• No results found

Tremor quantification and parameter extraction

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Tremor quantification and parameter extraction"

Copied!
77
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

E‐mail address: santoshpbk@gmail.com  Study programme: Masters in electronics design, 120p  Examiner: Börje Norlin  Scope: 14,819 words inclusive of appendices  Date: 2011‐12‐20   

M.Sc. Thesis report within Electronics Engineering,

International Masters programme in Electronics

Design, 30hp.

Tremor Quantification and

Parameter Extraction

 

(2)

 

Abstract

Tremor  is  a  neuro  degenerative  disease  causing  involuntary  muscle  movements  in  human  limbs.  There  are  many  types  of  tremor  that  are  caused due to the damage of nerve cells that surrounds thalamus of the  front  brain  chamber.  It  is  hard  to  distinguish  or  classify  the  tremors  as  there  are  many  reasons  behind  the  formation  of  specific  category,  so  every  tremor  type  is  named  behind  its  frequency  type.  Proper  medication for the cure by physician is possible only when the disease is  identified.  

 

Because of the argument given in the above paragraph, there is a need  of  a  device  or  a  technique  to  analyze  the  tremor  and  for  extracting  the  parameters  associated  with  the  signal.  These  extracted  parameters  can  be used to classify the tremor for onward identification of the disease.   

There  are  various  diagnostic  and  treatment  monitoring  equipment  are  available  for  many  neuro‐muscular  diseases.  This  thesis  is  concerned  with  the  tremor  analysis  for  the  purpose  of  recognizing  certain  other  neurological  disorders.  A  recording  and  analysis  system  for  human’s  tremor is developed.  

 

The  analysis  was  performed  based  on  frequency  and  amplitude  parameters of the tremor. The Fast Fourier Transform (FFT) and higher‐ order  spectra  were  used  to  extract  frequency  parameters  (e.g.,  peak  amplitude, fundamental frequency of tremor, etc). In order to diagnose  subjects’  condition,  classification  was  implemented  by  statistical  significant tests (t‐test). 

     

Keywords:  Tremor  analysis;  FFT;  Higher‐order  statistics;  Data  acquisition; Statistical test 

(3)

 

Acknowledgements

It is with great pleasure that I wish to acknowledge several people who  have  helped  me  tremendously  during  the  difficult,  challenging,  yet  rewarding and exciting path towards my thesis. Without their help and  support, none of this work could have been possible.  

 

I would like to thank Dr. Borje Norlin, Associate professor, Mid‐Sweden  University,  Sweden  for  permitting  me  to  take  up  the  project  and  his  encouragement  and  support  for  finishing  the  masters  program  in  electronics design. 

 

I am greatly indebted to my guide Mr. M.Venkateswara Rao, Associate  professor,  Osmania  University,  India  for  his  guidance,  encouragement,  motivation  and  continued  support  throughout  my  thesis  work.  He  has  allowed  me  to  pursue  my  research  interests  with  sufficient  freedom,  while always being there to guide me. Working with him has been one  of the most rewarding experiences of my professional life. 

 

I  am  also  deeply  indebted  to  Dr.Roopam  Borgohain,  HOD,  Neurology  department, NIMS, for supporting my work.     Special thanks to Dr.Aruna, Neurology department, NIMS Hospital for  providing the records of the Patients and helping me in recording the  Tremor Movements     Bejugam Santosh Kumar

(4)

 

Table of Contents

Abstract ... i  Acknowledgements ... ii  Table of Contents ... iii  Terminology ... vi  Abbreviations ... vi  Introduction ... 1  1.1.  Characteristic of tremor ... 2  1.2.  Measurement of Tremor ... 3  1.3.  Goal of the project ... 3  2  Theory ... 5  2.1.  Tremor ... 5  2.2. Physiological Tremor ... 6  2.3.  Diseases Inducing Tremor ... 6  2.3.1.  Ataxia ... 7  2.3.2.  Athetosis ... 7  2.3.3.  Agraphia ... 7  2.3.4.  Alcoholism ... 8  2.3.5.  Basal ganglia ... 8  2.3.6.  Dyskinesia ... 8  2.3.7.  Dystonia ... 8  2.3.8.  Huntington’s disease (HD) ... 9  2.4. Types of Tremor ... 9  2.4.1.  Parkinson Tremor ... 9  2.4.2.  Essential Tremor ... 9  2.4.3.  Resting or Static tremor ... 11  2.4.4.  Postural Tremor ... 11  2.4.5.  Action Tremor ... 11  2.4.6.  Kinetic Tremor ... 11  2.4.7.  Intention Tremor ... 11  2.4.8.  Cerebellar Tremor ... 12  2.4.9.  Dystonic Tremor ... 12  2.4.10.  Psychogenic Tremor ... 13  2.4.11.  Orthostatic Tremor ... 14  2.4.12.  Physiologic Tremor ... 14 

(5)

  2.4.13.  Holmesʹ Tremor ... 14  2.4.14.  Drug‐induced Tremor ... 14  2.5.  Accelerometer Sensor ... 15  2.5.1.  Principle of Operation ... 16  2.5.2.  Pin diagram of Accelerometer ... 17  2.5.3.  Pin description of Accelerometer ... 18  2.6.  Microcontroller Circuit ... 20  2.6.1.  Pin Diagram of R8C/1B MCU ... 20  2.6.2.  Block Diagram of R8C/1B MCU ... 20  2.7.  MAX 232 ... 22  2.7.1.  Features ... 23  2.7.2.  Pin Diagram of MAX232 ... 23  2.7.3.  Max 232 Logic diagram ... 24  2.7.4.  MAX 232 pin description ... 25  2.8.  RS 232 Serial port ... 25  2.8.1.  Pin Description of DB9 Pin ... 27  Methodology ... 28  3.1. Relevant work using accelerometer in the past ... 30  3.1.1. Measurement of Involuntary Hand Motion in the past ... 31  3.1.2. Tracking of human limb movement using accelerometer by ... 32  Morris  32  3.1.3. Measuring Chemical Effects on Involuntary Hand Tremor ... 33  3.1.4. Measurement of Hand Acceleration using Accelerometer ... 34  3.2. Types of accelerometer sensors ... 35  3.2.1. Strain Gauge Accelerometer ... 35  3.2.2. Piezoelectric Accelerometer ... 36  3.2.3. Piezo‐resistive Accelerometer ... 37  3.2.4. Capacitive Accelerometer ... 39  4.  Design ... 41  4.1.  Hardware design ... 41  4.1.1.  Power Supply ... 41  4.1.2.  Accelerometer Interface ... 44  4.1.3. Interfacing between MAX232 and DB9 connector ... 45  4.2.  Tremor Hardware Kit Pin Configuration ... 45  4.3.  Software design ... 47  4.3.1. Embedded software ... 48  4.3.2. MATLAB Software ... 48  5.  Results ... 51  5.1.  Recordings Using Accelerometer ... 51  5.2.  Measurement Using Electromyography (EMG) ... 55 

(6)

  5.3.  Comparison between EMG and Accelerometer ... 56  6.  Conclusions ... 58  7. References ... 60  8. Appendix A: Documentation of own developed program code ... 62  8.1.  Microcontroller Program for data acquisition from  accelerometer ... 62  8.2.  Mat lab program for data acquisition from microcontroller  ... 63  8.2.1.  Fast Fourier analysis using Mat lab ... 65  9.    Appendix B: Paper Presented in International Conference  on Electrical and Electronics Engineering ... 67   

(7)

 

Terminology

Abbreviations

AC  Alternating Current  ADC  Analog to Digital Converter  CMOS  Complementary Metal Oxide Semiconductor  CPU  Central Processing Unit  DAC   Digital to Analog Converter  DC   Direct Current  DT   Dystonic Tremor  EIA  Electronics Industry Alliance  EMG  Electromyography  ET    Essential Tremor  FFT        Fast Fourier Transform  IIC   Inter Integrated Circuit   I/O    Input/output   KT    Kinetic Tremor  MATLAB  Matrices Laboratory  MCU  Micro Controller Unit  MEMS   Micro Electro Mechanical System  MPU  Micro Processors Unit  NIMS  Nizam Institute of Medical Science  PC    Personal Computer  PCB  Printed Circuit Board  PD   Parkinson disease  PT    Parkinson tremor  RAM  Random Access Memory  RT    Resting Tremor  ROM  Read Only Memory  RS232  Recommended Standard 232  RXD  Receive Data   SCI  Serial Communication Interface    SPI  Serial Peripheral Interface    SPP  Standard Parallel Port      TTL  Transistor‐Transistor Logic  TIA  Telecommunication Industry Association  TXD  Transmit Data       

(8)

 

1 Introduction

Tremors  are  rhythmic,  involuntary  and  oscillatory  movements  of  muscles at joints (4). Loss of neurotransmitters like dopamine, gamma‐ amino  butyric  acid,  and  serotonin  activity  in  the  brain  leads  to  the  tremor (5). 

