استخراج و بررسي سينرجي‌هاي سنكرون در طول حركت‌هاي سريع رسنده دست

Extracting and study of synchronous muscle synergies during fast arm reaching movements

سيستم اعصاب مركزي (CNS) براي تضمين انعطاف پذيري و پايداري حركات، تعداد زيادي از مفاصل و عضلات را به كار مي گيرد. هنوز به وضوح مشخص نيست كه CNS چگونه مسال پيچيده كنترل حركات را حل مي كند. نظريه كنترل پودماني يكي از موفق ترين نظريه هاي مطرح شده در كنترل حركت است. بر اساس اين نظريه، برخي پايه هاي حركتي (مانند سينرجي هاي عضلاني) واحدهاي سازنده حركات بوده؛ با تركيب آن ها طيف وسيعي از حركات توليد مي شود. از معروف ترين روش ها براي استخراج سينرجي هاي عضلاني از سيگنال هاي الكترومايوگرام (EMG) عضلات، روش تجزيه نامنفي ماتريسي (NMF) است. در حركات رسنده دست در صفحه عمودي، به علت حذف مولفه تونيك از سيگنال EMG، روش استاندارد NMF براي استخراج سينرجي هاي عضلاني كارايي ندارد. در اين مقاله، روش اصلاح شده NMF، به نام semi-NMF، براي حل اين مشكل به كار گرفته شد. از سوي ديگر، براي بهبود دقت تخمين سينرجي ها و نيز رسيدن به پاسخي يكتا براي حل مساله بهينه سازي در مدل پيشنهادي، در اين مقاله از روش HALS استفاده شده است. الگوريتم پيشنهادي به EMG هاي ثبت شده در حركت رسنده دست در صفحه جلويي شخص، اعمال شد. نتايج، بهبود قابل توجهي در دقت سينرجي هاي تخمين زده شده و به خصوص تكرارپذيري استخراج سينرجي ها را نشان دادند. همچنين سينرجي هاي استخراج شده از نظر فيزيولوژيك قابل توجيه بودند.

The central nervous system (CNS) uses a redundant set of joints and muscles to ensure both flexible and stable movements. How the CNS faces the complexity of control problem is not still clear. Modular control is one of the most attractive hypotheses in motor control. In this hypothesis, some motor primitives (e.g. muscle synergies) are considered as the building blocks that can be combined to present a vast repertoire of movements. EMG signals are required for extracting muscle synergies and NMF (nonnegative matrix factorization) is one of the most accepted methods for extracting synergies. Due to tonic component elimination of EMG signals involved in reaching movements in vertical planes, the standard NMF method is not applicable to extract muscle synergies. In this paper a modified NMF method, so-called semi-NMF, is applied to resolve the tonic component problem. On the other hand, to improve the accuracy of synergiesʹ estimation and to find the global optimum for the optimization problem, we have proposed using HALS method. The proposed algorithm was applied to the experimental EMG recorded in arm reaching movement in the frontal plane. The results showed a good improvement both in accuracy and repeatability of extracted synergies. In addition, extracted muscle synergies were physiologically interpretable.