BÁO cáo NHẬP môn NGÀNH điện điện cơ đồ EMG (electromyography)

Điện cơ đồ EMG Electromyography là một kỹ thuật y học để đánh giá và ghi lại hoạt động điện được tạo ra bởi cơ xương, nhằm phát hiện các bất thường, mức độ kích hoạt hoặc để phân tích cơ

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 về cảm biến EMG (Electromyography)

2/2023

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Giảng viên hướng dẫn

Mục lục:

Mở đầu trang 4

Phần I: Thông tin sơ lược về EMG trang 5

Phần II: Nguyên lí hoạt động trang 5

1, Nguyên tắc trang 5

2, Thu thập dữ liệu trang 6

3, Lọc và khuếch đại trang 8

4, Phân đoạn dữ liệu của EMG trang 8

Phần III:Các loại cảm biến trang 9

1, Cảm biến EMG bề mặt(sEMG) trang 9

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 cơ thể mỗi chúng ta, cơ bắp và các tế bào thần kinh là những cơ quan vô cùng quan trọng trong hoạt động duy trì sự vận động của con người Nếu như các tế bào này bị tổn thương sẽ gây muôn vàn khó khăn về sự vận động của con người Do đó thiết bị cảm biến EMG sinh ra để giúp các bác sĩ chuẩn đoán được các tổn thương bên trong các bộ phận bên trong như cơ bắp, tế bào thần kinh từ đó đưa ra các liệu trình điều trị hợp lí

Điện cơ đồ EMG (Electromyography) là một kỹ thuật y học để đánh giá và ghi lại hoạt động điện được tạo ra bởi cơ xương, nhằm phát hiện các bất thường, mức độ kích hoạt hoặc để phân tích cơ chế sinh học chuyển động của con người hay động vật Dữ liệu về EMG nhận được, là cơ sở để phân tích, chẩn đoán, điều trị, phục hồi chức năng, các bệnh liên quan đến thần kinh cơ, theo dõi sự vận động của người luyện tập thể thao, hoặc sử dụng làm tín hiệu điều khiển cho robot giả lập, mô phỏng theo cử chỉ của người, hỗ trợ trong phát triển chi giả có thể kiểm soát Những kết quả nghiên cứu về điện cơ đồ (EMG) là tài liệu tham khảo ứng dụng trong cho các ngành điện tử, cơ điện tử, hệ thống nhúng, kỹ thuật y sinh, công nghệ thông tin và các chuyên ngành liên quan

Là 1 sinh viên ngành kĩ thuật điều khiển tự động hóa – Đại học bách khoa HN, chúng ta cần phải nắm được những thay đổi công nghệ hiện đại, để có thể bắt kịp xu hướng thời đại hiện nay Đặc biệt là những thành tựu hiện tại đã có và đang phát triển như là cảm biến điện

cơ đồ (EMG)

I, Thông tin sơ lược về Điện cơ đồ EMG (Electromyography)

EMG (điện cơ đồ) ghi lại chuyển động của các cơ bắp của chúng ta Nó dựa trên một thực tế đơn giản là bất cứ khi nào cơ co lại, một loạt hoạt động điện được tạo ra, lan truyền qua mô và xương lân cận và có thể được ghi lại từ các vùng da lân cận, nghĩa là nó không

c n kích thích t bên ngoài.ần kích thích từ bên ngoài ừ

* M t s đ c đi m c a EMG: ột số đặc điểm của EMG: ố đặc điểm của EMG: ặc điểm của EMG: ểm của EMG: ủa EMG:

1 Đi n c thệ ơ ường tỷ lệ thuận với biên độ chuyển động của cơ.ng t l thu n v i biên đ chuy n đ ng c a c ỷ lệ thuận với biên độ chuyển động của cơ ệ ậ ới biên độ chuyển động của cơ ộ ể ộ ủ ơ Nói chung, khi c co l i m nh h n, biên đ tín hi u sẽ m nh h nơ ạ ạ ơ ộ ệ ạ ơ theo

