Разработка портативного электромиографа для фиксации биоэлектрических потенциалов, возникающих в мышцах

Sh. Alali1, ,

Биоэлектрические сигналы, полученные от различных участков кожи или с поверхности тела, предоставляют наиболее ценные знания о работе внутренних органов и физиологических процессах тела согласно сравнению эффективности различных диагностических методов. В первую очередь, это касается электрических потенциалов мышц. Эти критические процедуры требуют дополнительных усилий и создания электронного оборудования для решения сложных исследовательских задач в диагностических целях [1, 2].

Электромиография (ЭМГ) – это диагностический метод, который оценивает биоэлектрическое поведение мышц, позволяя сделать выводы о состоянии функционирования нерва, который иннервирует поврежденную мышцу. Этот тест поможет врачу определить место и величину поражения, а также степень и тип повреждения мышц и периферических нервов. Это исследование проводится с помощью специальных инструментов, называемых электромиографом [3].

Сигнал ЭМГ – это изображение тока, воспринимаемого в определенном месте, который создается доставкой ионов через мембраны мышечных волокон и передается через промежуточные ткани. Это вызвано нервно-мышечной стимуляцией во время сокращения мышц [4].

Экспериментальная часть

Цель работы – разработка алгоритма работы и структурной схемы прибора ЭМГ с возможностью преобразования результатов записи на ПК, дисплей и смартфон через USB и Bluetooth для их анализа.

Для того чтобы получить и зафиксировать информацию, необходимо иметь целую совокупность устройств. Структурная схема прибора состоит из нескольких основных элементов (рис. 1):

– датчик для получения сигнала;

• –    блок питания (2 батареи 9 В);

• –    Аrduino для выполнения анализа процессов;

• –    компьютер для отображения данных и диаграммы;

• –    ЖК-дисплей для отображения данных;

• –    Bluetooth для просмотра данных на смартфоне или ноутбуке.

Рис. 1. Структурная схема прибора

Fig. 1. Blockdiagramofthedevice

Мышечный датчик V3, который мы использовали, – это универсальный датчик для электромиографии (ЭМГ) от Advancer Technologies. Он дает выходной сигнал от 0 до Vin В в зависимости от активности выбранной мышцы. Нам нужно наклеить несколько электродов и считывать напряжение, когда мышцы сгибаются [5, 6].

Этот датчик будет измерять отфильтрованную и выпрямленную электрическую активность мышцы; вывод 0–Vs В в зависимости от активности в выбранной мышце, где Vs означает напряжение источника питания. Напряжение питания: min ± 3,5 В [7].

Мы использовали 2 батарейки (Camelion 9v) для питания датчика.

Тестирование в научных целях потребовало использования микроконтроллера Arduino UNO, преимуществом которого является его доступность по сравнению с более дорогими медицинскими устройствами. В Аrduino не все контакты одного типа. Имеется 6 аналоговых и 14 цифровых выходов. Разница в том, что на аналоговых выходах диапазон значений может быть разделен от единицы до нуля на несколько небольших участков. На цифровых выводах всего два значения: логический ноль или логическая единица. На практике аналоговые датчики чаще всего подключаются к выходам аналогового типа [8].

• В    данном исследовании используются поверхностные электроды, показанные на рис. 2.

С помощью поверхностного электрода можно отслеживать только общее движение мышц, которое представляет собой прерывание потенциалов действия сотен или даже тысяч волокон [9].

Рис. 2. Структура электрода [9]: 1– металлический конус; 2 – пенная подкладка; 3 – Ag/AgCl датчик; 4 – крыло; 5 – электролитный гель; 6 – клейкая защитная пленка

Fig. 2. Structure of the electrode [9]: 1 – metal cone; 2 – foam lining;

3 – Ag/AgCl sensor; 4 – wing; 5 – electrolyte gel; 6 – adhesive protective film

Программа для сопряжения мышечного сенсора Myoware EMG с Arduino очень проста. Все, что нам нужно, это измерение аналогового напряжения (рис. 3).

Рис. 3. Исходный код / основная программа Arduino Fig. 3. Arduino source code / main program

После загрузки мы можем начать тестирование датчика и наблюдение за значениями. Для проверки работы датчика вытягиваем руку, затем сокращаем или расслабляем мышцы. Это создает аналоговое напряжение, которое можно наблюдать на последовательном мониторе [10].

