بخشی از مقاله
چکیده
یکی از تمرینهای مناسب برای افراد دچار ضایعات عصبی-حرکتی در پایینتنه، رکابزنی با دوچرخه ثابت میباشد. رکاب زنی دارای مزیتهای بسیاری از جمله جلوگیری از پوکی استخوان و آتروفی عضلات است. یکی از پارامترهای مهم در رکابزنی با دوچرخه ثابت، زاویه رکاب میباشد. به دلیل اینکه بین فعالیت الکتریکی عضلات و فعالیت مکانیکی آنها تأخیر زمانی وجود دارد، با در اختیار داشتن اطلاعات فعالیت الکتریکی عضلات، فعالیت مکانیکی آنها قابل پیش-بینی است.
در این مقاله یک مدل پیشبین مبتنی بر شبکه عصبی بازگشتی نارکس برای پیشبینی زاویه رکاب ارائه شده است. به طوریکه ورودی شبکه عصبی مصنوعی، الگوی فعالیت عضلات است و خروجی آن زاویه رکاب را پیش بینی میکند. ابتدا سیگنالهای الکترومایوگرام عضلات پنج فرد سالم حین رکابزنی با دوچرخه ثابت ثبت شد. سپس با استخراج الگوی فعالیت عضلات، دادههای آموزش شبکه عصبی بدست آمد و در نهایت کارایی شبکههای عصبی بازگشتی نارکس با دو ساختار سری و سریموازی- ارزیابی و با یکدیگر مقایسه شد. به منظور ارزیابی کمّی عملکرد شبکه عصبی از دو معیار میانگین ضریب همبستگی و جذر میانگین مربع خطا استفاده میشود که نتایج نشان میدهد شبکه عصبی نارکس با ساختار سری-موازی با دقت بیشتری زاویه رکاب دوچرخه ثابت را پیش بینی میکند.
.1 مقدمه
در اختیار داشتن مشخصات سینماتیکی حرکت به منظور آنالیز، کنترل و پیش بینی حرکت ضروری است. برای اندازه گیری مستقیم مشخصات سینماتیکی، ممکن است چندین سنسور مورد نیاز باشد.[1] یکی از ایدههای مطرح در سالهای اخیر، استفاده از راهکار الکترومایوگرافی برای تخمین و پیش-بینی مشخصات سینماتیکی است. این ایده به علت وجود تأخیر الکترومکانیکی بین فعالیت الکتریکی عضله و فعالیت مکانیکی آن مطرح شده است2]و.[3
تحقیقات قبلی نشان میدهد که بین فعالیت الکتریکی عضلات و فعالیت مکانیکی آنها تأخیر زمانی وجود دارد و فعالیت الکتریکی عضلات مقدم بر فعالیت مکانیکی میباشد.[2] اختلاف زمان بین فعالیت الکتریکی و فعالیت مکانیکی را تأخیر الکترومکانیکی میگویند.[3] مقدار تأخیر الکترومکانیکی با تغییر شرایط متغیر است اما به طور کلی محدوده آن بین 50 تا 100 میلی ثانیه میباشد..[4-2] با استفاده از تأخیر الکترومکانیکی و با داشتن سیگنال الکترومایوگرام میتوان فعالیت مکانیکی عضلات را پیشبینی کرد. یکی از کاربردهای تأخیر الکترومکانیکی، پیشبینی گشتاور/ زاویه مفصل یا نیروهای عضلانی با استفاده از الکترومایوگرام میباشد.
در یکی از تحقیقاتی که در گذشته انجام شده از روشهای پردازش الکترومایوگرام به نیرو برای تعیین نیروی عضلانی مچ پا حین راه رفتن استفاده شده است. همبستگی نزدیکی بین دینامیک معکوس گشتاور مچ پا و گشتاور بدست آمده از روش پردازشی الکترومایوگرام به نیرو، وجود دارد، بنابراین گشتاور مچ پا و در نتیجه آن نیروی عضلانی مچ بدست میآید.[5] در تحقیقی دیگر از الکترومایوگرام برای پیش بینی گشتاور حول آرنج استفاده شده است. در این تحقیق تأخیر بین الکترومایوگرافی سطحی و گشتاور مفصل را به منظور تخمین گشتاور پیش از وقوع آن، استخراج کرده، مدل های خطی و غیر خطی مرتبه بالا را به سیگنال های الکترومایوگرام با پردازش پیشرفته - سفید و ترکیب چند کانال - و بدون پردازش اعمال کرده است و در نهایت نتیجه گرفته است که با داشتن الکترومایوگرام چهارکاناله سفید، مدل غیرخطی مرتبه پانزدهم کمترین خطا را داراست.[6] تحقیق دیگری، با استفاده از الکترومایوگرام زاویه مفصل زانو را تخمین میزند.
