دستگاه ثبت سیگنال های ماهیچه ای (EMG)

دستگاه EMG

دستگاه الكترومایوگراف فعاليت الكتریكی عضلات اسكلتی را آشكار، ثبت و پردازش ميكند. شكل موج به دست آمده كه الكترومایوگرام (EMG) ناميده ميشود، نمایانگر وضعيت فيزیولوژیكی یک عضله (یا دستهای از عضلات) و رشته های عصبی كنترل كننده آن ميباشد. در اثر انتقال سيگنالهای عصبی به عضله تارهای عضلانی فعال شده و ایجاد پتانسيل عملی ميكنند كه به آن الكترومایوگرام ميگویند. این موج در واقع خواست انسان را در انجام حركت نشان ميدهد. محدوده فركانسی سيگنال EMG بين ۲۵ هرتز تا چند كيلوهرتز متغير ميباشد. دامنه این سيگنال از ۱۰۰ ميكروولت شروع و تا ۹۰ ميلی ولت متغير است كه به نوع سيگنال و الكترود بستگی دارد. چون EMG فاقد محدوده فركانس پائين نظير ECG است، بالطبع سيگنالهای آرتيفكتهای فركانس پائين به سادگی قابل حذف است.

اگر از الكترودهای سطحی برای ثبت استفاده شود، سيگنالها دارای دامنه كمي خواهند بود (تا ۰/۱ ميلی ولت و امپدانس الكترود نيز به طور نسبی كم است (۵۰۰۰-۲۰۰ اهم) و به نمونه الكترود، واسطه الكترود ـ الكتروليت و فركانسی كه امپدانس محاسبه ميشود، بستگی دارد. در صورتی كه از الكترود سوزنی استفاده شود، دامنه سيگنال قويتر بوده و امپدانس آن افزایش ميیابد و لذا به گين كمتر و امپدانس ورودی بالاتری برای تقویت كننده نياز است. عمده كاربردهای EMG عبارتند از:
‒ اندازه‌گيری ميزان بهبود پس از فيزیوتراپی
‒ اندازه‌گيری رابطه خستگی و متغيرهای متابوليكی
‒ تشــخيص اختلالات عصــبی و عضــلانی: مایوپاتيهای مادرزادی، نوروپاتيهای محيطی، فلج اطفال و …

ساختار بيرونی دستگاه EMG عمدتاً جزئيات خاصی نداشته و بخش عمده دستگاه EMG را مدارات داخلی آن تشكيل ميدهند. ساده ترین بلوک دیاگرام مربوط به دستگاه EMG كه امروزه بر اساس آن دستگاه ها ساخته ميشوند به صورت زیر است:

الکترود های EMG

الكترودهای مورد استفاده در دستگاه EMG را ميتوان به دو دسته اصلی طبقه بندی كرد:

• الکترود سوزنی (ريزالکترود): چون این الكترود در داخل بدن وارد ميشود، از این رو جزء دسته الكترودهای تهاجمی ميباشد. جنس الكترود معمولا از پلاتين یا استيل ضد زنگ است. همچنين به دليل نزدیكی بسيار زیاد الكترود با فيبرهای عضلانی، سيگنال برداشته شده قوی و كم نویز است. این الكترودها محدوده ثبت كوچكی دارند و در ثبت سيگنال EMG یک یا دو فيبر عضلانی مورد استفاده قرار ميگيرد. مشكل استفاده از این نوع الكترود این است كه نميتواند فيبرهای عضلانی را كه كمی با محل الكترود فاصله داشته و مشكل نيز دارند تشخيص دهد، ولی برای ثبت موضعی ایده آل است.
• الکترود سطحی: خود به دو نوع خشک و ژلدار تقسيم ميشود. الكترودهای خشک (electrode dry) در جایی كه امكان مصرف ژل وجود ندارد، مورد استفاده قرار ميگيرند. باید دقت كرد كه با این كار امپدانس بين پوست و الكترود افزایش ميیابد. سعی ميشود كه شكل الكترودها با انحنای پوست همخوانی داشته باشد. الكترودهای سطحی را از جنس نقره با روكش كلرید نقره و یا طلا ميسازند وبا ژلهایی با تركيب كلرید پتاسيم برای مرطوب كردن پوست استفاده ميگردد. در جایی كه علاقه مندیم فعاليت كلی عضله را بدانيم از الكترودهای سطحی استفاده ميكنيم. امپدانس الكترود سطحی بين ۲۰۰ تا ۵۰۰ اهم متغير است، كه با توجه به نوع الكترود، محل تماس الكترود ـ الكتروليت و فركانس كاری تعيين ميگردد. فركانس كاری در EMG سطحی بين ۶ تا ۵۰۰ هرتز ميباشد كه بيشترین مؤلفه های آن در بازه ۲۰ تا ۱۵۰ هرتز قرار دارد.

