High-density sEMG electrode array and data acquisition

Abstract

Dette arbeidet omhandler implementeringen av en prototype for en høy-tetthets elektrodematrise og tilhørende datainnsamlingsmodul for overflate EMG-signaler fra den øvre lem. Tradisjonelle innsamlingssystemer er vanligvis basert på mer spredte overflateelektroder, men en trend i klinisk forskning har vært å inkludere et økende antall elektrodekanaler konfigurert i tette geometriske mønstre. Høy-tetthets elektrodematriser har vist seg å være lovende når de brukes til flerkanals protesekontroll, ettersom disse bedre fanger opp intensjonen bak brukerens bevegelser sammenlignet med en- eller to-kanals tilnærminger. Prototypen i dette arbeidet består av en 8-kanals tett elektrodematrise bestående av tørre overflateelektroder i rustfritt stål innebygd i et gummi-erme som er plassert på den ventrale siden av underarmen over musklene som er ansvarlige for å bøye håndleddet. Datainnsamlingsmodulen bygger på et Arduino-shield med ADS1299, som er en analog frontend med integrert programmerbar differensialforsterker og ADC, i senter. Prototypen brukes til å registrere overflate-EMG-signaler og kan skille mellom svake, middels og sterke muskelsammentrekninger ved bruk av en differensiell elektrodekonfigurasjon. De innhentede signalene er ikke redundante på tvers av alle kanaler, hovedsakelig på grunn av en ubalanse i impedansen til elektrode-hud-grensesnittet, samt at det er utfordrende å finne en nøyaktig elektrodeplassering. Fremtidig innsats bør fokusere på et mer tilsiktet elektrodedesign, eller alternativt vurdere kommersielle elektroder, for å sikre god signalkvalitet på tvers av alle kanaler, samt utvide datainnsamlingsmodulen til å inkludere enda flere elektrodekanaler for å øke redundansen og robustheten til prototypen.

This work revolves around the implementation of a prototype for a dense electrode grid and accompanying data acquisition module for high-density surface EMG signal acquisition for the upper limb. Traditional acquisition systems are usually based on sparsely spaced surface electrodes, however a trend in clinical research has been to include an increasing number of electrode channels configured in dense geometrical patterns. Dense electrode grids have shown promise when used for multichannel prosthesis control, as they better capture the intention of the user's movements and gestures compared to single- or two-channel approaches. The prototype consists of an 8-channel dense electrode grid with dry stainless steel surface electrodes embedded in a rubber sleeve that is placed on the ventral side of the forearm above the muscles responsible for flexing the wrist. The data acquisition module builds on an Arduino shield with the ADS1299, which is an analog front end with integrated programmable gain amplifier and ADC, at its core. The prototype is used to record surface EMG signals and allows for distinguishing between weak, medium and strong muscle contractions when utilizing a differential electrode configuration. The acquired signals are not redundant across all channels, mostly due to an imbalance in electrode-skin interface impedance and the challenge of finding an accurate electrode placement. Future efforts should be put into a more deliberate electrode design, or alternatively consider commercial electrodes, in order to ensure good signal quality across all channels, as well as extend the data acquisition module to include even more electrode channels to increase redundancy and robustness of the prototype.