در این مقاله از یک شبکه عصبی مصنوعی سه لایه برای تخمین زاویه مفصل زانو استفاده شده که ورودی آن پارامترهای تحریک الکتریکی - دامنه پالس مثبت، عرض پالس مثبت و منفی - و خروجی زاویه مفصل زانو است و نتایج نشان دهنده خطا در محدوده قابل قبول و عملکرد مناسب شبکه میباشد.[7] گروهی از محققین با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی الگوی فعالیت مطلوب عضلات انگشت شست دست را پیش بینی می-کنند. ابتدا سیگنالهای الکترومایوگرام عضلات ساعد و شست دست افراد سالم، حین نوشتن حروف انگلیسی و رسم دایره ثبت میشود سپس الگوی فعالیت عضلات استخراج شده و به عنوان ورودی به شبکه عصبی وارد میشود. کارایی پنج شبکه عصبی مختلف با هم مقایسه شده و نتایج نشان میدهد که شبکه عصبی بازگشتی نارکس در مقایسه با چهار شبکه عصبی دیگر، با دقت بیشتری الگوی فعالیت مطلوب انگشت شست دست را پیشبینی میکند.[8]
همانطور که در تحقیقات پیشین [8-1] دیده میشود از سیگنالهای الکترومایوگرام به عنوان ابزار آنالیز حرکت و استخراج اطلاعات سینماتیکی استفاده میشود. با توجه به فیزیولوژی عصبعضله، سیگنال الکترومایوگرام حاوی اطلاعات مناسبی از وضعیت انقباضی عضلات است که بر روی پارامترهای سینماتیکی مؤثر است. نکته مهم دیگر این است که بین سیگنالهای الکترومایوگرام و اطلاعات سینماتیکی، تأخیر زمانی وجود دارد و رفتارهای سینماتیکی 100-50 میلی ثانیه پس از فعالیت الکتریکی عضلات رخ میدهد.[2] بنابراین با استفاده از سیگنال الکترومایوگرام میتوان تغییرات سینماتیکی را پیشبینی کرد.
یکی از تمرینهای معمول و مناسب برای افرادی که دچار ضایعات عصبی-حرکتی در پایینتنه هستند، رکابزنی با دوچرخه ثابت است. از مزیتهای رکاب زنی با دوچرخه ثابت میتوان به جلوگیری از پوکی استخوان و آتروفی عضلات، بهبود عملکرد قلبی-ریوی و سیستم ایمنی و افزایش نیروی عضلانی، اشاره کرد. برای کنترل حرکت رکابزنی، به مشخصات سینماتیکی از قبیل زاویه/گشتاور رکاب یا مفصل زانو نیاز است. ایده پیشنهادی در این مقاله استفاده از سیگنال الکترومایوگرام برای تخمین و پیشبینی مشخصات سینماتیکی است.
در این مقاله، روشی ارائه شده است که با استفاده از سیگنال-های الکترومایوگرام، اطلاعات سینماتیکی از جمله زاویه رکاب حین رکاب زنی، استخراج میشود. یکی از پارامترهای مهم حین رکابزنی، زاویه رکاب میباشد زیرا براساس زاویه میتوان سرعت، گشتاور و در نتیجه ی آن توان مکانیکی را محاسبه نمود. زاویه رکاب بوسیله سنسورهای اندازه گیری زاویه و یا سیستمهای آنالیز حرکت بدست میآید9]و.[10 لذا روش پیشنهادی در این مقاله، در کاهش تعداد سنسورها کاربرد دارد و همچنین امکان پیاده سازی عملی و پیش بینی اطلاعات سینماتیکی را فراهم میکند. در بخش 2، ابتدا چگونگی ثبت دادههای انسانی بیان میشود سپس الگوریتم شبکه عصبی بررسی خواهد شد. در بخش 3 نیز ارزیابی روش پیشنهادی و نتایج بهدست آمده ارائه خواهد. در بخش 4 جمع بندی از آنچه گفته شده ارائه خواهد شد.
.2 مواد و روش ها
.1-2 ثبت دادههای انسانی
به منظور ثبت دادههای انسانی از 5 فرد سالم در بازه سنی 24 تا 27 خواسته شد که روی دوچرخه ثابت بنشینند و با سرعت عادی و ثابت رکاب بزنند. همزمان فعالیت الکتریکی عضلات با قرار دادن دو الکترود ثبت روی عضله دوسر ران1 و دو الکترود ثبت دیگر روی عضله چهارسر ران- رکتوس فموریس2 ثبت شد. همچنین همزمان با ثبت سیگنال الکترومایوگرام، اطلاعات حرکتی توسط سیستم آنالیز حرکت ثبت شده است. برای جمع آوری حجم مناسب داده، هر فرد رکاب زنی را چندین بار تکرار میکند. برای جلوگیری از خستگی عضلانی بین تکرارهای مجدد رکابزنی، 30 ثانیه زمان استراحت لحاظ شد. نمونهای از سیگنالهای الکترومایوگرام ثبت شده در هنگام رکاب زنی در شکل - 1 - مشاهده میشود.
شکل:1 نمونه ای از سیگنال الکترومایوگرام ثبت شده؛ - a سیگنال الکترومایوگرام ثبت شده از عضله دوسر ران؛ - b سیگنال الکترومایوگرام ثبت شده از عضله چهارسر ران- رکتوس فموریس سیگنال های الکترومایوگرام ثبت شده، از فیلتر میانگذر 10 تا 500 هرتز عبور داده میشود. سپس یک سو شده و از یک فیلتر پایین گذر عبور داده میشود. بدین ترتیب، الگوی فعالیت عضلات بدست آمده و در شکل - 2 - مشاهده میشود. الگوی فعالیت عضلات به عنوان ورودی به شبکه عصبی وارد میشود و زاویه رکاب به عنوان خروجی شبکه عصبی در نظر گرفته میشود.
