Deri Yüzeyinden sEMG Sinyalinin Elde Edilmesi ve Kablosuz ... · Sunum İçeriği 1. Çalışmanın Amaçları 2. sEMG Sinyali, Özellikleri ve Kullanım Alanları 3. Biyotelemetri

Ebubekir AKKUŞ İlhan TARIMER

Deri Yüzeyinden sEMG Sinyalinin Elde Edilmesi ve Kablosuz İletimi

İçin Bir Alan Araştırması

Sunum İçeriği 1. Çalışmanın Amaçları 2. sEMG Sinyali, Özellikleri ve Kullanım Alanları 3. Biyotelemetri 4. sEMG Sinyali Algılama Devresi 5. sEMG Sinyalinin Kablosuz İletimi İçin Kullanılabilecek Kablosuz Erişim Teknolojileri ve Uygulanabilirlikleri 6. Sonuçlar

Çalışmanın Amaçları

1) Hafif, taşınabilir, uygun maliyetli ve düşük güç tüketimli bir sEMG sinyali algılama devresinin gerçekleştirilmesi 2) Elde edilen sinyalin kablosuz olarak iletimi için bazı kablosuz erişim teknolojilerinin uygulanabilirliğinin tespiti

sEMG Sinyali

Elektromiyografi (EMG), sinir sistemi tarafından kontrol edilen ve kas kasılması sırasında ortaya çıkan elektrik sinyallerini gerilim olarak kaydeden deneysel bir yöntemdir. Bu yöntem ile elde edilen elektriksel sinyallere EMG sinyali adı verilir. EMG sinyali, yüzey EMG (sEMG) sinyali ve kas içi EMG sinyali olmak üzere iki türlüdür [1]

sEMG Sinyalinin Özellikleri - sEMG sinyali rastlantısal bir özellik gösterir

- Sinyal genliği 0 mV - 10 mV (tepeden tepeye ölçüm) - Sinyal frekans aralığı ise 0 Hz - 500 Hz - Baskın enerjinin olduğu aralık 50 Hz - 150 Hz [2]

[3]

sEMG Sinyali Kullanım Alanları

Kas ve sinir hastalıklarının teşhisi Protez uzuv kontrolü İnsan-makine arabirimi

[5]

[4]

[6]

Biyotelemetri

sEMG Sinyali Algılama Devresi

Voltaj Takipçisi

Voltaj Takipçisi

Sağ Bacak Sürücü Devresi

EnstrümantasyonYükselteci

DC Restorasyon Devresi

YüksekGeçiren

Filtre

AlçakGeçiren

Filtre

Ç ıkış .

Elektrot 1

Elektrot 2

Referans

Elektrot

Voltaj Takipçisi

- Çok yüksek giriş empedansı - Çok düşük çıkış empedansı

+

-

Enstrümantasyon Yükselteci

- Düşük güç tüketimi ( 50 µA) - Tek kaynak ile beslenebilme ( 1,8 V ) - Yüksek ortak mod bastırma oranı (min. 100 dB)

- Giriş uçlarında RFI filtreleri - Kolay kazanç ayarı [7]

(RG)

Ref

-

+

RG

RG

Out

INA333

Sağ Bacak Sürücü Devresi

- Ortak modlu işaretlerin zayıflatılması

R5

R4

+

-

Vcc / 2

C1

-

+R1

R2

R3

DC Restorasyon Devresi

- Düşük frekanslı sinyallerin geri beslenmesi - İşlemsel yükselteçlerin doyuma girmesinin engellenmesi

R1

+

-

Vcc / 2

C1

Yüksek Geçiren Filtre

[8]

C1 R1

R2

+

-

Vcc / 2

Alçak Geçiren Filtre

[8]