2 Biên đ EMG r t nh Biên đ c a tín hi u EMG ph thu c vàoộ ấ ỏ Biên độ của tín hiệu EMG phụ thuộc vào ộ ủ ệ ụ thuộc vào ộ tình tr ng c b p, lo i bài t p và đi u ki n quan sát Biên đ c aạ ơ ắ ạ ậ ề ệ ộ ủ các tín hi u EMG đệ ược thu th p là khác nhau đ i v i nh ng ngậ ối với những người ới biên độ chuyển động của cơ ững người ường tỷ lệ thuận với biên độ chuyển động của cơ.i khác nhau, các lo i c khác nhau và các chuy n đ ng khác nhau,ạ ơ ể ộ

nh ng chúng đ u n m trong m t ph m vi nh Đ i v i tín hi uư ề ằm trong một phạm vi nhỏ Đối với tín hiệu ộ ạ ỏ Biên độ của tín hiệu EMG phụ thuộc vào ối với những người ới biên độ chuyển động của cơ ệ sEMG, ph m vi biên đ c a nó thạ ộ ủ ường tỷ lệ thuận với biên độ chuyển động của cơ.ng là 0–10 mV

3 Đi n c đi trệ ơ ưới biên độ chuyển động của cơ.c chuy n đ ng c a c Đi u này là do tín hi uể ộ ủ ơ ề ệ EMG được phát hi n khi não g i hệ ửi hướng dẫn đến các cơ để kiểm ưới biên độ chuyển động của cơ.ng d n đ n các c đ ki mẫn đến các cơ để kiểm ế ơ ể ể soát chuy n đ ng.ể ộ

II, Nguyên lí ho t đ ng ạt động ộng

1, Nguyên t c ắc

EMG có ngu n g c t não đ ki m soát c b p Nó d a trênồ ối với những người ừ ể ể ơ ắ ự

ba bưới biên độ chuyển động của cơ.c: đi n th ngh , kh c c và tái c c S hình thành c a nóệ ế ỉ, khử cực và tái cực Sự hình thành của nó ửi hướng dẫn đến các cơ để kiểm ự ự ự ủ

là do s chênh l ch n ng đ c a ion Na+, ion K+ và Clion, nh ngự ệ ồ ộ ủ ư

nó b chi ph i b i ion Na+ Khi c không co, n ng đ ion Na+ị chi phối bởi ion Na+ Khi cơ không co, nồng độ ion Na+ ối với những người ởi ion Na+ Khi cơ không co, nồng độ ion Na+ ơ ồ ộ trong t bào c l n h n ngoài t bào c V i b m ion, các ion Na+ế ơ ới biên độ chuyển động của cơ ơ ế ơ ới biên độ chuyển động của cơ ơ

đi ra t o thành m t đi n th ngh v i đi n th dạ ộ ệ ế ỉ, khử cực và tái cực Sự hình thành của nó ới biên độ chuyển động của cơ ệ ế ương bên ngoài

và đi n th bên trong âm trên màng c a s i c Ví d , khi c g ngệ ế ủ ợ ơ ụ thuộc vào ối với những người ắ

di chuy n các chi trên, não c a chúng ta sẽ g i tín hi u đi uể ủ ửi hướng dẫn đến các cơ để kiểm ệ ề khi n chuy n đ ng đ n các c , các tín hi u này để ể ộ ế ơ ệ ược truy n đ nề ế các c thông qua h th ng th n kinh Khi tín hi u đ n các s i c ,ơ ệ ối với những người ần kích thích từ bên ngoài ệ ế ợ ơ các hóa ch t nh acetylcholine đấ ư ược gi i phóng đ u dây th nả ởi ion Na+ Khi cơ không co, nồng độ ion Na+ ần kích thích từ bên ngoài ần kích thích từ bên ngoài kinh, gây ra m t dòng l n ion Na+, nhanh chóng hình thành đi nộ ới biên độ chuyển động của cơ ệ

th ho t đ ng trong s i c , m t quá trình đế ạ ộ ợ ơ ộ ược g i là kh c c.ọi là khử cực ửi hướng dẫn đến các cơ để kiểm ự Sau khi truy n tín hi u, v i s tác đ ng c a b m ion, các s i cề ệ ới biên độ chuyển động của cơ ự ộ ủ ơ ợ ơ nhanh chóng tr l i tr ng thái đi n th ngh , tr ng thái này đởi ion Na+ Khi cơ không co, nồng độ ion Na+ ạ ạ ệ ế ỉ, khử cực và tái cực Sự hình thành của nó ạ ược

