Deri Yüzeyinden semg Sinyalinin Elde Edilmesi ve Kablosuz Olarak İletimi İçin Bir Alan Araştırması

Transkript

1 Deri Yüzeyinden semg Sinyalinin Elde Edilmesi ve Kablosuz Olarak İletimi İçin Bir Alan Araştırması Ebubekir Akkuş1, İlhan Tarımer2 1 Adnan Menderes Üniversitesi, Aydın Meslek Yüksekokulu, Aydın 2 Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Muğla ebubekir.akkus@adu.edu.tr, itarimer@mu.edu.tr Özet: Yüzey elektromiyografi (semg) sinyalleri, deri yüzeyinden ölçülebilen, kas ve sinir hastalıklarının teşhisi, protez uzuv kontrolü ve çeşitli insan-makine arabirimi uygulamalarında kullanılabilen biyopotansiyel sinyallerdir. Biyopotansiyel sinyallerin kablosuz olarak iletimi ise biyotelemetri olarak adlandırılmakta olup, kablosuz iletişimin hayatımıza kattığı kolaylıklar açısından oldukça önemlidir. Günümüzde kablosuz sağlık izleme sistemleri tamamen yeni olmamakla beraber piyasada bulunan mevcut sistemler genellikle pahalı olup büyük boyutludur ve hastane içerisinde kullanım kısıtlamasına sahiptir. Bu çalışmada, hafif, taşınabilir ve uygun maliyetli bir semg devresi tasarımında yaygın olarak kullanılan işlemsel yükselteç devreleri açıklanmış ve semg devrelerindeki kullanım amaçları belirtilmiştir. Bu çalışmada ayrıca, semg devreleri ile elde edilen semg sinyallerinin kablosuz iletimi için kullanılabilecek kablosuz erişim teknolojilerine kısaca değinilmiş, bu teknolojilerin olumlu ve olumsuz özellikleri belirtilmiş, her bir erişim teknolojisi uygulanabilirlik açısından değerlendirilmiştir. Anahtar Sözcükler: Yüzey Elektromiyografi, semg, Kablosuz İletim, Kablosuz Erişim Teknolojileri. A Field Research on Extraction and Wireless Transmission of semg Signals from Skin Surface Abstract: Surface electromyography (semg) signals are biopotential signals that can be measured from skin surface and used in diagnosis of muscle and nerve diseases, prothesis organ control and various human-machine interface applications. Wireless transmission of biopotential signals is called biotelemetry, and it is very significant in terms of convenience brought in our lives with wireless communication. Nowadays, wireless health monitoring systems are not a complete new thing, but current available systems in the market are generally expensive and big in size, besides they have usage limitation within hospital. In this study, commonly used operational amplifier circuits are described in a lightweight, portable and cost-effective semg circuit design and their purpose for use at the semg circuits is stated. This study also briefly discusses the wireless access technologies that can be used for the wireless transmission of semg signals obtained with the semg circuits that will be realized, the positive and negative features of these technologies are mentioned and each access technology is evaluated in terms of applicability. Keywords: Surface Electromyography, semg, Wireless Transmission, Wireless Access Technologies. 1. Giriş Elektromiyografi (EMG), sinir sistemi tarafından kontrol edilen ve kas kasılması sırasında üretilerek kaslardan toplanan elektrik sinyallerini gerilim olarak kaydeden deneysel bir yöntemdir. Bu yöntem ile kaslardan toplanan elektrik sinyalleri kasların anatomik ve fizyolojik özelliklerini temsil eder. Bu sinyaller EMG sinyali olarak isimlendirilir. EMG sinyali bir kasın motor ünitelerinin elektriksel aktivitesidir ve iki türlüdür. Bunlar yüzey EMG (semg) ve kas içi EMG dir. Hem invaziv (kas içi EMG) hem de noninvaziv (yüzey EMG) elektrotlar ile bir kasın motor ünitelerinin elektriksel aktivitesi kayıt edilebilir [1]. Günümüzde yüzeyden algılanan sinyaller, tercihen yüzeysel kas aktivasyonu yoğunluğu hakkında bilgi elde etmek için kullanılır [2]. Bu biyopotansiyel işaretler ayrıca protez uzuv kontrolünde ve çeşitli insan-makine arabirimi uygulamalarında kullanılmaktadır. Canlılara ait fizyolojik verilerin iletilmesini sağlayan mühendislik sistemleri biyotelemetri olarak tanımlanır. Biyotelemetri, hasta ve doktorun birbirinden uzakta oldukları durumlarda, 755