 

Apart  from  the  above  mentioned,    there  are  other  reasons  for  Tremor  cause i.e. due to the loss of body supportive forces like arteries or heart  dysfunction,  and  the  death  of  certain  nerve  cells  by  the  usage  or  stoppage of certain drugs.    Static, Dynamic form of tremors and physiological or pathological cause  of tremors are the major classifications, besides which dynamic or action  tremor are of few types called postural, kinetic and isometric or rest (12).   

Sensors  provide  information  on  physical  or  chemical  parameters  that  are not directly received by human senses, thus the sensors receives an  input  signal  and  gives  a  readable  output  signal.  They  respond  to  physical stimulus such as pressure, vibration, acceleration, temperature,  humidity,  distance,  sound,  light  etc  and  transforms  in  to  signal  that  is  used for measurement or further analysis purpose (20).     Semiconductor sensors are widely used in many applications as they not  only contribute with low cost and size but also a possibility to integrate  with microcontroller circuits (20).    

Deposition,  Lithography  and  Etching  are  the  main  steps  involve  in  the  fabrication  of  semiconductor  sensors.  Conductive  and  non‐conductive  layers  of  silicon  are  etched  and  deposited  together  using  planar  techniques  to  form  a  Micro‐Electro‐Mechanical  Systems,  or  MEMS  based sensor. Planar techniques use different two dimensional patterns  to stack the layers together to form a three dimensional devices (20).  

(9)

 

In  order  to  improve  the  sensor  performance  (i.e.  higher  sensitivity,  selectivity  and  fast  response  time),  to  reduce  its  size  and  also  to  lower  the  cost  of  sensor,  micromachining  process  is  extensively  used  since  1980.  Thus  the  MEMS  based  sensors  broaden  their  applications  by  integrating with micro electronics circuits (20). 

The  current  project  design  uses  MEMS  based  accelerometer  sensor  for  measuring either linear or angular acceleration. A tri‐axial MEMS linear  accelerometer sensor fabricated by Free‐scale semiconductor is used for  measuring  the  acceleration  of  human  hand  motion.  Remaining  signal  conditioning circuit is built by commercial available equipments. 

 

1.1. Characteristic of tremor

Tremor  is  subtle  in  every  human  being  but  visible  to  naked  eye  depending on the physiological status like stress, fatigue, anxiety, fright,  excitement and during the alcoholic intoxication (1).    Major aspect of tremor is its frequency, which is the main parameter to  distinguish the tremor analysis.    Oscillatory activities are the possible initiators of tremors caused in the  front  brain.  Neurons  that  surround  the  hypothalamus  called  basal  ganglions,  nerve  cells  associates  thalamus  called  bulbar  olive,  red  cerebellar nucleus, ventromedial nucleus of thalamus are responsible for  tremor disorders (1). 

 

Levy  bodies  are  abnormal  proteins  form  in  neurons  destroy  their  functionality  by  not  allowing  them  to  produce  neurotransmitter  called  dopamine  essential  for  regulating  body  movements,  this  is  one  of  the  main reasons of tremor cause(1). 

(10)

 

1.2. Measurement of Tremor

Micro Electro Mechanical System (MEMS) based sensor with small size  and  cost  is  used  to  convert  the  physical  parameter  i.e.  acceleration  or  vibration of limbs into electrical signal. As the body can have movement  in  all  the  three  axes,  a  tri‐axial  accelerometer  is  needed.  The  three  analogue voltages are fed to the microcontroller, which in turn forwards  this information to a PC for subsequent analysis in order to get desired  parameters (13). 

 

Methods  reported  for  tremor  analysis  using  single  or  dual  access  instruments were not quantitatively apparent for satisfied results, as the  movements at specific anatomical site are three dimensional. So, tri‐axial  measurements of tremor analysis using accelerometer evaluates clinical  problems pertained (6). 

 

Accelerometers  are  of  many  types,  but  the  main  types  that  can  be  incorporated  with  MEMS  are  1.Piezoelectric,  and  2.Capacitive.  Acceleration  generates  voltage  in  relation  with  the  vibration  forces.  As  the voltage generated is analogue, it is fed to ADC (analogue to digital  converter) embedded in the microcontroller and stored in digital format  for  analysis  using  computer  techniques.  Pathological  tremors  are  evaluated  by  spectral  methods  namely  (FFT)  Fast  Fourier  Transforms  (1). 

1.3. Goal of the project

The main aim of this project is to develop a three axis micro electro  mechanical system based accelerometer sensor for measuring  involuntary hand motion. 

(11)

 

Initially  hand  movement  or  tremor  of  the  patient  is  to  be  measured  using accelerometer sensor, and thereafter microcontroller must be used  to  acquire  the  output  data  from  sensor  for  onward  transmission  to  personal  computer  (PC)  via  recommended  standard  232  (RS232)  serial  communication  port.  The  collected  data  must  be  used  for  signal  processing and parameter determination using matrices laboratory (Mat  lab) software. 

 

Finally,  the  acquired  data  need  to  be  processed  in  such  a  manner  to  identify the parameters that can be used to diagnose / assess the subjects  for certain neurological problems.

 

In  the  present  report  project  related  theory,  methodology,  designing  steps,  results  of  tremor  quantification  and  features  like  frequency  and  voltage extraction are given in a sequence. 

(12)

 

2 Theory

2.1. Tremor

Central  nervous  system  produces  most  of  the  tremor  related  issues    in  Parkinson tremor(PT), Essential tremor(ET)  and the tremor intensity is  asymmetry in  PT and ET where as frequency and frequency dispersion  (frequency width around the centre frequency) in PT is asymmetry but  symmetry  in  ET(2).  Symmetry  in  frequency  is  the  similarity  in  either  sides  or  both  hands  when  combined,  which  is  used  to  differentiate the  tremor type whether it is ET or PT (2). 

 

Tremor  is  one  of  the  major  features  of  Parkinson  disease  (PD)  called  Parkinson’s  tremor  but  the  absence  of  tremor  frequency  is  hard  for  diagnosis.  It  is  asymmetrical  or  unilateral  depending  on  its  effects  to  more or one side of the body, usually hand shaking during rest position  called rest tremor is seen in PD patients (1). 

 

Essential  tremor  is  a  movement  disturbance  with  its  own  pattern;  it  is  inversely related between severity and age of the patient. It affects head  and  speech  apart  from  hands  (1).  Upper  Limbs  and  head  are  the  main  affected  parts  of  the  essential  tremor  which  is  the  kinetic  and  postural  kind of tremor and its frequency ranges from 4.5‐ 8 Hz (3). 