Сигнал также можно наблюдать на последовательном плоттере. Для этого надо открыть экран последовательного плоттера и просмотреть форму волны, когда рычаг приводится в движение (рис. 4).

Рис. 4. Форма волны мышечного сенсора V3

Fig. 4. Musclesen sorwave form V3

Помимо перечисленных наблюдений нашей задачей было прочитать данные датчика вышеперечисленных наблюдений или аналоговое напряжение на LCD1602-дисплее. Мы подключили контакты I2C (SDA и SCL) LCD1602 -дисплея к A4 и A5 Arduino. LCD1602-модуль отображает 2 строки по 16 символов. После загрузки специального кода LCD1602 по I2C-дисплей начал отображать значение аналогового сигнала EMG, а также напряжение.

Arduino может связываться с другими устройствами через Bluetooth с помощью модуля HC–05 (zs–040). Этот модуль позволяет Arduino подключаться и обмениваться данными с другими устройствами, такими как смартфон, компьютер или другие микроконтроллеры [11].

Наши мобильные гаджеты или даже ПК осуществляют связь Bluetooth с MCU (микроконтроллером) через специальные приложения, известные как Bluetooth Terminal. Мы либо отправляем данные / команду, используя хост-устройство BT, в MCU, чтобы управлять интересующей системой, либо просто получаем данные / команду от MCU для определенного использования [12]. Нами было использовано приложение (Bluetooth terminal HC-05) для отображения данных «значение датчика и напряжение» на смартфоне [13].

Полученные результаты демонстрируют работоспособность предложенного портативного электромиографа, который может использоваться в лабораторных условиях для студентов, обучающихся по направлению биотехнических систем и технологий.

Алгоритм работы автоматизированной фиксации биоэлектрических потенциалов, возникающих в мышцах, приведен на рис. 5.

Разработанное устройство отличает то, что добавлена возможность преобразования результата записи ЭМГ на ПК, дисплей и смартфон через USB и Bluetooth для анализа результатов. Компоновка устройства приведена на рис. 6.

Рис. 5. Общий алгоритм работы прибора Fig. 5. General algorithm of the device operation

Рис. 6. Компоновка структурных элементов прибора: 1 – Arduino Uno; 2 – блок питания (2 батареи 9 В); 3 – мышечный датчик V3; 4 – LCD1602-дисплей по I2C; 5 – модуль Bluetooth HC-05; 6 – поверхностные электроды

Fig. 6. The layout of the structural elements of the device: 1 – Arduino Uno; 2 – power supply (2 batteries 9V); 3 – muscle sensor V3; 4 – LCD1602 display via I2C; 5 – module Bluetooth HC-05; 6 – surface electrodes

Результаты расчетов основных средств представлены в таблице [14, 15].

Затраты на основные и вспомогательные материалы The cost of basic and auxiliary materials

Название	Количество штук на 1 изделие	Цена за 1 шт., руб.	Сумма, руб.
Датчик эмг V3	1	1 999	1999
Ардуино уно с кабелем	1	1449	1449
Дисплей LCD 1602/ I2C	1	422	422
Батарейка 9 В, Camelion	2	232	464
Гель медицинский	1	200	200
Bluetooth HC-05	1	429	429
Итого			4963

Выводы

Применяемый метод фиксации биоэлектрических сигналов в мышцах имеет практическое значение для клинической неврологии, его реализация облегчит и повысит диагностическую точность электрофизиологических исследований.

Носимые датчики становятся все более распространенными по мере развития технологий. А датчик ЭМГ может стать одним из наиболее важных инструментов для оптимизации восстановления, заживления и сохранения правильного мышечного тонуса во время спортивных тренировок, снижающим утомляемость и перегрузку.

В данной работе разработаны структурная схема прибора и решение технической задачи на основе технических требований, алгоритм прибора.

Разработан портативный ЭМГ по невысокой цене и с конкурентоспособными характеристиками. Устройство принимает сигнал ЭМГ и отображает его на компьютере, дисплее, а также на смартфоне через Bluetooth.

На выполнение практических работ с учетом затрат основных и вспомогательных материалов, а также прочих прямых затрат израсходовано 4963 руб.

Зная всю необходимую о нём информацию, отечественные разработчики могут модернизировать текущее устройство или же на его базе построить новый, более улучшенный тип прибора ЭМГ.