ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 3

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 3 1. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΝΕΥΡΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΜΥΟΣ... 5 1.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 5 1.2. ΒΙΟΑΝΑΔΡΑΣΗ (BIOFEEDBACK)... 5 1.2.1. ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΒΙΟΑΝΑΔΡΑΣΗ... 5 1.2.2. ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ... 5 1.2.2.1. Θερμοκρασία της επιδερμίδας... 6 1.2.2.2. Επιδερμική αγωγιμότητα... 6 1.2.2.3. Καρδιακός ρυθμός και ρυθμός μεταβολής του... 6 1.2.2.4. Αναπνοή... 7 1.2.2.5. Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα... 7 1.2.2.6. Επιφανειακό ηλεκτρομυογράφημα... 7 1.2.3. ΑΝΑΔΡΑΣΗ... 7 1.2.4. ΣΤΟΧΟΣ ΤΗΣ ΒΙΟΑΝΑΔΡΑΣΗΣ... 7 1.3. Μ-ΚΥΜΑ... 8 1.3.1. ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ Μ-ΚΥΜΑ... 8 1.3.2. ΧΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑ ΤΟΥ Μ-ΚΥΜΑΤΟΣ... 8 1.4. ΜΥΣ ΚΑΙ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΥΟΓΡΑΦΗΜΑ (SEMG)... 9 1.4.1. ΓΕΝΙΚΑ... 9 1.4.2. ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΗΡΕΜΙΑΣ... 10 1.4.3. ΝΕΥΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΙ ΝΕΥΡΙΚΗ ΩΣΗ... 10 1.4.4. ΝΕΥΡΟΜΥΪΚΗ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ... 12 1.4.5. ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΥΟΓΡΑΦΗΜΑ (SEMG)... 13 1.4.5.1. Ηλεκτρόδια... 14 1.4.5.2. Ενίσχυση... 15 1.4.5.3. Φίλτρα... 16 1.4.5.4. Ανόρθωση... 17 1.4.5.5. Ολοκλήρωση... 17 1.4.5.6. Οπτικοακουστική αναπαράσταση... 17 1.4.5.7. EMG με εξωτερική ηλεκτρική διέγερση... 18 2. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ... 19 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 19 2.2. ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕ ΒΙΟΑΝΑΔΡΑΣΗ (BIOFEEDBACK)... 19 2.2.1. ΑΝΑΔΡΑΣΗ ΚΑΙ SEMG... 19 2.2.2. ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ... 19 2.2.3. ΜΕΓΙΣΤΗ ΕΚΟΥΣΙΑ ΣΥΣΠΑΣΗ (MVC)... 20 2.2.4. ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΠΟΣΟΣΤΟΥ ΤΗΣ MVC... 20 2.2.5. ΔΙΑΛΕΙΜΜΑΤΑ... 22 2.2.6. ΈΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΑΝΑΤΡΟΦΟΔΟΤΗΣΗΣ... 23 2.3. ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΟΥ Μ-ΚΥΜΑΤΟΣ... 23 3. ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΕΡΓΑΣΙΑΣ LABVIEW... 25 3.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 25 3.2. ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ LABVIEW... 25 1

3.2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ VIS... 25 3.2.1.1. Το Front Panel... 26 3.2.1.2. Το Block διάγραμμα... 27 3.2.1.3. Icon και Connector Pane... 27 3.2.2. ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΟΥ LABVIEW... 28 3.2.2.1. Controls Palette... 28 3.2.2.2. Functions Palette... 29 3.2.2.3. Tools Palette... 31 3.2.3. LABVIEW ΚΑΙ ΔΟΜΗΜΕΝΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ... 31 4. ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΕΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 32 4.1. ΤΟ ΤΕΛΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ... 32 4.1.1. ΈΝΑΡΞΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΟΘΟΝΗ... 32 4.1.2. ΤΟ ΟΡΓΑΝΟ ΛΗΨΗΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ EMG... 36 4.1.3. ΤΟ ΟΡΓΑΝΟ FORCE LEVEL... 40 4.1.3.1. Λειτουργία του οργάνου force level... 42 4.1.3.2. Οι μνήμες και οι επιλογές των defaults... 56 4.1.4. ΤΟ ΟΡΓΑΝΟ M-WAVE... 59 4.1.4.1. Λειτουργία του οργάνου M-wave... 60 4.1.4.2. Οι επιλογές των Defaults... 65 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 67 5.1. ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ... 67 5.2. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΤΕΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 67 5.2.1. ΕΥΧΡΗΣΤΙΑ ΦΙΛΙΚΟΤΗΤΑ ΠΡΟΣ ΤΟΝ ΧΡΗΣΤΗ... 67 5.2.2. ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΤΙΚΟΥ ΧΩΡΟΥ... 67 5.2.3. ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΕ ΑΛΛΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ... 68 5.2.4. ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΕΠΕΚΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ... 68 5.3. ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΒΕΛΤΙΩΣΕΙΣ ΠΡΟΕΚΤΑΣΕΙΣ... 68 A. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α: TEXT FORMAT ΚΑΙ BINARY FORMAT... 70 A.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 70 A.2. ΤΟ TEXT FORMAT... 70 A.3. ΤΟ BINARY FORMAT... 71 B. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β: Ο ΠΟΛΥΠΛΕΚΤΗΣ AMUX 64-T... 73 B.1. ΣΥΝΟΨΗ... 73 B.2. ΠΡΟΣΘΕΤΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ... 73 B.3. ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ... 74 B.3.1. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΗΜΑΤΩΝ ΕΙΣΟΔΟΥ... 74 B.3.2. ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ... 75 B.3.3. ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ... 75 B.3.4. ΦΥΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ... 75 B.3.5. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ... 75 C. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 76 2

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Βιοϊατρική είναι η επιστήμη που εφαρμόζει αρχές και μεθόδους της τεχνολογίας, της μηχανικής και των θετικών βασικών επιστημών (φυσικής, χημείας και μαθηματικών) στην προσπάθεια διάγνωσης, θεραπείας, αλλά και κατανόησης των προβλημάτων που αναφαίνονται στη Βιολογία και την Ιατρική. Λόγω της ραγδαίας εξέλιξης της τεχνολογίας και των μέσων που αυτή παρέχει και μέσω της αρτιότερης κατάρτισης των ερευνητών, που πλέον είναι ιδιαίτερα ενημερωμένοι και εξοικειωμένοι με τα τεχνολογικά θέματα, έχει προκύψει η αναγκαιότητα της δημιουργίας εύχρηστων εφαρμογών σε ηλεκτρονικό υπολογιστή, με σκοπό την καλύτερη εκμετάλλευση των τεράστιων δυνατοτήτων που αυτοί μπορούν να προσφέρουν στη βιοϊατρική. Εντός του πλαισίου αυτού εκπονήθηκε και η διπλωματική εργασία που παρουσιάζεται και αναλύεται στο παρόν σύγγραμμα. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας, εισάγεται και αναλύεται η βιοανάδραση ως εργαστηριακή διαδικασία. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η έννοια του Μ-κύματος, για να κλείσει το κεφάλαιο με την παρουσίαση του νευρομυϊκού συστήματος του ανθρώπου και την καταγραφή του ηλεκτρικού αποτελέσματος αυτού, που ονομάζεται ηλεκτρομυογράφημα (EMG). Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάγκη των ερευνητών για τη δημιουργία αυτοματοποιημένων μεθόδων που θα επιτρέψουν την αξιολόγηση του EMG που καταγράφεται κατά τη διαδικασία της ανάδρασης και του Μ-κύματος. Το τρίτο κεφάλαιο αποτελεί μία σύντομη περιγραφή του προγράμματος LabVIEW (National Instruments) και των λόγων που οδήγησαν στη χρησιμοποίησή του ως βέλτιστη επιλογή για τη δημιουργία του τελικού συστήματος. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή του τελικού αυτοματοποιημένου συστήματος αξιολόγησης της μεταβλητότητας ροπής και Μ-κύματος. Παρουσιάζεται η διεπιφάνεια εργασίας, σχολιάζονται οι δυνατότητες που προσφέρει και αναλύονται οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται μία αξιολόγηση των δυνατοτήτων της εφαρμογής που αφορούν στην ευχρηστία της, στο εύρος των επιλογών που προσφέρει και στις δυνατότητες βελτίωσης και επεκτασιμότητάς της. Η εργασία κλείνει με δύο παραρτήματα, ένα που αναφέρεται στις ιδιότητες των αρχείων κειμένου (.txt) και των δυαδικών αρχείων (.bin) ως μέσα αποθήκευσης των προς καταγραφή σημάτων και ένα στις ιδιότητες του πολυπλέκτη AMUX 64-T της εταιρίας National Instruments, για την χρήση του οποίου έγινε προσαρμογή του προγενεστέρου προγράμματος λήψης και καταγραφής EMG καθώς και του παρόντος προγράμματος. Η εκπόνηση της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκε στη μονάδα Επεξεργασίας Σήματος και Βιοϊατρικής Τεχνολογίας του Εργαστηρίου Τηλεπικοινωνιών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Α.Π.Θ. στο πλαίσιο της συνεργασίας της με τo Τ.Ε.Φ.Α.Α. Θεσσαλονίκης. Τις θερμές μου ευχαριστίες θα ήθελα να απευθύνω σε αυτό το σημείο στον επιβλέποντα της διπλωματικής 3