R1

R2

+

-

Vcc / 2

C1

Bağlantı Kablosu ve Elektrotlar

Gerçekleştirilen sEMG Sinyali Algılama Devresi

sEMG Sinyali Algılama Devresi Çıkış Sinyali

Osilaskop ekranında izlenen sEMG sinyali, kullanılacak kablosuz erişim teknolojisine göre çeşitli işlemlerden geçirildikten sonra kablosuz olarak uzaktaki bir noktaya iletilerek görüntülenebilir ve sağlık incelemeleri için değerlendirilebilir.

sEMG Sinyalinin Kablosuz İletimi İçin Kullanılabilecek Kablosuz Erişim Teknolojileri ve Uygulanabilirlikleri

- Bluetooth - Zigbee

- WiFi

- UWB

Bluetooth

- 1 mW verici gücü ile yaklaşık 10 m iletim mesafesi

- Mikroçip yapısı - 2.4 GHz çalışma frekansı - 64 Kbps ses bağlantısı - 723.2 Kbps veri bağlantısı [9]

Bluetooth 'un Kullanılabilirliği

- Basit donanım özellikleri ile farklı cihazlarla tümleşik halde bulunabilir

- 2.4 GHz lisans gerektirmeyen ISM bandında çalışması birçok cihaz ile uyumlu çalışmasını sağlar.

- Yaklaşık 1 Mbps veri iletim oranı ile basit ve düşük maliyetli çözümler için avantajlıdır - Bluetooth karmaşık ve yoğun veri paylaşımı gereken kablosuz biyopotansiyel sinyal iletimi uygulamalarında yetersiz kalabilir.

ZigBee

- 10 m ile 75 m iletim mesafesi - Düşük güç tüketimi - 868 MHz Avrupa ve 915 MHz Kuzey Amerika 2.4 GHz küresel çalışma frekansı - 20 Kbps – 250 Kbps veri aktarım miktarı [10],[11]

ZigBee 'nin Kullanılabilirliği

- ZigBee temelli cihazlar veri iletişimi yapmadıkları durumunda uykuya geçerek hiçbir işlem yapmazlar bu şekilde enerji tasarrufu yaparak çok uzun süre kullanım ömrü sağlayabilirler.

- ZigBee temelli duyarga cihazlarının birlikte kullanımıyla

oluşacak alan kablosuz ağ sayesinde birden fazla biyopotansiyel sinyalin algılanarak kablosuz iletimi mümkün olmaktadır.

- Düşük veri aktarım oranları ZigBee erişim teknolojisinin

olumsuz yönü olarak görülebilir.

WiFi

- 92 m ile 300 m arasında iletim mesafesi - Yüksek güç tüketimi - Lisans gerektirmeyen küresel çalışma frekansı - 11 Mbps – 54 Mbps veri aktarım miktarı [12],[13],[14]

WiFi 'nin Kullanılabilirliği

- Yüksek veri iletim hızı sağlarlar - Yüksek veri iletim mesafelerine sahiptir - Yüksek enerji tüketimi, hafif ve taşınabilir yapıdaki kablosuz

biyopotansiyel sinyal iletimi uygulamaları için önemli bir zorluk oluşturur.

UWB

- 10 m iletim mesafesi - Düşük güç tüketimi - 3.1 GHz – 10.6 GHz çalışma frekansı - 110 Mbps – 480 Mbps veri aktarım miktarı [15]

UWB 'nin Kullanılabilirliği

- UWB kablosuz erişim teknolojisinin yüksek hızlarda ve çok küçük güçlerde veri aktarımı yapabilmesi öne çıkan özellikleridir.

- UWB sahip olduğu bu özelliklerinin yanı sıra girişime

dayanıklı olması ve insan sağlığına olan düşük etkileri nedeniyle biyopotansiyel sinyallerin kablosuz iletimi için oldukça kullanışlıdır.

Sonuçlar

- Kişilerin kablo kısıtlamasından bağımsız olarak gerçekleştirmesi gereken çeşitli kas hareketlerini değerlendirebilmek amacıyla hafif, taşınabilir, uygun maliyetli ve düşük güç tüketimli bir sEMG sinyali algılama devresi gerçekleştirilmiş ve FDS kaslarına uygulanması sonucunda elde edilen sEMG sinyalleri osilaskopta izlenmiştir.

