Pracownia Sygnałów Biologicznych/Zajecia 5 6
Pomiar EMG
Spis treści
Wstęp
Filmik ilustrujący działanie mięśni
Sygnały elektro-fizjologiczne pochodzące z mięśni nazywa się elektromiogramem (EMG). Elektromiografia jest jednym z podstawowych badań w rozpoznawaniu chorób mięśni i nerwów obwodowych. Ma ona również wiele zastosowań naukowych. Amplituda sygnału EMG wynosi od około kilkudziesięciu μV do 10 mV, zaś pasmo sygnału obejmuje zakres częstości od 2 do 5000 Hz, przy czym największa energia sygnału znajduje się w przedziale od 50 do 150 Hz.
Istnieją dwa sposoby pomiaru sygnałów EMG — badanie igłowe i powierzchniowe. W badaniu igłowym EMG, elektroda igłowa lub igła z dwoma elektrodami wbijana jest w mięsień lub w nerw ruchowy. Następnie obserwuje się aktywność elektryczną mięśni w spoczynku i podczas wysiłku.
Badanie powierzchniowe EMG wykonuje się z użyciem elektrod samoprzylepnych, umieszczonych na powierzchni skóry. Ocenie podlegają mięśnie położone powierzchownie lub grupy mięśni. Obydwie metody mają swoje wady i zalety. Metoda „igłowa” umożliwia rejestrację sygnału EMG z wybranego mięśnia, podczas gdy metoda powierzchniowa rejestruje zbiorczą aktywność wielu jednostek ruchowych. Jednakże, w przeciwieństwie do metody powierzchniowej, metoda igłowa jest badaniem inwazyjnym i czasem bolesnym, które wykonywane jest w ośrodku klinicznym.
Na zajęciach przeprowadzimy powierzchniowy pomiar EMG (w literaturze często takie badanie oznacza się skrótem sEMG, s od ang. surface — powierzchnia). W tym celu umieścimy elektrody na skórze, nad mięśniami, których aktywność chcemy zbadać.
Źródła błędu
Rejestracja sygnału EMG, podobnie jak pomiar innych sygnały bioelektrycznych podlega pewnym zakłóceniom. Są to przede wszystkim
- artefakty ruchowe,
- artefakty związane z obecnością zewnętrznych pól elektromagnetycznych.
Artefakty ruchowe
W wyniku aktywacji mięśnia, ulega on skróceniu, co powoduje przemieszczanie się względem siebie mięśnia, skóry i elektrody. Przemieszczenie to powoduje zmianę amplitudy mierzonego sygnału (np. elektroda oddala się od mięśnia), zmianę potencjału DC (potencjału powstającego na granicy skóra-elektrolit) oraz rozciągniecie skóry. Jak pamiętamy z pierwszych zajęć pomiędzy naskórkiem a skórą właściwą istnieje różnica potencjałów o amplitudzie dochodzącej do 30 mV. W trakcie rozciągania skóry, wartość to spada do 25 mV. Powstająca zmiana potencjału, o wartości około 5 mV jest w porównaniu z sygnałem EMG bardzo znacząca.
Artefakty sieciowe
Artefakty sieciowe stanowią poważny problem w przypadku rejestracji sygnału EMG. Zwykle bowiem nie obserwujemy tylko zakłócenia o jednej częstości, równej częstości zmian napięcia w gniazdku zasilającym (np. w Polsce jest to 50 Hz), lecz również wyższe harmoniczne tej częstości (w Polsce będzie to 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, itd). Jak można zauważyć, częstości 50 Hz, 100 Hz i 150 Hz znajdują się w paśmie, w którym sygnał EMG ma największą energię. Stosowanie filtrów pasmowo zaporowych w takim przypadku nie jest wskazane, bowiem filtry jak wiemy nie tłumią ściśle określonych częstości tylko pasma o pewnej szerokości (np. 45-55 Hz, 95-105 Hz, itd). W efekcie znaczna część interesującego nas pasma sygnału EMG zostałaby odrzucona. Aby zminimalizować przenikanie od rejestrowanego sygnału EMG sygnału sieciowego o częstości 50 Hz należy zadbać o niską impedancję pomiędzy elektrodą a skóra oraz powinno mierzyć się sygnały różnicowe.
Artefakty sieciowo-ruchowe
Podczas ruchu mięśnia ciało może ulec przemieszczeniu, co spowoduje ruch kabla w przestrzeni pomiędzy elektrodą a wzmacniaczem. W przestrzeni tej istnieje pole elektromagnetyczne, wywołane zasilaniem sieci elektrycznej. Ruch kabla w polu elektromagnetycznym może powodować zaburzenia sygnału o częstości 50 Hz. Ponadto układ elektrody-kable-wzmacniacz, tworzy pewne ramki, które w trakcie ruchu zmieniają kształt a także powierzchnię. Zgodnie z Prawem Indukcji Faraday'a zmiana strumienia magnetycznego powoduje powstawanie siły elektromotorycznej, która również może zakłócać pomiar.