εργασίας, Επίκουρο Καθηγητή κ. Λεόντιο Χατζηλεοντιάδη για την υπομονή του και για τις πάντα καίριες κατευθυντήριες γραμμές που μου έδινε. Θα ήθελα να ευχαριστήσω επίσης τον Αναπληρωτή Καθηγητή του Τ.Ε.Φ.Α.Α. κ. Χρήστο Κοτζαμανίδη, αφού η συμβολή του στη διαμόρφωση του θέματος της εργασίας ήταν καταλυτική. Ιδιαίτερη μνεία θα ήθελα να κάνω στην πραγματικά πολύτιμη βοήθεια του Υποψηφίου Διδάκτορα του Τομέα Τηλεπικοινωνιών κ. Ηλία Κίτσα, ο οποίος συμμετείχε ενεργά σε αυτό το εγχείρημα σε όλη την διάρκειά του. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον πατέρα μου Χρήστο, για την αμέριστη ηθική του συμπαράσταση όλο αυτό το διάστημα, και να αφιερώσω αυτήν την εργασία στη μνήμη της μητέρας μου Σταυρούλας, η οποία έθεσε τις βάσεις για να κατορθώσω να φτάσω σήμερα σε αυτό το σημείο που βρίσκομαι. Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2006 Ιωάννης Δεληγιώργης 4

1. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΝΕΥΡΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΜΥΟΣ 1.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται και αναλύεται αρχικά η έννοια της βιοανάδρασης. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το Μ-κύμα ως μέγεθος αναφοράς ενός μυός καθώς και η χρησιμότητά του, ενώ στο τέλος περιγράφεται ο νευρομυϊκός μηχανισμός και το επιφανειακό ηλεκτρομυογράφημα ως μέθοδος μέτρησης και εφαρμογής των δύο πρώτων μεγεθών. 1.2. ΒΙΟΑΝΑΔΡΑΣΗ (BIOFEEDBACK) 1.2.1. Τι είναι η βιοανάδραση Βιοανάδραση είναι η ανατροφοδότηση ενός ατόμου με βιολογικές πληροφορίες από τον ίδιο του τον εαυτό. Οι πληροφορίες μπορεί να προέρχονται από διάφορα μέρη του σώματος. Καταγράφονται από κάποιο όργανο και επιδεικνύονται στο άτομο σαν οπτικές ή ηχητικές πληροφορίες (π.χ. φωτεινές ενδείξεις, ήχοι κ.τ.λ.) έτσι ώστε το άτομο να μπορεί να παρατηρεί τον τρόπο που λειτουργεί το ίδιο του το σώμα. Η βιοανάδραση διαθέτει επιστημονική βάση και επιβεβαιώνεται από μελέτες και από την κλινική πρακτική [1]. Πατέρας της βιοανάδρασης θεωρείται ο νευρολόγος και ψυχολόγος Neal Miller, ο οποίος ξεκίνησε τις μελέτες του με πειράματα σε ποντίκια. Η ίδια η λέξη βιοανάδραση επινοήθηκε από τους δρ. Barbara Brown, δρ. Elmer Green και Alyce Green για να περιγράψει εργαστηριακές διαδικασίες κατά τις οποίες τα υποκείμενα (subjects) της έρευνας διδάσκονταν να μεταβάλλουν την εγκεφαλική τους δραστηριότητα, την αρτηριακή τους πίεση, τη μυϊκή τους τάση, τους παλμούς της καρδιάς τους και άλλες φυσιολογικές αντιδράσεις, οι οποίες θεωρούνταν ότι ήταν μη εκούσιες. Οι παρατηρήσεις μάλιστα αυτών, προς τα τέλη της δεκαετίας του 60, σε ανθρώπους που έκαναν γιόγκα, παρακίνησαν την επιστημονική κοινότητα για την ενασχόληση με τη βιοανάδραση [2]. 1.2.2. Καταγραφή βιολογικών πληροφοριών Η βιοανάδραση είναι μη παρεμβατική διαδικασία. Οι μετρήσεις γίνονται με αισθητήρες ή ηλεκτρόδια που τοποθετούνται σε κατάλληλα σημεία στην επιδερμίδα του υποκειμένου (Εικ. 1.1). 5

Εικόνα 1.1. Μετρήσεις βιολογικών λειτουργιών Οι συνηθέστερες μετρήσεις βιολογικών λειτουργιών είναι οι εξής: 1.2.2.1. Θερμοκρασία της επιδερμίδας Η θερμοκρασία της επιδερμίδας μετριέται με αισθητήρα που τοποθετείται στο δάχτυλο του υποκειμένου και αποτελεί δείκτη της περιφερειακής αγγειοσυστολής. 1.2.2.2. Επιδερμική αγωγιμότητα Η επιδερμική αγωγιμότητα (EDA electrodermal activity ή skin conductance) καθορίζεται με δύο τύπους μετρήσεων, τη βασική αντίδραση του δέρματος (BSR basal skin response) και τη γαλβανική αντίδραση του δέρματος (GSR galvanic skin response). Και ο δύο πραγματοποιούνται με τοποθέτηση αισθητήρα στο δάχτυλο του υποκειμένου. Η επιδερμική αγωγιμότητα χρησιμεύει ως δείκτης διέγερσης ή άγχους. 1.2.2.3. Καρδιακός ρυθμός και ρυθμός μεταβολής του Ο καρδιακός ρυθμός και η μεταβολή του (HRV heart rate variability) μετρώνται σε παλμούς/λεπτό και προκύπτουν από το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG electrocardiogram). Αναγνωρίζεται πλέον σήμερα ότι ο αριθμός των παλμών μιας υγιούς καρδιάς σε ηρεμία παρουσιάζει μεγάλη μεταβλητότητα. 6

1.2.2.4. Αναπνοή Η αναπνοή μετριέται σε αναπνοές/λεπτό από όργανο μέτρησης τάσης που δένεται σφιχτά στο θώρακα και στην κοιλιά του υποκειμένου. Χρησιμεύει στην εκμάθηση της αναπνοής μέσω του διαφράγματος καθώς και στη μελέτη διαφόρων περιπτώσεων που σχετίζονται με προβλήματα του αναπνευστικού συστήματος. 1.2.2.5. Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα Το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG electroencephalogram) λαμβάνεται με το αντίστοιχο όργανο (ηλεκτροεγκεφαλογράφο). Περιλαμβάνει πολλές συχνότητες μέτρησης εγκεφαλικής δραστηριότητας, όπως: Θήτα (Theta 4-7 Hz), Άλφα (Alpha 8-12 Hz), Βήτα (Beta 13-20 Hz), Γάμμα (Gamma 21+ Hz) και χρησιμοποιείται σε ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών, από περιπτώσεις έλλειψης συγκέντρωσης ως υψηλού επιπέδου προπόνηση. 1.2.2.6. Επιφανειακό ηλεκτρομυογράφημα Επιφανειακό ηλεκτρομυογράφημα (semg surface electromyogram) είναι η καταγραφή της μυϊκής δραστηριότητας με επιφανειακά επιδερμικά ηλεκτρόδια. Μετρώνται είτε το πλάτος είτε η φάση των μυϊκών συσπάσεων και χρησιμεύει ως δείκτης της μυϊκής φόρτισης [3]. 1.2.3. Ανάδραση Κατά τη διάρκεια μιας μέτρησης, το υποκείμενο ανατροφοδοτείται με πληροφορίες της νευρομυϊκής (στην περίπτωση των ECG, semg και αναπνοής) ή της αυτόνομης (στην περίπτωση των EDA, EEG και της θερμοκρασίας) δραστηριότητάς του με τη μορφή ψηφιακών ή αναλογικών, ακουστικών, κινητικών ή/και οπτικών σημάτων. Η ανατροφοδότηση πραγματοποιείται σε πραγματικό χρόνο (real time) [3]. 1.2.4. Στόχος της βιοανάδρασης Η βιοανάδραση μπορεί να χρησιμοποιηθεί από διάφορες κατηγορίες επιστημόνων και για διάφορους σκοπούς. Μπορεί να έχει πληθώρα εφαρμογών σε θεωρητικό, σε πρακτικό ή και σε ερευνητικό επίπεδο. Ερευνητικά, η μέθοδος της βιοανάδρασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την καταγραφή της δυνατότητας του υποκειμένου να επηρεάζει εκούσια ορισμένες βιολογικές του λειτουργίες στη διάρκεια του χρόνου. Ταυτόχρονα δίνεται η ευχέρεια να μελετηθεί η αντίστοιχη συμπεριφορά του υποκειμένου σε συνθήκες κοπώσεως και να σχεδιαστούν μέθοδοι άσκησης σε υψηλό ανταγωνιστικό επίπεδο (peak level training). Στην ιατρική η μέθοδος χρησιμοποιείται ως εργαλείο εντοπισμού προβληματικών καταστάσεων. Συγκρίνονται τα αποτελέσματα που επιτυγχάνει ένα συγκεκριμένο υποκείμενο με αυτά του υγιούς πληθυσμού, οπότε λαμβάνονται ισχυρές ενδείξεις της φύσης του προβλήματός του. Η μέθοδος έχει εμφανίσει ιδιαίτερη αποτελεσματικότητα στις περιπτώσεις του ηλεκτρομυογραφήματος 7

