FI112845B

FI112845B - Menetelmä ja laitteisto lihassähköaktiviteetin mittaamisessa

Info

Publication number: FI112845B
Application number: FI20022111A
Authority: FI
Inventors: Teuvo Sihvonen
Original assignee: Teuvo Sihvonen; Inmeser Oy; Kuopion Yliopistollinen Sairaa
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-01-30
Also published as: FI20022111A0; WO2004049934A1; AU2003283463A8; AU2003283463A1

Description

112845

Menetelmä ja laitteisto lihassähköaktiviteetin mittaamisessa

Ala

Keksinnön kohteena on menetelmä lihassähköaktiviteetin mittaamisessa.

5 Keksinnön kohteena on myös laitteisto lihassähköaktiviteetin mit taamisessa, joka laitteisto käsittää välineet havainnoida lihaksen synnyttämää EMG-signaalia kehon pinnalta, ja jotka havainnointivälineet ovat toiminnallisessa yhteydessä laitteiston käsittämiin tiedonkäsittelyvälineisiin.

Tausta 10 Tunnetun tekniikan mukaiset menetelmät ja laitteistot lihassähköak tiviteetin mittaamiseksi ovat joko neula-EMG tai lanka-EMG tai pinta-EMG. Mittaukset neula-EMG:llä tai lanka-EMG:llä ovat sellaisia, että lihassähköaktivi-teettia mitataan ihon läpi lihakseen pistettävän anturineulan tai anturilangan avulla, kun taas mittauksen kohteelle helpompi versio on ns. pinta-EMG, jossa 15 elektrodeilla ihon pinnalta mitataan lihassähköaktiviteettia. Tunnettu pinta-EMG-mittaus on kuitenkin mittaustulokseltaan epämääräinen, koska se ei huomioi ihmisen kehosta johtuvia mittaustulosta vääristäviä tekijöitä.

Lyhyt selostus j Keksinnön tavoitteena on toteuttaa menetelmä ja menetelmän to- , : 20 teuttava laitteisto siten, että saavutetaan aiempiin toteutuksiin nähden ongel- ; mattomampi ja tutkimus- ja hoitokäytäntöön soveltuvampi menetelmä ja lait- . teisto.

; Tämä tavoite saavutetaan menetelmällä, jolle on tunnusomaista, : että menetelmässä havainnoidaan lihaksen synnyttämää EMG-signaalia kehon : 25 pinnalta mittauslaitteistolla ja suoritetaan kudosvaikutuksen kompensointi, jos sa korjataan kehon pinnalta havainnoitua EMG-signaaliarvoa korjatun EMG-signaaliarvon selvittämiseksi ja ihonalaisesta kudoksesta johtuvan yksilöllisen vaihtelun eliminoimiseksi mittauslaitteistolle syötetyn ihonalaista kudosta koskevan kudosinformaation perusteella muuttamalla kehon pinnalta havainnoitua 30 EMG-signaaliarvoa kudosinformaation ja EMG-signaalin välisen tunnetun riip-puvuusinformaation perusteella.

Keksinnön mukaiselle laitteistolle on tunnusomaista, että tiedonkä-sittelyvälineet on konfiguroitu suorittamaan kudosvaikutuksen kompensointi, jossa korjataan kehon pinnalta havainnoitua EMG-signaaliarvoa korjatun EMG- 2 112845 signaaliarvon selvittämiseksi ja ihonalaisesta kudoksesta johtuvan yksilöllisen vaihtelun eliminoimiseksi mittauslaitteistolle syötetyn ihonalaista kudosta koskevan kudosinformaation perusteella muuttamalla kehon pinnalta havainnoitua EMG-signaaliarvoa kudosinformaation ja EMG-signaalin välisen tunnetun riip-5 puvuusinformaation, joka on laitteiston käytössä, perusteella.

Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksintö perustuu siihen, että ihmisen kehon ihonalainen kudosin-formaatio, kuten esimerkiksi kudospaksuus, mitataan ja tämä mittaustieto joko 10 suoraan tai välillisesti siirretään mittauslaitteiston tiedonkäsittelyvälineiden käyttöön ja hyödynnettäväksi, jolloin kyseisen mittaustiedon ja toisaalta ihonalaista kudosta koskevan kudosinformaation ja EMG-mittauksen välisen tunnetun riippuvuustiedon perusteella pystytään suorittamaan kudosvaikutuksen kompensointi, joka poistaa ihmisen ihonalaisen rasvakudoksen aiheuttaman 15 pinta-EMG-mittausta vääristävän tekijän ja mahdollistaa siten mittaustulosten vertailemisen eri henkilöiden välillä. Kyseessä ei ole diagnostinen menetelmä, vaan keino saada ihonalaisen kudoksen ominaisuuksista riippumatonta, eri yksilöiden välillä vertailukelpoista apuinformaatiota ammattihenkilöstön, kuten urheiluvalmentajien, fysioterapeuttien ja lääkäreiden käyttöön. Ihonalaista ku-20 dosta koskeva kudosinformaatio mitataan lihassignaalin mittausalueelta.

