Schlagwort: EMG

UPDATE: Echter Differenzverstärker IV (EMG-Vorverstärker)

Thomas Schaerer


Für das Titelbild im Newsletter zu sehen, bitte den folgenden Link anklicken:
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Vor knapp einem Jahr am 29. Juni 2021 stellte ich das Gesamtprojekt, mit dem entsprechenden Titelbild, die EMG-Messanlage, im Newsletter vor. In diesem Newsletter steht der eigentlich wichtigste Teil im Fokus, wie es das Titelbild zum Ausdruck bringt. Es ist die Eingangstufe mit dem hochwertigen Instrumentations-Verstärker INA111. Übrigens, die eher selten verwendete Bezeichnung „Echter Differenzverstärker“ ist identisch mit dem Begriff Intstrumentationsverstärker.

Zur Realisierung der Verstärkung benötigt der INA111 nur gerade einen  Widerstand. Man liest es im INA111-Datenblatt RG (Figure 1: Basis-Connections, Seite 7). Bei einem Wert von 500 Ohm ergibt es via Gegenkopplung eine fixe Verstärkung von 100. Diese 500 Ohm sind im Titelbild und in Bild 3 mit zwei Präzisions Metallschicht-Widerständen R11 und R12 aufgeteilt.Die Widerstands-Toleranz beträgt je 1%. Man erkennt dies an der Zahl 1 im Widerstand.

Diese Aufteilung macht hier Sinn, wegen der zusätzlichen Schutzschaltung mit zwei LED mit grünem Licht (LD1 und LD2). Diese zusätzlich wirksame Schutzmethode, scheint etwas exotisch. Ich habe sie in der Literatur nirgends entdeckt. Das heisst, hat jemand diesen Trick auch schon angewendet, wäre ich an einem EMail-Kontakt interessiert.  Wie diese beiden LEDs schützen, zusätzlich mit den Transistoren T1 bis T4 in Funktion als Dioden, erklärt der Elektronik-Minikurs.

Die vollständige Erklärung des eingangsseitigen Verstärker beginnt mit Bild 3 und dem Titel „EMG-Vorverstärker-Deluxe“ und der zugehörigen Erklärung. Man erreicht diese Stelle mit hinunterscrollen. Ein anklickbarer Link für den Sprung zu Bild 3 fehlt mit der Absicht, dass es sich lohnt, beim langsamen hinunterscrollen, etwas vom Inhalt dazwischen zu erfahren. Eine Art Spaziergang. 😉

Unter dem Titel „Wichtige Links gleich am Anfang!“ hat es zwei weitere kleine EMG-Geräte-Links mit Batteriebetrieb. Im Link 9 ist es den „EMG-Testgenerator“. Im Link 10 den „EMG-Elektroden-Impedanztester“. Die genaueren Details liest man ebenfalls hier:

Echter Differenzverstärker IV: Anwendung mit EMG

EMG-Elektroden-Impedanztester

Thomas Schaerer

Im Laufe von vielen Jahren sind einige Elektronik-Minikurse entstanden, welche sich auch mit der Elektromyographie (EMG) befassen und es gibt solche, welche EMG zum Hauptthema haben. Etwas speziell ist das intramuskuläre Messen elektromyographischer Signale (iEMG).

Gerade hier ist es wünschenswert, nach dem Implantieren von sehr dünnen Drahtelektroden, zu messen, ob die Elektroden Kontakt haben mit dem Muskelgewebe oder ob ein Unterbruch oder ein Kurzschluss besteht. Wenn Kontakt vorhanden, ist es sinnvoll etwas über den elektrischen Widerstand zwischen den beiden Elektroden im Muskelgewebe zu erfahren. Diese Ohmwerte sind stets ungenau. Es geht dabei um Richt- bzw. Erfahrungswerte. Deshalb die Grobanzeige mittels LED-Balkenanzeige. Die „graue“ LED im Titelbild bedeutet reduzierte Leuchtstärke und ein Widerstandswert von etwa 200 k-Ohm. Für intramuskuläres Messen ein realistischer Wert. Wenn mehr als etwa 2.5 M-Ohm oder bei offenem Kontakt, leuchten alle LEDs.