 

Postural tremor occurs when the subject attempts to maintain a posture,  such  as  maintaining  the  upper  limbs  outstretched.  The  following  conditions  are  associated  with  postural  tremor:  physiological  tremor,  essential  tremor,  cerebellar  tremor,  post‐traumatic  tremor,  peripheral  neuropathy (3). 

(13)

 

Kinetic  tremor  occurs  during  purposeful  movement;  for  example,  during finger‐to‐nose test (the patient is asked to put the index finger on  the  nose).  Kinetic  tremor  is  highly  suggestive  of  a  cerebellar  disorder  (cerebellar ataxia) or a disease involving cerebellar pathways. Midbrain  tremor combines rest, postural, and kinetic tremor (3).     Task‐specific tremor appears when performing goal‐oriented tasks such  as handwriting, speaking, or standing. This group consists of primary  writing tremor, vocal tremor, and orthostatic tremor. Task‐specific  tremor can be viewed as a form of kinetic tremor that appears during  specific tasks (3). 

2.2. Physiological Tremor

A slow vibration of approximately 10 cycles per second contributes the  normal  burst  or  contraction  of  voluntary  muscle.  It  appears  to  be  a  mechanism called hunting in the reflex arc that controls the muscle.    

Physiological  tremor  can  occur  in  a  state  of  normality  or  in an exagge‐ rated form due to phenomenon such as anxiety, fever, hyperthyroidism,  hypo  glycaemia,  excess  caffeine  and  medication  etc.  Usually  it  is  sym‐ metrical,  bilateral  and  non‐progressive  over  time.  There  may  be  a  chance  of  family  history  but  this  is  less  often  than  the  other  types  of  tremors such as essential tremor (16).  

2.3. Diseases Inducing Tremor

There are many neurological diseases that are responsible for tremor in  human muscles or limbs; they are Ataxia, Athetosis, Agraphia, 

Alcoholism, Basal ganglia, Dyskinesia, Dystonia, and Huntington’s  disease. In this section, brief words are given on all of these disorders. 

(14)

 

2.3.1. Ataxia

Ataxia  is  a  disease  with  shaky  movements  due  to  the  failure  in  the  regulation  of  the  body’s  posture,  strength  and  direction  of  limb  movements by the brain. Usually ataxia is the result of brain damage in  the  cerebellum  or  spinal  cord  occurring  from  head  injury,  infection,  brain tumour, toxins, multiple sclerosis etc.  

 

The other major types of ataxias include cerebellar ataxia, sensory ataxia  and  Fried  Reich’s  ataxia.  In  cerebellar  ataxia,  clumsiness  in  intentional  movements occurs, i.e. walking, speaking, and eye movements. 

 Sensory ataxia occurs due to lack of feedback in sensory organs such as  unstable  movements  when  the  patients  close  their  eyes.  Friedreich’s  ataxias, a fatal genetic disease caused by the degeneration of the motor  nerves  in  the  spinal  cord,  causing  a  loss  of  coordination  and  a  disturbance in gait (15).  

2.3.2. Athetosis

Athetosis is the behaviour of involuntary slow writing movements due  to  the  lack  of  proper  functioning  deep  with  in  the  brain.  It  is  mostly  found  in  the  patients  suffering  from  Huntington’s  disease,  Cerebral  Palsy,  Encephalitis,  or  other  brain  disorders.  It  also  occurs  as  a  side  effect to certain medications (15). 

2.3.3. Agraphia

Loss  of  ability  to  write  is  a  form  of  Agraphia,  though  the  patient  has  normal  hand  and  arm‐muscle  function  Agraphia  may  be  caused  by  brain  damage  such  as  from  a  brain  tumour  or  head  injury.  Writing  needs a complex sequence of processes in brain, such as word selection,  spelling recall, functioning of hand movements, and visual agreement to  match  their  mental  representation.  These  varied  processes  apparently  take place in a number of connected brain areas. Damage to any of them  leads  to  different  types  of  Agraphia.  It  often  appears  together  with  a  disturbance in speaking and writing skills. But, some of the lost writing  skills  may  eventually  return.  Agraphia  rarely  occurs  alone  but  there  is  no specific treatment (15). 

(15)

 

2.3.4. Alcoholism

In  moderate  amounts,  alcohol  imparts  feelings  of  relaxation  and  confidence  as  it  withdraws      control  from  higher  brain  centres.  Moreover, tests show that alcohol interacts with the brain’s activities by  slowing  reactions.  Even  few  drinks  a  week  affect  the  brain,  but  most  physicians agree that limited quantities of alcohol do not usually cause  nerve cell damage. 

 

Mental  deterioration  and  muscle  damage  are  the  different  types  of  neurological  disorders  appear  due  to  excess  drinking  or  alcoholism.  Alcohol  withdrawal  cause  minor  tremors.  Long‐term  alcohol  abuse  damages  the  right  frontal  lobe  of  the  Cerebral  Cortex,  which  is  responsible  for  spatial  skills  and  perception.  This  is  the  reason  of  unharmed verbal skills (15). 

2.3.5. Basal ganglia

Basal  ganglion  is  a  nerve  cell  found  in  the  mid  brain,  these  neurons  normally  release  a  neurotransmitter  called  dopamine.  So,  its  absence  leads  to  Parkinson’s  disease  with  involuntary  movements,  trembling  and  weakness.  Parkinsonism  is  a  disorder  with  masklike  face,  rigidity  and slowed movements. Dopamine levels decreases as the basal ganglia  nerve cells die in the brain levels (16).  

2.3.6. Dyskinesia

Dyskinesia  is  a  brain  disorder  of  abnormal  muscular  movements  with  irresistible  jerking.  It  occurs  in  either  entire  body  or  a  part  of  body  muscle  groups.  Different  types  of  Dyskinesia  include  chorea  (jerking  movements),  athetosis  (writing),  choreoathetosis  (a  combination  of  jerking and writing), tics (repetitive movements), tremors, or myoclonus  (muscle spasms) (15). 

2.3.7. Dystonia

Dystonia  is  an  abnormal  muscle  rigidity  with  painful  muscle  spasms  and  strange  movements.  It  is  caused  due  to  the  side  effect  of  antipsychotic drugs and PD (16). 

(16)

 

2.3.8. Huntington’s disease (HD)

Huntington’s  disease  is  hereditary  disorder  with  involuntary  movements  and  memory  loss.  This  disease  slowly  finishes  the  affected  individual’s  ability  to  walk,  think,  talk,  and  reason.  Eventually,  people  with HD become totally dependent upon others for their care (15). 

 

2.4. Types of Tremor

Tremor  occurs  in  any  age  but  is  most  common  for  middle‐aged  and  older  persons.  It  is  occasional,  temporary  or  occurs  intermittently  and  affects  men  and  women  equally.  Tremors  are  of  many  types  and  are  described in this section (17, 18). 

2.4.1. Parkinson Tremor

Damage  in  the  brain  structures  controlling  movements  responsible  for  Parkinson  tremor. This  resting  tremor  occurs  alone  or  associates  with  other  neurological  disorders  explained  in  the  above  section.  It  is  classically a “pill‐rolling” action of hands that also affect chin, lips, legs,  and trunk, and can be slowly increased by stress or emotions.  

Parkinson’s tremor usually occurs after the age of sixty; initially it starts  in one side of the body and spreads progressively to other parts.  

 Parkinsonʹs  Tremor  takes  place  in  association  with  other  symptoms,  such as micrographia, bradykinesia (slowness) and rigidity. This type of  tremor is not hereditary as the family history is not seen (4).  

2.4.2. Essential Tremor

Essential  tremor  (ET)  is  the  predominant  type  of  tremor  among  more  than  twenty  types  of  tremor.   ET  is  mild  and  non‐progressive  in  some  people  but  it  is  slowly  progressive  in  others  by  starting  on  one  side  of  the body and spreading both sides in three years.  