(EMG), του ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ECG) και της μέτρησης του ρυθμού της αναπνοής. Από κλινικής πλευράς, η βιοανάδραση μπορεί να χρησιμεύσει ως μέθοδος εναλλακτικής θεραπείας. Εφαρμογές της σε συνδυασμό με το ηλεκτρομυογράφημα μπορούν να αντιμετωπίσουν ένα μεγάλο εύρος προβληματικών καταστάσεων, όπως αθλητικούς τραυματισμούς, τροχαία ατυχήματα, προβλήματα ακράτειας, ινομυαλγίες, προβλήματα μυϊκής έντασης λόγω άγχους κ.τ.λ. Σε συνδυασμό με τη μέτρηση του ρυθμού της αναπνοής μπορούν να επιφέρουν βελτίωση σε προβλήματα υπερβολικού άγχους, υπεροξυγόνωσης ή άσθματος. Εφαρμογές της βιοανάδρασης με τη μέτρηση της θερμοκρασίας του υποκειμένου, τέλος, είναι δυνατόν να βοηθήσουν σε περιπτώσεις αντιδραστικότητας λόγω άγχους (stress reactivity) και ημικρανιών [3],[4]. 1.3. Μ-ΚΥΜΑ 1.3.1. Τι είναι το Μ-κύμα Το Μ-κύμα (M-wave, motor wave) αποτελεί εναλλακτική ονομασία του συσσωρευμένου δυναμικού δράσης (massed action potential). Είναι επίσης γνωστό και ως σύνθετο δυναμικό μυϊκής δράσης (CMAP compound muscle action potential) και είναι ένα πολύ σημαντικό ερευνητικό εργαλείο σε πολλά διαφορετικά πεδία της νευροφυσιολογίας. Αποτελεί την αντίδραση του μυός κατά τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος από ένα μικτό περιφερειακό νεύρο που περιέχει μυϊκούς ατρακτοειδείς απαγωγούς και κινητικούς απαγωγούς, όπως φαίνεται στην Εικόνα 1.2 [5], [6]. Εικόνα 1.2. Ηλεκτρική διέγερση για την πρόκληση Μ-κύματος 1.3.2. Χρησιμότητα του Μ-κύματος Σαν μέτρο καταγραφής δεν χρησιμοποιείται οποιοδήποτε Μ-κύμα, αλλά το μέγιστο Μ-κύμα ενός μυός, το οποίο λαμβάνεται αυξάνοντας τη διέγερση του μυός τόσο, ώστε να μην παρατηρείται περαιτέρω αύξηση 8

του Μ-κύματος κατά την αύξηση της διέγερσης. Η μορφή ενός τυπικού Μ-κύματος φαίνεται στην Εικόνα 1.3. Εικόνα 1.3. Τυπικό Μ-κύμα Το μέγιστο Μ-κύμα ενός μυός αποτελεί μία σταθερή και ακριβή μέτρηση της συνολικής δραστηριοποίησης του μυός. Χρησιμοποιείται μάλιστα ως παράγοντας κανονικοποίησης κατά τη διενέργεια ερευνών των αντανακλαστικών ενώ η σταθερότητά του (δηλαδή το κατά πόσο η τιμή που μετριέται είναι σταθερή και ίση με την τιμή του μέγιστου Μ- κύματος) αποτελεί δείκτη της σχέσης νεύρου προς διεγείρον ηλεκτρόδιο και μυός προς καταγράφον ηλεκτρόδιο κατά τη διάρκεια ενός πειράματος. Η ύπαρξη λοιπόν διαφοράς (ελάττωσης) του μετρούμενου Μ-κύματος σε μια μέτρηση κατά τη διάρκεια ενός πειράματος σημαίνει ότι υπάρχει μετακίνηση του ηλεκτροδίου. Μία επίσης πολύ σημαντική χρήση του Μ-κύματος είναι η ένα προς ένα αντιστοιχία του με τη δραστηριότητα των κινητικών μονάδων ενός μυός 1. Αυτό σημαίνει ότι από τη μια η μέτρηση σταθερής τιμής του Μ-κύματος και ίσης με το μέγιστο Μ-κύμα διασφαλίζει την λειτουργία όλων των κινητικών μονάδων του μυός, και από την άλλη ότι όταν μια συγκεκριμένη διέγερση παράγει ένα συγκεκριμένο μέγεθος Μ-κύματος που είναι ποσοστό του μέγιστου, τότε είναι ενεργοποιημένος ο ευθέως ανάλογος αριθμός κινητικών μονάδων του μυός [5], [6], [7]. 1.4. ΜΥΣ ΚΑΙ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΥΟΓΡΑΦΗΜΑ (SEMG) 1.4.1. Γενικά Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό από την προηγηθείσα περιγραφή της βιοανάδρασης και του Μ-κύματος, οι περισσότερες εφαρμογές της πρώτης και εξ ολοκλήρου το δεύτερο, στηρίζονται στην ιδιότητα που εμφανίζουν οι μύες να συσπώνται και στο γεγονός ότι ο μηχανισμός της σύσπασης βασίζεται στην παρουσία και στη διάδοση ηλεκτρικών δυναμικών. Το γεγονός αυτό είναι που επιτρέπει άλλωστε την πραγματοποίηση ηλεκτρικών μετρήσεων στους μύες και την ποσοτικοποίηση της λειτουργίας τους μέσω των ηλεκτρικών αυτών δυναμικών. Ο μηχανισμός αυτός, ο οποίος περιγράφεται συνοπτικά 1 Ανάλυση του τρόπου λειτουργίας του μυός θα γίνει στην παράγραφο 1.4.4. 9

παρακάτω, είναι αρκετά περίπλοκος και έχει αποτελέσει αντικείμενο μελέτης για πάνω από 150 χρόνια. 1.4.2. Δυναμικό ηρεμίας Στο ζωντανό κύτταρο σε κατάσταση ηρεμίας υπάρχει μια διαφορά δυναμικού περίπου 60-90 mv ανάμεσα στο εσωτερικό του κυττάρου και το περιβάλλον του, που εντοπίζεται πάνω στην επιφανειακή μεμβράνη. Συνεπώς, κατά την απουσία εξωτερικών ερεθισμάτων, η μεμβράνη υπόκειται σε ηλεκτρική πόλωση. Η εσωτερική πλευρά της μεμβράνης είναι φορτισμένη ηλεκτραρνητικά σε σχέση με την εξωτερική. Το δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης δημιουργείται εξαιτίας της εκλεκτικής διαπερατότητας της μεμβράνης για τα ιόντα καλίου (K + ). Η συμπύκνωση του K + στο πρωτόπλασμα είναι 50 φορές υψηλότερη από ότι στο εξωκυττάριο υγρό. Γι αυτό τα ιόντα αυτά διαχεόμενα έξω από το κύτταρο μεταφέρουν θετικά φορτία στην εξωτερική πλευρά της μεμβράνης, ενώ η εσωτερική πλευρά που είναι αδιαπέραστη στα μεγάλα οργανικά ανιόντα, αποκτά αρνητικό δυναμικό. Αυτή δηλαδή η ανομοιογένεια στις συγκεντρώσεις φορτισμένων σωματιδίων (καλείται κλίση συγκέντρωσης) είναι υπεύθυνη για τη διαφορά δυναμικού που παρουσιάζει το κύτταρο στην κατάσταση ηρεμίας [8]. 1.4.3. Νευρικό σύστημα και νευρική ώση Το νευρικό σύστημα στους αναπτυγμένους οργανισμούς χωρίζεται στο κεντρικό (εγκέφαλος και νωτιαίος μυελός) και το περιφερικό νευρικό σύστημα. Το περιφερικό σύστημα έχει δύο υποδιαιρέσεις: το αυτόνομο νευρικό σύστημα (συμπαθητικό παρασυμπαθητικό) και το σωματικό νευρικό σύστημα (αισθητικό και κινητικό νευρικό σύστημα). Τα εξωτερικά σήματα ανιχνεύονται από συγκεκριμένα κύτταρα αισθητήρες, τα οποία είναι εξειδικευμένα για κάθε συγκεκριμένη αίσθηση (όραση, ακοή, όσφρηση, αφή, γεύση) και ακολούθως μετατρέπονται σε μικρές διαφορές δυναμικού, σε νευρικές ώσεις. Η νευρική διέγερση (νευρική ώση), διαδίδεται μέσω νευρικών ινών που ονομάζονται νευράξονες (neuroaxons). Συνεπώς, το νευρικό σήμα είναι μια χαμηλή διαφορά δυναμικού, που διαδίδεται κατά μήκος του νευράξονα. Με τον τρόπο αυτό μεταφέρεται η πληροφορία από τα αισθητήρια όργανα προς το κεντρικό νευρικό σύστημα, όπου οι διάφορες πληροφορίες συλλέγονται, αξιολογούνται και λαμβάνονται οι κατάλληλες αποφάσεις απόκρισης. Με ανάλογο τρόπο, από το κεντρικό νευρικό σύστημα η πληροφορία της απόκρισης οδεύει προς τους μυϊκούς ή αδενικούς ιστούς, δηλαδή με τη μορφή μιας χαμηλής διαφοράς δυναμικού. Το δομικό στοιχείο του νευρικού συστήματος είναι το νευρικό κύτταρο (νευρώνας), το οποίο αποτελείται από το κυρίως κυτταρικό σώμα, τους πολυάριθμους δενδρίτες, που διασκορπίζονται γύρω από την κεντρική περιοχή του κυττάρου και το μοναδικό (ανά νευρικό κύτταρο) νευράξονα (Εικ. 1.4). Η επικοινωνία μεταξύ δυο νευρικών κυττάρων ή μεταξύ νευρικού κυττάρου και μυϊκού ή αδενικού ιστού γίνεται μέσω των συνάψεων. Το σήμα που εκπέμπεται από κάθε νευρικό κύτταρο διαδίδεται κατά μήκος του νευράξονα. 10

