دستگاه الکترومایوگراف فعالیت الکتریکی عضلات اسکلتی را آشکار، ثبت و پردازش میکند. شکل موج به دست آمده که الکترومایوگرام (EMG) نامیده میشود، نمایانگر وضعیت فیزیولوژیکی یک عضله (یا دسته‌ای از عضلات) و رشته‌های عصبی کنترل کننده آن میباشد. در اثر انتقال سیگنال‌های عصبی به عضله تارهای عضلانی فعال شده و ایجاد پتانسیل عملی می‌کنند که به آن الکترومایوگرام میگویند. این موج در واقع خواست انسان را در انجام حرکت نشان میدهد. محدوده فرکانسی سیگنال EMG بین 25 هرتز تا چند کیلوهرتز متغیر میباشد. دامنه این سیگنال از 100 میکروولت شروع و تا 90 میلی‌ولت متغیر است که به نوع سیگنال و الکترود بستگی دارد. چون EMG فاقد محدوده فرکانس پائین نظیر ECG است، بالطبع سیگنال‌های آرتیفکت‌های فرکانس پائین به سادگی قابل حذف است.
اگر از الکترودهای سطحی برای ثبت استفاده شود، سیگنال‌ها دارای دامنه کمی خواهند بود (تا 1/0 میلی‌ولت) و امپدانس الکترود نیز به طور نسبی کم است (5000-200 اهم) و به نمونه الکترود، واسطه الکترود ـ الکترولیت و فرکانسی که امپدانس محاسبه میشود، بستگی دارد. در صورتی که از الکترود سوزنی استفاده شود، دامنه سیگنال قوی‌تر بوده و امپدانس آن افزایش مییابد و لذا به گین کمتر و امپدانس ورودی بالاتری برای تقویت کننده نیاز است.
عمده کاربرد های EMG عبارتند از:
• اندازه‌گیری میزان بهبود پس از فیزیوتراپی
• اندازه‌گیری رابطه خستگی و متغیرهای متابولیکی
• تشخیص اختلالات عصبی و عضلانی: مایوپاتی‌های مادرزادی، نوروپاتی‌های محیطی، فلج اطفال و …
ساختار بیرونی دستگاه EMG
عمدتاً جزئیات خاصی نداشته و بخش عمده دستگاه EMG را مدارات داخلی آن تشکیل میدهند. ساده‌ترین بلوک دیاگرام مربوط به دستگاه EMG که امروزه بر اساس آن دستگاه‌ها ساخته میشوند به صورت زیر است:
بلوک دیاگرام یک دستگاه EMG دیجیتال
روشی که اغلب به کار میرود استفاده از یک فیلتر پائین گذر و یک فیلتر بالا گذر است. در الکترومایوگراف سطحی طیف فرکانسی Hz500_ 6 برای ما اهمیت بیشتری دارد، پس ابتدا با یک فیلتر پائین گذر فرکانس‌های بالاتر از Hz500 را حذف کنیم. اما از طرف دیگر یکی از مسائل مهم آرتیفکت‌های حرکتی است که عموماً دارای فرکانس پائین است. بنابراین فیلتر بالا گذر با فرکانس Hz20_10 مناسب است. البته لازم به ذکر است گاهی از یک فیلتر notch که فرکانس Hz50 را حذف میکند نیز استفاده میگردد.
اجزای دستگاه EMG
1- الکترود ها:
الکترودهای مورد استفاده در دستگاه EMG را میتوان به دو دسته اصلی طبقه‌بندی کرد:
الف) الکترود های سوزنی (ریز الکترود):
چون این الکترود در داخل بدن وارد میشود، از این رو جزء دسته الکترودهای تهاجمی میباشد. جنس الکترود معمولاً از پلاتین یا استیل ضد زنگ است. همچنین به دلیل نزدیکی بسیار زیاد الکترود با فیبرهای عضلانی، سیگنال برداشته شده قوی و کم نویز است. این الکترودها محدوده ثبت کوچکی دارند و در ثبت سیگنال EMG یک یا دو فیبر عضلانی مورد استفاده قرار میگیرد. مشکل استفاده از این نوع الکترود این است که نمیتواند فیبرهای عضلانی را که کمی با محل الکترود فاصله داشته و مشکل نیز دارند تشخیص دهد، ولی برای ثبت موضعی ایده‌آل است.