In general, hands are most often affected but head, voice, tongue, legs,  and trunk may also be involved. Head tremor is seen as a “yes‐yes” or  “no‐no”  motion. Tremor  frequency  decreases  in  the  life  time  but  the 

(17)

 

severity increases, affecting the person’s ability to perform certain tasks  or activities of daily living.   

Emotion,  stress,  fever,  physical  exhaustion  or  low  blood  sugar  may  trigger  tremors  and  increase  their  severity.   ET  is  common  after  age  of  forty,  although  symptoms  can  appear  in  any  age. It  is  a  hereditary  disease having family history (15). 

Comparison  of  Parkinson  disease  tremor  and  Essential  Tremor  are  tabulated in Table 2.1  Tremor  type  Resting tremor  (PT)  Postural  and action  Tremor  (ET)  Age  Older age  (> 60 years)  All age  groups  Family   history  Usually   negative  Positive in  more than  60%  of patients  Alcohol  Not beneficial  Beneficial  Tremor onset  Unilateral  Bilateral 

Muscle tone  Cogwheel  rigidity  Normal  Facial  expression  Decreased  Normal  Gait  Decreased arm  swing  Normal  Tremor   latency  Longer  8‐9 seconds  Shorter  1‐2 seconds  Table 2.1: Comparison of Parkinsonʹs Tremor vs. Essential Tremor 

(18)

 

2.4.3. Resting or Static tremor

Resting tremor (RT) is a shaking of the limb when the person is at rest.  Here the muscles are not being voluntarily contracted and is completely  supported  against  gravity.  Normally  when  the  limb  is  moved,  the  resting  tremor  disappears.  Like  all  other  tremors,  RT  is  aggravated  by  stress  or  anxiety.  Resting  tremor  is  quite  separate  from  other  tremors.  This type of tremor is often seen in patients with Parkinsonʹs disease (4).   2.4.4. Postural Tremor

Postural tremor appears when the person voluntarily maintains a posi‐ tion against gravity, e.g. holding the arms outstretched. Postural tremors  require  voluntary  or  purposive  contraction  of  muscles.  The  common  examples  would  be  exaggerated  physiological  tremor  and  essential  tremors.  The  other  name  has  been  given  as  ʺposition  specific  postural  tremorʺ (4). 

2.4.5. Action Tremor

Action tremor (AT) occurs during voluntary activation or contraction of  muscles  i.e.  an  arm  outstretched  requires  muscle  activity  to  hold  it  against  gravity.  AT  includes  postural  tremors,  kinetic  tremors  and  intention tremors (4). 

2.4.6. Kinetic Tremor

Kinetic Tremor (KT) is a purposeful voluntary movement of a body part.  Physician  determines  KT  by  asking  the  subject  to  perform  a  simple  rotary movements of the forearm or flexion and extension movements of  the wrist. KT includes postural tremors (15). 

2.4.7. Intention Tremor

Intention Tremor (IT) is a complex kinetic tremor and occurs during the  muscle directing towards a particular target. It appears when the subject  is  asked  by  the  clinician  to  touch  their  nose,  and  is  called  as  ʺfinger  to  nose testingʺ.  

(19)

 

Intentional  tremor  is  due  to  the  disturbance  in  cerebellum  and  its  connections to other parts of the nervous system. Examples of IT include  cerebellar tremor and multiple sclerosis tremors (4). 

2.4.8. Cerebellar Tremor

Cerebellar  Tremor  (CT)  is  a  slow,  broad  tremor  of  the  extremities  that  appears  during  the  purposeful  movement,  such  as  trying  to  press  a  button  or  touching  a  finger  to  the  tip  of  one’s  nose.   It  results  from  chronic  alcoholism  or  overuse  of  particular  medicines.   In  classic  CT,  a  lesion on one side of the brain produces a tremor in the same side of the  body and becomes worse with directed movement (4). 

 Cerebellar  tremor  produces  a  “wing‐beating”  type  of  tremor  called  Holmes’  tremor  which  is  a  combination  of  rest,  action,  and  postural  tremors.   The  tremor  is  most  prominent  when  the  affected  person  is  maintaining  a  particular  posture. The  diseases  associated  with  CT  includes  dysarthria  (speech  problems),  nystagmus  (rapid,  involuntary  rolling of the eyes), gait problems, and postural tremor of the trunk and  neck (16).  

2.4.9. Dystonic Tremor

Dystonic  tremor  (DT)  is  derived  from  Dystonia;  it  is  a  movement  disorder  in  which  involuntary  muscle  contractions  cause  twisting  and  repetitive  motions,  painful  and  abnormal  postures. DT  can  affect  any  muscle  in  the  body  and  is  seen  often  when  the  patient  is  in  a  certain  position. 

 DT  occurs  irregularly  and  is  relieved  by  complete  rest. Touching  the  affected  body  part  or  muscle  may  reduce  tremor  severity.   The  tremor  may  be  the  initial  sign  of  dystonia  localized  to  a  particular  part  of  the  body (4). 

Different tremors that are discussed in this section are tabulated below  in table 2.2 with their characteristics features and classification.   

(20)

 

2.4.10. Psychogenic Tremor

Psychogenic  tremor  occurs  at  rest  or  during  postural,  kinetic  movement. The  characteristic  features  of  this  kind  of  tremor  may  vary  but often include sudden onset and remission, increased incidence with  stress,  change  in  tremor  direction  when  body  part  is  affected,  and  greatly decreased tremor activity when the patient is disturbed.   

Psychogenic  tremor  involves  any  part  of  the  body,  but  it  commonly  affects the extremities. Usually, tremor onset is sudden and begins with  an unusual combination of postural, action, and resting tremors (15). 

Table 2.2.Characteristics of Tremors and their classification   Type of 

Tremor  Frequency  Occurrence  Tremor Classification  Postural  tremor  5 to 9 Hz  When hand joints  are positioned  against gravity  Physiologic tremor, essential  tremor, alcohol or drug  withdrawal, metabolic  disturbances, drug‐induced  tremor, psychogenic tremor.  Rest  tremor  3 to 6 Hz  When limb is fully  supported against  gravity and the  muscles are not  voluntarily  activated.  Parkinsonʹs disease, multiple‐  systems atrophy, progressive  supranuclear palsy, drug‐ induced tremor, rubral  tremor, psychogenic tremor  Action  tremor†  3 to 10 Hz  During any type of  movement  Cerebellar lesions, rubral  tremor, psychogenic tremor 

(21)

 

2.4.11. Orthostatic Tremor

Orthostatic  tremor  appears  in  legs  and  trunk  immediately  after  standing.  Patient  suffers  from  uncontrollably  shaking  in  legs  when  asked to stand in one spot, this shaking stops when the patient sits or is  lifted off the ground.  No other clinical signs or symptoms are present.  Orthostatic  tremor  has  high  frequency  of  about  14  Hz  to  18  Hz.  It also  occurs  in  patients  with  essential  tremor.  So,  orthostatic  tremor  is  considered to be a variant of essential tremor (4).  

2.4.12. Physiologic Tremor

Physiologic tremor occurs in every normal individual when maintaining  a  posture  or  movement  and  has  no  clinical  significance.   It  is  rarely  visible  to  the  eye  and  is  increased  by  physical  exhaustion,  hypoglycemia,  strong  emotion,  hyperthyroidism,  heavy  metal  poisoning,  stimulants,  alcohol  withdrawal,  and  fever.   It  is  detected  by  extending the arms and placing a piece of paper on top of the hands.   Physiologic Tremor is in general not a neurological disease but appears  by  side  effect  to  certain  drugs,  or  reaction  to  alcohol  withdrawal,  and  medical conditions including an overactive thyroid and hypoglycemia.    It  is  usually  reversible  once  the  cause  is  corrected.  Frequency  of  this  Tremor is very low of around 6 Hz to 12 Hz, and is hardly visible to the  naked eye (16). 