Εικόνα 1.4. Δομή τυπικού νευρώνα Τα νευρικά κύτταρα ανήκουν στην κατηγορία των λεγόμενων διεγέρσιμων κυττάρων. Αντιδρούν στον ηλεκτρισμό και έχουν τη δυνατότητα να παράγουν ηλεκτρισμό, συνεπώς λειτουργούν τόσο ως πομποί όσο και ως δέκτες ηλεκτρικής επικοινωνίας. Όπως προαναφέρθηκε, στην κατάσταση ηρεμίας τα διεγέρσιμα κύτταρα έχουν ένα διαμεμβρανικό δυναμικό γνωστό ως «παραμένον» ή «παθητικό» ή «δυναμικό ηρεμίας». Το πλεονέκτημα της ύπαρξης του δυναμικού ηρεμίας είναι ότι προετοιμάζει το νευρώνα να ανταποκριθεί γρήγορα σε κάποιο ερέθισμα. Όλα τα ερεθίσματα που δρουν πάνω σε ένα νευρικό κύτταρο προκαλούν πρώτα μια μείωση του δυναμικού ηρεμίας. Όταν αυτή φτάσει σε ένα κρίσιμο επίπεδο, εκλύεται μια ενεργητική επεκτεινόμενη απόκριση, το δυναμικό ενέργειας. Από πειράματα που έχουν γίνει έχει προκύψει ότι για να διεγερθεί ο άξονας του νευρικού κυττάρου απαιτείται μια ελάχιστη ποσότητα εξωτερικής ηλεκτρικής διέγερσης. Όταν η εξωτερική διέγερση είναι μικρότερη από αυτή την ελάχιστη τιμή, τότε το νευρικό κύτταρο δεν διεγείρεται καθόλου. Εξωτερική διέγερση μεγαλύτερη από αυτή την ελάχιστη τιμή δεν προκαλεί απόκριση μεγαλύτερης έντασης στο νευρικό κύτταρο, ούτε απόκριση μεγαλύτερης χρονικής διάρκειας. Αυτή η συμπεριφορά, η δυαδική απόκριση του κυττάρου πριν και μετά το «κατώφλι διέγερσης», ονομάζεται νόμος του «όλα ή τίποτα». Το εξωτερικό δυναμικό που είναι αρκετό να εξουδετερώσει την πόλωση της μεμβράνης είναι περίπου -50 mv και το ενεργό δυναμικό που παρατηρείται ακολούθως στη μεμβράνη είναι περίπου +40 mv. Μια από τις συνέπειες του νόμου «όλα ή τίποτα» είναι ότι οι διαβαθμίσεις, για παράδειγμα στην ένταση των μυϊκών συσπάσεων, δεν μπορεί να οφείλονται σε διαφορετικής έντασης διεγέρσεις του ίδιου νευρικού κυττάρου, αλλά μάλλον στον αριθμό των νευρικών κυττάρων που διεγείρονται, καθώς και στην συχνότητα διέγερσης τους. Το νευρικό λοιπόν σύστημα λειτουργεί με βάση μάλλον κβαντικές παρά συνεχείς παραμέτρους. 11

Αμέσως μετά από μια νευρική ώση (διέγερση) το νευρικό κύτταρο βρίσκεται στη λεγόμενη «απόλυτα ανερέθιστη περίοδο» και δεν μπορεί να ξαναδιεγερθεί. Αυτή η περίοδος ακολουθείται από τη «σχετικά ανερέθιστη περίοδο» στην οποία το κατώφλι για την επαναδιέγερση του νευρικού κυττάρου είναι αυξημένο. Η ύπαρξη της απόλυτα ανερέθιστης περιόδου δημιουργεί ένα ανώτερο όριο στη συχνότητα διέγερσης της μεμβράνης. Συγκεκριμένα, ένα ερέθισμα πρέπει να απέχει χρονικά από το προηγούμενο περίπου 1ms. Αυτό σημαίνει ότι η μέγιστη συχνότητα διέγερσης είναι 1kHz διαφορετικά οι διαδοχικές διεγέρσεις δεν διακρίνονται. Στη διαδικασία μετάδοσης αυτής της ηλεκτρικής μεταβολής η μεμβράνη τοπικά επαναπολώνεται, αποκτά δηλαδή ξανά το δυναμικό ηρεμίας και είναι έτοιμη να ξαναδιεγερθεί. 1.4.4. Νευρομυϊκή φυσιολογία Η στοιχειώδης λειτουργική μονάδα του κινητικού συστήματος ονομάζεται κινητική μονάδα (SMU single motor unit). Αποτελείται από έναν κινητικό νευρώνα και όλες τις μυϊκές ίνες που αυτός τροφοδοτεί. Ο κάθε νευρώνας τροφοδοτεί πολλές μυϊκές ίνες, η κάθε μυϊκή ίνα όμως τροφοδοτείται από έναν μόνο νευρώνα. Όλες οι μυϊκές ίνες μιας κινητικής μονάδας βρίσκονται μέσα στον ίδιο μυ. Το σύνολο των κινητικών νευρώνων που ελέγχουν έναν ολόκληρο μυ ονομάζεται δεξαμενή κινητικών νευρώνων (motoneuron pool) [6]. Ένα παράδειγμα της δομής αυτής φαίνεται στην Εικόνα 1.5. Εικόνα 1.5. Τρεις κινητικές μονάδες ενός μυός 12

Το μέγεθος της κινητικής μονάδας ενός σκελετικού μυός (π.χ. 1:10, 1:50 ή 1:3000) καθορίζεται από τη λειτουργία του (κάμψη, έκταση κ.τ.λ.) και τη θέση του μέσα στο σώμα. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος της μυϊκής κινητικής μονάδας, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των νευρώνων που χρειάζονται για τον έλεγχο του μυός, και τόσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός του ελέγχου που έχει ο εγκέφαλος πάνω στην έκταση ή τη βράχυνση. Μύες που πρέπει να είναι σε θέση να εκτελέσουν πολύ λεπτές και ακριβείς κινήσεις, όπως του ματιού ή των δακτύλων, αποτελούνται από πολλές κινητικές μονάδες, στις οποίες περιέχονται λίγες μυϊκές ίνες (π.χ. 3.000 κινητικές μονάδες με 8 μυϊκές ίνες η κάθε μία). Μύες που πραγματοποιούν κατά κανόνα πιο αργές κινήσεις (π.χ. οι μύες των άκρων ή οι μύες που διατηρούν τη θέση της σπονδυλικής στήλης) αποτελούνται από λίγες κινητικές μονάδες, με πολλές μυϊκές ίνες η κάθε μία. Το σημείο της μυϊκής ίνας στο οποίο καταλήγει ο νευρώνας, ονομάζεται τελική κινητική πλάκα. Η θέση λειτουργικής επαφής μεταξύ μιας μυϊκής ίνας και της νευρικής απόληξης που νευρώνει αυτήν, ονομάζεται νευρομυϊκή σύναψη. Τα τελικά «άκρα» των νευρικών ινών περιέχουν μικρά κυστίδια διαμέτρου 400-500 Α. Τα κυστίδια αυτά, που είναι πολλά σε αριθμό, περιέχουν ακετυλεχολύνη (Ach), η οποία ελευθερώνεται μόλις φτάσει μια νευρική διέγερση (ερέθισμα). Η ουσία αυτή προκαλεί αύξηση της ιοντικής διαπερατότητας της μυϊκής μεμβράνης. Έτσι προκύπτει αυξημένη είσοδος ιόντων Νατρίου (Na + ) στο μυϊκό κύτταρο, η οποία προκαλεί τη δημιουργία ενός δυναμικού δράσης, γνωστό ως δυναμικό της τελικής κινητικής πλάκας. Το δυναμικό αυτό διαδίδεται σε ολόκληρη την επιφάνεια της μυϊκής ίνας με ταχύτητα 4m/s και προκαλεί την έναρξη της μυϊκής σύσπασης μετά από χρονικό διάστημα 0,001sec. Όταν πλέον ολόκληρη η μυϊκή ίνα έχει διεγερθεί, το δυναμικό της ονομάζεται δυναμικό δράσης μυϊκής ίνας (muscle action fibre potential). Ο συνδυασμός των δυναμικών δράσης όλων των μυϊκών ινών μιας κινητικής μονάδας ονομάζεται δυναμικό δράσης κινητικής μονάδας (MUAP motor unit action potential). Το σύνολο της ηλεκτρικής δραστηριότητας που παράγεται από όλες τις ενεργές κινητικές μονάδες ενός μυός ονομάζεται μυοηλεκτρικό σήμα [8], [9]. 1.4.5. Επιφανειακό Ηλεκτρομυογράφημα (semg) Όταν ενεργοποιείται μία μυϊκή μονάδα, οι συνιστώσες μυϊκές ίνες παράγουν και διευθύνουν τις δικές τους ηλεκτρικές ώσεις που τελικά έχουν ως αποτέλεσμα τη συστολή των ινών. Αν και οι ηλεκτρικές ώσεις που δημιουργούνται και καθοδηγούνται από την κάθε ίνα είναι πολύ ασθενείς (λιγότερο από 100 μvolts), πολλές ίνες καθοδηγούν και εκτρέπουν τάσεις στην επιφάνεια του δέρματος, οι οποίες είναι πολύ μεγάλες, ώστε να ανιχνευτούν από επιφανειακά ηλεκτρόδια. Η ανίχνευση, η ενίσχυση και η καταγραφή των μεταβολών των τάσεων στο δέρμα, οι οποίες παράγονται από την υποκείμενη συστολή του μυός, καλείται ηλεκτρομυογραφία. Η καταγραφή αυτής καλείται ηλεκτρομυογράφημα (EMG), όταν μάλιστα πραγματοποιείται από 13

