacza podawany jest następnie na wejście filtru dolnoprzepustowego. Filtr dolnoprzepustowy został zaprojektowany przy użyciu programu FilterPro firmy Texas Instruments [19]. Przyjęto następujące parametry: wzmocnienie w paśmie przepustowym 1 V/V, częstotliwość graniczna f g = 500 Hz, rodzaj filtru Butterworth, 4 rzędu w topologii Multiple- Feedback. Na rysunku 6 przedstawiony został schemat ideowy zaprojektowanego filtru dolnoprzepustowego.
Komputerowe stanowisko pomiarowe do rejestracji sygnału elektrycznego z... 51 Rys. 5. Wzmacniacz pomiarowy MyoWare Muscle Sensor firmy Advancer Technologies [20]: 1 wyjście wzmacniacza sygnału (sygnał surowy ), 2, 7 zacisk napięcia zasilania (dodatni biegun), 3, 8 zacisk napięcia zasilania (ujemny biegun, GND), 4, 5 łączniki napowe elektrod pomiarowych, 6 łącznik napowy elektrody referencyjnej R, 7 wyjście sygnału sterującego (wyjście integratora), 10 wyłącznik urządzenia Rys. 6. Filtr dolnoprzepustowy Butterwortha, 4 rzędu w topologii MFB [19] Odfiltrowany sygnał zostaje następnie przetworzony na postać cyfrową przy użyciu karty DAQ. W pracy wykorzystano 16-kanałową kartę pomiarową NI- USB 6210 firmy National Instruments z przetwornikiem A/C o rozdzielczości 16 bitów i maksymalnej częstotliwości próbkowania 250 ks/s [18]. Karta DAQ jest modułem zasilanym i sterowanym przez port USB. Do sterowania kartą wykorzystano biblioteki programowe producenta. Przesłane do komputera próbki sygnału są następnie przetwarzane i analizowane przy zastosowaniu napisanego do tego stanowiska oprogramowania w środowisku LabVIEW [21]. Zastosowano algorytmy przetwarzania zalecane przy obróbce sygnału elektromiograficznego tzn. filtracja składowych sygnału o częstotliwości poniżej 10 Hz, usunięcie artefaktów typu przesunięcie linii bazowej, identyfikacja zakłóceń od sieci energetycznej i urządzeń elektrycznych znajdujących się w okolicy stanowiska pomiarowego. Użycie filtracji programowej było działaniem celowym ukierunkowanym na ograniczenie układów, które mogłyby wprowadzać dodatkowe szumy do sygnału użytecznego. W zakresie analizy sygnału, program przygotowano do wyznaczenia charakterystycznych wielkości określa-
52 Zbigniew Krawiecki, Arkadiusz Hulewicz, Mariusz Cichocki-Kaiser nych w metodzie analizy amplitudowej sygnału EMG [1, 2, 4]. Analiza ta obejmuje wyznaczenie wartości bezwzględnej sygnału i uśrednianie (1) N 1 u[ n] n 0 U AV N obliczenie wartości skutecznej napięcia (2), u [ n] n 0 U RMS (2) N wyznaczenie wartości maksymalnych napięcia w kolejnych fazach aktywności badanego mięśnia. Wydaje się, że wymienione etapy przetwarzania sygnału elektromiograficznego i graficzna, komputerowa prezentacja uzyskiwanych wyników będą doskonałym przykładem dydaktycznym w zakresie biopomiarów. N 1 3. METODYKA BADAŃ I WYNIKI POMIARÓW Wykonany prototyp komputerowego stanowiska pomiarowego jest przeznaczony do badań w warunkach statycznych. Do pomiarów testowych wybrano mężczyznę w wieku 28 lat, o wadze ciała 90 kg i wzroście 184 cm. Mężczyzna aktywnie uprawia Taekwondo olimpijskie. Przed przystąpieniem do pomiarów zgodnie z zaleceniami przeprowadzono procedurę oczyszczania okolic miejsca pomiarowego, usuwając zbędne owłosienie i martwy naskórek oraz ewentualne zanieczyszczenia. Następnie umieszczono elektrody pomiarowe. Badania przeprowadzono dla mięśni kończyny dolnej (mięśnie uda i goleni) z grupy przedniej i tylnej: 1 mięsień piszczelowy przedni (łac. musculus tibialis anterior), 2 mięsień prosty uda (łac. musculus rectus femoris), 3 mięsień brzuchaty