Keksinnön mukaisella menetelmällä ja järjestelmällä saavutetaan : useita etuja. Olennaisimpana etuna on pinta-EMG-mittauksen tarkkuuden, luo- : tettavuuden ja yksilöiden välisen vertailukelpoisuuden huomattava parantumi- • nen käyttäen kuitenkin mittauksen kohteelle ja myös laitteistoa käyttävälle * 25 henkilökunnalle miellyttäviä ja helppokäyttöisiä laitteita.

Kuvioluettelo

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joissa : kuvio 1 esittää keksinnön mukaista menetelmää toteuttavaa laitteis- 30 toa, , kuvio 2 esittää ihopoimun paksuuden mittausta, , ; kuvio 3 esittää kudospaksuuden ja EMG-mittauksen välistä riippu-

’ I

vuutta kuvaajana, kuvio 4 esittää EMG-signaaleja, täten havainnollistaen ihonalaisen i 35 kudospaksuuden aiheuttamaa voimakkuuseroa neula-EMG-mittauksen ja pinta-EMG-mittauksen välillä.

3 112845

Suoritusmuotojen kuvaus

Viitaten oheisiin kuvioihin, keksinnön aihealue on lihasten, erityisesti niveliin liittyvien lihasten lihassähköaktiviteetin mittaaminen. Kohdealue on edullisessa toteutusmuodossa selkä, mutta muutkin kohdealueet ovat mahdol-5 lisiä. Mittauksen kohdetta esittää viitenumero 1 ja mittauslaitteistoa esittää viitenumero 2. Mittauksen kohteena olevan ihmisen 1 kohdealueella, kuten esimerkiksi selässä, oleva lihas on esitetty viitenumerolla 1a. Mittauslaitteisto jakautuu kahteen pääosaan, mittausvälineisiin 20 ja mittausvälineiden tietoa käsitteleviin tiedonkäsittelyvälineisiin 40, joka kuvion 1 esimerkissä on tietokone, 10 kuten tavanomainen mikrotietokone. Mittausvälineet 20 käsittää ihon pinnalta EMG-signaalia mittaavan anturirakenteen 21-22 ja anturirakenteeseen kytketyn signaalinkäsittelylohkon 23, joka käsittää esimerkiksi vahvistimen 23a ja A/D-muuntimen 23b. Signaalikäsittelylohko 23, käytännössä signaalinkäsittely-lohkon lähtö eli A/D-muuntimen 23b lähtö on yhteydessä tiedonkäsittely-15 yksikköön 40 esimerkiksi kaapelin 25 välityksellä. Anturirakenne eli elektrodit 21-22 ovat kaapelilla 200, 200a, 200b yhteydessä signaalinkäsittelylohkoon 23. Lisäksi mittausvälineet 20 käsittää mittalaitteen 50 ihopoimun eli ihonalaisen kudospaksuuden mittaamiseen. Ihopoimun mittauslaite 50 on myöskin yhteydessä, joko langallisessa yhteydessä 27 tai langattomassa yhteydessä, 20 tiedonkäsittely-yksikköön 40. Myös sellainen toteutus on mahdollista, että käytetään kuvion 2 esittämää erillistä mittalaitetta 60, josta käyttöhenkilökunta ha-' vainnoi mittalaitteen 60 antaman kudospaksuuden arvon ja kyseinen arvo syö- : tetään tiedonkäsittely-yksikköön käyttöliittymän 70, kuten näppäimistön avulla.

: Laitteisto käsittää myös näytön 300.

! 25 Eräässä edullisessa toteutusmuodossa mittausvälineet käsittävät : kohteen liikettä mittaavan liikeanturin 80, joka myöskin on yhteydessä tiedon- ; ; käsittely-yksikköön 40 eli tiedonkäsittelyvälineisiin. Liikeanturi 80 on yhteydes sä tiedonkäsittelyvälineisiin esimerkiksi kaapelilla 28. Liikeanturin tehtävänä on • , mitata tukirangan tai nivelien liikettä ja siten saada näkyviin lihastoiminnan ai- 30 heuttama liikkuvuus.