2.4.13. Holmes' Tremor

Holmesʹ  tremor  is  irregular  a  combination  of  rest,  postural,  and  action  tremors. The reason behind this tremor is midbrain lesions in the vicini‐ ty of the red nucleus. It has low frequency of 4.5 Hz. Signs of ataxia and  weakness may be seen (4). 

2.4.14. Drug-induced Tremor

There  are  various  types  of  tremors  induced  by  drugs  and  they  are,  enhanced physiologic tremor, rest tremor, and action tremor. Signs and  symptoms  of  drug‐induced  tremors  depend  on  the  drug  used  on  a 

(22)

 

patient  its  side  effects.  Some  drugs  cause  extra  pyramidal  side  effects  resulting brady kinesia, rigidity, and tremor.  

Table 2.3 below is a list of drugs that may induce tremor, along with the  types of tremors and neurologic signs they produce (15).  

Drug or Drug Class  Tremor Type  Neurologic Signs 

Amiodarone  Postural  Rarely parkinsonism 

Bronchodilators  Postural, action  None 

Lithium  Rest, postural, action  Extrapyramidal 

Metoclopramide  Rest, postural  Extrapyramidal 

Neuroleptics  Rest, postural  Extrapyramidal 

Theophylline  Postural  None 

Valproate  Postural  Rarely parkinsonism 

Table2.3Drug‐Induced Tremor and Corresponding Neurological signs 

2.5. Accelerometer

Sensor

An  accelerometer  is  an  electromechanical  device  that  measure  acceleration  forces  that  are  directly  attached  to  it.  The  Free  Scale  accelerometer  sensor  was  selected  for  use  in  this  project  for  its  small  mass  and  volume,  the  other  feature  is  that  it  has  serial  interface  techniques such as serial peripheral interface (SPI) and Inter Integrated  Circuit  (IIC)  with  easy  communication  between  the  sensor  device  and  the external micro controller.  

(23)

 

Amplification  and  analog‐to‐digital  conversion  of  the  signal  take  place  on  same  silicon  wafer  which  reduces  the  noise  induction  in  to  the  system. Further the sensitivity and the filter characteristics are selected  via software. The sensor module connected to the external world using  only  5  wires,  two  for  power  supply  and  the  remaining  three  for  signal  transmission (9). 

 

Accelerometry  is  the  measurement  of  acceleration  with  electronic  equipment which is relatively new in biomechanics. However, the use of  accelerometers was not widespread in biomedical applications until the  end of 20th century or the beginning of twenty first century. Now‐a‐days,  these are widely used in biomedical applications. The recent advances in  wireless  and  embedded  system  technologies  such  as  MEMS  sensors  hold  a  great  promise  with  built‐in  signal  conditioning  unit.  Types  of  accelerometers  include  piezo‐resistive,  strain  gauge,  piezoelectric,  and  capacitive transducers (14).  

 

The  most  common  commercial  application  of  accelerometer  sensors  includes  airbag  deployment  in  automobiles,  inertial  guidance  mechanisms in rockets and aircraft etc (14).  

 

2.5.1. Principle of Operation

Accelerometer sensor uses acceleration as input signal and gives voltage  as  output  signal.  The  basic  principle  of  this  sensor  runs  behind  Newton’s second law of motion 

F = ma 

Where ‘F’ is force, ‘m’ is mass and ‘a’ is acceleration.   

Accelerometer  sensor  measures  the  displacement  of  the  mass  which  is  suspended  by  spring,  the  mass  spring  principle  is  shown  in  figure  2.1  below. 

(24)

 

Figure 2.3 Mass-Spring principle of Accelerometer External  acceleration  force,  damping  force  and  the  restorative  force  of  the  spring  proportional  to  position  are  the  respective  forces  that  are  acting  on  the  proof  mass.  The  mathematical  equation  of  all  the  combined forces is  

F = maexternal = Md2x/dt2 + B(x) dx/dt + k(x) x

In  equilibrium  condition  i.e.  when  the  mass  is  in  stable  position,  the  restorative  force  produced  by  the  spring  is  equal  to  the  external  acceleration force on the proof mass.  

The displacement of the spring x, is a parameter which is converted to a  voltage or electrical signal by many different methods. For example: By    measuring a change in resistance of a piezo‐resistive material, and also  by  measuring  a  change  in  capacitance  exerted  between  reference  and  movable electrical elements (21). 

2.5.2. Pin diagram of Accelerometer

The Free scale accelerometer is based on a micro‐machined capacitance  technology,  the  device  consists  of  two  surface  micro  machined  capacitive  sensing  cells  or  g‐cells  and  a  signal  conditioning  ASIC  contained in a single integrated circuit package.  

(25)

  A bulk micro‐machined cap wafer is used in order to hermetically seal  the sensing elements at wafer level. MMA7455L is the three dimensional  MEMS based Accelerometer used in this project (8).     The pin diagram of the accelerometer sensor used in the present design  is given below in figure 2.2. It has 16 pins in which only 7 pins are used,  2  for  gravity  selection  i.e.  1.5g  to  6g  range,  3  for  output  in  3  mutually  perpendicular axis and 2 for power supply and ground.                              Figure 2.2 pin diagram of accelerometer (8)

 

2.5.3. Pin description of Accelerometer

The  accelerometer  used  in  the  present  project  has  16  pins;  the  description  of  each  and  every  pin  of  the  sensor  is  given in below table  2.4. 

(26)

 

  Table2.4. Pin description of the accelerometer sensor (8). 

(27)

 

2.6. Microcontroller Circuit

The  features  of  the  micro  controller  used  in  this  project  are  to  be  advanced,  so  I  used  a  16  bit  controller  from  RENASAS,  R8C/1B  series.  Main use is to facilitate the need of three ports for getting three analogue  outputs  from  accelerometer  corresponding  to  x,  y,  z  axes  acceleration  signals  and  minimum  memory  requirement  for  software  program  implementation.   

2.6.1. Pin Diagram of R8C/1B MCU

The  microcontroller  has  20  pins  and  its  assignments  vary  according  to  the use. Among all the available pins, 6 are unidirectional in which data  or  communication  flows  towards  the  controller  and  the  remaining  14  pins are bidirectional to the device that are connected to it. Top view pin  assignment of R8C/1B series is shown in below figure 2.3. 

 

  Figure 2.3 Pin Diagram of R8C/1B MCU (10). 

(28)

 

The microcontroller has to be used to collect the data for the analog  to digital conversion. Several different types of microcontrollers are  available  in  the  market from different manufacturers with different  capabilities. Such as in built random access memory (RAM), read on‐ ly memory (ROM), input/output (I/O) ports, Timers, ADC, digital to  analog converter (DAC) etc. block diagram of MCU is shown below  in figure 2.4.

Figure 2.4 Internal block diagram of R8C/1B MCU (10).  

    

   

(29)

 

To write the program into the micro controller, a specific tool known as  a writer board is needed. The writer board is not a common gadget for  all  the  micro  controllers.  Even  to  develop  the  program  is  a  Herculean  job. Normally the programs can be written in assembly and are entered  into  a  PC,  via  the  software  provided  by  the  micro  controller  manufacturer;  the  assembly  code  is  converted  into  mnemonics  (Assembler).  

This mnemonic code is the one, which is to be written into the controller.  This is done by a writer board, which is hooked up to the PC, by using  the  RS‐232  serial  interface.  Sometimes,  it  is highly difficult to write the  programs in assembly, in those circumstances, the programs are written  in  ‘C’  and  the  ‘C’  code  is  converted  into  the  machine  code  using  a  compiler,  the  code  thus  generated  can  be  dumped  into  the  micro  controller using a PC. 