επιφανειακά ηλεκτρόδια, ονομάζεται επιφανειακό ηλεκτρομυογράφημα (semg). Για την καταγραφή των μυοηλεκτρικών σημάτων απαιτείται συγκεκριμένος εξοπλισμός. Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται διακρίνεται σε δύο γενικές κατηγορίες. Η πρώτη αφορά στη λήψη, ενίσχυση και καταγραφή του μυοηλεκτρικού σήματος, ενώ η δεύτερη στην επεξεργασία του σήματος και περιλαμβάνει όλα τα φίλτρα, τους ολοκληρωτές και κάθε άλλο τμήμα του εξοπλισμού χρήσιμο για την τροποποίηση της μορφής του μυοηλεκτρικού σήματος και την περαιτέρω ανάλυσή του. Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται κατά τη λήψη του σήματος θεωρητικά δεν έχει καμιά επίδραση στο περιεχόμενο της πληροφορίας. 1.4.5.1. Ηλεκτρόδια Για την καταγραφή του EMG είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν ένα ή δύο ηλεκτρόδια. Συνηθίζεται η χρησιμοποίηση δύο ηλεκτροδίων σε ένα διπολικό μοντέλο, θεωρώντας ότι το ρεύμα συγκεντρώνεται σε δύο σημεία κατά μήκος της μυϊκής ίνας. Όταν χρησιμοποιείται ένα ηλεκτρόδιο, συλλέγεται ένα διφασικό κύμα. Ωστόσο, τα περισσότερα ηλεκτρομυογραφήματα απαιτούν δύο ηλεκτρόδια καταγραφής πάνω στο μυ, ώστε η τάση που καταγράφεται να είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων. Τα ηλεκτρόδια διακρίνονται κατά κανόνα σε δύο τύπους: ηλεκτρόδια βάθους (indwelling intramuscular electrodes) και επιφανειακά ηλεκτρόδια (surface electrodes). Τα ηλεκτρόδια βάθους χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση λεπτών κινήσεων και την καταγραφή της ηλεκτρομυογραφικής δραστηριότητας των «εν τω βάθει» μυών. Είναι κατασκευασμένα από ανοξείδωτο χάλυβα και είναι μονωμένα σε όλο το μήκος τους, εκτός από την ακμή τους. Αυτή εισάγεται στο εσωτερικό του μυός για να μετρηθεί η διαφορά δυναμικού του με το εξωκυττάριο υγρό. Τα επιφανειακά ηλεκτρόδια διακρίνονται περαιτέρω σε παθητικά επιφανειακά ηλεκτρόδια (passive surface electrodes) και ενεργητικά επιφανειακά ηλεκτρόδια (active surface electrodes). Τα παθητικά επιφανειακά ηλεκτρόδια αποτελούνται από ένα μεταλλικό δίσκο, συνήθως αργύρου/χλωριούχου αργύρου (silver/silver chloride), έναν αυτοκόλλητο δίσκο και είναι μονωμένα σε όλο το μήκος τους, εκτός από το σημείο επαφής τους. Τοποθετούνται πάνω στο δέρμα, στην περιοχή του αντίστοιχου μυός, με χρήση ηλεκτρολυτικής κρέμας. Τα ηλεκτρόδια αυτά ανιχνεύουν τη μέση δραστηριότητα των επιφανειακών μυών ενώ παράλληλα μεταβάλλοντας (μειώνοντας) τις διαστάσεις του δίσκου τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μυϊκή καταγραφή μυών μικρότερων διαστάσεων. Στα ενεργητικά επιφανειακά ηλεκτρόδια από την άλλη, η υψηλή αντίσταση εισόδου του ενισχυτή τοποθετείται πολύ κοντά στην εξεταζόμενη επιφάνεια και αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μην απαιτείται σχολαστική προετοιμασία του δέρματος ή ηλεκτρολυτική κρέμα. Για το λόγο αυτό αναφέρονται στη βιβλιογραφία και ως ξηρά ηλεκτρόδια. 14

Για την καταγραφή του EMG χρησιμοποιούνται δύο (2) ηλεκτρόδια που τοποθετούνται στον επιμήκη άξονα του μυός, έτσι ώστε η τάση που καταγράφεται να είναι η διαφορά του δυναμικού μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων. Εκτός των δύο ηλεκτροδίων χρησιμοποιείται και ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς, που τοποθετείται σε κάποιο ουδέτερο σημείο, π.χ. στο μέτωπο. Η θέση του ηλεκτρόδιου αναφοράς ή εδάφους (ground electrode) δεν είναι σημαντική για τους κατασκευαστές, αν και υποστηρίζεται η καταγραφή ισχυρότερων EMG με την τοποθέτηση του ηλεκτροδίου αναφοράς σε ίση απόσταση από τα δύο επιφανειακά ηλεκτρόδια. Τα ηλεκτρόδια θα πρέπει να τοποθετηθούν πάνω στο οπτικό κεντρικό σημείο του μυός που πρόκειται να συσταλεί. Σύμφωνα με τις έρευνες, τοποθετώντας τα ηλεκτρόδια όσο πιο κοντά στο παχύ μέρος του μυός, λαμβάνεται η ισχυρότερη EMG απόκριση. Το ζεύγος των ηλεκτροδίων θα πρέπει να τοποθετείται σε μια γραμμή παράλληλη με την διεύθυνση των μυϊκών ινών. Η επίδραση της θέσης των ηλεκτροδίων στο μετρούμενο EMG γίνεται φανερή στην Εικόνα 1.6 [10], [11]. Εικόνα 1.6. Επίδραση της τοποθέτησης του ηλεκτροδίου στο EMG 1.4.5.2. Ενίσχυση Συνήθως, το πραγματικό μυοηλεκτρικό σήμα είναι πολύ μικρής έντασης και προκειμένου να καταγραφεί και να ανακληθεί στη συνέχεια θα πρέπει να ενισχυθεί. Το EMG, ως άθροισμα πολλών δυναμικών δράσης κινητικών μονάδων, καθώς ενισχύεται δεν θα πρέπει να 15

παραμορφώνεται και θα πρέπει να είναι απαλλαγμένο από θόρυβο (noise) και άλλες παρεμβολές (artifacts). Για την αποφυγή παραμόρφωσης, το EMG θα πρέπει να ενισχύεται γραμμικά (linearly) σε όλο το εύρος του ενισχυτή και του συστήματος καταγραφής. Αυτό σημαίνει ότι τα μεγάλα σήματα θα πρέπει να ενισχύονται το ίδιο, όσο και τα μικρά σήματα. Θόρυβος μπορεί να προκληθεί από διάφορες πηγές έξω από το μυ και μπορεί να οφείλεται είτε σε βιολογικούς παράγοντες είτε σε διατάξεις του εξοπλισμού. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόδια που τοποθετούνται πάνω στους θωρακικούς μύες καταγράφουν μεταξύ των άλλων και ηλεκτροκαρδιογραφικό σήμα, το οποίο μπορεί να αποτελέσει ανεπιθύμητο βιολογικό θόρυβο. Επίσης, θόρυβος λόγω εξοπλισμού (man-mode noise) προέρχεται κυρίως από γραμμές ισχύος (power lines), από μηχανήματα ή δημιουργείται από τον ενισχυτή. Οι παρεμβολές γενικά αναφέρονται σε λάθος σήματα, που οφείλονται στα ίδια τα ηλεκτρόδια ή τα καλώδια. Οι παρεμβολές κίνησης (movement artifacts) οφείλονται στο άγγιγμα των ηλεκτροδίων ή στην κίνηση των καλωδίων και οι συχνότητες τέτοιων παρεμβολών εκτιμώνται από 0-10Ηz. Χρησιμοποιώντας φίλτρα υψηλών συχνοτήτων, καλώδια υψηλής ποιότητας και σταθεροποιώντας προσεκτικά τα ηλεκτρόδια και τις λοιπές διατάξεις ελαχιστοποιούνται οι παρεμβολές και οι θόρυβοι. Για το λόγο αυτό συχνά χρησιμοποιούνται συστήματα προενισχυτών και ενεργητικά ηλεκτρόδια επιφανείας [11]. Γενικά, για την καταγραφή «καθαρού» EMG, οι ενισχυτές θα πρέπει να πληρούν κάποιες συγκεκριμένες προϋποθέσεις, όπως κατάλληλο εύρος φάσματος, υψηλό κέρδος ενίσχυσης, υψηλή αντίσταση εισόδου (για να μην φορτίζεται το μετρούμενο σήμα λόγω υψηλού ρεύματος στην είσοδο του ενισχυτή) και χαμηλής αντίστασης εξόδου (συγκρινόμενη με το φορτίο για την πιστή καταγραφή του σήματος) και, ίσως η σημαντικότερη από όλες, υψηλό λόγο απόρριψης κοινού σήματος (CMRR common mode rejection ratio). 1.4.5.3. Φίλτρα Για την περαιτέρω επεξεργασία του λαμβανόμενου ηλεκτρομυογραφικού σήματος, χρησιμοποιείται σύστημα φιλτραρίσματος με σκοπό την απόρριψη των ανεπιθύμητων συχνοτήτων παρεμβολής. Ο συνδυασμός ενός υψιπερατού φίλτρου (HPF high hass filter) με συχνότητα αποκοπής στα 30Hz και ενός χαμηλοπερατού (LPF low pass filter) στα 500Hz θα δώσει ένα καθαρό ηλεκτρομυογραφικό σήμα στη περιοχή συχνοτήτων 30-500Hz, ενώ όλες οι υπόλοιπες συχνότητες επιλεκτικά θα αποκοπούν. Το γεγονός ότι το ηλεκτρομυογραφικό σήμα δεν περιέχει πολύ χαμηλές συχνότητες, είναι ευνοϊκό γιατί τα παράσιτα που οφείλονται στην κίνηση, περιέχουν σχεδόν αποκλειστικά χαμηλές συχνότητες που μπορούν να φιλτραριστούν, χωρίς να επηρεάσουν τόσο πολύ το σήμα. Επιπλέον, η χρήση ενός ζωνοφρακτικού φίλτρου (NF notch filter) κεντρικής συχνότητας 50Hz, αποτρέπει την αλλοίωση του μυογραφικού σήματος από τις συνήθεις παρεμβολές του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. 16