g i là quá trình tái c c T h p đi n th ho t đ ng c a t t c cácọi là khử cực ự ổ hợp điện thế hoạt động của tất cả các ợ ệ ế ạ ộ ủ ấ ả

c c a m t đ n v v n đ ng đơ ủ ộ ơ ị chi phối bởi ion Na+ Khi cơ không co, nồng độ ion Na+ ậ ộ ược g i là đi n th ho t đ ng c aọi là khử cực ệ ế ạ ộ ủ

đ n v v n đ ng S ch ng ch t c a MUAP trong không gian vàơ ị chi phối bởi ion Na+ Khi cơ không co, nồng độ ion Na+ ậ ộ ự ồ ấ ủ

th i gian t o ra EMG Quá trình t o tín hi u EMG đờng tỷ lệ thuận với biên độ chuyển động của cơ ạ ạ ệ ược th hi nể ệ trong hình dưới biên độ chuyển động của cơ.i đây

Hình 3 EMG đ c p đ n m t lo t các tín hi u đi n liên quan đ nề ậ ế ộ ạ ệ ệ ế

c b p do th n kinh đi u khi n và đơ ắ ần kích thích từ bên ngoài ề ể ượ ạc t o ra trong quá trình co

c ơ

2.Thu thập dữ liệu

Số kênh, tần số lấy mẫu và hiệu suất loại bỏ nhiễu là các chỉ số chính để đo chất lượng của hệ thống thu nhận EMG Đối với số lượng kênh, khi hành động đơn giản, có thể sử dụng cảm biến có ít kênh Đối với các chuyển động phức tạp hoặc sự kết hợp của nhiều chuyển động đơn lẻ, việc sử dụng các điện cực đa kênh là phù hợp Đối với tần số lấy mẫu, khi chúng ta chỉ cần phát hiện cùng một sự kiện đơn giản, chẳng hạn như chấn động hoặc bất kỳ sự kiện bật tắt nào, tần số lấy mẫu thấp có thể hoàn thành nhiệm vụ Tuy nhiên, nếu chúng ta cần tập trung vào các chi tiết của một chuyển động để tách nó ra khỏi các chuyển động khác tốt hơn, thì chúng ta cần tần suất lấy mẫu cao trong trường hợp đó Nói chung, tần số lấy mẫu của mỗi kênh thường là tần

số cao nhất của tín hiệu EMG được ghi lại để thỏa mãn định lý lấy mẫu Shannon Đồng thời, hệ thống thu nhận đa kênh lấy mẫu tất cả các kênh một cách đồng bộ để không xảy ra lỗi pha

Nếu hành động đơn giản, chẳng hạn như mở và đóng, có thể sử dụng cảm biến ba kênh hoặc bốn kênh và tần số lấy mẫu thấp để tiết kiệm chi phí thu nhận, được sử dụng rộng rãi trong thu nhận chuyển động của chi dướ Người ta đã sử dụng cảm biến EMG ba kênh để xác định chuyển động của chi dưới Họ sử dụng cảm biến EMG ba kênh với các điện cực lưỡng cực để thu thập dữ liệu chuyển động của chi dưới ở tần số 200 Hz Sau khi khuếch đại và lọc, tín hiệu EMG chất lượng cao cuối cùng cũng được xuất ra Tuy nhiên, nếu hành động lấy mẫu nhiều và phức tạp, thì cần có cảm biến có nhiều kênh hơn và tần

số lấy mẫu cao để tăng số lần lấy mẫu cơ đồng thời Cảm biến sáu kênh và cảm biến tám kênh là cảm biến đa kênh thường được sử dụng Chúng được sử dụng rộng rãi trong việc thu nhận chuyển động chi trên Ví dụ: trong 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 và Đóng tay là những bộ cảm biến tám kênh thường được sử dụng Cảm biến tám kênh và sự kết hợp của chúng có thể bao quát mọi chuyển động của tay một cách tương đối toàn diện Kanoga và cộng sự đã sử dụng cảm biến tám kênh để thu thập dữ liệu ở chi trên bên phải ở tần số lấy mẫu là 200 Hz để kiểm soát bộ