ب) الکترود سطحی:
خود به دو نوع خشک و ژل‌دار تقسیم میشود. الکترودهای خشک (Dry electrode) در جایی که امکان مصرف ژل وجود ندارد، مورد استفاده قرار میگیرند. باید دقت کرد که با این کار امپدانس بین پوست و الکترود افزایش مییابد. سعی میشود که شکل الکترودها با انحنای پوست هم‌خوانی داشته باشد. الکترودهای سطحی را از جنس نقره با روکش کلرید نقره و یا طلا میسازند و با ژل‌هایی با ترکیب کلرید پتاسیم برای مرطوب کردن پوست استفاده میگردد. در جایی که علاقه‌مندیم فعالیت کلی عضله را بدانیم از الکترودهای سطحی استفاده میکنیم. امپدانس الکترود سطحی بین 200 تا 500 اهم متغیر است، که با توجه به نوع الکترود، محل تماس الکترود. الکترولیت و فرکانس کاری تعیین میگردد. فرکانس کاری در EMG سطحی بین 6 تا 500 هرتز میباشد که بیشترین مؤلفه‌های آن در بازه 20 تا 150 هرتز قرار دارد.
در شکل زیر یک نمونه از الکترودهای سطحی آورده شده است:
2- پیش تقویت کننده:
به منظور جلوگیری از القای نویزهای بسیار بزرگ برق شهر معمولاً از پیش تقویت کننده تفاضلی استفاده میشود. پیش تقویت کننده تفاضلی قسمتی از سیگنال که در هر دو مشترک هستند (مثلاً نویز برق شهر) را حذف کرده و قسمت متفاوت را تقویت میکند و به خروجی میبرد، که دقت این تقویت کننده برحسب CMRR بیان میشود. یک پیش تقویت کننده مناسب برای این کار باید حداقل دارای CMRR، 3200 (db90) باشد.
3- تقویت کننده:
تقویت کننده باید دارای خصوصیات زیر باشد:
- امپدانس ورودی بالا
- ضریب حذف سیگنال مشترک مناسب و CMRR بالا (CMRR ≥ 90db)
- نویز کم
- بدون اعوجاج
- ضریب بهره خطی در مشخصه فرکانسی الکترومایوگرام
- این تقویت کننده نیز باید عملکرد تفاضلی داشته و اختلاف بین زوج الکترود را تقویت کند و مؤلفه سیگنال مشترک همانند تداخل برق شهر و آرتیفکت حرکتی را تضعیف کند.
4- فیلتر ها:
روشی که اغلب به کار میرود استفاده از یک فیلتر پائین گذر و یک فیلتر بالا گذر است. در الکترومایوگراف سطحی طیف فرکانسی Hz500_ 6 برای ما اهمیت بیشتری دارد، پس ابتدا با یک فیلتر پائین گذر فرکانس‌های بالاتر از Hz500 را حذف کنیم. اما از طرف دیگر یکی از مسائل مهم آرتیفکت‌های حرکتی است که عموماً دارای فرکانس پائین است. بنابراین فیلتر بالا گذر با فرکانس Hz20_10 مناسب است. البته لازم به ذکر است گاهی از یک فیلتر notch که فرکانس Hz50 را حذف میکند نیز استفاده میگردد.
5- مبدل آنالوگ دیجیتال A/D:
قبل از ارسال سیگنال ثبت شده به کامپیوتر و پردازش آن، لازم است سیگنال دیجیتال شود. از پارامترهای مهم برای دیجیتال کردن سیگنال، فرکانس نمونه‌برداری و تعداد بیت A/D است که باید به نحو مناسبی انتخاب شوند.
6- پردازش سیگنال دیجیتال:
برای پردازش سیگنال EMG از روش‌های مختلفی استفاده میشود که بسته به نوع کاربرد، با هم متفاوت میباشند. یکی از این روش‌ها محاسبه طیف توان سیگنال با استفاده از FFT است. که با استفاده از آن میتوان اطلاعات موجود در مؤلفه‌های فرکانسی سیگنال را استخراج کرد و نوع فیبرهای عضلانی فعال شده را مشخص کرد. همچنین سرعت هدایت عضله با استفاده از دو الکترود جدا که فاصله مشخصی از هم داشته و روی یک نوع فیبر عضلانی قرار دارند، به دست میآید.
7- نمایشگر یا ثبات سیگنال:
پس از پردازش سیگنال و استخراج مؤلفه‌های مرتبط با فعالیت عضلانی، نوبت به نمایش سیگنال میرسد. برای نمایش سیگنال ممکن است سیگنال از طریق رابط‌های موجود مثل رابط usb برای کامپیوتر ارسال و نمایش داده شود و یا از طریق تراشه‌های حافظه داخل دستگاه اطلاعات مهم سیگنال را ذخیره کرد. در صورت نیاز نیز میتوان بخش‌هایی از سیگنال ثبت شده را برای چاپگر ارسال و بر روی کاغذ چاپ کرد.