Mit der Eingabe von ELEKTRONIK und ELEKTROMYOGRAPHIE  in Google, findet man auf der ersten Seite zwei ELKO-Links (emg1.htm, emg_pps.htm) zu dieser Thematik mit zusätzlichen Informationen, zum Teil in weiteren Links.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

UPDATE: Elektro-Myographie (EMG) eine kleine Einführung

Thomas Schaerer

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Dieser spezielle Elektronik-Minikurs weiht ein wenig in die physiologischen Geheimnisse der biologischen elektrischen Impulse ein, die es ermöglichen Muskelaktivitäten elektronisch zu messen. Der Inhalt wurde teilweise überarbeitet.

Was ist ein Neuron, ein Rezeptor, ein Axon, eine Synapse und ein Dendrit? Was ist der Zellkörper mit Zellkern und was sind Mitochondrien? Diese Inhalte werden kurz mit dem Zweck gestreift um überzugehen auf das Thema warum eine Nerven- oder eine Muskelfaser ein so genanntes Ruhemembranpotenzial (RMP) hat und dies die eine Grundlage dafür ist Aktionspotenziale (APs) zu erzeugen, die ihrerseits Muskeln kontrahieren lassen und wegen dieser APs eine solche Kontraktion mittels Elektroden elektronisch messbar ist. Einerseits dienen solche EMG-Messungen der medizinischen Forschung und anderseits der Analyse von Muskelerkrankungen und für Biofeedback-Anwendungen.

Das Titelbild zeigt in einer vereinfachten Darstellung zwei unterschiedliche EMG-Signale. Rechts im Bild die Messung mit Oberflächen-Elektroden auf der Haut (EMG) und links die intramuskuläre EMG-Messung (iEMG) mittels feinen Nadeln oder ultrafeinen mit Teflon isolierten Drähtchen, die nur an der Stirnseite des Drahtendes elektrischen Kontakt mit dem Muskelgewebe haben. Eine extrem kleine Kontaktfläche…

Rechts im Bild misst man ein Signal mit stark rauschähnlichem Charakter. Der Grund dafür liest man im Minikurs. Links geht es darum die APs so präzise wie möglich wieder zu geben. Dies setzt voraus, dass man Nadel oder Draht so nahe wie möglich zur Nervenfaser führt und platziert.

Weitere Bilder und Textinhalte zeigen wie man selbst preiswerte Elektroden für oberflächliche EMG-Messungen bauen kann. Ein Blockschema zeigt wie man ein akustisches EMG-Biofeedbackgerät realisiert und ein anderes wie man ein EMG-Messgerät prinzipiell für Forschungszwecke baut.

Zum Schluss gibt es eine Menge Links zu Elektronik-Minikursen im Themenkreis von Operations- und Instrumentationsverstärker, Rauschdämpfung, Überspannungsschutz, VCO, MOSFET, etc. Diese mögen dem Zweck dienen selbst etwas zu realisieren. Ein gutes Grundlagenwissen ist dazu die Voraussetzung. Für den persönlichen Gebrauch ist eine EMG-Biofeedback-Schaltung interessant.

BEEINDRUCKENDES RESULTAT DURCH DEN EINSATZ
MIT INTRA-MUSKULÄRER EMG-MESSUNG:
Eine Sekretärin welche den ganzen Tag konzentriert am Computer arbeitet und in gekonnter Weise schnell und fleissig Texte eintippt, beklagt sich am Abend über Nackenschmerzen. Wiederholt sich dies immer wieder, sind Entzündungen die Folge, die sich lästig dahinziehen können. Der Arzt diagnostiziert Verspannung der Nackenmuskulatur und verordnet Medikamente und vielleicht auch eine physikalische Therapie. Dies hilft vielleicht teilweise oder auch nur vorübergehend. Aus den intramuskulären EMG-Messungen zeigt sich allerdings die Erkenntnis, dass die Ursache nicht etwa eine verkrampfte Haltung bei der Arbeit ist, sondern die ständigen Fingerbewegungen beim Tippen auf die Tastatur erzeugen in den Muskeln im Nackenbereich ein wahres Feuerwerk von EMG-Aktionspotenzialen, die u.U. nicht ohne Folgen bleiben. Neu in diesem Update sind zwei Links: Eine Kurzbeschreibung mit dem Titel ASCHENPUTTEL IM NACKEN und den Link zur Dissertation.