łydki (łac. musculus lateralis gastrocnemius), 4 mięsień dwugłowy uda (łac. musculus biceps femoris). Na rysunku 7 przedstawiono miejsca, w których przeprowadzono pomiary sygnału elektromiograficznego wykonanym komputerowym stanowiskiem pomiarowym. Rozstaw elektrod pomiarowych wynosił 3 cm i umiejscowione były na brzuścu badanego mięśnia, zgodnie z wytycznymi ISEK [10]. Po przeprowadzeniu 10-minutowej rozgrzewki wykonane zostały ćwiczenia i pomiary normalizacyjne zgodnie z metodą MVC [2, 7, 13, 14]. W dalszej części badania obiekt kilkakrotnie wstawał z krzesła i następnie siadał oraz wykonywał tupnięcia nogą o podłogę. Cykl rejestracji sygnału trwał 77 sekund dla każdego badanego mięśnia. Na rysunku 8 przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów dla wybranych mięśni. 2 (1)
Komputerowe stanowisko pomiarowe do rejestracji sygnału elektrycznego z... 53 Rys. 7. Lokalizacja obszarów pomiarowych mięśni uda i goleni kończyny dolnej [10, 16] a) b) c) Rys. 8. Przykładowe wyniki pomiaru sygnału elektromiograficznego dla wybranych mięśni kończyny dolnej: a piszczelowy przedni, b, c, prosty uda
54 Zbigniew Krawiecki, Arkadiusz Hulewicz, Mariusz Cichocki-Kaiser Analiza otrzymanych wyników pomiarów oraz zebrane doświadczenia podczas uruchamiania stanowiska i przeprowadzonych testów posłużyły do sprecyzowania następujących wniosków: pomiar sygnału elektrycznego z mięśni należy poprzedzić sprawdzeniem wartości napięcia linii podstawowej, pomiary nie powinny być wykonywane w otoczeniu urządzeń, które generują silne zakłócenia elektromagnetyczne, w trakcie wykonywania ćwiczeń gimnastycznych przemieszczanie przewodów pomiarowych może powodować artefakty w sygnale użytkowym. Podane wnioski i spostrzeżenia stanowią ważny aspekt dydaktyczny w zakresie pomiaru biosygnałów. 4. PODSUMOWANIE Wykonane komputerowe stanowisko pomiarowe do rejestracji sygnału elektrycznego z mięśni jest stanowiskiem prototypowym i może zostać wykorzystane jako stanowisko demonstracyjne do nieinwazyjnych pomiarów sygnału elektromiograficznego w dydaktyce. Napisane oprogramowanie w środowisku LabVIEW poprawnie steruje pracą karty DAQ oraz umożliwia przetwarzanie, analizę, wizualizację i zapis danych do pliku. W najbliższej perspektywie przewiduje się modyfikację toru pomiarowego tzn. zastosowanie filtru dolnoprzepustowego wyższego rzędu oraz uruchomienie dodatkowych kanałów pomiarowych. Przewiduje się także rozbudowę oprogramowania o dodatkowe algorytmy związane z analizą sygnału pomiarowego w dziedzinie częstotliwości oraz zaimplementowanie funkcji, które umożliwią porównywanie wyników otrzymanych z innych kanałów pomiarowych (innej grupy mięśni). LITERATURA [1] Soderberg G., Selected topics in Surface electromyography for use in the occupational setting: Expert perspectives, U.S. Department of health and human services, 03/1992. [2] Basmajian J.V., De Luca C.J., Muscles Alive: their functions revealed by electromyography (5 ed.), Williams & Wilkins, Baltimore, Maryland, 1985. [3] Augustyniak P., Przetwarzanie sygnałów elektrodiagnostycznych, Wydawnictwo AGH, Kraków 2001. [4] De Luca C.J., Webster J.G., Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, John Wiley Publisher, 2006. [5] De Luca C.J., Gilmore D.L., Kuznetsov M., Roy S.H., Filtering the surface EMG signal: Movement artifact and baseline noise contamination, Journal of Biomechanics, 2010, nr 46, s. 1573-1579. [6] Konrad P., ABC EMG Praktyczne wprowadzenie do elektromiografii kinezjologicznej, Technomex Spółka z o.o., Gliwice 2007.
