Merkur perfekt Challenge Studijní materiály T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 1 / 10
Název úlohy: Svalem na robota Anotace: Úkolem týmu je nastudovat problematiku snímání elektrické aktivity svalů a sestavit ze stavebnice Merkur vozítko, které dokáže podle napínání a povolování svalů projet vytyčenou dráhu. Garantující ústav: Ústav biomedicínského inženýrství Laboratoř: Technická 12, SE3.147 Foto předlohy: T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 2 / 10
Zadání: Z připravených komponent realizujte robotické vozidlo, které bude možné řídit pomocí svalu na holeni (anterior tibialis), tak aby mohlo projet navrženou dráhu. Pro stavbu vozidla máte k dispozici stavebnici Merkur pásový podvozek se dvěma motory, střední stavebnici Merkur, Arduino Uno s motor shieldem pro řízení, dva přístrojové zesilovače AD620, elektrody a pasivní elektronické součástky. Robotické vozidlo by mělo být ovládán pomocí zvedání špiček nohou (zapojuje se sval anterior tibialis na přední straně holeně). Elektrická svalová aktivita (EMG) bude snímána pomocí povrchových elektrod. Díky tomu bude umožněna přímá jízda i zatáčení vlevo a vpravo. Pro zesílení elektromyografického signálu z těchto svalů využijte přístrojové zesilovače AD620. Pro zpracování a vyhodnocení signálu využijte Arduino Uno spolu s motor shieldem. Teoretický rozbor úlohy: Elektromyografie Jedná se o metody měření elektrické aktivity kosterních svalů (myo - sval). Je to rozšíření klinického neurologického vyšetření. HISTORIE 1849 DuBois-Reymons první měření na člověku 1900 F.H. Pratt zjišťuje, že velikost signálu je úměrná kontrakci 1920 první (elektronkový) zesilovač pro EMG + osciloskop 1950 1973 analogové systémy měření 1973 1982 digitální systémy -> digitalizace s možností off-line zpracování 1982 1993 mikroprocesorové systémy s možností zpracování v reálném čase (průměrování, detekce atd.) T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 3 / 10
1993 systémy vybavené komunikaci s osobním počítačem 2001 přenosné systémy, wirelless Obrázek 1: Vlevo analogový systém, uprostřed digitální systém, vpravo mikroprocesorový systém. Obrázek 2: Moderní bezdrátový elektromyografický systém pro diagnostiku pohybové aktivity s ukázkou rozmístění elektrod. T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 4 / 10
MOTORICKÁ JEDNOTKA Jedná se o základní jednotku periferního motorického systému, kdy to představuje soubor svalových vláken inervovaných jedním motoneuronem a je také nejmenší komponentou, kterou lze samostatně aktivovat. Několik takových motorických jednotek pak tvoří celý sval. Aktivace svalů je doprovázená výměnou iontů mezi intra a extracelulárním prostředím, což se právě projeví jako změna potenciálů -> vzniká akční potenciál -> můžeme je zaznamenat. Signály jednotlivých motorických jednotek jsou obvykle na povrchu neměřitelné, ale místo toho měříme sumační signály z několika motorických jednotek v okolí měřeného místa. ZPŮSOB SNÍMÁNÍ Elektrický signál svalu lze snímat: Z povrchu zde se používají povrchové elektrody, které jsou levnější, je snadnější aplikace elektrod i pohodlí pacienta a snímá se signál z celé skupiny svalových vláken. Zevnitř svalu zde se využívají vpichové elektrody, které jsou invazivní, náročnější na aplikace, ale jsou běžné pro diagnostiku, protože umožňují přesněji definovat místo snímání, dokonce je možné snímat elektrický signál z jediného nervového vlákna VLASTNOSTI EMG SIGNÁLU Frekvenční rozsah 10 500 Hz dominantní frekvence jsou od 20Hz do 250Hz (naprosto dostatečný rozsah pro řízení robotického vozítka) Pro vpichové elektrody: až do 3000 Hz (často se uvažuje širší pásmo až do 5 respektive 10kHz). T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 5 / 10
