BÁO cáo NHẬP môn NGÀNH điện EE1024 đề tài tìm hiểu về cảm biến EMG (electromyography)

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO NHẬP MÔN NGÀNH ĐIỆN EE1024 HỌC KỲ 20221 Giảng viên hướng dẫn: Thầy Đào Quý Thịnh Thông tin thành viên: Nguyễn Văn Nam - 20203744 Phạm Anh Minh – 20222608 Nguyễn Thành Nam - 20222614 Mã lớp: 135916 Đề tài: Tìm hiểu cảm biến EMG (Electromyography) 2/2023 Nhận xét giảng viên hướng dẫn ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… Giảng viên hướng dẫn Mục lục: Mở đầu trang Phần I: Thông tin sơ lược EMG trang Phần II: Nguyên lí hoạt động trang 1, Nguyên tắc trang 2, Thu thập liệu trang 3, Lọc khuếch đại trang 4, Phân đoạn liệu EMG trang Phần III:Các loại cảm biến trang 1, Cảm biến EMG bề mặt(sEMG) trang 2, Cảm biến tiêm bắp trang 10 Phần IV: Ứng dụng trang 11 Phần V:Hạn chế trang 12 Phần VI: Kết luận trang 13 MỞ ĐẦU Trong thể chúng ta, bắp tế bào thần kinh quan vô quan trọng hoạt động trì vận động người Nếu tế bào bị tổn thương gây mn vàn khó khăn vận động người Do thiết bị cảm biến EMG sinh để giúp bác sĩ chuẩn đoán tổn thương bên phận bên bắp, tế bào thần kinh từ đưa liệu trình điều trị hợp lí Điện đồ EMG (Electromyography) kỹ thuật y học để đánh giá ghi lại hoạt động điện tạo xương, nhằm phát bất thường, mức độ kích hoạt để phân tích chế sinh học chuyển động người hay động vật Dữ liệu EMG nhận được, sở để phân tích, chẩn đốn, điều trị, phục hồi chức năng, bệnh liên quan đến thần kinh cơ, theo dõi vận động người luyện tập thể thao, sử dụng làm tín hiệu điều khiển cho robot giả lập, mô theo cử người, hỗ trợ phát triển chi giả kiểm sốt Những kết nghiên cứu điện đồ (EMG) tài liệu tham khảo ứng dụng cho ngành điện tử, điện tử, hệ thống nhúng, kỹ thuật y sinh, công nghệ thông tin chuyên ngành liên quan Là sinh viên ngành kĩ thuật điều khiển tự động hóa – Đại học bách khoa HN, cần phải nắm thay đổi cơng nghệ đại, để bắt kịp xu hướng thời đại Đặc biệt thành tựu có phát triển cảm biến điện đồ (EMG) I, Thông tin sơ lược Điện đồ EMG (Electromyography) EMG (điện đồ ) ghi lạ i chuyển độ ng củ a bắ p củ a chúng ta. Nó dự a mộ t thự c tế đơn giả n bấ t co lạ i, mộ t loạ t hoạ t độ ng điện đượ c tạ o ra, lan truyền qua mô xương lân cậ n đượ c ghi lạ i từ vùng da lân cậ n, nghĩa khơng cầ n kích thích từ bên ngồ i * Một số đặc điểm EMG: Điện thườ ng tỷ lệ thuậ n vớ i biên độ chuyển độ ng củ a Nó i chung, co lạ i mạ nh hơn, biên độ tín hiệu mạ nh theo Biên độ EMG rấ t nhỏ Biên độ củ a tín hiệu EMG phụ thuộ c o tình trạ ng bắ p, loạ i bà i tậ p điều kiện quan sá t Biên độ củ a cá c tín hiệu EMG đượ c thu thậ p c đố i vớ i nhữ ng ngườ i c nhau, cá c loạ i c cá c chuyển độ ng c nhau, ng nằ m mộ t phạ m vi nhỏ Đố i vớ i tín hiệu sEMG, phạ m vi biên độ củ a thườ ng 0–10 mV Điện trướ c chuyển độ ng củ a Điều nà y tín hiệu EMG đượ c phá t nã o gử i hướ ng dẫ n đến cá c để kiểm soá t chuyển độ ng II, Ngun lí hoạt động 1, Ngun tắc EMG có nguồ n gố c từ nã o để kiểm soá t bắ p Nó dự a ba bướ c: điện nghỉ, khử cự c tá i cự c Sự hình nh củ a chênh lệch nồ ng độ củ a ion Na+, ion K+ Clion, bị chi phố i bở i ion Na+ Khi khô ng co, nồ ng độ ion Na+ tế bà o lớ n ngoà i tế bà o Vớ i bơm ion, cá c ion Na+ tạ o nh mộ t điện nghỉ vớ i điện dương bên ngoà i điện bên â m mà ng củ a sợ i Ví dụ , cố gắ ng di chuyển cá c chi trên, nã o củ a ng ta gử i tín hiệu điều khiển chuyển độ ng đến cá c cơ, cá c tín hiệu nà y đượ c truyền đến cá c thô ng qua hệ thố ng thầ n kinh Khi tín hiệu đến cá c sợ i cơ, cá c hó a chấ t acetylcholine đượ c giả i phó ng đầ u dâ y thầ n kinh, gâ y mộ t dò ng lớ n ion Na+, nhanh chó ng hình nh điện hoạ t độ ng sợ i cơ, mộ t trình đượ c gọ i khử cự c Sau truyền tín hiệu, vớ i tá c độ ng củ a bơm ion, cá c sợ i nhanh chó ng trở lạ i trạ ng thá i điện nghỉ, trạ ng thá i nà y đượ c gọ i trình tá i cự c Tổ hợ p điện hoạ t độ ng củ a tấ t cá c củ a mộ t đơn vị vậ n độ ng đượ c gọ i điện hoạ t độ ng củ a đơn vị vậ n độ ng Sự chồ ng chấ t củ a MUAP khô ng gian thờ i gian tạ o EMG Q trình tạ o tín hiệu EMG đượ c thể hình dướ i đâ y Hình EMG đề cậ p đến mộ t loạ t cá c tín hiệu điện liên quan đến bắ p thầ n kinh điều khiển đượ c tạ o trình co 2.Thu thập liệu Số kênh, tần số lấy mẫu hiệu suất loại bỏ nhiễu số để đo chất lượng hệ thống thu nhận EMG Đối với số lượng kênh, hành động đơn giản, sử dụng cảm biến có kênh Đối với chuyển động phức tạp kết hợp nhiều chuyển động đơn lẻ, việc sử dụng điện cực đa kênh phù hợp Đối với tần số lấy mẫu, cần phát kiện đơn giản, chẳng hạn chấn động kiện bật tắt nào, tần số lấy mẫu thấp hồn thành nhiệm vụ Tuy nhiên, cần tập trung vào chi tiết chuyển động để tách khỏi chuyển động khác tốt hơn, cần tần suất lấy mẫu cao trường hợp Nói chung, tần số lấy mẫu kênh thường tần số cao tín hiệu EMG ghi lại để thỏa mãn định lý lấy mẫu Shannon Đồng thời, hệ thống thu nhận đa kênh lấy mẫu tất kênh cách đồng để không xảy lỗi pha Nếu hành động đơn giản, chẳng hạn mở đóng, sử dụng cảm biến ba kênh bốn kênh tần số lấy mẫu thấp để tiết kiệm chi phí thu nhận, sử dụng rộng rãi thu nhận chuyển động chi dướ Người ta sử dụng cảm biến EMG ba kênh để xác định chuyển động chi Họ sử dụng cảm biến EMG ba kênh với điện cực lưỡng cực để thu thập liệu chuyển động chi tần số 200 Hz Sau khuếch đại lọc, tín hiệu EMG chất lượng cao cuối xuất Tuy nhiên, hành động lấy mẫu nhiều phức tạp, cần có cảm biến có nhiều kênh tần số lấy mẫu cao để tăng số lần lấy mẫu đồng thời Cảm biến sáu kênh cảm biến tám kênh cảm biến đa kênh thường sử dụng Chúng sử dụng rộng rãi việc thu nhận chuyển động chi Ví dụ: lĩnh vực nhận dạng cử chỉ, Mở bàn tay, Gập cổ tay, Mở rộng cổ tay, Độ lệch hướng tâm, Độ lệch xương trụ, Ngửa cẳng tay., Nằm ngửa cẳng tay Đóng tay cảm biến tám kênh thường sử dụng Cảm biến tám kênh kết hợp chúng bao quát chuyển động tay cách tương đối toàn diện Kanoga cộng sử dụng cảm biến tám kênh để thu thập liệu chi bên phải tần số lấy mẫu 200 Hz để kiểm soát phận giả Melissa L B Freitas cộng sử dụng băng đeo tay lưỡng cực tám kênh tần số lấy mẫu 2000 Hz, với điện cực đặt cẳng tay điện cực tham chiếu đặt gần mắt cá chân Sáu cử chỉ: gập cổ tay, duỗi cổ tay, gập cổ tay phải, duỗi cổ tay trái, ngửa cẳng tay ngửa cẳng tay, thu thập từ 13 tình nguyện viên lặp lại 300 lần, tạo liệu chứa 3900 chuỗi chuyển động Lọc khuếch đại EMG Trong EMG, tần số giới hạn lọc thường nhỏ 500 Hz, tần