, ’ Menetelmänä tarkastellen kyseessä on menetelmä lihassähköakti- : viteetin mittaamisessa. Menetelmässä on kyse siitä, että menetelmässä ha- i vainnoidaan lihaksen synnyttämää EMG-signaalia kehon pinnalta mittaus laitteistolla. Pinta-EMG-mittaus suoritetaan lihaksen toiminnan aikana. Lisäksi 35 suoritetaan kudosvaikutuksen kompensointi, jossa korjataan kehon pinnalta havainnoitua EMG-signaaliarvoa korjatun EMG-signaaliarvon selvittämiseksi ja 4 112845 ihonalaisesta kudoksesta johtuvan yksilöllisen vaihtelun eliminoimiseksi mittauslaitteistolle syötetyn ihonalaista kudosta koskevan kudosinformaation perusteella muuttamalla kehon pinnalta havainnoitua EMG-signaaliarvoa kudosinformaation ja EMG-signaalin välisen tunnetun riippuvuusinformaation perus-5 teella.

Korjattu arvo vastaa mahdollisimman tarkkaan sitä arvoa, joka olisi saatu neula-EMG:llä tai lanka-EMG:llä tai muulla lihaksesta mittaavalla (IM, IntraMuscular) menetelmällä, jolloin eri yksilöistä mitatut arvot tulevat vertailukelpoisiksi.

10 Keksinnön edullisessa toteutusmuodossa menetelmä on sellainen, että kudosvaikutuksen kompensoinnissa mittauslaitteistolle syötettävä kudosin-formaatio on ihonalaisen kudoksen paksuus, esimerkiksi millimetreinä, eli mit-tauselektrodin etäisyys tutkittavasta lihaksesta. Ihonalainen kudospaksuus mitataan lihassignaalin mittausalueelta.

15 Kudosinformaatio voi olla paksuuden mittayksiköllä (esim. mm) il maistu informaatio tai muu ihonalaiskudosta kuvaava informaatio, jonka arvo suoraan tai välillisesti liittyy ihopoimun ominaisuuksiin.

Kuvioon 2 viitaten, keksinnön edullisessa toteutusmuodossa menetelmä on sellainen, että kudosinformaatio mitataan erillisellä mittarilla 60, ja 20 mittarin näyttämä mittaustulos syötetään mittauslaitteistolle käyttöliittymän 70 kautta. Kyseinen toteutus on tekniseltä toteutukseltaan yksinkertaisempi.

Kuvioon 1 viitaten, keksinnön edullisessa toteutusmuodossa mene-: telmä on sellainen, että kudosinformaatio mitataan mittauslaitteistoon kytketyllä : mittausanturilla 50 mittaustuloksen saamiseksi suoraan mittauslaitteiston käyt- | 25 töön. Kyseinen toteutus on automatisoidumpi ja siten helppokäyttöisempi.

: Viitaten kuvioon 3, keksinnön edullisessa toteutusmuodossa mene- telmä on sellainen, että menetelmässä hyödynnettävä kudosinformaation ja EMG-mittauksen välinen tunnettu riippuvuusinformaatio on suurella ihmisjou-.. , kolia suoritetuista riippuvuusmittauksista muodostettu riippuvuusinformaatio, ' 30 joka on tallennettu mittauslaitteiston käytössä olevaksi.

: Kuvion 3 esittämä riippuvuusinformaatio on saatu aikaan siten, että on suoritettu noin 50 terveen ihmisen selkälihaksen lanka-EMG-mittaus ja sa-.. : manaikainen pinta-EMG-mittaus ja myös ihonalaisen kudosinformaation kuten • paksuuden mittaus. Mittaustulosten perusteella on tilastomatemaattisin mene- 35 telmin selvitetty riippuvuuskäyrän muoto eli siis sen matemaattinen funktio. : Riippuvuuden eli riippuvuuskuvaajan selvittämisen eräs mahdollisuus on sovit- 5 112845 taa riippuvuuskuvaaja mittaustuloksiin eli kyseeseen tulee käyrän sovittamis-menetelmän käyttö. Kuviossa 3 Y-akselin yksikkö on prosentteja tarkoittaen pinta-EMG-mittauksen amplitudin suhdetta neula-EMG-mittauksen amplitudiin eli suhdetta EMG-S (Surface) / EMG-IM (Intramuscular). X-akselin yksikkönä 5 on ihonalainen kudospaksuus sc (subeutis) millimetreinä. Havaitaan, että esimerkiksi kudospaksuudella 20 mm antaa riippuvuuskuvaaja R arvoksi 30 % eli 0,30. Kuviosta 3 havaitaan, että riippuvuuskuvaaja on eksponentiaalinen reg-ressiokäyrä. Y-akselin antama lukema on hakijan havaintojen mukaan välillä 12%-75 % eli välillä 0,12 - 0,75, kun ihopoimu vaihtelee välillä 5-35 mm.

