TR201613158A2 - Ki̇nezyoloji̇k yüzeyel elektromi̇yografi̇ ci̇hazi - Google Patents

Abstract

Bu buluş, bir veya iki kastan kas sinyallerini kaydedip otomatik ve gerçek zamanlı olarak analiz yapabilen tek veya çift kanallı bir kinezyolojik yüzeyel elektromiyografi cihazı (1) ile ilgilidir.

Description

TARIFNAME KINEZYOLOJIK YÜZEYEL ELEKTROMIYOGRAFI CIHAZI Teknik Alan Bu bulus, bir veya iki kastan kas sinyallerini kaydedip otomatik ve gerçek zainanli olarak analiz yapabilen tek veya çift kanalli bir kinezyolojik yüzeyel elektroiniyografi cihazi ile ilgilidir. Önceki Teknik Yüzeyel elektromiyografi (EMG), kisiye hiçbir zarar vermeden deri üzerinden kas sinyallerinin kaydedilip matematiksel islemler yapilmasini saglayan bir kayit teknigidir. Kinezyolojik yüzeyel elektromiyografi, tibbi elektromiyografiden islevsel olarak farkli olup, kas ve sinir hastaliklarinin teshisi yerine tedavi ve arastirma amaçli olarak kullanilmaktadir. Fizyoterapi, fizik tedavi, Spor, ergonomi gibi bilim dallari kinezyolojik yüzeyel elektromiyografiyi yaygin olarak kullanmaktadir. Ek olarak, kinezyolojik yüzeye] elektromiyografinin dogru sekilde kaydedilinesi ve analiz edilinesi zor bir teknik olup, bu islemlerde kullanilan cihazlar da oldukça pahalidir. Teknikte kullanilan çok kanalli elektromiyografi cihazlarinin maliyetleri yüksek olup analiz programlari da çok karisiktir. Kullanan kisinin mühendis gibi bilgi sahibi olmasi ve ek olarak cihazla gelen yazilimi kullanmayi bilmesi gerekmektedir. Söz konusu cihazlarda ayrica kayit sirasinda sinyal kalitesi ile ilgili nümerik bilgi (sinyal grafigi hariç) otomatik olarak verilmemektedir. Bu cihazlarda verilerin bilgisayara aktarilip ekranda gösterilirken saniyeler seviyesinde gecikme yasandigmdan gerçek zamanli analiz de yapilamamaktadir. Teknigin bilinen durumuna dahil olan U864l3l90 sayili Birlesik Devletler patent dokümaninda bir rehabilitasyon aparati ve yönteminden bahsedilmektedir. Söz konusu dokümanda açiklanan bulusta aparat, vücut hareketinin ya da bir kas tepkisinin ölçülebilmesi için bir ara yüze bagli bir sensör ve söz konusu sensörün bagli oldugu bir bilgisayari içermektedir. Söz konusu bilgisayar, hasta bilgisini, sensörün gerçek zamanli ve örnegin bir bilgisayar oyunundaki hareketinin geçmis zamanli bilgisini de isleyen bir yazilim içermektedir. Böylelikle, hastanin vücut ve kas aktivitesi analiz edilmektedir. Bulusun Kisa Açiklamasi Bu bulusun amaci, tek veya çift kanalli ve maliyeti oldukça düsük olan bir cihaz gerçeklestirmektir. Bulusun diger amaci, istendiginde paralel baglanarak çok kanalli analiz yapabilen ve bu durumda bile maliyet avantajini koruyan bir cihaz gerçeklestirmektir. Bulusun bir diger amaci, entegre (integrated) EMG ve yorulma aiializini otomatik olarak yapilmasini saglayan bir cihaz gerçeklestirmektir. Bulusun diger bir amaci yorulina aiializini en az 1000 Hz"lik örnekleme hizini düsürmeden yapabilen bir cihaz gerçeklestirmektir. Bulusun bir baska amaci, en yüksek istemli kasilmanin (maximum voluntary contraction) kayit ve analizinin otomatik yapilmasini saglayan bir cihaz gerçeklestirmektir. Bulusun diger bir amaci, kayit sirasinda sinyal kalitesi ile ilgili nümerik bilginin (hareket artefakti derecesi tahmini ve 50/60 Hz sebeke frekans gürültüsü tahmini) otomatik olarak hesaplanip ekranda gösterilmesini saglayan bir cihaz gerçeklestirmektir. Bulusun baska bir amaci, cepte tasinabilecek kadar hafif ve küçük olan bir cihaz gerçeklestirmektir. Bulusun bir diger amaci, yeni analiz yöntemleri için tekrar programlanabilen bir cihaz gerçeklestirmektir. Bulusun diger bir amaci, video analiz ve diger kinezyolojik analizler için çoklu dijital giris ve çikisa sahip olan bir cihaz gerçeklestirmektir. Bulusun bir diger amaci, Video kayitlariyla senkronizasyon için ses ve/Veya LED ya da baska bir isik kaynagi ile tüm Video kameralara veya sistemlere seiikronizasyon bilgisi gönderebilen bir cihaz gerçeklestirmektir. Bulusun baska bir amaci, örnegin robot el, robot bacak gibi elektromiyografik sinyal kontrollü protezler için güvenilir sekilde kas sinyallerini dijital sinyale çevirerek dis ortama aktarabilen bir cihaz gerçeklestirmektir. Bulusun diger bir amaci, en az 90 dB CMRR (Common Mode Rejection Ratio- Ortak gürültüden kurtulma orani) ve en az 1000 Hz"lik örnekleme hizina sahip olan bir cihaz gerçeklestirmektir. Bulusun Ayrintili Açiklamasi Bu bulusun amacina ulasmak için gerçeklestirilen "Kineziyolojik Yüzeyel Elektromiyografi Cihazi" ekli sekilde gösterilmis olup, bu sekil; Sekil 1. Bulusla gelistirilen cihazin sematik bir görünüsüdür. l . Cihaz 2. Elektrotlar 3. Enerji kaynagi 4. Ekran . Analiz birimi 6. Amplifikatör 7 Ses ve uyari birimi 8. Açma kapama dügmesi 9. Girdi dügmesi . Video isik kaynagi l 1. Aktivite isik kaynagi Deri üzerinden kas sinyallerini kaydedip gerçek zainanli ve otoinatik analiz yapan tek veya çift kanalli bir kinezyolojik yüzeye] elektromiyografi cihazi (1 ), deri üzerine yerlestirilen ve kas sinyallerinin kaydedilmesini saglayan en az bir iletken elektrot (2), en az bir enerji kaynagi (3), iletken elektrottan (2) sinyalleri alan, sinyalleri kaydeden, entegre (integrated) EMG yöntemi ile hareketin neden oldugu kas sinyallerindeki bozulmalari ve gürültüleri otomatik olarak temizleyen, sinyaller üzerinde analizi gerçeklestiren ve analiz sonucunda elde edilen verileri bir ekran (4) vasitasiyla voltaj degeri olarak gösterilmesini saglayan en az bir analiz birimi (5) içermektedir. Bulus konusu cihazda (l), enerji kaynagi (3) cihaz (1) için gerekli olan enerjiyi saglamaktadir. Cihazda (l), tercihen metal olan iletken elektrotlar (2) deri üzerine yerlestirilmekte ve bir veya iki kastan sinyalin alinmasi saglanmaktadir. Iletken elektrot (2) tarafindan alinan sinyal, analiz birimi (5) tarafindan analiz edilmekte ve analiz sonucu elde edilen veri bir ekran (4) yardimiyla gösterilmektedir. Söz konusu analiz birimi (5), sinyallerdeki gürültüleri ve bozulmalari otomatik olarak temizlemekte ve nümerik olarak bu bozulmalari ekranda (4) gerçek zamanli olarak göstermektedir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda söz konusu enerji kaynagi (3), degistirilebilen ve sarj edilebilen bir bataryadir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda cihaz (1), kas sinyallerinin guclendirilmesini saglayan en az bir amplifikatör (6) içermektedir. Bulusun baska bir uygulamasinda cihaz (l), herhangi