АПАРАТНО-ПРОГРАМНИЙ КОМПЛЕКС РЕЄСТРАЦІЇ МІОГРАФІЧНИХ СИГНАЛІВ НА БАЗІ МІКРОКОНТРОЛЕРА

Електроміографія (ЕМГ) – реєстрація та дослідження електричних потенціалів, що генеруються при скороченні м’язів, – відносно дешевий, але дуже інформативний метод електрофізіологічної інструментальної діагностики функціонального стану м’язової та нервової систем [1,2]. Поступовий розвиток технічних засобів реєстрації потенціалів відкриває можливості модернізації стаціонарних великих систем реєстрації ЕМГ, що найчастіше знаходяться безпосередньо у клініці, до портативних пристроїв, точність та широкий вибір інструментів фільтрації яких практично не поступаються складним професійним комплексам. Розробка портативних апаратів ЕМГ та їх впровадження у діагностичний та лікувальний процес відкривають можливості моніторингу активності м’язів безпосередньо під час переміщення людини, спостереження за станом здоров’я в режимі реального часу та у «польових» умовах, а також виявлення латентних, або прихованих захворювань.

Метою роботи є розробка апаратно-програмного комплексу реєстрації та обробки міографічних сигналів на базі мікроконтролерного пристрою.

Розроблений комплекс містить такі компоненти: контактні електроди та блок підсилення вхідного сигналу; блок фільтрації та формування сигналу; аналогово-цифровий перетворювач; мікроконтролерний пристрій для формування та передачі пакетів даних; комп’ютер зі спеціальним програмним забезпеченням аналізу отриманих даних.

Для дослідження сумарної електричної активності м'язів застосовано модуль реєстрації біопотенціалів OLIMEX Open ECG/EMG на базі мікроконтролерної платформи розробки та відлагоджування Arduino [3,4].

Три нашкірні (поверхневі) електроди дозволяють вимірювати ЕМГ у стані спокою, під час тонічних напруг, довільних скорочень та реакції на розтяг. Різниця потенціалів між електродами підсилюється за допомогою диференційних підсилювачів. Отримані сигнали перетворюються на цифрові за допомогою аналогово-цифрового перетворювача мікроконтролера Arduino, який формує 17-бітні пакети за протоколом Modular ECG та відправляє їх зі швидкістю 56700 біт/с до COM-порту комп’ютера для наступної обробки.

Як правило, зареєстровані ЕМГ сигнали містять шуми і артефакти в межах досліджуваної смуги частот, тому вони потребують додаткової обробки. Завади електромережі видаляються апаратно, артефакти сторонніх рухів людини, шуми ЕКГ та дрейф ізолінії усуваються програмно з використанням цифрових фільтрів та вейвлет-перетворення, реалізованих засобами спеціалізованого пакету Biomedical Toolkit середовища LabVIEW [5]. ЕМГ сигнал до та після фільтрації наведено на рис.1.

а б

в г

Рис.1. Необроблений сигнал ЕМГ (а) та його спектр (б).

Сигнал із компенсацією високочастотних коливань (в), його спектр (г).

У середовищі LabView розроблено віртуальний прилад, який має два головні модулі: модуль прийняття даних та модуль фільтрації, обробки та аналізу ЕМГ-сигналу. Прилад зчитує дані з COM-порту, відображає динаміку ЕМГ сигналу на передній панелі та зберігає пари (час : амплітуда) у текстовому форматі. Передня панель приладу також містить елементи, що дозволяють контролювати у реальному часі спектральні характеристики ЕМГ сигналу.

За допомогою розробленого програмно-апаратного комплексу проведені дослідження для визначення основних параметрів міографічної відповіді під час ритмічних скорочень м’язів верхніх кінцівок. ЕМГ сигнали реєструвались для двох функціональних станів людини: у спокої та при скороченні відповідної групи м’язів при підніманні на однакову висоту гирі масою 1 кг. Тривалість одного виміру ЕМГ визначалась часом до появи втоми, який становив 1 хвилину, кількість вимірів у серії – 10. Для кожного скорочення за відфільтрованим сигналом розраховувались амплітуда відповіді, середня частота спектру, середнє квадратичне значення сигналу (RMS) (рис.2, 3).

Рис. 2. Відфільтрований ЕМГ сигнал та графік потужності спектру сигналу.

Рис. 3. RMS-сигнал та спектрограма відфільтрованого ЕМГ сигналу.

Таким чином, на базі сучасної мікроконтролерної платформи Arduino та модуля OLIMEX ECG/EMG із відкритим кодом створено портативний ЕМГ пристрій, що дозволяє швидко та зручно отримувати електроміографічні дані, зберігати і обробляти їх на ПК із встановленим програмним забезпеченням. Для аналізу ЕМГ сигналів застосовано сучасні фільтруючі системи та пакети автоматизації обробки даних у середовищі програмування LabView. Експериментальні випробування пристрою для реєстрації реальних біопотенціалів повністю довели його працездатність та адекватне виконання функцій обробки ЕМГ сигналів.

Перевагами розробленого пристрою порівняно з крупними діагностичними комплексами є портативність, компактність, зручність і простота використання, низька вартість. Важливою властивістю є також здатність приладу працювати як у режимі реального часу, так і у режимі запису з можливістю подальшого аналізу даних у будь-який момент часу.

Розроблений програмно-апаратний комплекс є повноцінною системою реєстрації ЕМГ сигналів з оцінкою функціонально важливих характеристик стану м’язів та системи іннервації, що дозволяє його застосування у системах функціональної діагностики.

Література

1. Коуэн Х., Брумлик Дж. Руководство по электромиографии и электродиагностике. Пер. с англ. – М., 1975.

2. Николаев С.Г. Практикум по клинической электромиографии. – Иваново, 2003.

3. Shield-EKG-EMG. Вio-feedback shield user’s manual. Revision D. –Designed by OLIMEX Ltd, 2013.

4. Соммер У. Программирование микроконтроллернык плат Arduino Freeduino, 2012.

5. LabView для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора / Ю.К. Евдокимов, В.Р.Линдваль, Г.И. Щербаков. – М., 2007.