To  speed  up  the  process  of  development  of  gadget,  an  emulator  is  needed, which can be used to develop the programs by using what are  called  break  points.  The  assembler  and  compilers,  are  software  tools,  while emulator is both hardware and software tool. Without these basic  tools, no matter how good the micro controller might be, one cannot use  it to its optimum performance.  

2.7. MAX 232

In  order  to  convert  the  TTL  logic  levels  of  microcontroller  output  into  RS‐232  logic  levels  of  serial  port  input,  a  converter  is  needed.  So,  Max  232  is  connected  between  the microcontroller and the serial port of the  PC.  MAX232  is  chosen  in  this  project,  as  it  is  compatible  with  RS‐232  standard,  and  consists  of  dual  transceiver.  Each  receiver  converts  telecommunication  Industry  association  (TIA)/Electronics  Industry  alliance  (EIA)‐232‐E  levels  into  5V  transistor‐transistor  logic  (TTL)  levels.  

(30)

 

Each driver converts TTL levels into TIA/EIA‐232‐E levels. The MAX232  is  characterized  for  operation  from  ‐40°C  to  +85°C  for  all  packages.MAX232  is  purposed  for  application  in  high‐performance  information processing systems and control devices of wide application  (11). 

 

2.7.1. Features

Input voltage levels are compatible with standard СMOS levels. Output  voltage  levels  are  compatible  with  EIA/TIA‐232‐E  levels.  Features  of  MAX232 IC are listed in table 2.5 below. 

   

Sl.no  Parameter  Specification  1.  Single Supply voltage  5V  2.  Low input current  0.1μA at ТA= 25 °  3.  Output current  24mA  4.  Latching current  >450mA at ТA= 25°С  Table2.5. Features of MAX232 IC   

The  transmitter  outputs  and  receiver  inputs  are  protected  to  +  (or)‐ 15kV Air ESD (11). 

2.7.2. Pin Diagram of MAX232

Max 232 integrated circuit (IC) has 16 pins with ground, power supply  and remaining input and output pins. Pin diagram of the IC is shown in  below figure 2.5.

(31)

               

Figure 2.5 Pin Diagram of MAX 232(11) 2.7.3. Max 232 Logic diagram

(32)

 

2.7.4. MAX 232 pin description

MAX232  integrated  circuit  used  in  the  present  project  has  16  pins;  description of each and every pin of the IC is given in below table 2.5. 

  Table2.5. Pin description of MAX232 Integrated circuit (11) 

2.8. RS 232 Serial port

Normally,  modern  computers  are  not  equipped  with  a  parallel  port.  Therefore the present system is designed to use the serial port. Although  the serial port is also about to be obsolete, devices connected to the serial  port can still be used since many relatively cheap USB‐RS232 interfaces  exists in the market.  

(33)

 

Figure 2.7.RS232 Serial Port functional diagram

Functional diagram of RS232 serial port is shown in above figure 2.7.and  the  advantages  of  using  serial  data  transfer  rather  than  parallel  data  transfer is given below (17). 

 

Serial Cables can be longer than Parallel cables. The serial port transmits  a ʹ1ʹ as ‐3 to ‐ 25 volts and a ʹ0ʹ as +3 to +25 volts where as a parallel port  transmits a ʹ0ʹ as 0V and a ʹ1ʹ as 5V. Therefore the serial port can have a  maximum  swing  of  50V  compared  to  the  parallel  port  which  has  a  maximum  swing  of  5  Volts.  Therefore  cable  loss  is  not  going  to  be  as  much of a problem for serial cables as they are for parallel. Serial Transmission doesnʹt need as many wires as parallel transmission.  If the device needs to be mounted a far distance away from the comput‐ er then 3 core cable are needed which is a lot cheaper that running 19 or  25 core cable.   Microcontrollers have also proven to be quite popular recently. Many of  these have in built SCI (Serial Communications Interfaces) which can be  used to talk to the outside world. Serial Communication reduces the pin  count of the micro processor units (MPUʹs) in which only two pins are  commonly used, Transmit Data (TXD) and Receive data(RXD) (17). 

(34)

 

2.8.1. Pin Description of DB9 Pin

RS232 serial port or DB9 pin used in this project has 9 pins; description  of each and every pin of the pin is given in below table 2.6. 

   

Pin 1 Received Line Signal Detector (Data Carrier Detect). Pin 2 Received Data.

Pin 3 Transmit Data.

Pin 4 Data Terminal Ready. Pin 5 Signal Ground. Pin 6 Data Set Ready. Pin 7 Request to Send. Pin 8 Clear to Send. Pin 9 Ring Indicator.

(35)

 

3 Methodology

Project  method  is  derived  from  the  aim  of  measuring  the  involuntary  motion  of  human  limbs  or  body  joints  especially  hands,  legs.  Involuntary  is  nothing  but  unintentional  movement  due  to  imperfections  in  nerve  cells,  which  are  responsible  for  biomechanical  feedback system.  

 

Some of the examples of such nervous faults are of Parkinson’s tremor,  essential tremor etc that are discussed in above sections. Acceleration of  such tremor is measured using accelerometer in terms of frequency. In  principle  gravity  is  the  fundamental  unit  of  vibration,  which  is  less  in  normal  healthy  people  i.e.  15mg,  where  as  ±1g  in  involuntary  hand  tremors.  Table  3.1  below  gives  different  characteristic  frequencies  of  tremors depending on which clinical diagnosis follows (7).  

S.N

Tremor Type  Frequency(Hz) 

1  Normal Hand Tremor           9‐25  2  Essential Tremor  4‐12  3  Parkinson’s disease  3 – 8  4  Cerebellar Lesions           1.5 – 4  5  Physiological tremor          7‐12  Table3.1. Hand Tremors with varying frequencies (7) 

(36)

 

The  block  diagram  of  the  system  is  shown  in  figure  3.1  below.  The  system  consists  of  the  accelerometer  sensor,  the  Micro  controller,  a  micro  controller  program  to  acquire  data  and  transfer  it,  a  level  converter  to  connect  the  micro  controller  to  the  PC  via  RS232  or  DB9  connection.  Post  processing  to  display  data  and  extract  parameters  of  interest is carried out by Mat lab installed on the PC. 

Figure 3.1 Block Diagram of the Tremor analysis system 

The  accelerometer  in  the  system  is  fabricated  by  free  scale  semiconductors  and  the  remaining  parts  of  the  signal  conditioning  system are made from commercially available components as specified  earlier. According to the requirement of the goal to measure hand shake,  specific parameters are selected and listed in table 3.2. 

Sl.no  Parameter  range 

1  Number of Axes  3  2  Frequency   0.1 ‐25 HZ  3  Maximum Acceleration      +/‐ 5g  4  Maximum Acceleration  without Damage    +/‐ 25 g  5  Acceleration Resolution     0.001 g  6  Mass  5 grams  7  Size  7 mm³  Table3.2. Accelerometer sensor Parameters (8) 

(37)

 

In order to reconstruct the total acceleration of the complex hand motion  occurring  in  three  dimensions,  sensor  must  be  active  in  three  mutual  perpendicular axes. Normal hand shake is of ±1g as discussed in above  sections; accordingly required sensor has the range between 0.1g‐25g.   In  order  to  overcome  effects  due  to  higher  accelerations,  the  physical  sensor  should  have  a  gravity  limit  of  ±50g.  But  a  normal  human  hand  has a very small involuntary acceleration for which a resolution of 1 mg  is appropriate.  

Accurate  measurement  of  involuntary  human  hand  motion  needs  specific physical requirements of the sensor. Such as for every gram of  additional  mass,  peak  frequency  of  finger  tremor  decreases  by  0.85  Hz  and hand tremor by 0.018 Hz. Sensor must be small enough to avoid the  interference with normal finger motion i.e. touching an adjacent finger.  So, sensor mass of 5 gm and volume of 7mm3 is reasonable (14).  