Artefakty ruchowe można w większości wyeliminować przez zastosowanie filtru górnoprzepustowego, którego częstość odcięcia ustawia się w granicy od 10 do 20 Hz. Aby wyeliminować artefakty związane z ruchem kabla w polu elektromagnetycznym można zastosować tzw. elektrody aktywne. W elektrodach tych (miniaturowy) wzmacniacz znajduje się na elektrodzie. Wzmacnianie sygnału na elektrodzie zwiększa względną czułość układu na sygnał mierzony na elektrodzie w stosunku do zaburzenia związanego z ruchem kabla. Innym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie kabli ekranowanych. Kable TMSI, których używamy na Pracowni są kablami ekranowanymi. W kablach tych, pomiędzy dwiema warstwami izolatora, istnieje dodatkowa osłona z przewodnika podłączona do wzmacniacza. Dzięki temu, zewnętrzne pole elektromagnetyczne nie przenika do środka kabla. Dodatkowo, aby wyeliminować indukowanie się ładunków w wyniku tarcia pomiędzy izolatorami a osłoną, jest ona częściowo pokryta warstwą węgla.
Ćwiczenia
Ćwiczenie I: Badanie zależności sygnału EMG od obciążenia
- umieść elektrodę GND na wewnętrznej części przedramienia, w połowie jego długości,
- umieść dwie elektrody do rejestracji sygnału EMG na mięśniu dwugłowym ramienia (popularnie zwanym bicepsem). Kable tych elektrod połącz z unipolarnymi wejściami wzmacniacza numer 1 i 2.
- ustaw częstość próbkowania sygnału na 1024Hz
- przygotuj odpowiedni montaż, aby sygnał można było rejestrować bipolarnie,
- dobierz odpowiednio filtry górnoprzepustowe,
- opisz obserwowany sygnał.
- zarejestruj około 1 min. sygnału spoczynnkowego i około 1 min sygnału przy obciążeniu mięśnia:
- oblicz ich średnią amplitudę (odchylenie standardowe)
- wykreśl oba sygnały
- oraz ich widma.
- Zbadaj zależność parametrów sygnału EMG od obciązenia mięśnia:
- dla kilku wartości obciążenia (np. do siatki na zakupy dokładamy kolejno 0.5 litrowe butelki z wodą) wykonaj pomiar sygnału przez 30 s
- pomiędzy pomiarami robić przerwy na odpoczynek mięśnia
- pomiar powtórzyć w odwrotnej kolejności obciązania
- sporządzić odpowiednie wykresy
- Zbadaj zależność sygnału EMG od czasu obciążania przy znacznym obciążeniu. Pytanie badawcze: czy jakieś paramtery tego sygnału ulegają zmianie wraz ze zmęczeniem mięśnia?
Ćwiczenie II: Badnanie przebiegu sygnału EMG względem trigera
Wykonaj następujące doświadczenie:
1. Elektrodę GND umieść na wewnętrznej stronie przedramienia w połowie jego długości.
2. Umieść elektrody do rejestracji sygnału EMG na kciuku lub u nasady kciuka.
3. Do wejścia trigger wzmacniacza podłącz przycisk.
4. Uruchom program Svarog, skonfiguruj go do rejestracji sygnału EMG i rozpocznij nagrywanie sygnału.
5. Naciśnij 50 razy przycisk kciukiem, przy czym zachowaj około 2 sekundowy odstęp w czasie pomiędzy kolejnymi naciśnięciami.
Naciśniecie przycisku spowoduje wysłanie na wejście trigger wzmacniacza sygnału w kształcie schodka prostokątnego. W momencie kiedy podejmiesz decyzję o naciśnięciu przycisku, upłynie pewien krótki okres czasu, zanim kciuk opadnie na przycisk, który z kolei uruchomi obwód generujące sygnał wysyłany na wejście trigger. Możemy się spodziewać, że sygnał EMG związany z wykonywanym przez kciuk ruchem będzie poprzedzał sygnał elektryczny wysłany przez układ przycisku. Po wykonaniu eksperymentu Twoim zadaniem będzie oszacowanie różnicy w czasie pomiędzy pojawieniem się sygnału na kanale trigger i sygnałem EMG. W tym celu napisz program, który:
1. Wczyta zarejestrowany sygnał.
2. Przefiltruje filtrem górnoprzepustowym sygnał EMG.
3. Wyznaczy początki wykonywanych przez kciuk ruchów, w oparciu o analizę wariancji sygnału EMG.
4. Narysuje histogram różnicy czasu [math]\Delta T = t_p - t_{emg}[/math], gdzie [math]t_p[/math] — czas wykonania ruchu kciukiem wyznaczony przy pomocy sygnału z kanału trigger, [math]t_{emg}[/math] — czas wykonania ruchu kciukiem wyznaczony na podstawie sygnału EMG.