Viel Spass beim Lesen,
Euer ELKO-Thomas

Update: EMG-VORVERSTÄRKER DELUXE: Optimaler Schutz für Personen und Elektronik

Thomas Schaerer

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Es ist nur möglich auf der Hauptseite des ELKO das begleitende Titelbild zum folgenden Text zu sehen. Damit dies im Newsletter auch möglich ist, öffne man im Web-Browser den folgenden Link:

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Das Titelbild zeigt in groben Zügen worum es beim aktuellen Update geht. Links sieht man die EMG-Verstärkerschaltung und rechts davon eine kleine Zusatzschaltung, die mittels zwei üblichen Bandgap-Referenzen die Referenzspannung ±Uz liefert, welche zu den Pico-Ampere-Dioden D führt. pA-Dioden – auch mit Transistoren realisierbar – sind nötig wegen des sehr hohen Quellwiderstandes, wenn man intramuskuläres EMG (iEMG) misst. Nur um den INA111 vor Überspannungsimpulsen zu schützen, braucht es ±Uz nicht und man könnte, wie es oft üblich ist, direkt ±Ub benutzen. Die Frage ist, genügt dies auch für den Personenschutz?

Selbst wenn das ganze System betreffs Isolationsspannung, Patientenableitstrom und Patienten-DC-Hilfsstrom nach SEV-Norm korrekt dimensioniert ist, bleibt eine gewisse Unsicherheit ohne die ±Uz-Erweiterung. Angenommen eine der Dioden D geht kaputt und schliesst kurz. Das ist wegen dem Vorwiderstand Re sehr unwahrscheinlich, trotzdem nicht unmöglich. Bei einem solchen Dioden-Kurzschluss liegt entweder +Ub oder -Ub am Eingang +Ue oder/und -Ue. Genau das selbe passiert auch, wenn diese pA-Dioden an ±Uz angeschlossen sind. Dann liegt entweder +Uz oder -Uz am Eingang +Ue oder/und -Ue. Der grosse Unterschied ist allerdings der, dass der DC-Körperstrom durch die beiden Rv-Widerstände begrenzt ist. Diese sind so hochohmig, dass dieser Strom nur etwa 20 µA beträgt, während nach SEV 50 µA erlaubt wären. Dies ist nur deshalb möglich, weil diese Bandgap-Referenzen sich mit weniger als 20 µA für die perfekte Funktion begnügen. Weitere Vorteile, wie z.B. dass mit dieser ±Uz-Methode die Gleichtaktspannung stets sicher unterhalb der ±Ub-Spannung liegt, liest man in diesem Elektronik-Minikurs.

Kleiner Inhalts-Übersicht zu diesem Elektronik-Minikurs:

Es beginnt in Bild 1 mit einem einfachen und sehr preiswerten EMG-Vorverstärker, geeignet zur Messung von EMG-Signalen mittels Elektroden auf der Hautoberfläche. Diese Schaltung eignet sich auch als EMG-Biofeedback. Dies setzt allerdings voraus, dass man die verstärkte EMG-Spannung gleichrichtet, glättet und diese quasistationäre DC-Spannung in eine wahrnehmbare variable physikalische Grösse (z.B. Ton oder Licht) umsetzt. Dies ist allerdings kein Thema in diesem Elektronik-Minikurs. Danach folgt das Haptthema EMG-VORVERSTÄRKER-DELUXE mit dem integrierten Instrumentationsverstärker INA111.

Es grüsst Euer
ELKO-Thomas

Update: EMG-Vorverstärker Deluxe mit INA111

Thomas Schaerer

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Der linke Teil des Titelbildes zeigt symbolisch einen EMG-Vorverstärker mit aktiven Schirmtreibern (Active-Guard-Drive). Dies erlaubt zusätzlich die sehr hochohmige Messung intramuskulärer elektromyographischer Signale (Elektromyographie = EMG). Auf diese Schaltung folgt der Isolationsverstärker. Wenn man dort genau hinschaut, erkennt man, dass der ISO121 durchgestrichen ist. Dieser Isolationsverstärker war stets sehr teuer und er wird aktuell nicht mehr produziert. Dies motivierte mich eine wesentlich preiswertere Lösung mit einem linearen Optokoppler zu entwickeln. Dazu gibt es bereits einen neuen Elektronik-Minikurs:

Im rechten Teil des Titelbildes ist die Schaltung mit dem linearen Optokoppler HCNR200 von AVAGO angedeutet, die als ISO121-Ersatz eingesetzt werden kann. Das Update dieses Elektronik-Minikurses mit dem Hauptthema EMG-VORVERSTÄRKER-DELUXE, besteht in einer kleinen Einführung im Kapitel 8-KANAL-EMG-MESSANLAGE mit Bild 16.