Komputerowe stanowisko pomiarowe do rejestracji sygnału elektrycznego z... 55 [7] Cram JR, Kasman GS. (2011) The basics of surface electromyography. In: Criswell E, Cram JR, editors. Cram's introduction to surface electromyography. 2nd ed. Sudbury, MA: Jones and Bartlett, p. 1-170. [8] Lyons R.G., Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1999. [9] DelSys Incorporated. Surface EMG sensors. in DelSys Incorporated 2009, http://www.delsys.com/attachments_pdf/emg%20sensors%20web-1-0.pdf (dostęp 12.01.2016). [10] http://www.isek-online.org/standards_emg.html, (dostęp 28.12.2015). [11] Cifrek M., Medved V., Tonković S., Ostojić S., Surface EMG based fatigue evaluation in biomechanics, Clin. Biomech., 2009, 24, 4, 327-340. [12] Farina D., Arendt-Nielsen L., Merletti R., Indino B., Graven-Nielsen T., Selectivity of Spatial Filters for Surface EMG Detection From the Tibialis Anterior Muscle, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2003, 50, 3. [13] https://web.fe.up.pt/~tavares/downloads/publications/artigos/chapter_endp A.pdf (dostęp 12.01.2016). [14] Burden A., How should we normalize electromyograms obtained from healthy participants? What we have learned from over 25 years of research. Journal of Electromyography and Kinesiology, 20(6):1023-35, 2010. [15] http://www.subluxation.com/wp-content/uploads/2012/06/semgassessment Kentreview.pdf (dostęp 10.01.2015). [16] https://www.fotolia.com/id/45501169?by=serie (dostęp 29.12.2015). [17] http://bio-medical.com/products/covidien-kendall-disposable-surface-emg-ecgekg-electrodes-1-24mm-50pkg.html (dostęp 15.01.2016). [18] NI USB-621x User Manual, Bus-Powered M Series USB Devices, National Instruments, April 2009. [19] http://www.ti.com/tool/filterpro&dcmp=hpa_amp_general&hqs=notappli cable+ot+filterpro (dostęp 10.01.2016). [20] http://www.advancertechnologies.com/p/myoware.html. (dostęp 29.12.2015) [21] http://digital.ni.com/manuals.nsf/websearch/23f07e74c5b96e7286257e84 0050FD9E (dostęp 10.01.2016). COMPUTER MEASUREMENT SYSTEM FOR THE REGISTRATION OF A MUSCLE ELECTRICAL SIGNAL The article includes the description of the computer measurement station, in which the surface electrodes were used to obtain the electrical signal from the muscle. The instrumental amplifier was used to amplify the signal from the electrodes. Then, in the signal path the low-pass filter and the measuring card DAQ were used. The computer controlling was realized by using the USB bus. The program was written in the graphic language to handle the position and the processing of acquired data. The multiple measurement tests at rest and the muscle activity were carried out and the sample results were included in the article. It is assumed that the made measurement station will be used for the educational purposes in the field of the non-invasive biomeasurements. (Received: 18. 02. 2016, revised: 5. 03. 2016)