Обзор способов считывания ЭМГ-сигналов в области предплечья для управления бионическими протезами верхних конечностей

В.Ф. Безъязычный; Е.А. Елисеичев; П.С. Воробьёв; В.В. Михайлов; А.А.Тяптин

doi:10.18127/j15604136-202301-04

Обзор способов считывания ЭМГ-сигналов в области предплечья для управления бионическими протезами верхних конечностей

В.Ф. Безъязычный¹, Е.А. Елисеичев², П.С. Воробьёв³, В.В. Михайлов⁴, А.А.Тяптин⁵

обзорная статья УДК 615.477.21 Страницы: 35-44 doi.org/10.18127/j15604136-202301-04

^1,3 ФГБОУ ВО РГАТУ имени П.А. Соловьёва (г. Рыбинск, Россия)
^2,4 Акционерное общество «Рыбинский завод приборостроения» (г. Рыбинск, Россия)
⁵ ООО «МИФРМ» (Медицинский центр «Мотус») (г. Ярославль, Россия)

Ключевые слова: ЭМГ-сигнал ЭМГ-датчики инвазивные электроды неинвазивные электроды человек-машинное взаимодействие био-нический протез мышечная активность

Аннотация

Постановка проблемы. В настоящее время активно развиваются способы организации человек-машинного взаимодействия с помощью электромиографических сигналов человека. Частный пример человек-машинного взаимодействия – управление бионическим протезом.

Цель работы – обзор и сравнительный анализ предлагаемых в современных российских и зарубежных научных исследованиях способов считывания электромиографических сигналов.

Результаты. В рамках выполнения гранта по разработке бионического протеза с улучшенными характеристиками была поставлена задача определения оптимального способа считывания сигналов мышечной активности человека. Полученные результаты могут использоваться для определения оптимального способа считывания электромиографического сигнала при разработке устройств с человек-машинным взаимодействием.

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют определить поверхностные электромиографические датчики как оптимальный способ управления бионическим протезом верхней конечности.

Поступила: 03.11.2022
Одобрена: 08.11.2022
Принята: 20.01.2023

Для цитирования

Безъязычный В.Ф., Елисеичев Е.А., Воробьёв П.С., Михайлов В.В., Тяптин А.А. Обзор способов считывания ЭМГ-сигналов в области предплечья для управления бионическими протезами верхних конечностей // Биомедицинская радиоэлектроника. 2023. T. 26. № 1. С. 35-44. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604136-202301-04

