Motoristen yksiköiden erottelu matemaattisilla luokittelumenetelmillä differentiaalisesta elektromyografiasta

Aktiopotentiaaliksi kutsuttu jännitteen muutos ajan funktiona on tunnettu biosähköinen impulssi. Kirjallisuuskatsauksessa pyrittiin löytämään ne motorisen yksikön aktiopotentiaalin voimakkuuteen, muotoon ja kestoon vaikuttavat tekijät, jotka selittäisivät riittävän luotettavasti erot kahden tai usea...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Koskinen, Timo
Other Authors: Liikuntatieteellinen tiedekunta, Faculty of Sport and Health Sciences, Liikunta- ja terveystieteet, Sport and Health Sciences, Jyväskylän yliopisto, University of Jyväskylä
Format: Master's thesis
Language:fin
Published: 2019
Subjects:
Online Access: https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/64884
_version_ 1828193083538276352
author Koskinen, Timo
author2 Liikuntatieteellinen tiedekunta Faculty of Sport and Health Sciences Liikunta- ja terveystieteet Sport and Health Sciences Jyväskylän yliopisto University of Jyväskylä
author_facet Koskinen, Timo Liikuntatieteellinen tiedekunta Faculty of Sport and Health Sciences Liikunta- ja terveystieteet Sport and Health Sciences Jyväskylän yliopisto University of Jyväskylä Koskinen, Timo Liikuntatieteellinen tiedekunta Faculty of Sport and Health Sciences Liikunta- ja terveystieteet Sport and Health Sciences Jyväskylän yliopisto University of Jyväskylä
author_sort Koskinen, Timo
datasource_str_mv jyx
description Aktiopotentiaaliksi kutsuttu jännitteen muutos ajan funktiona on tunnettu biosähköinen impulssi. Kirjallisuuskatsauksessa pyrittiin löytämään ne motorisen yksikön aktiopotentiaalin voimakkuuteen, muotoon ja kestoon vaikuttavat tekijät, jotka selittäisivät riittävän luotettavasti erot kahden tai useamman motorisen yksikön välillä. Tällöin yksiköt olisivat identifioitavissa sen tuottaman yksilöllisen impulssin muodon eli jännitteen aikafunktion perusteella. Koska kaikkien aktiivisten motoristen yksiköiden tuottamat biosähköiset impulssit tai oikeammin sähkökentät summautuvat mittaelektrodissa, motoristen yksiköiden erottaminen (so. dekompositiointi) täytyy suorittaa sulautetulla ohjelmoinnilla, digitaalisen signaalinkäsittelyn ja matemaattisten algoritmien avulla. Tämän tutkielman yhteydessä luotiin algoritmi, jolla differentiaalinen sEMG-signaali (surface ElectroMyoGram) purettiin erillisiin MUAP-jonoihin (Motor Unit Action Potential) ja jolla ne analysoitiin automaattisesti ja nopeasti, tavallisella kannettavalla tietokoneella ja MATlab-sovelluksella. Tutkimuksessa päädyttiin kokeilemaan simuloitua HDsEMG-signaalia (High Density surface EMG) bipolaarisen pinta-EMG-signaalin sijaan. Näytteet simuloivat monikanavaisen 10x9-matriisianturin tuloksia isometrisestä 10% MVC-suorituksesta (Maximum Voluntary Control). Tutkimusalgoritmi muodosti differentiaalisignaalin, josta luokittelufunktio erotti motoriset yksiköt. Yhtenä ongelmana oli määritellä, kuinka moneen ryhmään aktiopotentiaalit tulee jakaa. Valitettavasti tämän ongelman ratkaisuun ei ole olemassa suoraa menetelmää. Ratkaisua täytyy hakea epäsuorasti, käyttäen apuna soveltuvia tunnuslukuja. Tämän tutkimusaineiston kohdalla päädyttiin 25 klusteriin. Tutkielman tulosten perusteella lupaavin tutkituista menetelmistä oli K-medoids-klusterointi neliöllisellä eukleidisellä (Squared Euclidean) samankaltaisuusmitalla. Tässä funktiossa jokainen medoidi eli klusterikeskipiste edustaa ryhmän keskiarvoa. Alun perin kehitetty algoritmi oli varsin helppo mukauttaa noudattamaan tätä luokittelumenetelmää. Valitettavasti yhdenkään klusterointimenetelmän luotettavuusrajoja tai muitakaan laadullisia parametrejä ei pystytty tässä tutkimuksessa määrittelemään, koska yksiäkään soveltuvia referenssituloksia ei saatu aineistoon eivätkä simuloitujen näytteiden syttymisajat korreloineet differentiaalisen bipolaarisignaalin kanssa. Selitys jälkimmäiseen voi olla, että matriisianturin keskelle syotetyt AP-aallot osuvat molempiin bipolaarisiin antureihin yhtäaikaa eikä differentiaalia synny - mutta tämän lopullinen todentaminen vaatisi hieman jatkotutkimusta. So-called Action Potential in neuron is a temporal change in voltage, and well known as a bioelectric impulse. Starting point of the literature review was to find all factors which induce amplitude, shape and duration of a certain Motor Unit discharge, and to