1.4.5.4. Ανόρθωση Το ηλεκτρομυογραφικό σήμα στην έξοδο του συστήματος φιλτραρίσματος συνεχίζει να διατηρεί τα AC διπολικά χαρακτηριστικά του. Για τη μετατροπή του σε DC (συνεχές) παλμικό σήμα υφίσταται τη διαδικασία της ανόρθωσης. Ο ανορθωτής είναι μία συσκευή που διατηρεί το θετικό τμήμα του σήματος εισόδου ακριβώς όπως είναι, ενώ αντιστρέφει το αρνητικό τμήμα του σήματος δίνοντάς του θετικές τιμές. Συνεπώς, στην έξοδο λαμβάνεται ένα σήμα που συνδυάζει τις θετικές και τις αντεστραμμένες πλέον αρνητικές φάσεις του αυθεντικού ηλεκτρομυογραφικού σήματος. 1.4.5.5. Ολοκλήρωση Βασική λειτουργία του ολοκληρωτή είναι η ομαλοποίηση του λαμβανόμενου σήματος. Σχηματίζει «φακέλους», αναπαριστώντας γραφικά τη γραμμή μέγιστης προσαρμογής (line-best-fit) μεταξύ των διαδοχικών κορυφών του σήματος, ανά καθορισμένο χρονικό διάστημα. Το χρονικό διάστημα που προσδιορίζει τη διάρκεια του φακέλου καλείται σταθερά χρόνου. 1.4.5.6. Οπτικοακουστική αναπαράσταση Τα σύγχρονα συστήματα λήψης ηλεκτρομυογραφήματος χρησιμοποιούν εικόνες για τη μεταφορά στον ερευνητή της ανατομικής πληροφορίας που προσφέρουν. Συνήθως τα σήματα απεικονίζονται σε έναν παλμογράφο και σε πιο σύγχρονα συστήματα αναπαράγονται από εξειδικευμένο ηλεκτρονικό υπολογιστή, ώστε να είναι δυνατή η μαθηματική επεξεργασία τους. Η πληροφορία λοιπόν υπόκειται στους νόμους της «εικόνας», δηλαδή έχει πεπερασμένη αναλυτικότητα, περιορισμένη δυναμική περιοχή απεικόνισης του πλάτους της πληροφορίας, και ενδογενή θόρυβο. Επιπλέον οι «ηλεκτρονικές» εικόνες υπόκεινται στους νόμους της κβάντισης πλάτους του αρχικού σήματος που χρησιμοποιήθηκε για την ψηφιοποίηση τους, καθώς επίσης εξαρτώνται και από την ακρίβεια με την οποία ο υπολογιστής εκτελεί τις πράξεις για την τελική ανακατασκευή τους. Η ταχύτητα επεξεργασίας του βιοϊατρικού σήματος που ανιχνεύει το σύστημα ηλεκτροδίων μέχρι τελικά την απεικόνισή του, οφείλει να είναι σε πολύ υψηλά επίπεδα, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις συνεχούς παρακολούθησης και καταγραφής μίας βιολογικής δραστηριότητας (continuous acquisition). Από την άλλη πλευρά, τα ηλεκτρικά σήματα που παράγονται από τη διέγερση των σκελετικών μυών, ανήκουν στην ακουστική περιοχή του φάσματος συχνοτήτων. Συνεπώς μπορούν να ενισχυθούν και να μετατραπούν σε ηχητικά κύματα συνδέοντας την έξοδο του ενισχυτή σε ένα μεγάφωνο. Οι χαρακτηριστικοί ήχοι που παράγονται εξαιτίας των διαφορετικών κυμάτων διέγερσης του μεγάφωνου είναι συχνά μεγαλύτερης αξίας από την οπτική εικόνα της ίδιας της κυματομορφής, για την αναγνώριση ενεργών δυναμικών διαφορετικών τύπων [12]. 17

1.4.5.7. EMG με εξωτερική ηλεκτρική διέγερση Μέχρι στιγμής δεν αναφέρθηκε κάτι ιδιαίτερο και επομένως θεωρήθηκε αυτονόητο ότι η μυϊκή σύσπαση ήταν μια ενέργεια εκούσια και προκληθείσα από το υποκείμενο της μέτρησης. Ωστόσο το γεγονός αυτό παρουσιάζει ορισμένα μειονεκτήματα. Ο άνθρωπος δεν μπορεί με τη θέλησή του να ενεργοποιήσει όλες τις κινητικές μονάδες ενός μυός, ούτε και να ενεργοποιήσει όσες μπορεί, ταυτόχρονα. Οι αθλητές μάλιστα υψηλών επιδόσεων μετά από εντατική και μακροχρόνια προπόνηση κατορθώνουν να φτάσουν στο σημείο να μπορούν να ενεργοποιούν εκούσια το 85% των κινητικών μονάδων των μυών τους. Για να μπορέσουν να ξεπεραστούν αυτά τα εμπόδια και για να πραγματοποιηθούν ορισμένες ειδικές κατηγορίες μετρήσεων, χρησιμοποιείται ένα ηλεκτρικό σύστημα διέγερσης του μυός με τη χρήση επιφανειακών ηλεκτροδίων, όπως στην παρακάτω Εικόνα 1.7. Η ηλεκτρική διέγερση επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός ζεύγους ηλεκτροδίων προσαρμοσμένων σε μία σταθερής τάσης ή σταθερού ρεύματος συσκευή διέγερσης (ερεθισμού). Τα ηλεκτρόδια επιφανείας είναι επαρκή για τα περισσότερα νεύρα, και μόνο για την περίπτωση βαθύτερων νεύρων χρησιμοποιούνται βελονοειδή ηλεκτρόδια. Οι παλμοί διέγερσης έχουν πλάτος που κυμαίνεται στην περιοχή 20-50mA και διάρκεια 0.05-1ms. Εικόνα 1.7. Ηλεκτρική διέγερση μυός με επιφανειακά ηλεκτρόδια Έτσι, από τη μια επιτυγχάνεται η κινητοποίηση του συνόλου των κινητικών μονάδων του μυός και από την άλλη η ταυτόχρονη και άπαξ πυροδότησή τους. Επιπλέον, όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη παράγραφο του παρόντος κεφαλαίου, με την ηλεκτρική διέγερση του μυός μπορεί να εξαχθεί ως αντίδρασή του το Μ-κύμα, να γίνουν μετρήσεις ανακλαστικών και πλήθος άλλες εργαστηριακές εφαρμογές που στηρίζονται αποκλειστικά όχι στην εκούσια αλλά στην προκλητή αντίδραση του μυός. 18

2. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η πρακτική εφαρμογή των όσων αναπτύχθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, δημιουργεί ορισμένες ανάγκες σχεδίασης σταθερών πρωτοκόλλων και διαδικασιών από τους ερευνητές. Κάποιες διαδικασίες είναι απαραίτητο να τυποποιηθούν, άλλες να μπορούν να επαναληφθούν ξανά και ξανά και ορισμένες να υλοποιηθούν με τη βοήθεια λογισμικού. Οι ανάγκες αυτές που σχετίζονται με τη χρήση semg με ανατροφοδότηση καθώς και με μετρήσεις Μ-κύματος περιγράφονται σε αυτό το κεφάλαιο. 2.2. ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΓΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕ ΒΙΟΑΝΑΔΡΑΣΗ (BIOFEEDBACK) 2.2.1. Ανάδραση και semg Όπως περιγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, μετρήσεις με βιοανάδραση μπορούν να πραγματοποιηθούν σε μία ευρεία γκάμα ανθρωπίνων βιολογικών παραμέτρων με τη χρήση ποικίλων αισθητήρων (αισθητήρες στα δάχτυλα, όργανα μέτρησης τάσης, ειδικά ηλεκροεγκεφαλογραφικά ηλεκτρόδια, επιφανειακά ηλεκτρόδια κ.τ.λ.) καθώς και με την παροχή πληροφοριών στο υποκείμενο με διάφορους τρόπους (λαμπάκια, ήχους, ενδείξεις σε οθόνη παλμογράφου ή Η/Υ κ.τ.λ.). Το κομμάτι των μετρήσεων που εξετάζεται σε αυτή την ενότητα της εργασίας αφορά στη μέτρηση της μυϊκής δραστηριότητας με επιφανειακά ηλεκτρόδια μέσω της μεθόδου της ηλεκτρομυογραφίας και με τη χρήση οπτικής ανατροφοδότησης του υποκειμένου από την οθόνη του Η/Υ. 2.2.2. Επαναλαμβανόμενες διαδικασίες Η ανάγκη εκπόνησης της εργασίας προέκυψε από τη μελέτη και συστηματική κατηγοριοποίηση επιστημονικών δημοσιεύσεων που προέρχονται από εργαστηριακά πειράματα. Παρατηρήθηκε ότι σε πληθώρα διαφορετικών εφαρμογών και σε πλήθος εκτέλεσης πειραμάτων με διαφορετικές μεθόδους και διαφορετικούς στόχους, ορισμένα στοιχεία διατηρούνται κοινά και κάποιες διαδικασίες επαναλαμβάνονται, με κάποιες παραλλαγές, φυσικά. Υπάρχουν δηλαδή κάποια τμήματα των πειραματικών διαδικασιών, που απαντώνται σχεδόν σε όλες και είναι σχεδόν αναπόφευκτα για την πραγματοποίηση των διαδικασιών αυτών. Στις περισσότερες μάλιστα από αυτές αναφέρεται από τους ερευνητές ότι αναπτύχθηκε ειδικό λογισμικό για την παρακολούθηση και εκτέλεση κάποιων βημάτων τους, πράγμα που προφανώς είναι χρονοβόρο και απαιτεί ενδεχομένως τη μεσολάβηση και τη συνεργασία τρίτων, κάτι που δεν είναι πάντα εύκολο και ίσως εφικτό [13]. 19