Amplitudový rozsah Při uvolnění svalů 100 300 µv Při pohybu končetiny je velikost EMG signálu závislá na velikosti kontrakce a amplituda může dosahovat až jednotek mv Obrázek 3: Ukázka EMG signálu POŽADAVKY NA KLINICKÝ ELEKTROMYOGRAF Diferenční zesilovač: CMRR alespoň 80dB, lépe 100dB Velká vstupní impedance: 10MΩ (10GΩ, pokud není kůže dostatečně připravena) Zesílení: 100 50000x Šířka pásma: 10Hz až 3kHz (min. 500Hz) o Obvykle bývá větší až 10kHz Možnost kalibrace Minimálně dva kanály Reproduktor kontrola snímaného signálu poslechem T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 6 / 10
DOPORUČENÍ PRO REALIZACI: Obrázek 4: Blokové schéma snímání EMG signálu Snímání signálu Pro snímání budete využívat Ag/AgCl jednorázové povrchové elektrody. Jedná se o elektrody, na které již je nanesen gel. Tyto elektrody je potřeba umístit nad vyšetřovaný sval (anterior tibialis), který se nachází na přední straně holeně. Obrázek 5: Pozice svalu Anterior Tibialis. T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 7 / 10
Horní propust RC článek Při použití elektrody s gelem dochází ke vzniku tzv. půlčlánkového napětí. Tohle napětí mimo jiné závisí na koncentraci iontů v gelu. Půlčlánkové napětí se pak projevuje v signálu jako stejnosměrná složka nebo složka s nízkou frekvencí (maximálně do 1Hz) což je způsobeno pohybem a tím mísením gelu. Z tohoto důvodu je potřeba tyto nežádoucí složky odstranit. K tomu lze využít jednoduchého zapojení RC článku jako filtru typu horní propust s mezní frekvenci mezi 1 až 10Hz (EMG signál se snímá od 10Hz). Zesilovač Pro správné zpracování EMG signálu pomocí platformy Arduino je potřeba signál dostatečně zesílit. K tomu lze vhodně využít přístrojové zesilovače AD620. Tyto zesilovače mají vysoký diskriminační činitel, nízký vlastní šum a vysokou vstupní impedanci. Jsou tak vhodné pro zesilování biologických signálů. Antialiasingový filtr Při snímání signálu o frekvenci do 250 Hz je potřeba aby Arduino tento signál vzorkovalo alespoň frekvencí 500Hz nebo vyšší (pro splnění vzorkovacího teorému). Aby se tedy na vstupu do Arduina nedostal signál s vyšší frekvenci, je vhodné do obvodu zařadit jednoduchý filtr typu dolní propust (může být opět RC článek). Tento filtr následně omezí maximální možnou frekvenci signálu. Arduino Pomocí platformy Arduino je možné signál vhodně zpracovat a vyhodnotit. Podle velikosti signálu z levé a pravé končetiny se bude rozhodovat, zda má jet robot doleva nebo doprava. Program může obsahovat rovněž vhodnou inicializační funkci, která umožní kalibraci rozsahů na konkrétní osobu. T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 8 / 10
HODNOCENÍ VÝSLEDKŮ: Cílem je sestavit robotické vozítko, který bude ovládán pomocí svalů Anterior Tibialis (levá a pravá dolní končetina). Kontrakce nebo relaxace svalu na levé/pravé končetině by měla ovládat zatočení doleva/doprava, kontrakce nebo relaxace obou svalů zároveň by měla ovládat jízdu vpřed. Hodnotit se bude čas projetí vytyčené dráhy. V okamžiku přejetí mimo označenou trať bude vozidlo umístěno zpátky na trať v místě vyjetí a týmu bude připočítáno 10 trestných sekund. Každý tým může využít několik měřených pokusů, s tím, že se bude počítat vždy ten poslední. V případě shodného času rozhodne o vítězi odborná komise, která posoudí dokonalost konstrukce a samotného programu vozidla. T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 9 / 10
Partneři soutěže T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 10 / 10