bir hata mesajinin görsel ve/veya sesli olarak iletilmesini saglayan en az bir uyari birimi (7) içermektedir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda analiz birimi (5), elektrik kablolari ve elektrikli aletlerden kaynaklanan ve EEG, EKG, EMG gibi biyolojik sinyalleri bozan 50/60 Hz sebeke gürültüsünü temizlemekte ve bu gürültü sinyallerini ekranda (4) nümerik ve gerçek zamanli olarak göstermektedir. Böylece cihazin (l), kas kuvvetlendirici egzersiz yapilan meslek dallarinda (fizik tedavi, fizyoterapi, spor vs) kullanilabilmesi saglanmaktadir. Söz konusu gösterim sayesinde, kayit alinan kasa ait eklem ve uzuvlara kuvvetlendirine sirasinda en uygun pozisyon verilebilinesi ve kasilma-gevseme derecesinin saptanabilmesi saglanmaktadir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda analiz birimi (5), yorulma analizi parametrelerini otomatik olarak hesaplayip gerçek zamanli olarak ekranda (4) gösterilmesini saglamaktadir. Analiz birimi (5) yorulma analizini en az 1000 Hz"lik ömekleine hizini düsürmeden yapmaktadir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda cihaz (l), analiz biriini (5) sayesinde kaydettigi kas sinyallerini güvenilir ve gerçek zamanli bir sekilde dijital sinyale çevirmesi sayesinde robot el-kol-bacak gibi protezlere ve Video oyun sistemlerine direkt olarak baglanabilmektedir. Ayrica cihaz (1), maximum voluntary contraction (en yüksek istemli kasilma) kayit ve analizini otomatik olarak gerçeklestimiektedir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda analiz biriini (5), en az 90 dB CMRR ve en az 1000 Hz`lik örnekleme hizina sahiptir. Bulusun tercih edilen diger bir uygulamasinda cihaz (1), sadece üst frekanslarin geçmesine izin veren en az. bir yüksek sinyal filtresi içermektedir. Ek olarak cihaz (1) alçak geçiren filtre de içermektedir. Bulus konusu cihazda (l), birden fazla cihaz (l) birbirine paralel olarak baglanabilmekte ve böylece çok kanalli analiz yapilabilmektedir. Söz konusu cihaz (1), analiz birimi (5) sayesinde yeni analiz yöntemleri için tekrar programlanabilmektedir. Bulus konusu cihazda (1), iletken elektrodlarin (2) deri üzerine yerlestirilmesi ve tercihen en az bir açma-kapama dügmesinin (8) açilmasiyla kas sinyalleri amplifikatörde (6) kuvvetlendirilip, analiz birimi (5) tarafindan gerçek zamanli olarak entegre EMG, sebeke gürültüsü, hareket artefatlari ve yorgunluk parametreleri hesaplanip tercihen LCD olan bir ekranda (4) arka arkaya ve gerçek zamanli olarak gösterilmektedir. Bu sirada tercihen bir girdi dügmesine (9) (input switch) basilmasi ile cihaz (l) üzerinde yer alan bir Video isik kaynagi (10) yanmaktadir. Tercih edilen uygulamada video isik kaynagi (10) bir LED,tir. Tercih edilen uygulamada video isik kaynagi (10) analiz biriminin (5) kayit yaptiginin gösterilmesini saglamaktadir. Eger cihazda (1) bir ariza durumu söz konusu ise ya da enerji kaynagi (3) voltaji yetersizse Cihaz (l) üzerinde yer alan en az bir aktivite isik kaynagi (1 l) Sönmektedir degilse aktivite isik kaynagi (l 1) sürekli olarak yanmaktadir. Tercih edilen uygulamada aktivite isik kaynagi bir LEDatir. Cihaz (1) ilk açildiginda girdi dügmesine (9) basilmazsa, entegre EMG, sebeke