Μέσα από προσεκτική παρατήρηση, προέκυψαν κάποια συγκεκριμένα βήματα που είναι απαραίτητα στοιχεία διεξαγωγής πειραμάτων και μετρήσεων με τη μέθοδο της ηλεκτρομυογραφίας και με την παροχή οπτικής ανατροφοδότησης στο υποκείμενο. 2.2.3. Μέγιστη εκούσια σύσπαση (MVC) Το πρώτο κοινό βήμα αυτής της κατηγορίας των πειραμάτων είναι η εύρεση της μέγιστης εκούσιας σύσπασης (MVC maximum voluntary contraction) του υπό μέτρηση μυός του υποκειμένου. Η MVC, όπως γλαφυρά περιγράφει ο ορισμός της, είναι η μέγιστη σύσπαση που μπορεί να πετύχει σε έναν δεδομένο μυ το υποκείμενο με την θέλησή του. Αποτελεί μέτρο της δύναμης που μπορεί να ασκήσει ο συγκεκριμένος μυς του υποκειμένου, σε δεδομένη πάντα θέση. Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, η MVC έρχεται σε ευθεία αναλογία με τον αριθμό των κινητικών μονάδων του μυός που μπορεί να ενεργοποιήσει ταυτόχρονα το υποκείμενο και δεν μπορεί να υπερβεί το 85% του συνόλου αυτών. Μάλιστα το ποσοστό αυτό ισχύει σε καλά προπονημένους αθλητές. Η συνήθης διαδικασία που ακολουθείται για την εύρεση της MVC με τη μέθοδο της οπτικής ανάδρασης είναι η εξής: αφού το υποκείμενο τοποθετηθεί στην κατάλληλη, τελική θέση για τη διεξαγωγή του πειράματος και συνδεθούν τα ηλεκτρόδια στον υπό μελέτη μυ, του ζητείται να παρακολουθήσει έναν οπτικό δείκτη στην οθόνη ενός υπολογιστή όπως π.χ. μία ράβδο που είναι άδεια και γεμίζει σιγά σιγά με κάποιο έντονο χρώμα. Ακριβώς δίπλα από το δείκτη αυτό υπάρχει ένας άλλος, ίδιος δείκτης, του οποίου το χρώμα γεμίζει αναλογικά με την σύσπαση του μυός του ίδιου του υποκειμένου. Καλείται σε αυτή την περίπτωση το υποκείμενο να παρακολουθήσει την πρόοδο του αυτόματου δείκτη, ασκώντας δύναμη και μεταβάλλοντας το δικό του δείκτη. Ο αυτόματος δείκτης είναι φυσικά προγραμματισμένος να γεμίζει μέχρι κάποιο σημείο που να υπερβαίνει το μεγαλύτερο σημείο που μπορεί να πετύχει οποιοδήποτε υποκείμενο. Έτσι, κάποια στιγμή το υποκείμενο δεν θα μπορεί να παρακολουθήσει άλλο την εξέλιξη του αυτόματου δείκτη (δεν θα μπορεί δηλαδή να αυξήσει παραπάνω τη δύναμη του μυός του) και θα σταματήσει την προσπάθεια. Στο σημείο αυτό μηδενίζονται οι δύο δείκτες, γίνεται ένα μικρό διάλειμμα και η διαδικασία επαναλαμβάνεται από την αρχή. Στη συντριπτική πλειοψηφία των πειραμάτων, γίνονται τρεις τέτοιες προσπάθειες και ως MVC θεωρείται η μέγιστη τιμή που επετεύχθη μεταξύ των τριών προσπαθειών [13], [14]. 2.2.4. Διατήρηση ποσοστού της MVC Μία άλλη διαδικασία που απαντάται σε πολύ μεγάλο αριθμό πειραμάτων είναι η προσπάθεια διατήρησης από το υποκείμενο ενός ποσοστού της MVC (%MVC percent maximum voluntary contraction) για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Ανάλογα με τον επιθυμητό τύπο μετρήσεων και το ποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά επιθυμεί να μελετήσει ο ερευνητής, μπορεί να ζητήσει από το υποκείμενο να διατηρήσει σταθερό ένα ποσοστό της MVC του 20

μυός του για κάποιο χρονικό διάστημα και για ορισμένο αριθμό επαναλήψεων. Αν για παράδειγμα γίνεται μια μελέτη του μυός σε συνθήκες κοπώσεως θα ζητηθεί από το υποκείμενο να πραγματοποιήσει 3 4 διαδοχικές επαναλήψεις μικρής διάρκειας σε κάποιο υψηλό ποσοστό της MVC για να επέλθει γρήγορα μυϊκός κάματος, και στη συνέχεια μπορεί να ζητηθούν κατά περίπτωση ορισμένες επαναλήψεις σε μικρότερο ποσοστό της MVC. Αν αντίθετα γίνεται μελέτη αντοχής (endurance training), τότε θα ζητηθεί από το υποκείμενο η πραγματοποίηση πολλών επαναλήψεων μεγαλύτερης χρονικής διάρκειας σε μικρότερα ποσοστά της MVC για να μελετηθεί ο ρυθμός της μείωσης της ικανότητας σύσπασης του μυός στο πέρασμα του χρόνου. Ένας αυτονόητος περιορισμός που τίθεται στο είδος αυτό των μετρήσεων είναι η χρονική διάρκεια διατήρησης του κάθε ποσοστού από το υποκείμενο. Μικρότερα ποσοστά της MVC μπορούν να διατηρηθούν σταθερά για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (μέχρι και κάποια λεπτά της ώρας) ενώ μεγαλύτερα ποσοστά μόνο για λίγα δευτερόλεπτα. Εικόνα 2.1. Ποσοστά MVC και χρόνος διατήρησής τους Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα της Εικόνας 2.1, όταν ζητείται ποσοστό της MVC κάτω του 50%, αυτό μπορεί να διατηρηθεί σταθερό για χρονικό διάστημα άνω του ενός λεπτού και μέχρι αρκετά λεπτά, ενώ για τα ποσοστά άνω του 50%, ο χρόνος διατήρησης μειώνεται ραγδαία για να πέσει στα 6 δευτερόλεπτα στην περίπτωση προσπαθειών κοντά στο 100% [14], [15]. 21

2.2.5. Διαλείμματα Ένα τρίτο, κοινό βήμα σε παρεμφερή πειράματα είναι η ύπαρξη διαλειμμάτων μεταξύ των επαναλήψεων. Στην πλειονότητα διεξαγωγής εργαστηριακών μετρήσεων, οι διαδικασίες δεν είναι συνεχείς, αλλά επαναληπτικές. Δεν πραγματοποιείται δηλαδή μία και μόνη μακράς διαρκείας μέτρηση συνεχής από την αρχή ως το τέλος, αλλά οι μετρήσεις γίνονται τμηματικά, σε διακριτά στάδια και με παύσεις διαλείμματα μεταξύ τους. Τα διαλείμματα είναι απαραίτητα μεταξύ των προσπαθειών, τόσο διότι με αυτόν τον τρόπο μπορούν να μελετήσουν οι ερευνητές ορισμένα στοιχεία που τους ενδιαφέρουν, όσο και για να επιτραπεί στον μυ να χαλαρώσει για να επανέλθει σε κατάσταση που θα μπορεί να ασκήσει αποτελεσματικά την απαιτούμενη δύναμη. Εικόνα 2.2. Χρόνος επαναφοράς συναρτήσει του %MVC και του χρόνου σύσπασης Όπως διαπιστώνει κανείς από το διάγραμμα της Εικόνας 2.2, ο χρόνος επαναφοράς του μυός σε κατάσταση που να του επιτρέπει να ασκήσει ξανά, αποτελεσματικά την απαιτούμενη δύναμη, εξαρτάται από δύο παράγοντες: από το ποσοστό της MVC που διατήρησε κατά την προσπάθεια που έκανε και από το χρόνο διάρκειας της προσπάθειας αυτής. Έτσι, σε χαμηλά ποσοστά MVC (έως 30%) και για χρόνους διατήρησης της δύναμης της τάξης του ενός λεπτού ή λιγότερο, ο απαιτούμενος χρόνος χαλάρωσης έχει σχέση περίπου 1 1 με τον χρόνο άσκησης της δύναμης, ενώ σε υψηλότερα ποσοστά MVC ή και για 22