Список источников

Санадзе А.Г., Касаткина Л.Ф. Клиническая электромиография для практических неврологов. М.: ГЭОТАР-Медиа. 2007. 64 с.
Лукьянов М.В. Клиническая электромиография. История и перспективы // Неврологический журнал. 2013. № 2 (Т. 18). С. 59–64.
Койков В.В. Надлежащая практика подготовки научной публикации. Часть 2. Обзорная статья // Journal of health development. 2018. № 2 (27). С. 46–55.
Rijnbeek E.H., Eleveld N., Olthuis W. Update on Peripheral Nerve Electrodes for Closed-Loop Neuroprosthetics // Frontiers in neuroscience. 2018. V. 12. № 350. 9 p. DOI:10.3389/fnins.2018.00350
Clements I.P., Mukhatyar V.J., Srinivasan A., Bentley J.T., Andreasen D.S., Bellamkonda R.V. Regenerative scaffold electrodes for peripheral nerve interfacing // IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering: a publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2013. V. 21. № 4. P. 554–566. DOI:10.1109/TNSRE.2012.2217352
Guzman G., Rafaqut M., Park S., Choi P.Y. Regenerative Neural Electrodes // Neural Interface Engineering. 2020. P. 281–298. DOI:10.1007/978‑3‑030‑41854‑0_11
Delgado-Martínez I., Righi M., Santos D., Cutrone A., Bossi S., D'Amico S., Del Valle J., Micera S., Navarro X. Fascicular nerve stimulation and recording using of novel double-aisle regenerative electrodes // Journal of neural engineering. 2017. V. 14. № 4. P. 046003. DOI:10.1088/1741-2552/aa6bac
Щербина К.К., Головин М.А., Владимирова О.А. Обзор методов локального предотвращения затухания электрических сигналов при регистрации электрической активности нервов периферической нервной системы // Физическая и реабилитационная медицина. 2021. Т. 3. № 1. С. 67–71. DOI:10.26211/2658-4522-2021-3-1-61-71
Сафин Д.Р., Пильщиков И.С., Ураксеев М.А., Мигранова Р.М. Применение имплантируемых микроэлектродов в системах управления протезами // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2010. Т. 14. № 2 (37). С. 104–109.
Горохова Н.М., Головин М.А., Чежин М.С. Методы управления протезами верхних конечностей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 2. С. 314–325.
Ruvalcaba J.A., Gutiérrez M.I., Vera A., Leija L. Wearable Active Electrode for sEMG Monitoring Using Two-Channel Brass Dry Electrodes with Reduced Electronics // Journal of healthcare engineering. 2020. V. 2020. № 5950218. 11 p. DOI:10.1155/2020/5950218
Rodrigues M., Fiedler P., Küchler N., P Domingues R., Lopes C., Borges J., Haueisen J., Vaz F. Dry Electrodes for Surface Electromyography Based on Architectured Titanium Thin Films // Materials (Basel). 2020. V. 2135. № 9 (13). 16 p. DOI:10.3390/ma13092135
Полторанина О.А., Лежина И.А., Уваров А.А. Емкостные датчики для бесконтактной регистрации электрокардиограммы // Молодежь и современные информационные технологии: Сборник трудов XIII Междунар. научно-практич. конференции студентов, аспирантов и молодых учёных: в 2-х т. 2016. Т. 2. С. 174–175.
Бекмачев А. Датчики Epic от Plessey Semiconductors – прорыв в сенсорных технологиях // Компоненты и технологии. 2013. № 1 (138). С. 21–24.
Zhang H., Tian L., Zhang L., Li G. Using textile electrode EMG for prosthetic movement identification in transradial amputees // 2013 IEEE International Conference on Body Sensor Networks. 2013. P. 1–5. DOI:10.1109/BSN.2013.6575510
Lam E., Alizadeh-Meghrazi M., Schlums A., Eskandarian L., Mahnam A., Moineau B., Popovic M.R. Exploring textile-based electrode materials for electromyography smart garments // Journal of rehabilitation and assistive technologies engineering. 2022. 17 p. DOI:10.1177/20556683211061995
Fonseca P., Borgonovo-Santos M., Catarino A., Correia M., Vilas-Boas J.P. Characterization of textile electrodes for EMG measurements: impedance and signal morphology // Corpoconsciência. 2021. V. 25. № 2. P. 221–235. DOI:10.51283/rc.v25i2.12697
O’Brien S., Searle T., Alici G. Flexible Surface Electrodes Targeting Biopotential Signals from Forearm Muscles for Control of Prosthetic Hands: Part 1 – Characterisation of sEMG Electrodes // IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM). 2019. P. 1019–1024. DOI:10.1109/AIM.2019.8868600
Jiang Y., Togane M., Lu B., Yokoi H. sEMG Sensor Using Polypyrrole-Coated Nonwoven Fabric Sheet for Practical Control of Prosthetic Hand // Frontiers in neuroscience. V. 11. № 33. 12 p. DOI:10.3389/fnins.2017.00033
Zhu Z., Liu T., Li G., Li T., Inoue Y. Wearable sensor systems for infants // Sensors (Basel). 2015. № 2 (15). P. 3721–3749. DOI:10.3390/s150203721
Liu S., Liu X., Jiang Y., Wang X., Huang P., Wang H., Zhu M., Tan J., Li P., Lin C., Zhang G., Chen S., Li G. Flexible Non-contact Electrodes for Bioelectrical Signal Monitoring // Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018. P. 4305–4308. DOI:10.1109/EMBC.2018.8513306
Chi Y.M., Jung T.P., Cauwenberghs G. Dry-contact and noncontact biopotential electrodes: methodological review // IEEE reviews in biomedical engineering. 2010. V. 3. P. 106–119. DOI:10.1109/RBME.2010.2084078
Kralikova I., Babusiak B., Labuda M. Textile Electrodes for Bioelectrical Signal Measurement // 2022 ELEKTRO (ELEKTRO). 2022. P. 1–5. DOI: 10.1109/ELEKTRO53996.2022.9803363
Prakash A., Sharma S., Sharma N. A compact-sized surface EMG sensor for myoelectric hand prosthesis // Biomedical Engineering Letters. 2019. № 9. P. 467–479. DOI:10.1007/s13534-019-00130-y
Yuk S.W., Hwang I.H., Cho H.R., Park S.G. A Study on An EMG Sensor with High Gain and Low Noise for Measuring Human Muscular Movement Patterns for Smart Healthcare // Micromachines. 2018. V. 9. № 11. 555 p. DOI:10.3390/mi9110555
Wu Y.D., Ruan S.J., Lee Y.H. An Ultra-Low Power Surface EMG Sensor for Wearable Biometric and Medical Applications // Biosensors. 2021. V. 11. P. 411. DOI:10.3390/bios11110411
Saal H., Bensmaia S. Biometric approaches to bionic touch through a peripheral nerve interface // Neuropsychologia. 2015. V. 79. Pt. B. P. 344–353. DOI:10.1016/j.neuropsychologia.2015.06.010
Arruda L.M., Calado A., Boldt R., Yu Y., Carvlho H., Carvalho M., Ferreira F., Soares F., Matos D. Design and Testing of a Textile EMG Sensor for Prosthetic Control // IoT Technologies for HealthCare. 2020. V. 314. P. 37–51. DOI:10.1007/978-3-030-42029-1_3
Bawa A., Banitas K. Design Validation of a Low-Cost EMG Sensor Compared to a Commercial-Based System for Measuring Muscle Activity and Fatigue // Sensors. 2022. № 15 (22): P. 5799. DOI:10.3390/s22155799
Liu S., Zhu M., Liu X., Samuel O., Wang X., Huang Z., Wu. W. Flexible noncontact electrodes for comfortable monitoring of physiological signals // Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018. V. 2018. P. 4305–4308. DOI:10.1109/EMBC.2018.8513306
Guzman G., Rafaqut M., Park S., Choi, P.Y. Regenerative Neural Electrode // Neural Interface Engineering. 2020. P. 281–298. DOI:10.1007/978‑3‑030‑41854‑0_11
Song M.S., Kang S.G., Lee K.T., Kim J. Wireless, Skin-Mountable EMG Sensor for Human–Machine Interface Application // Micromachines. 2019. V. 10. № 12. P. 879. DOI:0.3390/mi10120879
Зырянов Д.А. Использование различных датчиков и сенсоров в протезировании // Инновационные идеи молодых исследователей: Сборник научных статей по материалам VI Междунар. научно-практич. конференции. Уфа. 2021. С. 243–249.
Сафин Д.Р., Пильщиков И.С., Гусев В.Г., Ураксеев М.А. Оценка эффективности различных конструкций электродов и усилителей биосигналов в системах управления протезами // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2009. № 2 (10). С. 88–101.
Merlo A., Bò M.C., Campanini I. Electrode Size and Placement for Surface EMG Bipolar Detection from the Brachioradialis Muscle: A Scoping Review // Sensors. 2021. V. 21. P. 7322. DOI:10.3390/s21217322
Гуржин С.Г., Жулев В.И., Каплан М.Б., Кряков В.Г., Прошин Е.М., Шуляков А.В. Виртуальные средства оперативной регистрации, обработки и представления биомедицинских сигналов в комплексе «Мультимаг» // Биомедицинская радиоэлектроника. 2018. № 8. С. 11–18. DOI:10.18127/j15604136-201808-03
Брико А.Н., Чванова Ю.А., Кобелев А.В., Щукин С.И. Оценка влияния силы прижатия электродной системы на сигналы нейромышечной активности // Биомедицинская радиоэлектроника. 2018. № 6. С. 32–35.
Петрунин Ю.Ю. Биомедицинское оборудование в системе умного дома и интернета вещей // Биомедицинская радиоэлектроника. 2018. № 13. С. 60–62. DOI:10.18127/j15604136-201812-08
Бабанов Н.Д., Кубряк О.В. Системная оценка состояния конечности у человека по данным электромиограммы // Биомедицинская радиоэлектроника. 2018. № 11. С. 26-28. DOI:10.18127/j15604136-201811-04