số giới hạn thường lớn 20 Hz [19] Khi lọc, lọc Butterworth thường áp dụng Kanoga thu thập tín hiệu từ chi bên phải đối tượng thực lọc thông cao tần số 15 Hz thông qua lọc Butterworth bậc năm Một phương pháp lọc nhiễu hiệu khác biến đổi wavelet, phân tách tín hiệu liên tục cách hiệu Biến đổi Wavelet có nhiều ưu điểm thời gian lấy mẫu ngắn, dễ tránh tín hiệu khơng mong muốn phân tích tín hiệu cịn thiếu nhiều thơng tin Việc lựa chọn wavelet phần quan trọng khử nhiễu wavelet số lựa chọn tạm chia thành loại hàm wavelet, tỷ lệ ngưỡng Karan Veer cộng sử dụng biến đổi wavelet để giải thích sơ đồ tín hiệu điện bề mặt để phân loại chuyển động cánh tay Họ thu thập thông tin chuyển động chi 10 tình nguyện viên cắt cụt chi chọn Họ sóng Daubechies để xử lý tín hiệu EMG, với độ xác phân loại chuyển động cuối đạt 85% Biên độ EMG nhỏ Khi không co lại, biên độ tín hiệu EMG thường nằm khoảng -80 90 mV Tuy nhiên, co lại, biên độ tối đa vài trăm millivolt [75] Vì vậy, để thu tín hiệu quan sát được, tín hiệu EMG thường khuếch đại 50-100 đê đạt 1-2volt Phân đoạn liệu EMG Không thể sử dụng trực tiếp tín hiệu EMG thu q trình tiền xử lý để trích xuất đặc trưng Để tách phần hữu ích, cần phải thêm cửa sổ Công nghệ bổ sung cửa sổ chia thành cửa sổ chồng chéo cửa sổ liền kề Trong kỹ thuật cửa sổ chồng lấp, hai cửa sổ liền kề chồng lên nhau, kỹ thuật cửa sổ liền kề, hai cửa sổ liền kề có khoảng cách thời gian Tham số ảnh hưởng đến hiệu suất phân đoạn liệu độ dài cửa sổ Độ dài cửa sổ xác định lượng liệu thông tin hữu ích Độ dài cửa sổ dài thơng tin hữu ích dự đốn xác hệ thống nhiều thời gian để xử lý Phân đoạn liệu trình trích xuất tương đối thơ, giúp ước tính kết mong đợi phân loại EMG tách thông tin nhiễu III, Các loại cảm biến EMG Hai loại cảm biến EMG có sẵn cho ứng dụng Đầu tiên cảm biến EMG bề mặt công nghệ không xâm lấn, cảm biến EMG tiêm bắp Mặc dù hai loại EMG khác vị trí đặt cảm biến, chúng có chung số điểm tương đồng quy trình Chúng ta xem xét kỹ hai loại cảm biến EMG cách chúng hoạt động 1,Cảm biến EMG bề mặt Cảm biến tín hiệu EMG (sEMG) Chữ “S” dùng để bề mặt, loại cảm biến EMG thực phép đo cách đặt điện cực EMG bề mặt lên da bạn Sử dụng công nghệ Không xâm lấn, làm cho loại cảm biến EMG không gây đau đớn Thường áp dụng phòng khám y tế thể thao Một phần thiết yếu quy trình cảm biến EMG đặt cảm biến vào số lượng chi Do đó, đặt vùng bảo tồn hai gân để đạt chất lượng phát tốt Sau đó, điện cực phát kích hoạt chi mơ bạn bắt đầu di chuyển co lại Hoạt động điện phát nhìn thấy dạng sóng hình, cịn gọi máy sóng Cường độ tín hiệu phụ thuộc vào hoạt động cường độ hoạt động Ghi tín hiệu có xu hướng hiệu người có da mềm mại lượng mỡ thể thấp Một bước thiết yếu quy trình cảm biến sEMG hủy dao động tín hiệu ghi, làm giảm chất lượng tín hiệu ⮚ Hạn chế: Mặc dù cách đơn giản dễ dàng để đo EMG, giới hạn bề mặt phụ thuộc vào biến số khác cân nặng bệnh nhân, v.v 2,Cảm biến EMG tiêm bắp Hình bên: Thử nghiệm cảm biến tiêm bắp EMG tiêm bắp thực phép đo thông qua việc đưa điện cực kim đơn cực xuyên qua da bạn vào mô 10 Q trình bắt đầu cách đưa kim vơ trùng vào có liên quan nhắm mục tiêu Một lần nữa, điện cực phát kích hoạt cử động co lại