μεγάλη διάρκεια διατήρησης της δύναμης σε χαμηλότερα ποσοστά MVC, η σχέση του απαιτούμενου χρόνου χαλάρωσης με το χρόνο άσκησης της δύναμης γίνεται σχεδόν εκθετική [15]. 2.2.6. Έλεγχος της ανατροφοδότησης Ένα τελευταίο βήμα που είναι αρκετά σύνηθες στις εργαστηριακές μετρήσεις, είναι ο έλεγχος της ανατροφοδότησης. Για τις ανάγκες πολλών πειραμάτων, είναι επιθυμητή η ανατροφοδότηση του υποκειμένου με πληροφορίες σχετικά με τις επιδόσεις του όχι κατά συνεχόμενο τρόπο, αλλά επιλεκτικά. Επιθυμεί με άλλα λόγια ο ερευνητής να παρέχει πληροφορίες στο υποκείμενο, όχι σε όλη τη διάρκεια της εξέλιξης του πειράματος αλλά σε ορισμένα μόνο στάδια αυτού, έτσι ώστε να διαπιστώσει την επίδραση της ανατροφοδότησης στις επιδόσεις του υποκειμένου, το κίνητρο που παρέχει αυτή στο υποκείμενο και το κατά πόσο το υποκείμενο είναι σε θέση να διατηρήσει κατά τη διάρκεια της ίδιας μέτρησης ένα σταθερό επίπεδο δύναμης, με και χωρίς ανατροφοδότηση. Προκύπτει λοιπόν συχνά η ανάγκη να δημιουργηθούν συνδυασμοί διαστημάτων ύπαρξης και απουσίας ανατροφοδότησης του υποκειμένου με πληροφορίες, κατά βούληση, και μάλιστα κατά τη διάρκεια της ίδιας μέτρησης. Ενδέχεται δηλαδή να είναι επιθυμητός οποιοσδήποτε συνδυασμός μεταξύ του να υπάρχει πλήρης ανατροφοδότηση του υποκειμένου με την επίδοση του ίδιου αλλά και με την επίδοση που επιχειρεί να πετύχει, να σταματά κάποια στιγμή η ανατροφοδότηση με την επίδοση του εαυτού του και να βλέπει μόνο την προσδοκώμενη επίδοση ή ακόμα να βλέπει συνεχώς την επίδοση του εαυτού του αλλά να σταματά κάποια στιγμή η προσδοκώμενη επίδοση. Μπορεί επίσης να είναι επιθυμητό και το αντίστροφο, δηλαδή να ξεκινάει η μέτρηση με απουσία κάποιας από τις δύο πληροφοριακές παραμέτρους (επίδοση του υποκειμένου ή προσδοκώμενη επίδοση) και να εμφανίζεται αυτή αργότερα στη διάρκεια της μέτρησης. Συνοπτικά, ο τύπος και η διάρκεια της ανατροφοδότησης είναι εργαλεία στα χέρια του ερευνητή, που μπορεί να χρησιμοποιήσει κατά το δοκούν, ανάλογα με τις παραμέτρους για τις οποίες είναι σχεδιασμένη μια συγκεκριμένη μέτρηση. 2.3. ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΟΥ Μ-ΚΥΜΑΤΟΣ Στο προηγούμενο κεφάλαιο καταδείχθηκε η σημασία του Μ- κύματος στην εργαστηριακή πρακτική και η πολύ μεγάλη χρησιμότητα που έχει ως εργαλείο στα χέρια των ερευνητών. Το μέγεθος που μπορεί να αξιοποιηθεί σε μεγαλύτερο βαθμό είναι το μέγιστο Μ-κύμα (maximum M-wave), συχνά όμως είναι ζητούμενη και η διάρκεια αυτού. Σε πολλές περιπτώσεις ωστόσο, δεν αρκεί η απλή καταγραφή του Μ-κύματος, και η εκ των υστέρων επεξεργασία του καταγεγραμμένου σήματος για τον εντοπισμό τη μέγιστης τιμής και της διάρκειας αυτής. Είναι επιθυμητό να υπάρχει επιπλέον η δυνατότητα, εύκολα και γρήγορα, να παρατηρείται στην οθόνη του Η/Υ η εξέλιξη της καταγραφής διαδοχικών Μ-κυμάτων, η μέγιστη τιμή και η διάρκεια του καθενός από αυτά, με τέτοιο τρόπο που να είναι με μια ματιά αντιληπτή η εξέλιξη των 23

μετρήσεων (π.χ. με μια γραφική παράσταση των δύο αυτών μεγεθών που θα γίνεται σε πραγματικό χρόνο). Πολύ μεγάλη σημασία έχει επίσης να μπορεί ο ερευνητής να προσδιορίζει άμεσα ποιο είναι το μεγαλύτερο Μ-κύμα από αυτά που έχουν καταγραφεί, ποια ακριβώς είναι η μέγιστη τιμή του και ποια είναι η χρονική διάρκεια αυτού. Να μπορεί δηλαδή να βλέπει ακαριαία τον αύξοντα αριθμό του Μ-κύματος (πάντα καταγράφεται μια σειρά από Μ- κύματα, ποτέ ένα μόνο του) που παρουσίασε την μέγιστη τιμή, την αριθμητική τιμή αυτής με μεγάλη ακρίβεια (όχι μέσω γραφικής παράστασης) και την αριθμητική τιμή της διάρκειας αυτού με κάποια δεδομένη πάλι ακρίβεια [5], [6], [14]. Γενικά, στην περίπτωση της μέτρησης και καταγραφής Μ- κύματος, η συνήθης εργαστηριακή πρακτική και το βάρος που δίδεται από τους ερευνητές, έγκειται στην αποφυγή της ανάγκης εκ των υστέρων επεξεργασίας (post processing) του σήματος, τουλάχιστον για την εξαγωγή των βασικών παραμέτρων που προαναφέρθηκαν. Οι ανάγκες είναι προσανατολισμένες στη δυνατότητα επεξεργασίας σε πραγματικό χρόνο (real time processing) για να είναι δυνατή η χρησιμοποίηση των βασικών αυτών παραμέτρων άμεσα και χωρίς καθυστέρηση. Φυσικά η περαιτέρω ανάλυση του συνόλου των καταγεγραμμένων Μ-κυμάτων μπορεί να γίνει εκ των υστέρων, αλλά θα αφορά στη μελέτη κάποιων άλλων ιδιοτήτων, όπως π.χ. στην εξέλιξη του μέγιστου του κύματος σε σχέση με το χρόνο ή τον αριθμό των Μ-κυμάτων που απαιτούνται για την κατά μέσο όρο επίτευξη του μέγιστου. 24

3. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΕΡΓΑΣΙΑΣ LABVIEW 3.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το περιβάλλον που ενδείκνυται για την πραγματοποίηση μετρήσεων ηλεκτρομυογραφήματος είναι το πακέτο λογισμικού LabVIEW της National Instruments. Ο κύριος λόγος επιλογής του συγκεκριμένου προγράμματος από άλλες δημοφιλείς εναλλακτικές επιλογές (C/C++, Matlab κτλ.) είναι η μεγαλύτερη απλότητα και ευκολία που παρουσιάζει στον έλεγχο οργάνων σε σχέση με αυτές. Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημά του είναι ότι επιτρέπει την ανάπτυξη μιας πολύ φιλικής προς το χρήστη διεπιφάνειας (User Interface) χωρίς να απαιτείται ιδιαίτερη ενασχόληση με το σχεδιασμό των γραφικών που θα χρησιμοποιηθούν. 3.2. ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ LABVIEW Το LabVIEW είναι ένα πρόγραμμα ανάπτυξης εφαρμογών που μοιάζει με τις μοντέρνες μορφές των γλωσσών C/C++ και Matlab αλλά διαφέρει από αυτές στο ότι στα άλλα προγραμματιστικά πακέτα οι εντολές και η ανάπτυξη των εφαρμογών γίνονται σε μορφή κειμένου ενώ το LabVIEW χρησιμοποιεί τη γραφική γλώσσα προγραμματισμού G για τη δημιουργία προγραμμάτων σε μορφή μπλοκ διαγραμμάτων. Άμεση προέκταση του παραπάνω γεγονότος είναι το ότι σε αντίθεση με τις «κλασικές» γλώσσες προγραμματισμού, όπου η σειρά των εντολών καθορίζει την εκτέλεση του προγράμματος, το LabVIEW χρησιμοποιεί προγραμματισμό ροής δεδομένων (dataflow programming) όπου η ροή των δεδομένων καθορίζει την εκτέλεση. Το LabVIEW είναι επίσης ένα γενικού σκοπού περιβάλλον προγραμματισμού με εκτεταμένες βιβλιοθήκες από συναρτήσεις για πλήθος εφαρμογών. Διαθέτει βιβλιοθήκες για απόκτηση δεδομένων (data acquisition), σειριακό έλεγχο εφαρμογών, ανάλυσης, παρουσίασης και αποθήκευσης δεδομένων. Επιπλέον έχει συμβατικά εργαλεία ανάπτυξης προγράμματος. Έτσι μπορεί κανείς να θέσει διακόπτες, να δει τη σταδιακή εκτέλεση του προγράμματος και να ανιχνεύσει εύκολα τα πιθανά του λάθη. 3.2.1. Εισαγωγή στα VIs Τα προγράμματα του LabVIEW καλούνται εικονικά όργανα (VIs virtual instruments) επειδή η εμφάνιση και ο χειρισμός τους προσομοιάζει πραγματικά όργανα όπως για παράδειγμα πολύμετρα ή παλμογράφους. Ωστόσο τα VIs είναι παρεμφερή με τις συναρτήσεις των άλλων προγραμματιστικών πακέτων. Κάθε VI χρησιμοποιεί συναρτήσεις για τη διαχείριση των εισόδων, που προέρχονται από το User Interface ή από άλλες πηγές, και απεικονίζουν διάφορες πληροφορίες ή μεταφέρουν δεδομένα σε αρχεία, άλλους υπολογιστές και όργανα. Πιο αναλυτικά, ένα εικονικό όργανο (VI) δομείται από τα εξής στοιχεία: 25