gürültüsü, hareket artefatlarini ve yorgunluk parametreleri hesaplanip ekranda (4) arka arkaya gösterilmektedir. Entegre EMG hesaplamasi için en az -bit hassasiyette ve en az 16 kHz hizinda sayiya çevrilen 800 ms"lik analog EMG sinyali, ardisik 16 sinyalin ortalamasinin alinmasiyla analiz birimi (5) tarafindan 1000 Hz"e düsürülmektedir. Ardindan terciheii 50 veya 60 Hz olan en az bir çentik veya tarak filtredeii (comb filter) (sebeke frekansinin 60 Hz oldugu ABD gibi bazi ülkeler için 60 Hz) ve 20 Hz yüksek sinyal filtresinden geçirilip raw sinyale göre rrns degerlerinin oranlari bulunmaktadir. Bu iki gürültüden herhangi birinin orani belli bir seviyeyi geçmisse hiç bir hesaplama yapilmadan sinyalin çok gürültülü oldugu, kas elektrotlarinin (2) yeniden baglanmasi ve/veya ortamin degismesi ekranda (4) gösterilmekte (gürültü oranlariyla beraber), uyari birimi (7) tarafindan uyari verilmekte ve analiz birimi (5) tekrar EMG kaydina dönerek islemleri tekrarlamaktadir. Geçilmesi gereken söz konusu gürültü seviye orani %40 olarak belirlenmektedir. Eger gürültü düsükse sinyalin 20 Hz HPF ve tarak filtreden geçmis hali 100 ms zaman pencereli (time-Windowqu) rms- filtreden daha geçirilip ve yorgunluk parametreleri (inedian frekans, mean frekans ve 20 Hz HPF"dan geçmis sinyalin rms degeri) ve gürültü sinyali oranlari ekranda (4) gösterilip analiz birimi (5) 800 ms°lik EMG kaydina baslamakta ve islemleri tekrarlamaktadir. Bu islemlerin tümü cihaz (l) kapanana (batarya (3) bitene veya kullanici girdi dügmesine (9) basana kadar) kadar devam etmektedir. Cihaz (1) girdi dügmesine (9) basiliyken; a) EMG kontrollü robot el- joystick modu, b) otomatik MVC (Maksimum Voluntary Contraction ) hesaplama modu seçeneklerinden biri ekran (4) üzerinden seçilebilmektedir. Bu modlarin tümünde de EMG kaydi en az lO-bit hassasiyette ve en az 16 kHz hizinda yapilip ardisik 16 sinyalin ortalamasinin alinmasiyla sinyal 1000 Hz°e düsürülmektedir. Eger a-sikki seçilinisse hasta veya denegin dijital kontrol amaçli kullanilacak kasini istenen seviyede kasmasinin ardindan girdi dügmesine (9) basmasi ile cihaz (1) önce bes kez su islemi yapmaktadir: - 200 ms*lik ardisik entegre EMG hesabi (önce 20 Hz HPF ve tarak filtre, sonra da filtrelenmis sinyalin rms degeri hesaplanir). Cihazin (1) bes kez arka arkaya elde ettigi sayilarin en büyük üç tanesinin ortalamasi hafizada kiyaslama amaciyla saklanmakta ve gürültü yukarida bahsedildigi sekildeki gibi hesaplanmaktadir, -gürültü %407dan azsa hafizada sakli rms degeri gürültü oranlariyla beraber ekranda (4) gösterilerek onay beklenmektedir. Eger girdi dügmesine (9) bir saniyeden az basilirsa hafizadaki deger uygun görülmemis demektir, analiz birimi (5) islemleri tekrarlamaktadir. Daha uzun süre basilirsa çikis modu (output modu) aktive olmaktadir. Çikis modundan her 200 ms lik EMGlnin rms degeri (20 Hz HPF ve tarak filtreden sonra) hesaplanip hafizada saklanan deger asildiginda çikis pini kapali konumuna getirilmektedir. Eger gürültü orani %40& geçmisse cihaz (l) ekranda (4) hata mesaji vermekte, uyari birimi (7) uyari vermekte ve çikis durumu degistirilmemektedir. Bu sekilde EMG dijital sinyale degistirilmektedir. Cihaz (l) enerjisi