- Devrenin düşük güç tüketimine sahip olması uzun süre

kullanılabilir olmasını sağlamıştır. - Pil ile beslenmesi ise hafif ve kolaylıkla taşınabilir olmasına

izin vermiştir.

Sonuçlar

- Devrenin yapımında yüzey montaj devre elemanların kullanılması elde edilen sEMG sinyalinin sinyal/gürültü oranına olumlu etki etmiştir.

- Bluetooth’un basit ve kısa mesafeli uygulamalar için yeterli

olduğu ve WiFi’ye göre daha az güç harcadığı, ancak WiFi’nin Bluetooth’a göre daha büyük veri iletim hızı sunduğu tespit edilmiştir.

- ZigBee’nin birden çok biyopotansiyel sinyalin algılanarak kablosuz olarak iletimi açısından önemli olduğu ön plana çıkmıştır.

Sonuçlar

- UWB’nin birçok olumlu özelliğinin yanı sıra insan sağlığına olan etkilerinin düşük olması, bu kablosuz erişim teknolojisinin biyopotansiyel sinyal iletimi uygulamalarında kullanışlı olmasını sağlamaktadır.

Teşekkürler…

Sorular ve Cevaplar…

Kaynaklar

[1] Farina, D. ve Negro, F., "Accessing the Neural Drive to Muscle and Translation to Neurorehabilitation Technologies”, IEEE Reviews in Biomedical Engineering, 5, 3-14, (2012). [2] Luca, C.J.D.,“Surface Electromyography : Detection and Recording”, DelSys, (2002). http://www.delsys.com/Attachments_pdf/WP_SEMGintro.pdf [3] http://www.intantech.com/signals_RHA2000.html [4] http://www.gazikenttipmerkezi.com.tr/tr/index.php/2013-11-13-12-57-43/emg [5] http://www.tekdozdijital.com/biyonik-organlar-dusunce-ile-kontrol-edilebiliyor.html [6] http://robotik.dfki-bremen.de/en/research/robot-systems/exoskeleton-passive.html [7] INA333 Micro-Power (50µA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier Datasheet, Texas Instruments, (2008). [8] http://320volt.com/opamp-uygulamalari-amplifikator-aktif-filtreler/ [9] Goldsmith, A., “Wireless Comminication”, Cambridge University Press, UK, (2005). [10] Zheng, J. ve Lee, M.J., " Will IEEE 802.15.4 Make Ubiquitous Networking a Reality?”, IEEE Communications Magazine, 42, 140-146, (2004). [11] Dorle, S.S., Deshpande, D.M., Keskar, A.G. ve Chakole M., "Vehicle Classification and Communication Using Zigbee Protocol", Third International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology, 106-109, (2010). [12] Jindal, S., Jindal, A., ve Gupta, N., "Grouping WI-MAX, 3G and WI-FI for wireless broadband", First IEEE and IFIP International Conference in Central Asia, (2005).

Kaynaklar

[13] Dhawan, S., "Analogy of Promising Wireless Technologies on Different Frequencies: Bluetooth, WiFi, and WiMAX", The 2nd International Conference on Wireless Broadband and Ultra Wideband Communications, 14, (2007). [14] Ibanez, S.R. , Santos, R.A. , Licea, V.R. , Block, A.E. , ve Ruiz, M.A.G., "Hybrid WiFi-WiMAX Network Routing Protocol", Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference, CERMA '08, 87-92, (2008). [15] Lee, J.S. , Su, Y.W. ve Shen, C.C. , "A Comparative Study of Wireless Protocols: Bluetooth, UWB, ZigBee, and Wi-Fi", 33rd Annual Conference of the IEEE, Industrial Electronics Society, 46-51, (2007).