[1] Санадзе А.Г., Касаткина Л.Ф. Клиническая электромиография для практических неврологов. М.: ГЭОТАР-Медиа. 2007. 64 с.

[2] Лукьянов М.В. Клиническая электромиография. История и перспективы // Неврологический журнал. 2013. № 2 (Т. 18). С. 59–64.

[3] Койков В.В. Надлежащая практика подготовки научной публикации. Часть 2. Обзорная статья // Journal of health development. 2018. № 2 (27). С. 46–55.

[4] Rijnbeek E.H., Eleveld N., Olthuis W. Update on Peripheral Nerve Electrodes for Closed-Loop Neuroprosthetics // Frontiers in neuroscience. 2018. V. 12. № 350. 9 p. DOI:10.3389/fnins.2018.00350

[5] Clements I.P., Mukhatyar V.J., Srinivasan A., Bentley J.T., Andreasen D.S., Bellamkonda R.V. Regenerative scaffold electrodes for peripheral nerve interfacing // IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering: a publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2013. V. 21. № 4. P. 554–566. DOI:10.1109/TNSRE.2012.2217352

[6] Guzman G., Rafaqut M., Park S., Choi P.Y. Regenerative Neural Electrodes // Neural Interface Engineering. 2020. P. 281–298. DOI:10.1007/978‑3‑030‑41854‑0_11

[7] Delgado-Martínez I., Righi M., Santos D., Cutrone A., Bossi S., D'Amico S., Del Valle J., Micera S., Navarro X. Fascicular nerve stimulation and recording using of novel double-aisle regenerative electrodes // Journal of neural engineering. 2017. V. 14. № 4. P. 046003. DOI:10.1088/1741-2552/aa6bac

[8] Щербина К.К., Головин М.А., Владимирова О.А. Обзор методов локального предотвращения затухания электрических сигналов при регистрации электрической активности нервов периферической нервной системы // Физическая и реабилитационная медицина. 2021. Т. 3. № 1. С. 67–71. DOI:10.26211/2658-4522-2021-3-1-61-71

[9] Сафин Д.Р., Пильщиков И.С., Ураксеев М.А., Мигранова Р.М. Применение имплантируемых микроэлектродов в системах управления протезами // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2010. Т. 14. № 2 (37). С. 104–109.

[10] Горохова Н.М., Головин М.А., Чежин М.С. Методы управления протезами верхних конечностей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 2. С. 314–325.

[11] Ruvalcaba J.A., Gutiérrez M.I., Vera A., Leija L. Wearable Active Electrode for sEMG Monitoring Using Two-Channel Brass Dry Electrodes with Reduced Electronics // Journal of healthcare engineering. 2020. V. 2020. № 5950218. 11 p. DOI:10.1155/2020/5950218

[12] Rodrigues M., Fiedler P., Küchler N., P Domingues R., Lopes C., Borges J., Haueisen J., Vaz F. Dry Electrodes for Surface Electromyography Based on Architectured Titanium Thin Films // Materials (Basel). 2020. V. 2135. № 9 (13). 16 p. DOI:10.3390/ma13092135

[13] Полторанина О.А., Лежина И.А., Уваров А.А. Емкостные датчики для бесконтактной регистрации электрокардиограммы // Молодежь и современные информационные технологии: Сборник трудов XIII Междунар. научно-практич. конференции студентов, аспирантов и молодых учёных: в 2-х т. 2016. Т. 2. С. 174–175.

[14] Бекмачев А. Датчики Epic от Plessey Semiconductors – прорыв в сенсорных технологиях // Компоненты и технологии. 2013. № 1 (138). С. 21–24.

[15] Zhang H., Tian L., Zhang L., Li G. Using textile electrode EMG for prosthetic movement identification in transradial amputees // 2013 IEEE International Conference on Body Sensor Networks. 2013. P. 1–5. DOI:10.1109/BSN.2013.6575510

[16] Lam E., Alizadeh-Meghrazi M., Schlums A., Eskandarian L., Mahnam A., Moineau B., Popovic M.R. Exploring textile-based electrode materials for electromyography smart garments // Journal of rehabilitation and assistive technologies engineering. 2022. 17 p. DOI:10.1177/20556683211061995

[17] Fonseca P., Borgonovo-Santos M., Catarino A., Correia M., Vilas-Boas J.P. Characterization of textile electrodes for EMG measurements: impedance and signal morphology // Corpoconsciência. 2021. V. 25. № 2. P. 221–235. DOI:10.51283/rc.v25i2.12697

[18] O’Brien S., Searle T., Alici G. Flexible Surface Electrodes Targeting Biopotential Signals from Forearm Muscles for Control of Prosthetic Hands: Part 1 – Characterisation of sEMG Electrodes // IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM). 2019. P. 1019–1024. DOI:10.1109/AIM.2019.8868600

[19] Jiang Y., Togane M., Lu B., Yokoi H. sEMG Sensor Using Polypyrrole-Coated Nonwoven Fabric Sheet for Practical Control of Prosthetic Hand // Frontiers in neuroscience. V. 11. № 33. 12 p. DOI:10.3389/fnins.2017.00033

[20] Zhu Z., Liu T., Li G., Li T., Inoue Y. Wearable sensor systems for infants // Sensors (Basel). 2015. № 2 (15). P. 3721–3749. DOI:10.3390/s150203721

[21] Liu S., Liu X., Jiang Y., Wang X., Huang P., Wang H., Zhu M., Tan J., Li P., Lin C., Zhang G., Chen S., Li G. Flexible Non-contact Electrodes for Bioelectrical Signal Monitoring // Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018. P. 4305–4308. DOI:10.1109/EMBC.2018.8513306

[22] Chi Y.M., Jung T.P., Cauwenberghs G. Dry-contact and noncontact biopotential electrodes: methodological review // IEEE reviews in biomedical engineering. 2010. V. 3. P. 106–119. DOI:10.1109/RBME.2010.2084078