bitene veya yeniden baslatilana kadar bu modda çalismaya devam etmektedir. Eger b-sikki seçilmisse otomatik MVC hesaplama modunda girdi dügmesine (9) bastiktan sonraki bes saniyelik kayit 20 Hz HPF ve [00 ms zaman penceleri i'ms filtresinden geçirilip sinyalin maksimum degeri bulunarak ekrana (4) mV olarak yazilip (gürültü oranlariyla beraber) beklenmektedir. Kullanici her girdi dügmesine (9) bastiginda bu islem tekrarlanmaktadir. Girdi dügmesine (9) l saniyeden uzun basilmissa cihaz (1) kendisini yeniden baslatmakta; l saniyeden az basilmissa islemler tekrarlanmaktadir. Bu temel kavramlar etrafinda, bulus konusu "KINEZYOLOJIK YÜZEYEL ELEKTROMIYOGRAFI CIHAZI (1)" ile ilgili çok çesitli uygulamalarin gelistirilmesi mümkün olup, bulus burada açiklanan örneklerle sinirlandirilamaz, esas olarak istemlerde belirtildigi gibidir. TR

Claims (1)

1.ISTEMLER . Deri üzerinden kas sinyallerini kaydedip gerçek zamanli ve otomatik analiz deri üzerine yerlestirilen ve kas sinyallerinin kaydedilmesini saglayan en az bir iletken elektrot (2) ve en az bir enerji kaynagi (3) içeren ve iletken elektrottan (2) sinyalleri alan, sinyalleri kaydeden, entegre (integrated) EMG yöntemi ile hareketin neden oldugu kas sinyallerindeki bozulmalari ve gürültüleri otomatik olarak temizleyen, sinyaller üzerinde analizi gerçeklestiren ve analiz sonucunda elde edilen verileri bir ekran (4) vasitasiyla voltaj degeri olarak gösterilmesini saglayan en az bir analiz birimi (5) ile karakterize edilen tek veya çift kanalli bir kinezyolojik yüzeyel elektromiyografi cihazi (1). . Elektrik kablolari ve elektrikli aletlerden kaynaklanan ve EEG, EKG, EMG gibi biyolojik sinyalleri bozan 50/60 Hz sebeke gürültüsünü temizleyen ve bu gürültü sinyallerinin ekranda (4) nümerik ve gerçek zamanli olarak gösterilmesini saglayan analiz birimi (5) ile karakterize edilen Istem 15deki gibi bir kinezyolojik yüzeyel elektromiyografi cihazi (1). . Yorulma analizi parametrelerini otomatik olarak hesaplayip gerçek zamanli olarak ekranda (4) gösterilmesini saglayan analiz biriini (5) ile karakterize edilen Istem lsdeki gibi bir kinezyolojik yüzeye] elektromiyografi cihazi (1). . Kaydettigi kas sinyallerini güvenilir ve gerçek zamanli bir sekilde dijital sinyale çevirerek robot el-kol-bacak gibi protezlere ve video oyun sistemlerine direkt olarak baglanan analiz birimi (5) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeyel elektromiyografi cihazi (1). . Maximum voluntary contraction (en yüksek istemli kasilma) kayit ve analizini otomatik olarak gerçeklestiren analiz birimi (5) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeyel elektroiniyografi cihazi (1). Kas sinyallerinin güçlendirilmesini saglayan en az bir amplifikatör (6) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeyel elektromiyograti cihazi (1). Degistirilebilen ve sarj edilebilen bir batarya olan enerji kaynagi (3) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeyel elektromiyografi cihazi (1). Herhangi bir hata mesajinin görsel ve/veya sesli olarak iletilmesini saglayan en az bir uyari birimi (7) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyoloj ik yüzeyel elektromiyografi cihazi (1). Sadece üst