10 Kuviosta 3 todetaan vielä, että suhdelukujen EMG-S (Surface) / EMG-IM ja niitä koskevien ihonalaiskudoksen paksuusarvojen mukaisten koordinaatistopisteiden kautta piirrettyä kuvaajaa esittää kuvaaja OB (Observed), kun taas havaintoaineiston pisteisiin sovitettua exponentiaalista kuvaajaa osoittaa merkintä R.

15 Kuvion 3 esittämän tyyppinen tai vastaavantyyppinen riippuvuus on tallennettu mittauslaitteiston käytössä olevaksi, edullisimmin tallennettu mittauslaitteistoon, esimerkiksi muistiin 150 kuvion 1 esittämän lohkokaavion mukaisessa laitteessa. Käytännössä on kyse siitä, että kuvion 3 esittämä informaatio eli Y-akselin antama informaatio toimii tiedonkäsittely-yksikössä 40 eli 20 laskentayksikössä 40 jakaja-operaattorina pinta-EMG-mittaustulokselle. Eli mikäli kudospaksuudeksi se on mitattu esimerkiksi 20 mm, niin tiedonkäsittely-yksikkö 40 eli laskentayksikkö 40 jakaa mitatun pinta-EMG-amplitudiarvon lu-: vulla 0,30 (eli 30 %), jolloin saadaan lopputulokseksi EMG-arvo, joka mahdolli- j simman tarkasti vastaa arvoa joka olisi saatu neula-EMG-mittauksella tai muul- : 25 la IM (Intramuscular)-tyyppisellä mittauksella. Tiedonkäsittely-yksikkö 40 on ; toteutettu esimerkiksi prosessorilla.

Kuvio 4 esittää EMG-signaaleja täten havainnollistaen kudospak-suuden aiheuttamaa eroa neula-EMG-mittauksen ja pinta-EMG-mittauksen amplitudiarvon välillä. Kuvion 4 ylempi kuviopari esittää kahden henkilön P1 ja 30 P2, joilla on eri vahvuiset ihonalaiset kudospaksuudet, neula-EMG-mittauksen (IM) antamia EMG-signaaleja. Kuvion 4 alempi kuviopari puolestaan esittää : kyseisten kahden henkilön P1 ja P2, joilla siis on erivahvuiset ihonalaiset ku dospaksuudet, pinta-EMG-mittauksen antamia EMG-signaaleja. Vertaamalla ylempiä kuvioita alempiin kuviin havaitaan kudospaksuuden vaimentava vaiku-35 tus. Ja vertaamalla alempia kuvioita toisiinsa havaitaan, että vahvemman kudospaksuuden omaavalla henkilöllä P2 on kudospaksuuden vaikutus pinta- 6 112845 EMG-signaalin arvoon huomattavasti radikaalimpi kuin ohuemman kudospak-suuden omaavalla henkilöllä P1.

Kun mittauksen kohdetta kehotetaan suorittamaan kohdealueen li-hasaktivaatio, kuten esimerkiksi selän taivutus tai ojennus kuvion 2 nuolen BE 5 mukaisesti, niin seurauksena on selän lihasten synnyttämä EMG-signaali, joka siis mitataan pinta-EMG-mittauksena ja mittaustulos on kuvion 4 alemman ku-vionparin tyyppinen signaali. Kun keksinnönmukaisella tavalla suoritetaan ku-dospaksuuskompensointi, saadaan pinta-EMG-mittauksesta lähtien laskettua esiin korjattu EMG-signaali, joka on tyypiltään samantyyppinen kuin kuvion 4 10 ylemmän kuvioparin signaalit. Mittauslaitteiston näytöllä 300 voidaan näyttää kudospaksuuskompensoidun pinta-EMG-mittauksen tulos, joka siis olennaisesti vastaa tasoltaan eli amplitudiltaan sitä mitä neula-EMG-mittaus tai muu IM(lntramuscular)-tyyppinen mittaus olisi antanut tulokseksi. Halutessa myös itse pinta-EMG-mittaukset voidaan näyttää näytöllä 300.