[23] Kralikova I., Babusiak B., Labuda M. Textile Electrodes for Bioelectrical Signal Measurement // 2022 ELEKTRO (ELEKTRO). 2022. P. 1–5. DOI: 10.1109/ELEKTRO53996.2022.9803363

[24] Prakash A., Sharma S., Sharma N. A compact-sized surface EMG sensor for myoelectric hand prosthesis // Biomedical Engineering Letters. 2019. № 9. P. 467–479. DOI:10.1007/s13534-019-00130-y

[25] Yuk S.W., Hwang I.H., Cho H.R., Park S.G. A Study on An EMG Sensor with High Gain and Low Noise for Measuring Human Muscular Movement Patterns for Smart Healthcare // Micromachines. 2018. V. 9. № 11. 555 p. DOI:10.3390/mi9110555

[26] Wu Y.D., Ruan S.J., Lee Y.H. An Ultra-Low Power Surface EMG Sensor for Wearable Biometric and Medical Applications // Biosensors. 2021. V. 11. P. 411. DOI:10.3390/bios11110411

[27] Saal H., Bensmaia S. Biometric approaches to bionic touch through a peripheral nerve interface // Neuropsychologia. 2015. V. 79. Pt. B. P. 344–353. DOI:10.1016/j.neuropsychologia.2015.06.010

[28] Arruda L.M., Calado A., Boldt R., Yu Y., Carvlho H., Carvalho M., Ferreira F., Soares F., Matos D. Design and Testing of a Textile EMG Sensor for Prosthetic Control // IoT Technologies for HealthCare. 2020. V. 314. P. 37–51. DOI:10.1007/978-3-030-42029-1_3

[29] Bawa A., Banitas K. Design Validation of a Low-Cost EMG Sensor Compared to a Commercial-Based System for Measuring Muscle Activity and Fatigue // Sensors. 2022. № 15 (22): P. 5799. DOI:10.3390/s22155799

[30] Liu S., Zhu M., Liu X., Samuel O., Wang X., Huang Z., Wu. W. Flexible noncontact electrodes for comfortable monitoring of physiological signals // Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018. V. 2018. P. 4305–4308. DOI:10.1109/EMBC.2018.8513306

[31] Guzman G., Rafaqut M., Park S., Choi, P.Y. Regenerative Neural Electrode // Neural Interface Engineering. 2020. P. 281–298. DOI:10.1007/978‑3‑030‑41854‑0_11

[32] Song M.S., Kang S.G., Lee K.T., Kim J. Wireless, Skin-Mountable EMG Sensor for Human–Machine Interface Application // Micromachines. 2019. V. 10. № 12. P. 879. DOI:0.3390/mi10120879

[33] Зырянов Д.А. Использование различных датчиков и сенсоров в протезировании // Инновационные идеи молодых исследователей: Сборник научных статей по материалам VI Междунар. научно-практич. конференции. Уфа. 2021. С. 243–249.

[34] Сафин Д.Р., Пильщиков И.С., Гусев В.Г., Ураксеев М.А. Оценка эффективности различных конструкций электродов и усилителей биосигналов в системах управления протезами // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2009. № 2 (10). С. 88–101.

[35] Merlo A., Bò M.C., Campanini I. Electrode Size and Placement for Surface EMG Bipolar Detection from the Brachioradialis Muscle: A Scoping Review // Sensors. 2021. V. 21. P. 7322. DOI:10.3390/s21217322

[36] Гуржин С.Г., Жулев В.И., Каплан М.Б., Кряков В.Г., Прошин Е.М., Шуляков А.В. Виртуальные средства оперативной регистрации, обработки и представления биомедицинских сигналов в комплексе «Мультимаг» // Биомедицинская радиоэлектроника. 2018. № 8. С. 11–18. DOI:10.18127/j15604136-201808-03

[37] Брико А.Н., Чванова Ю.А., Кобелев А.В., Щукин С.И. Оценка влияния силы прижатия электродной системы на сигналы нейромышечной активности // Биомедицинская радиоэлектроника. 2018. № 6. С. 32–35.

[38] Петрунин Ю.Ю. Биомедицинское оборудование в системе умного дома и интернета вещей // Биомедицинская радиоэлектроника. 2018. № 13. С. 60–62. DOI:10.18127/j15604136-201812-08

[39] Бабанов Н.Д., Кубряк О.В. Системная оценка состояния конечности у человека по данным электромиограммы // Биомедицинская радиоэлектроника. 2018. № 11. С. 26-28. DOI:10.18127/j15604136-201811-04