2 iletişim hizmeti sağlamak için kullanılır. Biyotelemetri uygulamalarında canlıların hareketlerinin sınırlanmadan doğal yaşam alanlarında izlenebilmesine olanak sağlandığı için kablosuz biyotelemetri sistemleri daha çok tercih edilmektedir [3]. Kablosuz haberleşme ve gömülü hesaplama teknolojisindeki gelişmelerle beraber uzaktan sağlık izleme konusunun önem kazanması, düşük maliyetli ve taşınabilir sağlık izleme sistemlerinin gerçekleştirilmesini sağlamıştır [4]. Bu kapsamda yapılan çalışmalarda, EKG, EMG, EEG gibi çeşitli biyolojik işaretlerin elde edilerek kablosuz olarak iletimi, farklı kablosuz erişim teknolojileri kullanılarak gerçekleştirilmiştir [3, 5, 6, 7, 8]. semg sinyallerinin elde edilmesi için kullanılan elektronik devrelerin hafif, taşınabilir ve uygun maliyetli olması, elde edilen sinyallerin uygun kablosuz erişim teknolojisi ile iletimi konuları bu sinyallerin sağlık uygulamalarında kablo kısıtlamaları ve taşınma zorlukları olmadan etkin bir şekilde kullanılabilmesi için büyük bir öneme sahiptir. Bu bildirinin ikinci kısmında hafif, taşınabilir ve uygun maliyetli bir semg devresi tasarımında yaygın olarak kullanılan işlemsel yükselteç devreleri açıklanmış ve semg devreleri içerisindeki kullanım amaçları belirtilmiştir. Bildirinin üçüncü kısmında, geliştirilebilecek semg devreleri ile elde edilen semg sinyallerinin kablosuz olarak iletimi için kullanılabilecek kablosuz erişim teknolojilerinden bazıları kısaca anlatılmıştır. Bildirinin dördüncü kısmında, bildiride ele alınan kablosuz erişim teknolojilerinin, biyopotansiyel sinyallerin kablosuz iletimi için uygulanabilirlikleri değerlendirilmiştir. Bildirinin son kısmında ise sonuçlar belirtilmiştir. 2. semg Devresi Tasarımında Yaygın Olarak Kullanılan İşlemsel Yükselteç Devreleri İnsan vücudundan biyopotansiyel işaretlerin elde edilmesi sırasında, elektrotlardan sonra gelen ve ön-uç şeklinde adlandırılan, çoğunlukla analog yapılı elektronik devreler kullanılır. Bu devreler, kullanım amacına bağlı olarak, voltaj takipçisi, enstrümantasyon yükselteci, sağ bacak sürücüsü, DC restorasyon devresi, filtre, sinyal seviye kaydırıcı, zarf dedektörü ve yarım dalga doğrultucu gibi devrelerden bir yada birden fazlasını içerisinde bulundurabilir [3, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Bu bölümde, semg sinyallerini elde etmek için kullanılabilecek, ön-uç devresi şeklindeki, semg devrelerinde yaygın olarak kullanılan enstrümantasyon yükselteci, voltaj takipçisi, sağ bacak sürücüsü, DC restorasyon ve filtre devreleri açıklanarak semg devrelerindeki kullanım amaçları belirtilmiştir Enstrümantasyon Yükselteci EMG sinyalinin genliği 0 mv ile 10 mv (tepeden tepeye ölçüm) veya 0 mv ile 1.5 mv (rms) aralığında olabilir [11]. semg sinyalleri bir enstrümantasyon yükselteci vasıtasıyla yükseltilebilir. Enstrümantasyon yükselteçleri iki giriş sinyali arasındaki oransal farkı çıkışa aktarmak için kullanılan bir devredir [12]. semg sinyali ile beraber ortamdan alınan ortak modlu işaretler sinyal/gürültü oranını olumsuz etkiler. Bu güç hattı girişiminin etkilerini minimum yapmak amacıyla yüksek ortak mod bastırma oranı (CMRR) özelliğine sahip enstrümantasyon yükselteçleri kullanılır Voltaj Takipçisi Voltaj takipçisi, bir işlemsel yükseltecin çıkış ucu ile çeviren giriş ucunun birleştirilmesi ve giriş işaretinin