Leveraging ultrasound for design of accurate soft tissue electromyography compatible phantoms

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-09-06

Department

Major/Subject

Bioinformaatioteknologia

Mcode

ELEC3016

Degree programme

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

29

Series

Abstract

This thesis explored the development of an electrical phantom device designed to mimic human soft tissues, with a focus on the process of converting MSK ultrasound data into a 3D form. The primary objective of this thesis was to investigate the design and creation of a model which could be used to validate iEMG data for future adaptations in prosthetic technology in order to minimize cross-talk and motion artifacts. A methodology to leverage MSK ultrasound imaging was proposed to achieve this by capturing the structure of muscles to create an artificial muscle out of ballistic gel for further experiments. An approach for converting 2D ultrasound data into a 3D form was also investigated and structured. At first a literature review of the role of EMG in prosthetic technology was conducted, examining both sEMG and iEMG techniques. Due to the limitations of sEMG, especially in terms of crosstalk and movement artifacts, focus within this thesis was placed on the use of fine-wire iEMG electrodes, which are an interesting approach to specific applications in prosthetics and rehabilitation. The actual process of designing and building a phantom model was guided by a review of commercial models, prioritizing materials and methods that could be used and produced in a smaller scale laboratory environment. Additionally, a series of tests were presented for the proposed phantom model based on an existing study. Although, these tests could not be produced due to limitations in time. They were planned to ensure the proper functioning of the phantom model and to prove that the manufacturing process could be conducted successfully according to the data gathered in the literature review part of the thesis.

Ihmisen kudoksia jäljittelevät fantomit ovat tutkijan työkalu, joita käytetään ensisijaisesti datan validoimiseen, opetustarkoituksiin, sekä tieteelliseen tutkimukseen. Nämä mallit toimivat elävien biologisten kudosten korvikkeena kontrolloiduissa laboratorioympäristöissä, jolloin tutkijat voivat suorittaa kokeita, jotka olisivat epäkäytännöllisiä, epäeettisiä tai mahdottomia elävillä koehenkilöillä. EMG-fantomit ovat erikoismalleja, jotka on suunniteltu jäljittelemään ihmisen lihaskudosten sähköisiä ominaisuuksia, tämä tekee niistä välttämättömiä lihasten sähköistä aktiivisuutta mittaavien EMG-järjestelmien testauksessa ja kalibroinnissa. Tähän mennessä on valmistettu vain yksi muu alaraajan EMG-fantomi, jota on käytetty yksinomaan pinnallisiin EMG-sovelluksiin. Tämä korostaa tarvetta kehittää EMG-fantomeja, erityisesti lihaksen sisäisiä EMG-sovelluksia varten. EMG-signaalinkäsittelymenetelmien validointi kokonaisuudessaan on myös hankalaa, sillä se on perinteisesti nojannut tietokonesimulaatioiden tai ihmisistä kerätyn datan varaan. Nykyiset tietokonemallit eivät kuitenkaan pysty erottamaan tehokkaasti erilaisia EMG-laitteistokomponentteja, ja ihmisten käyttäminen näissä kokeissa aiheuttaa datassa liiallisia eettisiä huolenaiheita. Tässä työssä esitellään menetelmä lihaksensisäistä elekromyografista dataa lähettävän fantomin suunnitteluun ja valmistamiseen. Työn painopisteenä on erityisesti ultraäänikuvantaminen ja kuvatun 2D -aineiston muuntaminen 3D -muotoon fantomin valamisprosessia varten. Työssä suoritettiin kirjallisuustutkimus EMG-tekniikoista keskittyen erityisesti sen perusteluun miksi lihaksensisäiset EMG-sensorit soveltuvat paremmin kyseiseen käyttökohteeseen kuin pinnalliset EMG-sensorit. Tämän lisäksi erinäisiä kuvantamistekniikoita tutkittiin. Ultraäänikuvien pohjalta oli mahdollista suunnitella prosessi 3D-mallin tuottamiseksi kuvista. Kyseistä 3D-tiedostoa pystyttiin myöhemmin hyödyntämään fantomin valmistamisprosessissa skannatun lihaksen muodon ylläpitämiseen. Tässä opinnäytetyössä käytiin läpi myös erilaisia valmistusprosesseja sen varmistamiseksi, että fantomi voi käyttäytyä samalla tavalla kuin ihmisen pehmytkudokset. Työssä päädyttiin ehdottamaan prosessia, jossa elektrodeja ja ballistista gelatiinia valettaisiin 3D-mallin pohjalta tehtyyn silikonimuottiin muovisen rakenteen tukemana. Lopuksi fantomin karakterisointia varten suunniteltiin monia testejä, joissa toimintakyky varmistuisi. Ultraääni tarjoaa mahdollisen ratkaisun rakenteellisesti tarkan fantomin luomiseen tarvittaviin kuvantamistarpeisiin. Jatkotutkimuksia ajatellen olisi hyvä suunnitella laitteisto, joka mahdollistaisi ultraäänikuvantamisen sarjatuotannon paremmalla toistettavuudella. Yksi tapa varmistaa jokaisen pinnan järjestelmällinen taltiointi voisi olla servokäyttöinen laite, joka mahdollistaa kuvien ottamisen tarkoista ennalta määritellyistä kulmista. Tulevaisuudessa tällainen laitteisto voisi olla oleellinen tarvittavien kuvien ottamiseen ja niiden sijaintitietojen järjestelmälliseen organisointiin. Tämä loisi suoraa pohjaa kuvankäsittelykoodille, joka auttaisi automatisoimaan kuvien käsittelyn siihen muotoon, että ne voi muuntaa 3D-malliksi.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Vujaklija, Ivan

Keywords

EMG, sEMG, iEMG, ultrasound, MSK, phantom

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202410296919

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC