Messung und Analyse myoelektrischer Signale - Communications ...

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Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1 1.1. Thema der Diplomarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2. Geschichtliche Entwicklung und Stand der Technik . . . . . . . . . . . . 2 1.3. Ziel und Aufgabenstellung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4. Lösungsweg der Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.5. Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Physiologische Grundlagen der myoelektrischen Signalerzeugung 6 2.1. Einführung in den Aufbau der Muskulatur . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2. Die motorische Einheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3. Erregbarkeit von Muskelzellen durch das Aktionspotenzial . . . . . . . . 10 2.3.1. Elektrisches Modell der Weiterleitung des Aktionspotenzials . . . 12 2.3.2. Vereinfachtes elektrisches Modell der Weiterleitung des Aktionspotenzials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.4. Summenaktionspotenzial der motorischen Einheit . . . . . . . . . . . . . 17 2.4.1. Aktivierungseigenschaften der motorischen Einheit . . . . . . . . 18 2.4.2. Rekrutierung motorischer Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.5. Überlagerung von Summenaktionspotenzialen zu einem myoelektrischen Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.6. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3. Signalerfassung 24 3.1. Übersicht über das Erfassungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2. Sensoreinheit mit Elektrode und Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.1. Metallische Elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.2. Vorverstärkerschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3. Einflussfaktoren auf die Signalerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.1. Hautvorbereitung und Übergangsimpedanz . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.2. Platzierung der Elektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.3. Masseelektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.4. Übersprechen unerwünschter Signale . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 II
Inhaltsverzeichnis 4. Signalanalyse 40 4.1. Stochastische Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2. Stationarität und Ergodizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.1. Stationarität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.2. Stationarität im weiteren Sinne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.2.3. Ergodizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3. Amplitudenparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.3.1. Gleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.3.2. Gemittelte Gleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.3.3. Integriertes myoelektrisches Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.3.4. Quadratischer Mittelwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.4. Frequenzparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.4.1. Spitzenwert der Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.2. Spektrale Bandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.3. Medianfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.4. Mittlere Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.5. Normierung der Messwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.6. Zerlegung myoelektrischer Signale in ihre Summenaktionspotenziale . . . 56 4.6.1. Independent Component Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.7. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5. Entwicklung und Aufbau eines Mess- und Erfassungssystems 59 5.1. Sensoreinheit mit Elektrode und Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.2. Regelbarer Nachverstärker und Anti-Alias-Filterung . . . . . . . . . . . . 63 5.2.1. Spannungsversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.2.2. Einstellbarer Nachverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.2.3. Anti-Alias Tiefpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.2.4. Schaltplan der Nachverstärker- und Filterschaltung . . . . . . . . 68 5.3. Messtechnische Untersuchung des Erfassungssystems . . . . . . . . . . . 69 5.3.1. Frequenzgang des Anti-Alias Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.3.2. Vorabschwächerschaltung für Linearitäts- und Frequenzgangmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.3.3. Linearitätsverhalten des Mess- und Erfassungssystems . . . . . . . 73 5.3.4. Frequenzgang des Mess- und Erfassungssystems . . . . . . . . . . 74 5.4. Analog/Digital-Wandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.5. Implementierung der Steuersoftware in LabVIEW . . . . . . . . . . . . . 76 5.6. Implementierung einer Schwellwerterkennung . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.7. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 III
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Seite 41 und 42: 3. Signalerfassung verwendet man da
Seite 43 und 44: 3. Signalerfassung kelfasern erfass
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Seite 47 und 48: 3.4. Zusammenfassung 3. Signalerfas
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Seite 51 und 52: 4. Signalanalyse Werte definiert ma
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4.3.1. Gleichrichtung 4. Signalanal
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4. Signalanalyse � � � XSeff(
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4. Signalanalyse Geht man von der i
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4.4.1. Spitzenwert der Amplitude 4.
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4. Signalanalyse 4.5. Normierung de
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4. Signalanalyse Distanzen zwischen
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5. Entwicklung und Aufbau eines Mes
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6. Messergebnisse und Messwertanaly
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6.2.2. Spektrale Leistungsdichte 6.
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U [V] U [V] 4 3 2 1 0 −1 −2 −
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7. Zusammenfassung und Ausblick Die
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7. Zusammenfassung und Ausblick ser
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Abbildungsverzeichnis 5.4. Schaltpl
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Literaturverzeichnis [1] Galvani, L
Seite 109 und 110:
Literaturverzeichnis [23] Miller-Br
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A. Anhang A.1. Entwicklung und Aufb
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A. Anhang Abbildung A.3.: Leiterpla
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A. Anhang A.1.4. Kalibrationsmessun
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MATLAB Programm zur Signalanalyse A
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A. Anhang MATLAB Programm zur Effek
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A. Anhang A.2.2. Weitere Amplituden
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A. Anhang A.2.3. Leistungsspektren
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A.3. Weitere Messdaten A. Anhang Ne
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