define differences between two or more Action Potentials. Then Motor Unit Action Potential train decomposition could be done by comparing the temporal voltage change, i.e. by comparing the shape of an action potential. Because all the Motor Unit Action Potentials, that are active, are merged in a detection electrod, i.e. an electrode detects the sum of electric fields of electric charges. Due to the merged MUAP trains, the decomposition has to be performed by embedded software by means of Digital Signal Processing and mathematical algorithms. Novel decomposition algorithm was created during the study. It decomposes differential sEMG signal into separate MUAP trains and computes variables. All this takes place fast and autonomously without human operator, just a common laptop and MATlab application is needed. Instead of physiological bipolar sEMG signal, the study was done to simulated HDsEMG signals, which were provided by Ales Holobar and Harri Piitulainen. The signals simulated high density multichannel 10x9 matrix like results from isometric 10% MVC performance. Differential signals were reconstructed and further decomposed MUAP trains by the study algorithm. One problem was to determine, how many groups of action potentials should be clustered. Unfortunately, there is no direct method for solving this problem. The solution must be applied indirectly, using the appropriate parameters and the key figures. For these signals, 25 clusters were found. Based on the results, the most promising method studied was k-medoids clustering function that uses Squared Euclidean similarity measure. In this method, each medoid represent averages of the cluster. The algorithm originally developed was quite easy to adapt to this classification method. Unfortunately, none of the reliability limits of the clustering method or other qualitative parameters could be defined in this study, because none relevant reference results were found for the study and the firing times of the simulated samples did not correlate with the differential bipolar signal. The explanation for the latter may be that the AP waves fed to the center of the matrix sensor arrive at both bipolar sensors simultaneously and no differential occurs - but the verification would require some further research.
first_indexed 2024-09-11T08:52:37Z
format Pro gradu
free_online_boolean 1
fullrecord [{"key": "dc.contributor.advisor", "value": "Linnamo, Vesa", "language": "", "element": "contributor", "qualifier": "advisor", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.advisor", "value": "Piitulainen, Harri", "language": "", "element": "contributor", "qualifier": "advisor", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.author", "value": "Koskinen, Timo", "language": "", "element": "contributor", "qualifier": "author", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.accessioned", "value": "2019-06-27T11:30:20Z", "language": null, "element": "date", "qualifier": "accessioned", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.available", "value": "2019-06-27T11:30:20Z", "language": null, "element": "date", "qualifier": "available", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.issued", "value": "2019", "language": "", "element": "date", "qualifier": "issued", "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.uri", "value": "https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/64884", "language": null, "element": "identifier", "qualifier": "uri", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.abstract", "value": "Aktiopotentiaaliksi kutsuttu j\u00e4nnitteen muutos ajan funktiona on tunnettu bios\u00e4hk\u00f6inen impulssi.\nKirjallisuuskatsauksessa pyrittiin l\u00f6yt\u00e4m\u00e4\u00e4n ne motorisen yksik\u00f6n aktiopotentiaalin voimakkuuteen,\nmuotoon ja kestoon vaikuttavat tekij\u00e4t, jotka selitt\u00e4isiv\u00e4t riitt\u00e4v\u00e4n luotettavasti erot kahden tai\nuseamman motorisen yksik\u00f6n v\u00e4lill\u00e4. T\u00e4ll\u00f6in yksik\u00f6t olisivat identifioitavissa sen tuottaman\nyksil\u00f6llisen impulssin muodon eli j\u00e4nnitteen aikafunktion perusteella.\nKoska kaikkien aktiivisten motoristen yksik\u00f6iden tuottamat bios\u00e4hk\u00f6iset impulssit tai oikeammin\ns\u00e4hk\u00f6kent\u00e4t summautuvat mittaelektrodissa, motoristen yksik\u00f6iden erottaminen (so.