çevirmeyen girişe uygulanmasıyla elde edilen birim kazançlı bir devredir. Bu devre çok yüksek bir giriş empedansı ile çok düşük bir çıkış empedansına sahiptir. Bu nedenle gerilim takipçileri insan vücudu ve enstrümantasyon yükselteci girişleri arasında veya farklı devre katları arasında empedans uygunlaştırıcı olarak kullanılır Sağ Bacak Sürücüsü Şebeke kaynaklı işaretlerin insan vücudu aracılığı ile toprağa akması sonucu meydana gelen şebeke gürültülerini engellemek maksadı ile kullanılan devrenin adına sağ bacak sürücüsü denilmektedir [13]. Sağ bacak sürücüsü ile enstrümantasyon yükselteci giriş uçlarına ulaşan ortak modlu işaretler güçlendirildikten sonra, terslenerek insan vücudundaki dirsek benzeri sert ve incelenen yüzeyden bir miktar uzak bir yere kullanılan referans elektrotu ile geri beslenir. Bu devreler ile insan vücudunda bulunan ve sinyal/gürültü oranını olumsuz etkileyen ortak modlu işaretlerin zayıflatılması sağlanır DC Restorasyon Devresi DC restorasyon devresi ile enstrümantasyon yükselteci çıkışından sonra kullanılan işlemsel yükselteç devrelerine ulaşabilecek olan DC gerilimler ortadan kaldırılır. Böylece enstrümantasyon yükselteci çıkışında yer alan işlemsel yükselteçlerin doyuma girerek işlevlerini yerine getirememesi veya zarar görmesi durumları önlenmiş olur. 756

3 2.5. Filtre Devreleri EMG sinyalinin kullanılabilir enerjisi 0 Hz ile 500 Hz frekansları arasındadır, baskın enerji ise 50 Hz ile 150 Hz aralığındadır [11]. Filtre devreleri ile baskın enerjili semg sinyallerinin elde edilebilmesi için sırasıyla bir yüksek geçiren filtre devresi ve bir alçak geçiren filtre devresi kullanılır. Yüksek geçiren filtre devresi belirlenen kesim frekansının üzerindeki frekansa sahip sinyallerin geçmesine izin verir, alçak geçiren filtre devresi ise belirlenen kesim frekansının üzerindeki frekanslara sahip sinyallerin geçişine izin vermez. İşlemsel yükselteç devreleri kullanılarak gerçekleştirilecek olan devreler ile elde edilecek semg sinyalleri, kullanılacak kablosuz erişim teknolojisine göre çeşitli işlemlerden geçirildikten sonra kablosuz olarak uzaktaki bir noktaya iletilerek görüntülenebilir ve sağlık incelemeleri için değerlendirilebilir. 3. semg Sinyalinin Kablosuz İletimi İçin Kullanılabilecek Kablosuz Erişim Teknolojileri Bu kısımda, semg sinyalinin kablosuz iletimi amacıyla kullanılabilecek kablosuz erişim teknolojilerinden bazıları olan Bluetooth, ZigBee, WiFi ve UWB kısaca anlatılmıştır Bluetooth Bluetooth radyoları ilkel ağ yetenekleri ile birlikte kablosuz cihazlar arasında kısa mesafeli bağlantılar sağlamaktadır. Bluetooth standardı, dijital cihazların içerisine yerleştirilmiş bir radyo vericisi içeren küçük bir mikroçipe dayanır. Cep telefonları, dizüstü ve avuç içi bilgisayarlar, taşınabilir yazıcılar ile projektörler ve ağ erişim noktaları gibi cihazlar için kablo bağlantılarının yerini alıcı-verici alır. İletim mesafesi 10 m dir (verici gücü 1 mw olduğu zaman). Sistem lisans gerektirmeyen 2.4 GHz frekans bandında çalışır [14]. Bluetooth, 64 Kbps ses bağlantısı ve Kbps a kadar veri bağlantısını desteklediği için birçok biyomedikal sinyal için yeterli veri aktarım hızını sağlar [15] ZigBee ZigBee uyumlu ürünler, 868 MHz ve 915 MHz ISM bantlarında sırasıyla Avrupa ve Kuzey Amerika da kullanılabilirken, 2.4 GHz ISM bandında dünya genelinde kullanılabilirler. 