Eine kleine Übersicht zu diesem Elektronik-Minikurs:

Es beginnt in Bild 1 mit einem einfachen und sehr preiswerten EMG-Vorverstärker, geeignet zur Messung von EMG-Signalen mittels Elektroden auf der Hautoberfläche. Diese Schaltung eignet sich auch als EMG-Biofeedback. Dies setzt allerdings voraus, dass man die verstärkte EMG-Spannung gleichrichtet, glättet und diese quasistationäre DC-Spannung in eine wahrnembare variable physikalische Grösse (z.B. Ton oder Licht) umgesetzt wird. Dies ist allerdings kein Thema in diesem Elektronik-Minikurs. Danach folgt das Haptthema EMG-VORVERSTÄRKER-DELUXE mit dem integrierten Instrumentationsverstärker INA111.

Isolations-/Trennverstärker (HCNR200)

Thomas Schaerer

isoampt1

Es ist nur möglich auf der Hauptseite des ELKO das begleitende Titelbild zum folgenden Text zu sehen. Damit dies im Newsletter auch möglich ist, öffne man im Web-Browser den folgenden Link:

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Isolationsverstärker – auch als Trennverstärker bezeichnet – kommen dann zur Anwendung, wenn Potentialtrennung oder/und Personenschutz gefordert sind. Da die Elektromyographie (EMG) in meinen Elektronik-Minikursen über analoge Schaltungstechnik oft im Fokus steht, ist der Isolationsverstärker ein ebenso wichtiges Thema. Bisher kam bei solchenProjekten stets der ISO121 zur Anwendung. Dieser Isolationsverstärker war stets teuer und wird aktuell nicht mehr produziert. Es gibt allerdings sehr preiswerte Alternativen, wenn man bereit ist, die Schaltung, die man braucht, selbst zu realisieren. Diese Alternativen heissen lineare Optokoppler. Die Ursache der Präzision besteht darin, dass einerseit von einer Infrarot-Sendediode das optische Signal durch die Isolationsbarriere zu der einen und anderseits direkt zu einer benachbarten Infrarot-Empfangsdiode als Feedbacksignal übertragen wird. Ein solcher Optokoppler ist der HCNR200 von der Firma Avago. Der vorliegende neue Elektronik-Minikurs zeigt und beschreibt einen Isolationsverstärker für den elektromedizinischen Einsatz. Thematisiert im Bereich der EMG.

Bevor es zu diesem Thema kommt, wird eine Methode mit induktiver hochisolierender galvanisch getrennter Kopplung vorgestellt und damit verbunden zwei völlig unterschiedliche Methoden zur Erzeugung eines PWM-Signales. Mehr dazu im neuen Elektronik-Minikurs:

Viel Spass wünscht
Euer ELKO-Thomas

UPDATE: EMG-Vorverstärker Deluxe mit INA111

Thomas Schaerer

Es ist nur möglich auf der Hauptseite des ELKO das begleitende Titelbild zum folgenden Text zu sehen. Damit dies im Newsletter auch möglich ist, öffne man im Web-Browser den folgenden Link:

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Wie es das Titelbild zum Ausdruck bringt, ist mit diesem Elektronik-Minikurs nicht einfach nur der Elektroniker, sondern ganz speziell auch der MEDIZIN-ELEKTRONIKER angesprochen, der mit Elektromyographie (EMG) zu tun hat. Wenn so jemand vor der Aufgabe steht einen EMG-Vorverstärker zu realisieren, dann ist das genau der richtige Einstieg, unabhängig davon, ob man mit EMG-Biofeedback oder mit EMG-Messung zu tun hat. Der EMG-VORVERSTÄRKER DELUXE zeigt eine elegante Lösung mit wenig Zusatzaufwand, um intramuskuläre EMG-Messungen mittels Nadel- oder beinah haarfeinen Drähtchenelektroden, im Muskel implementiert, durchzuführen. Das Wichtigste dabei ist die stabile Neutralisation der Kapazität zwischen der Signalleitung und der Abschirmung im Kabel auf dem Weg von der Elektrode zum Vorverstärker.