\ndekompositiointi) t\u00e4ytyy suorittaa sulautetulla ohjelmoinnilla, digitaalisen signaalink\u00e4sittelyn ja\nmatemaattisten algoritmien avulla. T\u00e4m\u00e4n tutkielman yhteydess\u00e4 luotiin algoritmi, jolla\ndifferentiaalinen sEMG-signaali (surface ElectroMyoGram) purettiin erillisiin MUAP-jonoihin\n(Motor Unit Action Potential) ja jolla ne analysoitiin automaattisesti ja nopeasti, tavallisella\nkannettavalla tietokoneella ja MATlab-sovelluksella.\nTutkimuksessa p\u00e4\u00e4dyttiin kokeilemaan simuloitua HDsEMG-signaalia (High Density surface EMG)\nbipolaarisen pinta-EMG-signaalin sijaan. N\u00e4ytteet simuloivat monikanavaisen 10x9-matriisianturin\ntuloksia isometrisest\u00e4 10% MVC-suorituksesta (Maximum Voluntary Control). Tutkimusalgoritmi\nmuodosti differentiaalisignaalin, josta luokittelufunktio erotti motoriset yksik\u00f6t.\nYhten\u00e4 ongelmana oli m\u00e4\u00e4ritell\u00e4, kuinka moneen ryhm\u00e4\u00e4n aktiopotentiaalit tulee jakaa.\nValitettavasti t\u00e4m\u00e4n ongelman ratkaisuun ei ole olemassa suoraa menetelm\u00e4\u00e4. Ratkaisua t\u00e4ytyy\nhakea ep\u00e4suorasti, k\u00e4ytt\u00e4en apuna soveltuvia tunnuslukuja. T\u00e4m\u00e4n tutkimusaineiston kohdalla\np\u00e4\u00e4dyttiin 25 klusteriin.\nTutkielman tulosten perusteella lupaavin tutkituista menetelmist\u00e4 oli K-medoids-klusterointi\nneli\u00f6llisell\u00e4 eukleidisell\u00e4 (Squared Euclidean) samankaltaisuusmitalla. T\u00e4ss\u00e4 funktiossa jokainen\nmedoidi eli klusterikeskipiste edustaa ryhm\u00e4n keskiarvoa. Alun perin kehitetty algoritmi oli varsin\nhelppo mukauttaa noudattamaan t\u00e4t\u00e4 luokittelumenetelm\u00e4\u00e4. Valitettavasti yhdenk\u00e4\u00e4n\nklusterointimenetelm\u00e4n luotettavuusrajoja tai muitakaan laadullisia parametrej\u00e4 ei pystytty t\u00e4ss\u00e4\ntutkimuksessa m\u00e4\u00e4rittelem\u00e4\u00e4n, koska yksi\u00e4k\u00e4\u00e4n soveltuvia referenssituloksia ei saatu aineistoon\neiv\u00e4tk\u00e4 simuloitujen n\u00e4ytteiden syttymisajat korreloineet differentiaalisen bipolaarisignaalin kanssa.\nSelitys j\u00e4lkimm\u00e4iseen voi olla, ett\u00e4 matriisianturin keskelle syotetyt AP-aallot osuvat molempiin\nbipolaarisiin antureihin yht\u00e4aikaa eik\u00e4 differentiaalia synny - mutta t\u00e4m\u00e4n lopullinen todentaminen\nvaatisi hieman jatkotutkimusta.", "language": "fi", "element": "description", "qualifier": "abstract", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.abstract", "value": "So-called Action Potential in neuron is a temporal change in voltage, and well known as a\nbioelectric impulse. Starting point of the literature review was to find all factors which induce\namplitude, shape and duration of a certain Motor Unit discharge, and to define differences between\ntwo or more Action Potentials. Then Motor Unit Action Potential train decomposition could be done\nby comparing the temporal voltage change, i.e. by comparing the shape of an action potential.\nBecause all the Motor Unit Action Potentials, that are active, are merged in a detection electrod, i.e.\nan electrode detects the sum of electric fields of electric charges. Due to the merged MUAP trains,\nthe decomposition has to be performed by embedded software by means of Digital Signal\nProcessing and mathematical algorithms. Novel decomposition algorithm was created during the\nstudy. It decomposes differential sEMG signal into separate MUAP trains and computes variables.\nAll this takes place fast and autonomously without human operator, just a common laptop and\nMATlab application is needed.\nInstead of physiological bipolar sEMG signal, the study was done to simulated HDsEMG signals,\nwhich were provided by Ales Holobar and Harri Piitulainen. The signals simulated high density\nmultichannel 10x9 matrix like results from isometric 10% MVC performance. Differential signals\nwere reconstructed and further decomposed MUAP trains by the study algorithm.\nOne problem was to determine, how many groups of action potentials should be clustered.\nUnfortunately, there is no direct method for solving this problem. The solution must be applied\nindirectly, using the appropriate parameters and the key figures. For these signals, 25 clusters were\nfound.\nBased on the results, the most promising method studied was k-medoids clustering function that\nuses Squared Euclidean similarity measure. In this method, each medoid represent averages of the\ncluster. The algorithm originally developed was quite easy to adapt to this classification method.