Bạn đính kèm khuếch đại âm để cải thiện đánh giá hình thức âm Sau đó, hình đo hiển thị hoạt động điện từ hoạt động bạn ⮚ Hạn chế: Có thể làm nhiễm bẩn ghi sâu trục kim bị lộ ⇨ Một lựa chọn hoàn toàn an toàn, gây khó chịu đưa điện cực kim vào đau sau IV, Ứng dụng Điện (EMG) kỹ thuật để đánh giá ghi lại hoạt động điện bắp tạo Tín hiệu EMG thu thập bề mặt da, da bên cung cấp mức độ thông tin khác Trong vài thập kỷ qua, có tiến đáng kể công nghệ cảm biến, bao gồm thu nhỏ; cho phép cảm biến EMG tìm thấy ứng dụng nhiều lĩnh vực, bao gồm không giới hạn y học chẩn đoán điện, người máy, phục hồi chức (bộ phận giả, thiết bị hỗ trợ), hydrat hóa dinh dưỡng, phân tích chuyển động mơ hình hóa chữ viết tay *Ứng dụng cảm biến đa dạng, tiếng ứng dụng làm cách tay giả sử dụng cánh tay thật Ngồi cịn ứng dụng khác như: ● Nguyên cứu đối xứng dáng ● Xác định trạng thái khoẻ mạnh hay mệt mỏi bắp 11 ● Xác định hồi phục người bị liệt ● Trong theo dõi hoạt động vật động viên thể thao ● Trong giáo dục, y học, thú y, \ V Hạn chế Nhiễu đường dây điện Tần số lượng EMG tập trung 20–150 Hz biên độ nhỏ Do đó, tiếng ồn, chẳng hạn nhiễu tần số làm việc 50 Hz, nhiễu thiết bị cơng suất cao nhiễu nền, khơng có lợi cho việc thu tín hiệu EMG Thứ hai, tiếng ồn điện cực cần xem xét, có liên quan đến nhiễu tĩnh điện chuyển động học điện cực da Hình dạng điện cực vị trí khơng phù hợp tạo tiếng ồn bỏ qua [81] Sự can thiệp yếu tố bề mặt da Nó chủ yếu nhằm vào seEMG Khi lấy mẫu bề mặt da người, tình trạng bề mặt da có ảnh hưởng lớn Ví dụ, mồ ảnh hưởng đến độ dẫn điện điện cực, dẫn đến thay đổi trở kháng da điện cực [5] Lông bề mặt da mỡ da ảnh hưởng đến trở kháng Để tạo tiếp xúc tốt điện cực da, áp dụng cách ấn, việc ấn điện cực để lại vết ấn bề mặt da, điều ảnh hưởng đến trở kháng Ngồi ra, điện cực gây kích ứng da, khiến tín hiệu thu khơng ổn định Tạo tác chuyển động Tạo tác chuyển động tạo thử nghiệm kiểu co khác nhau, điều làm ô nhiễm thành phần tần số thấp EMG dẫn đến biến dạng tín hiệu 12 Nhiều yếu tố phải xem xét, bao gồm loại co rút kiểm tra, cấu hình cảm biến nguồn tiếng ồn cụ thể Việc loại bỏ tạo tác chuyển động cần xác định đặc điểm kỹ thuật lọc thích hợp Mất ổn định tần số tự nhiên tín hiệu EMG Biên độ tín hiệu EMG ngẫu nhiên, đặc biệt dải tần 0–20 Hz hầu hết thành phần không ổn định VI.Tổng kết Như vậy, qua việc báo cáo tìm hiểu điện đồ EMG, chúng em nắm sơ ứng dụng nguyên lí hoạt động EMG Chúng em hy vọng tương lai thực hành sử dụng trực tiếp máy đo cảm biến EMG thực tế Chúng em cảm ơn thầy tạo điều kiện để chúng em tìm hiểu cảm biến có ứng dụng quan trọng đời sống Trong q trình tìm hiểu có liệu chưa hợp lí mong thầy cho chúng em lời khun, nhận xét để nhóm chúng em hồn thiện báo cáo tốt 13 Tài liệu tham khảo [1]Neurostyle (Singapore), Electromyogram (EMG) system, EMG Device Key Features and price, 2020 [2]Sigma (Germany), Neurowerk EMG, Product Accessories for NEUROWERK EMG, 2020 [3]Neurosoft (Russia), EMG and Multi-modality EP System, 2021 https://en.wikipedia.org/wiki/Electromyography https://www.ourpcb.com/emg-sensors.html https://www.seeedstudio.com/blog/2019/12/29/what-is-emg-sensormyoware-and-how-to-use-with-arduino/ 14