3.1. Relevant work using accelerometer in the past

The  use  of  accelerometer  sensors  in  biomedical  field  is  relatively  new  until the beginning of twenty first century. Usage of these sensors from  the past is explained below (21). 

In  1967,  Gage  used  accelerometers  to  determine  the  vertical  and  horizontal accelerations of the trunk as well as the angular acceleration  of the shank analyzing human gait. 

In 1972, Prokop used accelerometers mounted in the shoe sole of spike  shoes on various track surfaces. 

In  1973,  Morris  used  five  accelerometers  to  quantify  the  three‐ dimensional  movement  of  the  shank  assuming  that  the  transverse  rotations of the shank are small and can be neglected, and in same year  Nigg used accelerometers mounted at the head, hip, and shank during  alpine skiing 

In  1974,  Unold  used  accelerometers  mounted  at  the  head,  hip,  and  shank during walking and running with different footwear on various 

(38)

 

In  1977,  Saha  studied  the  effect  of  soft  tissue  in  vibration  tests  using  skin‐ mounted accelerometers. 

During  the  year  1978,  Chao  proposed  an  experimental  protocol  for       the quantification of joint kinematics using systems of accelerometers. 

In  1979,  Light  measured  skeletal  accelerations  at  the  tibia  using  bone  mounted accelerometers and Ziegert studied the effect of soft tissue on  skin mounted accelerometer measurements. 

In  1980,  Denoth  used  acceleration  measurement  in  an  effective  mass  model to determine bone‐to‐bone impact forces in the ankle and knee  joint  and  he  also  used  accelerometers  to  determine  in  vivo  force  deformation  diagrams  of  human  heels.  In  the  same  year  Light  compared results from bone and skin mounted accelerometers to find a  loss  of  high  frequency  content  and  a  phase  shift  for  skin  mounted  accelerometers. 

In  1983,  Voloshin  studied  the  shock  (impact  force)  absorbing  capacity  of the leg using skin‐mounted accelerometers in conjunction with force  plate measurements. 

In  1987,  Valiant  estimated  a  magnification  factor  for  skin‐mounted  accelerometers using a linear spring damper model. 

In  1991,  Lafortune  described  the  contribution  of  angular  motion  and  gravity to tibial acceleration during walking and running. 

 

3.1.1. Measurement of Involuntary Hand Motion in the past

Involuntary  hand  motion  is  a  significant  disability.  It  prevents  many  normal activities involving hand such as writing, eating, and drinking.   People with severe tremor are socially embarrassed by their condition.   Initially  tremor  starts  to  a  single  part  of  the  body  like  a  finger  with  infrequent and small amplitude and slowly spreads to entire limbs and  even to head with large amplitude. 

(39)

 

One of the most common neurological disorders is essential tremor; the  patients  of  this  movement  disorder  vary  widely,  ranging  from  0.08  to  220 cases per 1000 people (14).  

 

Research has been carried over on hand tremor analysis in order to find  the cause of involuntary hand motion and also stopping it. The tremor is  cured  by  symptomatic  treatment.  Earlier  methods  to  analyze  tremors  quantitatively  include  electromyography  (EMG)  and  accelerometer  sensors. 

  

 EMG records the electrical action or contraction of muscles that causes  tremor, where as accelerometer sensors capture the tremor acceleration.  Correlation  between  the  analysis  of  tremor  EMG  signals  from  the  muscle  and  signals  from  accelerometer  sensors  shows  very  good  response.  As  EMG  recordings  are  generally  considered  as  “gold  standard”  in  tremor  analysis,  the  good  correlation  of  accelerometer  sensors  to  EMG  analysis  indicates  that  these  sensors  are  a  simple  and  non‐invasive way to study tremor. 

 

Many studies have been made to analyze the origins of hand tremor and  how  to  identify  its  symptoms.  Some  of  the  studies  are  the  effect  of  neurologically active chemicals on hand tremor and the effectiveness of  pharmaceuticals targeted to decrease the amplitude of tremor (14).  3.1.2. Tracking of human limb movement using accelerometer by Morris

Earlier accelerometers were large and had poor resolution, though they  were  used  for  the  study  of  vibrations.  During  the  last  quarter  of  twentieth  century  Morris  is  the  first  to  use  accelerometers  for  tracking  the motion of a human limb. In particular he studied the movement of  the  shank  or  lower  leg.  Morris  aim  was  to  develop  a  system  of  measurement  that  is  simple  to  operate  and  suitable  for  both  experimental and clinical use (14).  

(40)

 

Morris used more than three accelerometers to estimate the vibration of  a  shank.  He  did  not  attempt  to  measure  transverse  rotations  of  the  shank  as  they  require  larger  dimension  of  the  platform  in  the  plane  normal  to  the  perpendicular  axis  of  accelerometer  platform.  As  the  rotations were considered to be small, they were assumed to zero. 

His  study  took  special  care  in  minimizing  the  mechanical  damping  between the bone and the transducer. They did not attach the transducer  directly to the bone, but they did choose a site that minimized the effects  of soft tissue movements (14).  

3.1.3. Measuring Chemical Effects on Involuntary Hand Tremor Nicotinic  receptors  are  the  pre‐ganglionic  receptors  in  the  parasympathetic  nervous  system  as  they  are  stimulated  by  nicotine  in  addition to the normal parasympathetic neurotransmitter acetylcholine.  The  parasympathetic  and  sympathetic  nervous  system  are  the  two  halves of autonomic nervous system, so increasing the concentration of  a  neurotransmitter  such  as  nicotine  affects  only  one‐half  of  the  system  and causes an imbalance in the nervous system.  

Caffeine  is  a  neurotransmitter  that  is  normally  injected  through  coffee  and  other  caffeinated  beverages.  Caffeine  stimulates  many  neuro  receptors including adenosine receptors in the central nervous system.   One common side effect of caffeine is shaking in hands or an increase in  hand tremor. Research have been done quantitatively on correlating the  hand tremor with caffeine intake, among which a study measured finger  tremor  in  healthy  people  with  an  accelerometer  sensor  and  found  that  150  mg  of  caffeine  i.e.  equivalent  to  3  cups  of  coffee  consumed  while  fasting  caused  finger  tremor  to  increase  significantly,  while  the  same  amount  of  caffeine  taken  with  a  normal  diet  didn’t  change  the  amplitude of tremor. 

(41)

 

A  very  common  symptom  with  alcohol  or  narcotics  addiction  withdrawal  is  hand  tremor,  which  has  been  quantitatively  analyzed  with  an  accelerometer  sensor.  Hand  tremor  was  measured  for  several  weeks  during  verified  abstinence.  The  results  showed  alcohol‐ dependent patients had a very high hand tremor while doing a pointing  task  i.e.  trying  to  hold  their  hand  steady  but  the  tremor  amplitude  decreased with continued absence. 

 

The  cocaine‐dependent  patients  had  abnormal  hand  tremor  while  resting  which  is  very  similar  to  Parkinson’s  disease,  but  when  doing  a  pointing task the tremor temporarily went away; the resting tremor did  not  improve  with  continued  abstinence.  The  earlier  results  were  interpreted  as showing alcohol and cocaine affect different parts of the  nervous system: alcohol temporarily affects the cerebellum, and cocaine  more permanently affects the extra‐pyramidal nervous system. 

 

Hand  tremor  is  a  common  side  effect  of  many  pharmaceuticals.  One  study  analyzed  the  hand  tremor  side  effects  with  two  drugs  that  are  inhaled  to  improve  lung  function  in  asthmatic  patients,  they  are  salmeterol  and  salbutamol.  The  study  showed  that  salbutamol  significantly  improved  in  lung  function  after  just  two  minutes,  while  salmeterol  took  seven  minutes  for  significant  improvement.  Similarly,  hand tremor as measured with a linear accelerometer sensor had a much  more rapid onset with salbutamol than salmeterol (14). 