frekanslarin geçmesine izin veren en az bir yüksek sinyal filtresi ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi birkinezyolojik yüzeye] elektromiyografi cihazi (1). En az 90 dB CMRR ve en az 1000 Hz”lik örnekleme hizina sahip olan analiz biriini (5) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeyel elektromiyografi Cihazi ( l). Birden fazla cihazin (l) birbirine paralel olarak baglanmasi ile çok kanalli analiz yapan yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeyel elektromiyografi cihazi (1). Yeni analiz yöntemleri için tekrar programlanabilir olan analiz birimi (5) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeyel elektromiyografi cihazi (1). Cihazin (l) açilip kapanmasini saglayan en az bir açma kapama dügmesi (8) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeye] elektromiyografi cihazi (1). Analiz biriminin (5) kayit özelliginin aktive edilmesini saglayan en az bir girdi dügmesi (9) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeye] elektromiyografi cihazi (1). Analiz biriminin (5) kayit yaptiginin gösterilmesini saglayan en aZ bir Video isik kaynagi (10) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeye] elektromiyografi cihazi (1). Eger bir ariza durumu söz konusu ise ya da enerji kaynaginin (3) voltaji yetersizse sönen, cihaz (1) normal çalisina durumunda ise sürekli olarak yanan en az bir aktivite isik kaynagi (11) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeye] elektromiyografi cihazi (1). Entegre (integrated) EMG hesaplamasi için en az IO-bit hassasiyette ve en az 16 kHz hizinda sayiya çevrilen 800 msilik analog EMG sinyalini, ardisik 16 sinyalin ortalamasini alarak 1000 Hz”e düsüren analiz birimi (5) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeye] elektromiyograti cihazi (1). Sinyali 50 veya 60 Hz olan en az bir çentik veya tarak filtreden ve 20 Hz yüksek sinyal filtresinden geçirip raw sinyale göre rms degerlerinin oranini hesaplayan analiz birimi (5) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeye] elektromiyografi cihazi (1). Gürültülerden herhangi birinin orani belli bir seviyeyi geçmisse hiç bir hesaplaina yapmadan sinyalin çok gürültülü oldugunu, kas elektrodlarinin (2) yeniden baglanmasi ve/Veya ortamin degismesi gerektigini gürültü oraniyla beraber ekranda (4) gösteren, uyari birimi (7) tarafindan uyari veren ve tekrar EMG kaydina dönerek islemleri tekrarlayan analiz birimi (5) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeyel elektromiyografi cihazi (1). Eger gürültü düsükse sinyalin 20 Hz HPF ve tarak ûltreden geçmis hali 100 ms zaman pencereli (time-Windowllu) rms-filtreden daha geçirip 800 ms”lik final sinyalin mis degeri ve yorgunluk parametreleri ve gürültü sinyali oranlarini ekranda (4) gösteren, 800 msllik EMG kaydina baslayan ve islemleri tekrarlayan analiz birimi (5) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir kinezyolojik yüzeyel elektromiyografi cihazi (1 ). Girdi dügmesine (9) basiliyken; a) EMG kontrollü robot el-joystick modu, b) otomatik MVC hesaplama modu seçeneklerinden birinin seçilinesini saglayan ekran (4) ile karakterize edilen Istem 14°teki gibi bir kinezyolojik yüzeyel elektromiyografi cihazi (1). TR