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

1

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Giảng viên hướng dẫn

Mục lục:

Mở đầu

Phần I: Thông tin sơ lược về EMG

Phần II: Nguyên lí hoạt động

1, Nguyên tắc

2, Thu thập dữ liệu

3, Lọc và khuếch đại

4, Phân đoạn dữ liệu của EMG

Phần III:Các loại cảm biến

1, Cảm biến EMG bề mặt(sEMG)

2, Cảm biến tiêm bắp

Phần IV: Ứng dụng

Phần V:Hạn chế

Phần VI: Kết luận

trang 4 trang 5 trang 5 trang 5 trang 6 trang 8 trang 8 trang 9 trang 9 trang 10 trang 11 trang 12 trang 13

3

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)

chúng ta Nó

co l i, m

EMG (đi n c

ươ

nghĩa là nó không c

1*.M tộ Điệ nsốcơđ cặ thườ ngđi mc aể ủ tỷlệ EMG:thuậ n vớ i biê n độ

chuyể n độ ng của cơ Nó i chung, khi cơ co lạ i mạ nh hơn, biê n

độ tí n hiệ u sẽ%mạ nh hơn theo 2 Biê n độ EMG rất nhỏ Biê n

độ của tí n hiệ u EMG phụ thuộ c và o tì nh trạ ng cơ bắ p, loạ i

bà i tậ p và điề u kiệ n quan sá t Biê n độ của cá c tí n hiệ u

EMG đượ c thu thậ p là khá c nhau đối vớ i nhữ%ng ngườ i khá c

nhau, cá c loạ i cơ khá c nhau và cá c chuyể n độ ng khá c nhau,

nhưng chú ng đề u nằ.m trong mộ t phạ m vi nhỏ Đối vớ i tí n hiệ

u sEMG, phạ m vi biê n độ của nó thườ ng là 0–10 mV.

3 Điệ n cơ đi trướ c chuyể n độ ng của cơ Điề u nà y

là do tí n hiệ u EMG đượ c phá t hiệ n khi nã%o gửi hướ

ng dẫ4n đến cá c cơ để kiể m soá t chuyể n độ ng

II, Nguyên lí ho t đ ng ạ ộ

1, NguyênEMGcó t c ắ nguồ n gốc từ nã%o để kiể m soá t cơ bắ p Nó

dự a trê n ba bướ c: điệ n thế nghỉ, khử cự c và tá i cự c Sự hì nh

thà nh của nó là do sự chê nh lệ ch nồ ng độ của ion Na+, ion

K+ và Clion, nhưng nó bị chi phối bởi ion Na+ Khi cơ khô ng co,

nồ ng độ ion Na+ trong tế bà o cơ lớ n hơn ngoà i tế bà o cơ Vớ i

bơm ion, cá c ion Na+ đi ra tạ o thà nh mộ t điệ n thế nghỉ vớ i điệ n thế dương bê n ngoà i và điệ n thế bê n trong â m trê n

mà ng của sợ i cơ Ví dụ , khi cố gắ ng di chuyể n

5

cá c chi trê n, nã%o của chú ng ta sẽ%gửi tí n hiệ u điề u khiể

n chuyể n độ ng đến cá c cơ, cá c tí n hiệ u nà y đượ c truyề n đến cá c cơ thô ng qua hệ thống thầ n kinh Khi tí n hiệ u đến

cá c sợ i cơ, cá c hó a chất như acetylcholine đượ c giải phó ng

ở đầ u dâ y thầ n kinh, gâ y ra mộ t dò ng lớ n ion Na+, nhanh chó ng hì nh thà nh điệ n thế hoạ t độ ng trong sợ i cơ, mộ t quá trì nh đượ c gọ i là khử cự c Sau khi truyề n tí n hiệ u, vớ i

sự tá c độ ng của bơm ion, cá c sợ i cơ nhanh chó ng trở lạ i trạ ng thá i điệ n thế nghỉ, trạ ng thá i nà y đượ c gọ i là quá trì

nh tá i cự c Tổ hợ p điệ n thế hoạ t độ ng của tất cả cá c cơ của mộ t đơn vị vậ n độ ng đượ c gọ i là điệ n thế hoạ t độ

ng của đơn vị vậ n độ ng Sự chồ ng chất của MUAP trong khô ng gian và thờ i gian tạ o ra EMG Quá trì nh tạ o tí n hiệ u EMG đượ c thể hiệ n trong hì nh dướ i đâ y.

Hì nh 3 EMG đề cậ p đến mộ t loạ t cá c tí n hiệ u điệ n liê n quan đến cơ bắ p do thầ n kinh điề u khiể n và đượ c tạ o ra

trong quá trì nh co cơ.

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

6

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

7

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

9

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,

\

11

V. Hạn chế.

1. Nhiễu đường dây điện Tần số của năng lượng chính EMG tập trung ở 20–150 Hz và biên độ của nó khá nhỏ Do đó, tiếng ồn, chẳng hạn như nhiễu tần số làm việc 50 Hz, nhiễu thiết bị công suất cao và nhiễu nền, không có lợi cho việc thu tín hiệu EMG Thứ hai, tiếng ồn của điện cực cũng cần được xem xét, có liên quan đến nhiễu tĩnh điện

và chuyển động cơ học giữa điện cực và da Hình dạng của điện cực

và vị trí không phù hợp có thể tạo ra tiếng ồn không thể bỏ qua [81]

2. Sự can thiệp của các 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 hôi sẽ ảnh hưởng đến độ dẫn điện của điện cực, dẫn đến thay đổi trở kháng giữa da và điện cực [5] Lông trên bề mặt

da và mỡ dưới da cũng sẽ ảnh hưởng đến trở kháng Để tạo sự tiếp xúc tốt giữa điện cực và da, có thể áp dụng cách ấn, nhưng việc ấn điện cực sẽ để lại vết ấn trên bề mặt da, điều này cũng sẽ ảnh hưởng đến trở kháng Ngoài ra, các điện cực có thể gây kích ứng da, khiến tín hiệu thu được không ổn định

3. Tạo tác chuyển động Tạo tác chuyển động được tạo ra bởi các cơ được thử nghiệm ở các kiểu co cơ khác nhau, điều này sẽ làm ô nhiễm các thành phần tần số thấp của EMG và dẫn đến biến dạng tín hiệu Nhiều yếu tố phải được xem xét, bao gồm loại cơ và sự co rút đang được kiểm tra, cấu hình cảm biến và nguồn tiếng ồn cụ thể Việc loại

bỏ các tạo tác chuyển động cần xác định đặc điểm kỹ thuật của bộ lọc thích hợp

4. Mất ổn định tần số tự nhiên của tín hiệu EMG Biên độ của tín hiệu EMG là ngẫu nhiên, đặc biệt là trong dải tần 0–20 Hz và hầu hết các thành phần đều không ổn định

VI.Tổng kết

Như vậy, qua việc bài báo cáo tìm hiểu trên về điện cơ đồ EMG, chúng em có thể nắm được sơ ứng dụng cũng như nguyên lí hoạt động của EMG Chúng em hy vọng trong tương lai có thể thực hành sử dụng trực tiếp máy đo cảm biến EMG trong thực tế

Chúng em cảm ơn thầy đã tạo điều kiện để chúng em tìm hiểu về 1 cảm biến có ứng dụng quan trọng trong đời sống Trong quá trình tìm hiểu có những dữ liệu nào chưa được hợp lí mong thầy cho chúng em những lời khuyên, nhận xét để nhóm chúng em được hoàn thiện báo cáo tốt hơn

13