\nUnfortunately, none of the reliability limits of the clustering method or other qualitative parameters\ncould be defined in this study, because none relevant reference results were found for the study and\nthe firing times of the simulated samples did not correlate with the differential bipolar signal. The\nexplanation for the latter may be that the AP waves fed to the center of the matrix sensor arrive at\nboth bipolar sensors simultaneously and no differential occurs - but the verification would require\nsome further research.", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "abstract", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Submitted by Miia Hakanen (mihakane@jyu.fi) on 2019-06-27T11:30:20Z\nNo. of bitstreams: 0", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Made available in DSpace on 2019-06-27T11:30:20Z (GMT). No. of bitstreams: 0\n Previous issue date: 2019", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.extent", "value": "71", "language": "", "element": "format", "qualifier": "extent", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.mimetype", "value": "application/pdf", "language": null, "element": "format", "qualifier": "mimetype", "schema": "dc"}, {"key": "dc.language.iso", "value": "fin", "language": null, "element": "language", "qualifier": "iso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights", "value": "In Copyright", "language": "en", "element": "rights", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "aktiopotentiaali", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "alfamotoneuroni", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "motorinen yksikk\u00f6", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "MUAP", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "sEMG", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "HDsEMG", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "dekompositiointi", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "tiedon luokittelu", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "k-means", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "k-medoids", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "wavelet-muunnos", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "MATlab", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.title", "value": "Motoristen yksik\u00f6iden erottelu matemaattisilla luokittelumenetelmill\u00e4 differentiaalisesta elektromyografiasta", "language": "", "element": "title", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.type", "value": "master thesis", "language": null, "element": "type", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.urn", "value": "URN:NBN:fi:jyu-201906273487", "language": "", "element": "identifier", "qualifier": "urn", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.ontasot", "value": "Pro gradu -tutkielma", "language": "fi", "element": "type", "qualifier": "ontasot", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.ontasot", "value": "Master\u2019s thesis", "language": "en", "element": "type", "qualifier": "ontasot", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.faculty", "value": "Liikuntatieteellinen tiedekunta", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "faculty", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.faculty", "value": "Faculty of Sport and Health Sciences", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "faculty", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.department", "value": "Liikunta- ja terveystieteet", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "department", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.department", "value": "Sport and Health Sciences", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "department", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.organization", "value": "Jyv\u00e4skyl\u00e4n yliopisto", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "organization", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.organization", "value": "University of