15 Keksintöä voidaan soveltaa esimerkiksi hakijan patentin US- 5,755,675 mukaisessa yhteydessä, eli käyttösovellus on edullisessa toteutus-muodossa sellainen, että EMG-mittauksen kanssa samanaikaisesti suoritetaan kohdealueessa liikemittauksia ihoon kiinnitettyjen liikeanturien, kuten 80 avulla, joiden liikeanturien tuloksia yhdistetään alueen sisällä tapahtuvien liikkeiden sel-20 vittämiseksi ja verrataan mittaustuloksia ennalta kerättyihin referenssiarvoihin. Lisäksi kyseisessä käyttösovelluksessa suoritetaan arviointi ko. alueen liikkuvuuden ja lihasten toiminnan häiriintymisestä erityisesti kivun seurauksena. Lisäksi : kyseinen käyttösovellus sisältää menetelmävaiheen toimivan lihaksen väsy- • vyyden määrittämiseksi lihassähkösignaalin taajuussisällön muutoksien perus- 25 teella. Myös muutkin käyttösovellukset ovat mahdollisia.

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaiseen esimerkkiin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella monin tavoin oheisten patenttivaatimusten esittämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims

112845

1. Menetelmä lihassähköaktiviteetin mittaamisessa, tunnettu siitä, että menetelmässä: - havainnoidaan lihaksen synnyttämää EMG-signaalia kehon pinnal-5 ta mittauslaitteistolla, ja - suoritetaan kudosvaikutuksen kompensointi, jossa korjataan kehon pinnalta havainnoitua EMG-signaaliarvoa korjatun EMG-signaaliarvon selvittämiseksi ja ihonalaisesta kudoksesta johtuvan yksilöllisen vaihtelun eliminoimiseksi mittauslaitteistolle syötetyn ihonalaista kudosta koskevan kudosinfor- 10 maation perusteella muuttamalla kehon pinnalta havainnoitua EMG-signaaliarvoa kudosinformaation ja EMG-signaalin välisen tunnetun riippuvuusinfor-maation perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kudosvaikutuksen kompensoinnissa mittauslaitteistolle syötettävä kudosin- 15 formaatio on paksuuden mittayksiköllä (mm) ilmaistu informaatio tai muu ihonalaista kudosta kuvaava informaatio.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kudosinformaatio mitataan erillisellä mittarilla, ja mittarin näyttämä mittaustulos syötetään mittauslaitteistolle käyttöliittymän kautta.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kudosinformaatio mitataan mittauslaitteistoon kuuluvalla mittausanturilla mittaustuloksen saamiseksi suoraan mittauslaitteiston käyttöön. : 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä hyödynnettävä kudosinformaation ja EMG-signaalin väli-25 nen tunnettu riippuvuusinformaatio on riittävälle määrälle terveitä henkilöitä • suoritetuilla riippuvuusmittauksilla muodostettu riippuvuusinformaatio, joka on tallennettu mittauslaitteiston käytössä olevaksi.

6. Laitteisto lihassähköaktiviteetin mittaamisessa, joka laitteisto käsittää välineet (20) havainnoida lihaksen synnyttämää EMG-signaalia kehon 30 pinnalta, ja jotka havainnointivälineet ovat toiminnallisessa yhteydessä laitteis- ; ’ ton käsittämiin tiedonkäsittelyvälineisiin (40), tunnettu siitä, että tiedonkä- : sittelyvälineet (40) on konfiguroitu suorittamaan kudosvaikutuksen kompen sointi, jossa korjataan kehon pinnalta havainnoitua EMG-signaaliarvoa korjatun EMG-signaaliarvon selvittämiseksi ja ihonalaisesta kudoksesta johtuvan yksi-35 löllisen vaihtelun eliminoimiseksi mittauslaitteistolle syötetyn ihonalaista kudosta koskevan kudosinformaation perusteella muuttamalla kehon pinnalta ha- 112845 vainnoitua EMG-signaaliarvoa kudosinformaation ja EMG-signaalin välisen tunnetun riippuvuusinformaation, joka on laitteiston käytössä, perusteella.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteisto käsittää käyttöliittymän (70) erillisellä mittarilla (60) mitatun kudosin- 5 formaation syöttämiseksi mittauslaitteistolle.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että käyttöliittymä (70) on näppäimistö.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteisto käsittää ihonalaisen kudoksen kudosinformaatiota mittaavan mittaus- 10 anturin (50) kudosinformaation mittaustuloksen saamiseksi suoraan laitteiston käyttöön.

10. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteisto käsittää muistin (150) johon ihonalaista kudosta koskevan kudosinformaation ja EMG-signaalin välinen tunnettu riippuvuusinformaatio on tallen- 15 nettu. 112845