16 kanal ile 2.4 GHz de 250 Kbps, 10 kanal ile 915 MHz de 40 Kbps ve 1 kanal ile 868 MHz de 20 Kbps veri aktarım oranları elde edilebilir [16]. İletim mesafesinin, harcanan güç ve çevresel özelliklere bağlı olarak 10 m ile 75 m aralığında olması beklenir. ZigBee, kablosuz ağ temelli bir standarttır ve düşük güç tüketimi ile düşük veri iletim hızlarını desteklemektedir [17] WiFi WiFi hava yoluyla veri iletimi için radyo frekansı kullanan bir kablosuz teknolojidir. Farklı WiFi standartlarının iletim hızı 11 Mbps den 54 Mbps e kadar değişmektedir [18]. WiFi iç mekanlarda yaklaşık olarak 46 m ile 92 m arasında iletim aralığına sahiptir. Bunun yanı sıra WiFi dış ortamlarda ortam şartlarına bağlı olarak 300 m ye kadar erişebilir ancak performansı mesafe arttıkça düşmektedir [19]. WiFi; lisans gerektirmeyen frekans bandı kullanımı, daha az uluslararası düzenleyici kısıtlamalar ve düşük maliyet açılarından avantajlıdır. Girişime duyarlı frekans spektrumu kullanımı ve diğer standartlara göre yüksek enerji tüketimi ise dezavantajlarıdır [20] UWB UWB son zamanlarda kapalı mekanlarda, kısa mesafeli, yüksek hızlı kablosuz erişim teknolojisi olarak oldukça dikkat çekmiştir. UWB nin en heyecan verici ve ilginç karakteristiklerinden birisi 110 Mbps nin üzerindeki (480 Mpbs ye kadar) bant genişliğidir ki bu özellik ev ağlarında ses ve video iletimi gibi multimedya uygulamalarının çoğu için yeterli olabilir. UWB frekans bant aralığı 3.1 GHz ile 10.6 GHz aralığıdır. UWB çok düşük güç ile 10 m ye kadar yüksek bant genişliğinde veri hızını mümkün kılmaktadır [21]. Biyomedikal uygulamalar için UWB kullanımının birçok avantajı vardır. Çünkü UWB çok kanallıdır, girişime dayanıklıdır, diğer enstrümanlar ile iyi bir birliktelik sağlar ve düşük güç tüketir [22]. UWB nin düşük iletim gücü nedeniyle insan sağlığına olan etkilerinin de daha düşük olduğu kabul edilmektedir. Bu nedenle UWB nin sağlık hizmeti uygulamalarında kullanımı oldukça idealdir [23]. 4. Biyopotansiyel Sinyallerin Kablosuz İletimi için Kullanılabilecek Kablosuz Erişim Teknolojilerinin Uygulanabilirliği Bluetooth kablosuz erişim teknolojisi kısa mesafelerde yaklaşık 1 Mbps veri iletim hızı ile basit ve düşük maliyetli çözümler için yeterlidir. 2.4 GHz lisans gerektirmeyen ISM frekans bandında çalışması birçok cihaz ile uyumlu çalışmasını sağlar. Basit donanım özellikleri ile farklı cihazlarla tümleşik halde bulunabilir ve oldukça düşük maliyetlidir. Ancak Bluetooth karmaşık ve yoğun veri paylaşımı gereken kablosuz biyopotansiyel sinyal iletimi uygulamalarında yetersiz kalabilir. ZigBee kablosuz erişim teknolojisini kullanan cihazlar veri iletişimi yapmadıkları durumlarda derin uykuya dalarak enerji tasarrufu sağlayabilir. Bu sayede saatler süren uyku devreleriyle birlikte bataryanın kullanım süresi çok uzun bir süre de- 757

4 vam edebilir. Ayrıca birden fazla ZigBee temelli duyarga cihazının birlikte kullanımıyla oluşacak olan kablosuz algılayıcı ağ sayesinde birden fazla biyopotansiyel sinyal algılanarak belirlenen bir yere kablosuz olarak iletilebilir. Buna karşılık, düşük veri iletim hızları ZigBee kablosuz erişim teknolojisinin olumsuz yönü olarak görülebilir. WiFi kablosuz erişim teknolojisinin en önemli kazançları, yüksek veri iletim hızı ve yüksek veri iletim mesafesidir. Ancak yüksek enerji tüketimi, hafif ve taşınabilir yapıdaki kablosuz biyopotansiyel sinyal iletimi uygulamaları için önemli bir zorluk oluşturur. 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. 5. Sonuçlar Bu çalışmada, kişilerin kablo kısıtlamasından bağımsız olarak gerçekleştirmesi gereken çeşitli kas hareketlerini değerlendirebilmek amacıyla hafif, taşınabilir, uygun maliyetli bir semg devresi tasarımında yaygın olarak kullanılan işlemsel yükselteç devreleri açıklanmış ve semg devreleri içerisindeki kullanım amaçları belirtilmiştir. Ayrıca, semg devreleri ile elde edilecek semg sinyallerinin kablosuz olarak iletimi için kullanılabilecek kablosuz erişim teknolojilerinden bazılarına kısaca değinilmiş, olumlu ve olumsuz özellikleri belirtilmiş, her bir kablosuz erişim teknolojisi uygulanabilirlik açısından değerlendirilmiştir. 