Jyv\u00e4skyl\u00e4", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "organization", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.discipline", "value": "Biomekaniikka", "language": "fi", "element": "subject", "qualifier": "discipline", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.discipline", "value": "Biomechanics", "language": "en", "element": "subject", "qualifier": "discipline", "schema": "dc"}, {"key": "yvv.contractresearch.funding", "value": "0", "language": "", "element": "contractresearch", "qualifier": "funding", "schema": "yvv"}, {"key": "dc.type.coar", "value": "http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc", "language": null, "element": "type", "qualifier": "coar", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights.accesslevel", "value": "openAccess", "language": null, "element": "rights", "qualifier": "accesslevel", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.publication", "value": "masterThesis", "language": null, "element": "type", "qualifier": "publication", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.oppiainekoodi", "value": "5012", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "oppiainekoodi", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "elektromyografia", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "algoritmit", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "signaalit", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "s\u00e4hk\u00f6kent\u00e4t", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "MATLAB", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.content", "value": "fulltext", "language": null, "element": "format", "qualifier": "content", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights.url", "value": "https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/", "language": null, "element": "rights", "qualifier": "url", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.okm", "value": "G2", "language": null, "element": "type", "qualifier": "okm", "schema": "dc"}]
id jyx.123456789_64884
language fin
last_indexed 2025-03-31T20:03:31Z
main_date 2019-01-01T00:00:00Z
main_date_str 2019
online_boolean 1
online_urls_str_mv {"url":"https:\/\/jyx.jyu.fi\/bitstreams\/b4192105-73ee-45ac-8c1d-040cf6ba7d1b\/download","text":"URN:NBN:fi:jyu-201906273487.pdf","source":"jyx","mediaType":"application\/pdf"}
publishDate 2019
record_format qdc
source_str_mv jyx
spellingShingle Koskinen, Timo Motoristen yksiköiden erottelu matemaattisilla luokittelumenetelmillä differentiaalisesta elektromyografiasta aktiopotentiaali alfamotoneuroni motorinen yksikkö MUAP sEMG HDsEMG dekompositiointi tiedon luokittelu k-means k-medoids wavelet-muunnos MATlab Biomekaniikka Biomechanics 5012 elektromyografia algoritmit signaalit sähkökentät MATLAB
title Motoristen yksiköiden erottelu matemaattisilla luokittelumenetelmillä differentiaalisesta elektromyografiasta
title_full Motoristen yksiköiden erottelu matemaattisilla luokittelumenetelmillä differentiaalisesta elektromyografiasta
title_fullStr Motoristen yksiköiden erottelu matemaattisilla luokittelumenetelmillä differentiaalisesta elektromyografiasta Motoristen yksiköiden erottelu matemaattisilla luokittelumenetelmillä differentiaalisesta elektromyografiasta
title_full_unstemmed Motoristen yksiköiden erottelu matemaattisilla luokittelumenetelmillä differentiaalisesta elektromyografiasta Motoristen yksiköiden erottelu matemaattisilla luokittelumenetelmillä differentiaalisesta elektromyografiasta
title_short Motoristen yksiköiden erottelu matemaattisilla luokittelumenetelmillä differentiaalisesta elektromyografiasta
title_sort motoristen yksiköiden erottelu matemaattisilla luokittelumenetelmillä differentiaalisesta elektromyografiasta
title_txtP Motoristen yksiköiden erottelu matemaattisilla luokittelumenetelmillä differentiaalisesta elektromyografiasta
topic aktiopotentiaali alfamotoneuroni motorinen yksikkö MUAP sEMG HDsEMG dekompositiointi tiedon luokittelu k-means k-medoids wavelet-muunnos MATlab Biomekaniikka Biomechanics 5012 elektromyografia algoritmit signaalit sähkökentät MATLAB
topic_facet 5012 Biomechanics Biomekaniikka HDsEMG MATLAB MATlab MUAP aktiopotentiaali alfamotoneuroni algoritmit dekompositiointi elektromyografia k-means k-medoids motorinen yksikkö sEMG signaalit sähkökentät tiedon luokittelu wavelet-muunnos
url https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/64884 http://www.urn.fi/URN:NBN:fi:jyu-201906273487
work_keys_str_mv AT koskinentimo motoristenyksiköidenerottelumatemaattisillaluokittelumenetelmillädifferentiaalisest