phận giả Melissa L B Freitas và cộng sự đã sử dụng băng đeo tay lưỡng cực tám kênh ở tần số lấy mẫu là 2000 Hz, với các điện cực được đặt trên cẳng tay và các điện cực tham chiếu được 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 và ngửa cẳng tay, được thu thập từ 13 tình nguyện viên và lặp lại 300 lần, tạo ra một bộ dữ liệu chứa 3900 chuỗi chuyển động

3 Lọc và khuếch đại EMG.

Trong EMG, tần số giới hạn trên của bộ lọc thường nhỏ hơn 500

Hz, trong khi tần số giới hạn dưới thường lớn hơn 20 Hz [19] Khi lọc,

bộ lọc Butterworth thường được áp dụng Kanoga đã thu thập các tín hiệu từ chi trên bên phải của các đối tượng và thực hiện lọc thông cao

ở tần số 15 Hz thông qua bộ lọc Butterworth bậc năm Một phương pháp lọc nhiễu hiệu quả khác là biến đổi wavelet, có thể phân tách tín hiệu liên tục một cách hiệu quả Biến đổi Wavelet có nhiều ưu điểm như thời gian lấy mẫu ngắn, dễ tránh các tín hiệu không mong muốn

và có thể phân tích các tín hiệu còn thiếu nhiều thông tin Việc lựa chọn wavelet là một phần quan trọng của khử nhiễu wavelet và các chỉ

số lựa chọn có thể được tạm chia thành loại hàm wavelet, tỷ lệ và ngưỡng Karan Veer và cộng sự đã sử dụng biến đổi wavelet để giải thích sơ đồ tín hiệu điện cơ bề mặt để phân loại chuyển động của cánh tay trên Họ đã thu thập thông tin chuyển động chi trên của 10 tình nguyện viên cắt cụt chi và chọn Họ sóng con Daubechies để xử lý tín hiệu EMG, với độ chính xác phân loại chuyển động cuối cùng đạt hơn 85%

Biên độ của EMG khá nhỏ Khi cơ không co lại, biên độ của tín hiệu EMG thường nằm trong khoảng -80 90 mV Tuy nhiên, khi cơ

co lại, biên độ tối đa chỉ vài trăm millivolt [75] Vì vậy, để thu được tín hiệu quan sát được, tín hiệu EMG thường được khuếch đại 50-100

đê đạt được 1-2volt

4 Phân đoạn dữ liệu của EMG.

Không thể sử dụng trực tiếp các tín hiệu EMG thu được bằng quá trình tiền xử lý để trích xuất đặc trưng Để tách các phần hữu ích, cần phải thêm các cửa sổ Công nghệ bổ sung cửa sổ có thể được chia thành cửa sổ chồng chéo và cửa sổ liền kề Trong kỹ thuật cửa sổ chồng lấp, hai cửa sổ liền kề chồng lên nhau, nhưng trong kỹ thuật cửa

sổ liền kề, hai cửa sổ liền kề có một khoảng cách thời gian Tham số chính ảnh hưởng đến hiệu suất của phân đoạn dữ liệu là độ dài cửa sổ

Độ dài cửa sổ xác định lượng dữ liệu và thông tin hữu ích Độ dài cửa

sổ càng dài thì thông tin càng hữu ích và dự đoán sẽ càng chính xác nhưng hệ thống sẽ mất nhiều thời gian hơn để xử lý Phân đoạn dữ liệu là một quá trình trích xuất tương đối thô, giúp ước tính kết quả mong đợi của bộ phân loại EMG trong khi tách thông tin nhiễu

III, Các loại cảm biến EMG

Hai loại cảm biến EMG có sẵn cho ứng dụng Đầu tiên là cảm biến EMG bề mặt và công nghệ không xâm lấn, tiếp theo là cảm biến EMG tiêm bắp Mặc dù cả hai loại EMG khác nhau ở vị trí đặt cảm biến, nhưng chúng có chung một số điểm tương đồng trong quy trình Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn cả hai loại cảm biến EMG và cách chúng hoạt động

