شماره ركورد
33690
پديد آورنده
سيدنيما حسيني
عنوان
كنترل حركت دست به وسيله تحريك الكتريكي عملكردي و سيگنال الكترومايوگرام
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي پزشكي-بيوالكتريك
سال تحصيل
1404
تاريخ دفاع
1404/06/09
استاد راهنما
دكتر عباس عرفانيان اميدوار
استاد مشاور
دكتر عباس عرفانيان اميدوار
دانشكده
برق
چكيده
ضايعه نخاعي در ناحيه گردن معمولاً موجب فلج چهار اندام و از دست رفتن كنترل ارادي حركات ميشود. اين امر ضرورت استفاده از روشهاي كمكي براي بازيابي عملكرد اندامها و ايجاد استقلال عملكردي را ايجاب ميكند. هدف كلي اين پژوهش، بازگرداندن ارادي حركات عملكردي دست، در بيماران ضايعه نخاعي گردني با بهرهگيري از تحريك الكتريكي عملكردي (FES) و استفاده از سيگنالهاي زيستي نظير سيگنالهاي الكترومايوگرام(EMG) براي كنترل اين تحريك است.
براي ايجاد حركت در انگشتان دست، تحريك الكتريكي عملكردي به ناحيه ساعد اعمال شد. براي اين منظور از يك تحريككننده پوشيدني با آرايه الكترودي شامل 32 كاتد و 8 آند (در مجموع 256 حالت تحريك) استفاده گرديد. كانالهايي كه در اثر تحريك قادر به ايجاد حركت مشخص در دست بودند به عنوان كانالهاي مؤثر در نظر گرفته شدند. جهت ارزيابي كيفي و كمي حركات ايجادشده، از فيلم برداري كف دست و استخراج زاويه انگشتان با استفاده از ابزار MediaPipe در دو حالت برونخط و برخط استفاده شد. اين فرايند امكان تبديل تحريكات به مقادير عددي و قابل ارزيابي را فراهم آورد.
از آنجا كه اين نوع از بيماران ضايعه نخاعي توانايي كنترل تحريك كننده به صورت مستقل و ارادي را ندارند، براي كنترل تحريككننده از EMG عضلات باقيمانده استفاده شد. عضلات سينهاي بزرگ و ذوزنقهاي سمت راست كه در بيماران گردني اغلب توانايي انقباض خود را حفظ ميكنند انتخاب شدند و انقباضات ايزومتريك آنها به عنوان فرمان كنترلي در نظر گرفته شد.
در اين راستا ثبت سيگنال EMGبا دو كانال و نرخ نمونهبرداري 500 هرتز انجام گرديد. براي بهبود كيفيت و كاهش نويز، از فيلتر باندگذر 20 تا 250 هرتز براي حذف نويز حركتي و نويز ECG و همچنين از فيلتر ناچ 50 هرتز براي حذف نويز برق شهر استفاده شد. در مرحله پردازش با استفاده از استخراج ويژگي به وسيله تبديل موجك پيوسته (CWT) به عنوان تصاوير ورودي شبكه عصبي يادگيري عميق AlexNet اقدام به طبقه بندي چهار كلاس حركتي، شامل (دو كلاس حركات ايزومتريك نرم و شديد، كلاس حركات ايزوتونيك(آرتيفكت حركتي) و كلاس استراحت) كرديم. برچسبهاي بدست آمده از خروجي شبكه، به عنوان فرمانهاي حركتي در اين پروژه مورد استفاده قرار گرفت. در مجموع 3 فرمان حركتي، با انقباض ايزومتريك به مدت 3 ثانيه، براي بازكردن دست و بستن دست و همچنين 5 ثانيه براي خاموش كردن تحريك كننده در نظر گرفته شد.
براي ارزيابي روند پژوهش، از چهار فرد سالم و يك بيمار ضايعه نخاعي گردني دعوت به مشاركت شد. نتايج ارزيابي تحريك در بيمار ضايعه نخاعي نشان داد، الكترود آرايهاي FES ميتواند هفت حركت معنادار ايجاد كند، از اين بين دو حركت بازكردن و بستن دست براي ارزيابي كنترل به وسيله EMG انتخاب شد. در نهايت نتايج طبقه بندي برخط چهار كلاسه EMG، به 99/7 ± 30/75 درصد در فرد بيمار و در فرد سالم، دقت 54/2 ± 32/82 درصد رسيد. اين نتايج بيانگر آن است كه تركيب FES با كنترل به وسيله سيگنالهايEMG ، ميتواند حركات كاربردي دست را در بيماران ضايعه نخاعي بازگرداند.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/07/01
عنوان به انگليسي
Control of hand movement by functional electrical stimulation and electromyogram signals
تاريخ بهره برداري
8/31/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سيدنيما حسيني
چكيده به لاتين
In patients with cervical spinal cord injury, the injury to the neck mainly causes paralysis and loss of control of the four limbs. One of the challenges is to restore the efficiency of the paralyzed limb with different methods and techniques. In this study, the aim was to create movements in the palm area by applying functional electrical stimulation to the forearm area of the individual. Initially, for qualitative-visual examination, these stimulations were used by a wearable stimulator using a stimulation array electrode with 256 stimulation modes (32 cathodes and 8 anodes) available at the Iranian Institute of Neurotechnology. The stimulated channels that created a specific function in the hands of individuals were considered as useful channels. Subsequently, in order to prove the functions created in individuals, measuring the angle of the fingers by using a video recording of the palm area and then extracting the angle of the fingers offline and online using the Mediapip library tools was added. This tool can convert the characteristics of the stimulation applied to each individual into an evaluable quantity.
The use and extraction of electromyogram signals in individuals was considered to control the stimulation device, considering the remaining muscle areas in individuals with cervical spinal cord injury. A sampling rate of 500 Hz with two recording channels was selected from the pectoralis major and trapezius muscles on the right side of the body, and isometric contractions of this area were considered as control commands.
The extraction of the control command by signal processing included steps such as preprocessing using 20-250 Hz bandpass filters and 50 Hz notch filters to remove noises to reduce motion artifact, ECG, and city electricity. Feature extraction from one-second windows was performed using wavelet transform from 4 classes of resting state, motion artifact state, soft isometric contraction, and severe isometric contraction, and the images of this feature were used as input to the deep learning model for offline and online AlexNet image classification.
Labview software was used as a connecting software between the two subjects of electrical stimulation and electromyogram recording in the control discussion. In this software, the two-channel electromyogram signal was recorded in one-second windows and then pre-trained by giving the data to the network, the data label was extracted and the execution command was translated based on these labels into the stimulation of the classes of opening and closing the hand or stopping the electrical stimulation. In this thesis, in order to investigate and evaluate the efficiency of the research, 4 healthy individuals and 1 patient with cervical spinal cord injury were invited to cooperate at different levels of work evaluation. The evaluations that were performed on the spinal cord injury patient were able to obtain 7 meaningful movements with electrical stimulation and in the final evaluation, the classification accuracy was 75.30 ± 7.99. and also in the healthy individual who was evaluated, the accuracy was 82.32 ± 2.54.
كليدواژه هاي فارسي
تحريك الكتريكي عملكردي , الكترومايوگرام , ضايعه نخاعي , تتراپلژي , الكترود آرايه اي , يادگيري عميق , كنترل تحريك الكتريكي
كليدواژه هاي لاتين
EMG , FES , Spinal cord injury , Deep Learning
Author
SeyedNima Hosseini
SuperVisor
Dr Abbas Erfanian Omidvar