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. UWB nin birçok olumlu özelliğinin yanı sıra insan sağlığına olan etkilerinin düşük olması, bu kablosuz erişim teknolojisinin biyopotansiyel sinyal iletimi uygulamalarında kullanışlı olmasını sağlamıştır. 6. 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] Desmedt, J.E., Computer Aided Electromyography and Expert Systems, Elsevier Science Limited, Amsterdam, The Netherlands; New York, NY, USA; Oxford, UK, (1989). [3] Fidan, U. ve Güler, İ., 4 Kanallı Biyotelemetri Cihazı Tasarımı, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 22, 7-12, (2007). [4] Binkley P.F., Predicting the Potential of Wearable Technology, IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, 22, 23-27, (2003). [5] Al-Imarı, A.A., Rashid, K.A. ve Al-Dagstany, M., Telemetry Based System for Measurement and Monitoring of Biomedical Signal, Proceedings of The 3rd IEEE International Workshop on System-on-Chip for Real-Time Applications, Canada, , (2003). [6] Mohensi, P., Najafi, K., Eliades, S., ve Wang, X., Wireless Multichannel Biopotential Recording Using an Integrated Fm Telemerty Circuit, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 13, , (2005). [7] Youn, W., ve Kim, J., Development of a compact-size and wireless surface EMG measurement system, ICCAS-SICE, 2009, , (2009). [8] Kundu, A.S., Mazumder, O. ve Bhaumik, S., Design of Wearable, Low Power, Single Supply Surface EMG Extractor Unit for Wireless Monitoring, Proc. Int. Conf. Nanotechnology and Biosensors, 25, 69-74, (2011). [9] Çakar, H.İ., ve Toker, O., Kara, S., A Wireless Surface Electromyography System Design for Lumbar Disc Herniated Patients, Medical Measurements and Applications Proceedings (MeMeA), 2011 IEEE International Workshop on, 35-38, (2011). [10] Ridwan, S.D., Thompson, R., Jap, B.T., Lal, S., Fischer, P., Single Channel Wireless EEG: Proposed Application in Train Drivers, Third International Conference on Broadband Communications, Information Technology & Biomedical Applications, pp , (2008). [11] Luca,C.J.D., Surface Electromyography : Detection and Recording, DelSys, (2002). SEMGintro.pdf [12] Küçük, S., Elektronik, Birsen Yayınevi, 122, (2005). [13] Türker, G.F., Güler, İ., Farksal Yalıtılmış EKG Tasarımı ve Uygulaması, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 16-3, (2012). 758

5 [14] Goldsmith, A., Wireless Comminication, Cambridge University Press, UK, (2005). [15] Hung, K. ve Zhang, Y.T., Usage of Bluetooth in Wireless Sensors for Tele-Healthcare, 24th Annual Conference and the Annual Fall Meeting of the Biomedical Engineering Society EMBS/ BMES Conference, , (2002). [16] Zheng, J. ve Lee, M.J., Will IEEE Make Ubiquitous Networking a Reality?, IEEE Communications Magazine, 42, , (2004). [17] 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, , (2010). [18] 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). [19] 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). [20] Ibanez, S.R., Santos, R.A., Licea, V.R., Block, A.E., ve Ruiz, M.A.G., Hybrid WiFi-Wi- MAX Network Routing Protocol, Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference, CERMA 08, 87-92, (2008). [21] 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). [22] Lazaro, A., Girbau, D., Villarino, R. ve Ramos, A., Vital signs monitoring using Impulse Based UWB Signal, Proceedings of the 41st European Microwave Conference, , (2011). [23] Yamashina, K., Matsuda, N., Takizawa, K. ve Ikegami, T., Study of Human Body Detection for Health Care using UWB-IR in Indoor Environments, ISSSTA2010, , (2010). 759