1,Cảm biến EMG bề mặt hoặc Cảm biến tín hiệu EMG (sEMG)

Chữ “S” dùng để chỉ bề mặt, trong đó loại

cảm biến EMG này thực hiện các phép đo

bằng cách đặt các điện cực EMG bề mặt

lên da của bạn

Sử dụng công nghệ Không xâm lấn, làm

cho loại cảm biến EMG này không gây

đau đớn Thường được áp dụng trong các

phòng khám và y tế thể thao

Một phần thiết yếu của quy trình cảm biến EMG là đặt cảm biến vào đúng số lượng cơ hoặc chi Do đó, hãy đặt nó trong vùng bảo tồn của cả hai gân để đạt được chất lượng phát hiện tốt hơn

Sau đó, các điện cực phát hiện kích hoạt cơ hoặc chi khi mô cơ của bạn bắt đầu di chuyển và co lại

Hoạt động điện của các cơ được phát hiện có thể nhìn thấy dưới dạng sóng trên màn hình, còn được gọi là máy hiện sóng

Cường độ tín hiệu phụ thuộc vào cơ đang hoạt động hoặc cường độ hoạt động của cơ

Ghi tín hiệu có xu hướng hiệu quả hơn ở những người có làn da mềm mại hơn và lượng mỡ trong cơ thể thấp hơn

Một bước thiết yếu trong quy trình cảm biến sEMG này là hủy dao động tín hiệu cơ bản khi ghi, vì nó có thể làm giảm chất lượng tín hiệu

 Hạn chế: Mặc dù là một cách đơn giản và dễ dàng để đo EMG, nhưng nó chỉ giới hạn ở các cơ trên bề mặt và phụ thuộc vào các biến số khác như cân nặng của bệnh nhân, v.v

2,Cảm biến EMG tiêm bắp

Hình bên: Thử nghiệm cảm biến tiêm

bắp

EMG tiêm bắp thực hiện phép đo thông qua việc đưa một điện cực kim đơn cực xuyên qua da của bạn và vào mô cơ

Quá trình bắt đầu bằng cách đưa kim vô trùng vào cơ có liên quan hoặc cơ được nhắm mục tiêu

Một lần nữa, các điện cực phát hiện sự kích hoạt của cơ khi cơ cử động và co lại

Bạn có thể đính kèm bộ khuếch đại âm thanh để cải thiện đánh giá về hình thức và âm thanh

Sau đó, màn hình sẽ đo và hiển thị hoạt động điện từ các cơ đang hoạt động của bạn

 Hạn chế: Có thể làm nhiễm bẩn cơ ghi sâu hơn khi trục kim bị lộ

Một lựa chọn hoàn toàn an toàn, mặc dù nó có thể gây khó chịu khi đưa điện cực kim vào và đau cơ sau đó

IV, Ứng dụng.

Điện cơ (EMG) là một kỹ thuật để đánh giá và ghi lại hoạt động điện do cơ bắp tạo ra Tín hiệu EMG có thể được thu thập trên bề mặt

da, dưới da và bên trong cơ cung cấp các mức độ thông tin khác nhau Trong vài thập kỷ qua, đã có những tiến bộ đáng kể trong công nghệ cảm biến, bao gồm thu nhỏ; cho phép các cảm biến EMG tìm thấy các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm nhưng không giới hạn ở y học chẩn đoán điện, người máy, phục hồi chức năng (bộ phận giả, thiết bị hỗ trợ), hydrat hóa và dinh dưỡng, phân tích chuyển động và

mô hình hóa chữ viết tay

*Ứng dụng của cảm biến cơ rất đa dạng, trong đó nổi tiếng nhất là ứng dụng về làm ra một cách tay giả sử dụng như cánh tay thật Ngoài ra còn các ứng dụng khác như:

 Nguyên cứu đối xứng trong dáng đi

 Xác định trạng thái khoẻ mạnh hay mệt mỏi của cơ bắp

 Xác định sự hồi phục của người bị liệt cơ

 Trong theo dõi hoạt động của các vật động viên thể thao

 Trong giáo dục, y học, thú y,

\