Die Inhalte wurden überarbeitet. Problematische Textteile sind mit mehr Klarheit formuliert. Neu ist an der Schaltung des EMG-Vorverstärkers, dass der Überspannungsschutz den Personenschutz zusätzlich dadurch unterstützt, dass die Betriebsspannung für den Überspannungsschutz extra mit zwei kleinen Bandgap-Spannungsreferenzen speziell niedrig gehalten wird.

Ganz neu mit diesem Update ist, dass man bei mir eine ZIP-Datei via EMail-Anfrage bestellen kann, die u.a. in einem PDF-File eine vollständige achtkanalige EMG-Messanlage beschreibt, die bereits seit sehr vielen Jahren im Einsatz ist. Die Anwendung für intramuskuläre EMG-Messung ist selbstverständlich. Die EMailanfrage ziehe ich zunächst einem Download vor, weil ich dadurch erfahren möchte, wie gross überhaupt das Interesse daran ist und es können sich auch interessante Mailkontakte ergeben. Das kann sich mit der Zeit ändern. Dies würde ich dann bekanntgeben.

So viel jetzt gerade. Wer Näheres erfahren will, liest in Ruhe zunächst das neue Kapitel 8-KANAL-EMG-MESSANLAGE.

 

Echter Differenzverstärker IV: EMG-Vorverstärker Deluxe mit INA111

Thomas Schaerer

Differenzverstaerker-EMG-INA111

Die Aufgabe dieses Elektronik-Minikurses besteht darin, die bereits bestehenden drei über Instrumentationsverstärker (echte Differenzverstärker) fortzusetzen. Bereits in diesen ist der EMG-(Vor-)Verstärker teilweise als praktische Anwendung thematisiert. U.a. deshalb gibt es hier zuerst, im Stil der Indexseite, eine Liste der Elektronik-Minikurse, die irgendetwas mit Elektro-Myographie (EMG) und mit der Elektronik zur EMG-Signalverstärkung tun haben. Diese Elektronik-Minikurse enthalten hier eine kleine Einführung zu ihren Inhalten im Kapitel WICHTIGE LINKS GLEICH AM ANFANG!. Mehr zum Thema jeweils in den Links selbst.

Dieser Elektronik-Minikurs beginnt zuerst mit einer einfachen und preiswerten EMG-Verstärkerschaltung. Sie eignet sich vor allem für einfache Anwendungen wie EMG-Biofeedback. Der Hauptteil dieses Elektronik-Minikurses befasst sich mit dem integrierten Instrumentationsverstärker INA111 im Einsatz als EMG-Vorverstärker. Diese Schaltung ermöglicht spezielle EMG-Messungen, die der approximativen Rekonstruktion von Nerven-Aktionspotenzialen dienen. Dazu benötigt man zusätzliche Schaltungen als Treiber für die Abschirmung der Elektrodenkabel, weil intramuskulär gemessene EMG-Signale sehr hochohmig sind. Die Kapazität zwischen Signalleiter und Abschirmung muss man neutralisieren, um einen unzulässigen Verlust der Frequenzbandbreite zu vermeiden. Dieser Hauptteil beginnt mit der vollständigen Schaltung und mit sieben weiteren Bildern wird das Thema sehr differenziert und ausführlich behandelt. Es werden dabei auch zwei Applicationnotes aus dem Datenblatt des INA111 kritisch betrachtet und erklärt, womit man auf die Nase fallen kann, wenn man das eine oder andere nicht bedenkt.

Eine kuriose Überraschung. Es gibt in der Schaltung mit dem INA111 eingangsseitig zwei antiparallel geschaltete grüne LEDs, die dafür sorgen, dass man die mechanischen Abmessungen eines Elko klein halten kann und wenn man einen Blick auf die Schaltung hat, eignet sich dieser Trick auch gleich noch als Übersteuerungsindikator. Neugierig? Na, dann bitte doch gleich den Link anklicken…

Ich wünsche viel Spass,

Euer ELKO-Thomas