پیش تقویت کننده

به منظور جلوگيری از القای نویزهای بسيار بزرگ برق شهر معمولا از پيش تقویت كننده تفاضلی استفاده ميشود. پيش تقویت كننده تفاضلی قسمتی از سيگنال كه در هر دو مشترک هستند (مثلا نویز برق شهر) را حذف كرده و قسمت متفاوت را تقویت ميكند و به خروجی ميبرد، كه دقت این تقویت كننده برحسب CMRR بيان ميشود. یک پيش تقویت كننده مناسب برای این كار باید حداقل دارای  ( ۹۰ db 3200 (CMRR باشد.

تقویت کننده

تقویت كننده باید دارای خصوصيات زیر باشد:
‒ امپدانس ورودی بالا
‒ ضریب حذف سيگنال مشترک مناسب و CMRR بالا (CMRR ≥ ۹۰db)
‒ نویز كم
‒ بدون اعوجاج
‒ ضریب بهره خطی در مشخصه فركانسی الكترومایوگرام
‒ این تقویت كننده نيز باید عملكرد تفاضلی داشته و اختلاف بين زوج الكترود را تقویت كند و مؤلفه سيگنال مشترک همانند تداخل برق شهر و آرتيفكت حركتی را تضعيف كند.

فیلتر

روشی كه اغلب به كار ميرود استفاده از یک فيلتر پائين گذر و یک فيلتر بالا گذر است. در الكترومایوگراف سطحی طيف فركانسي ۵۱۱Hz _2 برای ما اهميت بيشتری دارد، پس ابتدا با یک فيلتر پائين گذر فركانسهای بالاتر از ۵۱۱Hz را حذف كنيم. اما از طرف دیگر یكی از مسائل مهم آرتيفكتهای حركتی است كه عموماً دارای فركانس پائين است. بنابراین فيلتر بالا گذر با فركانس۳۱Hz_11 مناسب است. البته لازم به ذكر است گاهی از یک فيلتر notch كه فركانس ۵۱Hz را حذف ميكند نيز استفاده ميگردد.

مبدل آنالوگ به دیجیتال

قبل از ارسال سيگنال ثبت شده به كامپيوتر و پردازش آن، لازم است سيگنال دیجيتال شود. از پارامترهای مهم برای دیجيتال كردن سيگنال، فركانس نمونه برداری و تعداد بيت D/A است كه باید به نحو مناسبی انتخاب شوند.

پردازش سیگنال دیجیتال

برای پردازش سيگنال EMG از روشهای مختلفی استفاده ميشود كه بسته به نوع كاربرد، با هم متفاوت ميباشند. یكی از این روشها محاسبه طيف توان سيگنال با استفاده از FFT است. كه با استفاده از آن ميتوان اطلاعات موجود در مؤلفه های فركانسی سيگنال را استخراج كرد و نوع فيبرهای عضلانی فعال شده را مشخص كرد. همچنين سرعت هدایت عضله با استفاده از دو الكترود جدا كه فاصله مشخصی از هم داشته و روی یک نوع فيبر عضلانی قرار دارند، به دست می‌آید.

نمایشگر یا ثبات سیگنال

پس از پردازش سيگنال و استخراج مؤلفه های مرتبط با فعاليت عضلانی، نوبت به نمایش سيگنال ميرسد. برای نمایش سيگنال ممكن است سيگنال از طریق رابط های موجود مثل رابط usb برای كامپيوتر ارسال و نمایش داده شود و یا از طریق تراشه های حافظه داخل دستگاه اطلاعات مهم سيگنال را ذخيره كرد. در صورت نياز نيز ميتوان بخشهایی از سيگنال ثبت شده را برای چاپگر ارسال و بر روی كاغذ چاپ كرد.