 

3.1.4. Measurement of Hand Acceleration using Accelerometer Accelerometer  sensors  have  an  important  application  in  the  measurement  of  voluntary  and  involuntary  hand  motion.  Involuntary  hand  tremors  are  quite  common  and  accelerometer  sensors  are  frequently  used  for  quantitative  measurement  of  tremor  in  medical  research.  

(42)

 

In  applications  measuring  either  voluntary  or  involuntary  hand  movements, the ideal sensor should be as small and light as possible to  avoid  interfering  with  the  motion.  Although  some  movements  are  still  measured  using  heavy  sensors,  the  measurements  are  not  an  accurate  representation of movement in the unencumbered system.  

 

In  involuntary  movement,  loading  the  hand  increase  the  amplitude  of  tremor while decreasing the frequency. So, the sensor to measure hand  motion  has  ideal  parameters  like  transparency  with  negligible  mass  to  the user, small size for not interfering with motion, and light wires with  high flexibility. 

 

In the present design, the sensor is small and light for measuring human  hand tremor; the connecting wires are also flexible with very fine gauge.   The  sensor  used  in  this  project  can  measure  both  voluntary  and  involuntary hand motion as the requirements are so similar (14). 

 

3.2. Types of accelerometer sensors

Accelerometers  are  of  many  types,  they  include  strain  gauge,  piezoelectric, piezo‐resistive and capacitive transducers. 

3.2.1. Strain Gauge Accelerometer

A  strain  gauge  accelerometer  consists  of  four  strain‐sensitive  wires  attached to a cantilevered mass element that is mounted on a fixed base.  The wires are connected to an electric Wheatstone bridge circuit. When  the base is accelerated, the mass element causes a deformation due to its  inertia.  This  deformation  of  the  mass  element  causes  a  change  of  the  strain in the wires changing their resistance and consequently changing  the  balance  of  the  bridge  circuit.  The  result  is  an  electric  output  proportional to the acceleration of the base (4). 

(43)

 

3.2.2. Piezoelectric Accelerometer

In Piezoelectric materials, a mechanical stress produces electrical charge  or  an  applied  electric  field  generates  mechanical  strain.  Electric  polarization occurs in the crystal due to the internal dipoles, as shown in  Figure 3.2. The both ends of the piezoelectric material have a net charge  from  the  dipoles,  which  is  apparently  neutralized  by  free  charges  available in the environment.  

Mechanical strain applied to the crystal produces a linear deformation in  the crystal structure, temporarily changing the surface charges until it is  re‐neutralized.  Thus  the  stress  acting  on  the  crystalline  material  is  directly related to the acceleration produced (20). 

Figure 3.2.Dipoles in a piezoelectric material.

Piezoelectric materials don’t need external energy; and the piezo electric  accelerometer  only  measures  the  alternating  acceleration.  They  have  a  high internal resistance, so the voltage across the ends of the material is  inversely proportional to generated charges and directly related to force  acting on it. The relation among them is shown below (14).  

 

(44)

 

As  the  piezo  materials  measure  alternating  response,  so  they  are  not  suitable for direct or DC acceleration. Piezoelectric MEMS accelerometer  is  made  by  depositing  ferroelectric  materials  on  silicon  wafer,  these  sensors  are  used  preferably  for  high  accelerations  and  amplitudes  like  shocks but not for low acceleration applications as the charge created by  continuous stress acting on it escapes (20). 

3.2.3. Piezo-resistive Accelerometer

Piezo  resistive  materials  are  solid  state  resistors  usually  act  as  strain  gauges  whose  resistance  changes  with  the  application  of  mechanical  stress.  MEMS  based  Piezo‐resistive  accelerometers  have  a  mass  suspended  by  a  spring,  a  cantilever  beam  with  a  proof  mass,  and  a  Piezo‐resistive patch. The conductance of the Piezo‐resistive material is  directly  proportional  to  the  force,  or  the  resistance  is  indirectly  proportional to the applied force (14). 

 

The  Piezo‐resistive  MEMS  accelerometer  is  shown  in  Figure  3.3.when  the device is exerted by acceleration, the gap between the mass and the  bulk of the device changes. The voltage produced by the Piezo‐resistive  patch  and  the  bulk  device  due  to  external  stress  is  proportional  to  the  acceleration of the vibrating object (14). 

(45)

 

Two  types  of  Piezo‐resistive  models  are  shown  in  Figure  3.4.  In  the  Figure 3.4(a), the Piezo‐resistor is made by printing conductive traces on  a  resistive  film.  As  the  silicon  substrate  below  the  film  changes,  the  resistance of the resistive film between the traces will also change.   Microscopic  wire  strain  gages,  as  diagrammed  in  Figure  3.4(b)  are  the  other  way  to  arrange  Piezo‐resistors.  Mechanical  stress  applied  on  this  materials  change  the  conductors  form  and  hence  the  resistance  of  the  Piezo‐resistors is a function of the width of the gap between the Piezo‐ resistors (14).      (a)  (b)  Figure 3.4 (a) Diagram of a Piezo‐resistive layout using resistive film  backing.  (b) Diagram of a free‐standing Piezo‐resistive strain gage.

In  order  to  measure  the  displacement  of  a  proof  mass  in  an  accelerometer  sensor  one  among  these  two  techniques  is  used.  In  general, to increase sensitivity and reduce thermal variations more than  one Piezo‐resistor is used with the same mass‐spring system (14). 

(46)

 

3.2.4. Capacitive Accelerometer

In  capacitive  accelerometer,  measurement  of  the  capacitance  between  the  moving  proof  mass  and  fixed  object  on  the  base  of  the  sensor  is  made.  

The displacement of the proof mass changes in relation to the base area,  and  the  distance  between  the  both  sides  of  the  capacitor  changes.  The  mathematical  equation  of  capacitance  is  an  inverse  function  of  the  gap  (d) and in relation with area (A) of the base which is shown below.   

 

The  capacitance  is  either  made  as  single‐sided  or  differential  pair.  A  differential capacitive pair is shown in Figure 3.5 with conductive proof  mass,  and  a  connection  between  the  spring‐proof  mass  serves  as  the  electrical connection to the floating capacitor plate. 

(47)

 

Capacitive  sensors  are  most  commonly  used  in  accelerometers  fabrication. Single‐sided capacitive accelerometers can be designed with  the perpendicular axis of the silicon die plane and the capacitor plates in  the plane of the die, sensitivity of the capacitor increase by extending its  area.  

The  non‐linearity  between  springs,  capacitors  is  avoided  by  arranging  the  fixed  mass  position  in  differential  capacitive  accelerometer;  this  is  another advantage of the sensors with electrical feed back system (4). 

   

   

References

Related documents

Combining our data, we propose the following scenario to explain the fitness cost in the inversion strain (fig. 3): 1) The inversion between the tuf genes fuses the strong tufA

Facebook, business model, SNS, relationship, firm, data, monetization, revenue stream, SNS, social media, consumer, perception, behavior, response, business, ethics, ethical,

Detta steg kommer att fortgå under hela tiden som projektet pågår och dokumenterar projektet. 2.7

Anja anser att det är viktigt att bemöta barns bilder och inte enbart kommentera dem som t ex ”fina”. Hon upplever att de svenska barnen inte gör färdigt sina bilder och att vi

In any case, the 2005 political strategy is sufficiently well phased in with the long term strategies embodied in the multiannual presidency programme 2004 – 2006 and with the

Det sekundära målet är att träna maskininlärningsalgoritmen till den nivå då den framgångsrikt kan approximera ett värde för nya falska och faktiska fall som inte använts

The focus is on the Victorian Environmental Water Holder (VEWH), that gives entitlements to the environmental water of the Yarra river, and on the Yarra River Protection

Pughe - We call ourselves Extension Home Economists or Extension Agents in the area in which we work now.. Except for the county director, and he is called a