Tremor Quantification and Parameter Extraction511914/FULLTEXT01.pdf · Tremor Quantification and...

77
Mid Sweden University The Department of Information Technology and Media (ITM) Author: Bejugam Santosh Kumar Email address: [email protected] Study programme: Masters in electronics design, 120p Examiner: Börje Norlin Scope: 14,819 words inclusive of appendices Date: 20111220 M.Sc. Thesis report within Electronics Engineering, International Masters programme in Electronics Design, 30hp. Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar

Transcript of Tremor Quantification and Parameter Extraction511914/FULLTEXT01.pdf · Tremor Quantification and...

  • Mid Sweden University The Department of Information Technology and Media (ITM) Author: Bejugam Santosh Kumar E‐mail address: [email protected] 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

     

    Bejugam Santosh Kumar

  • Tremor Quantification and parameter extraction Bejugam Santosh Kumar 

     Abstract 2011‐12‐20 

     

    i  

    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 

  • Tremor Quantification and parameter extraction Bejugam Santosh Kumar 

     Acknowledgements 2011‐12‐20 

     

    ii  

    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

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

     Table of Contents 2011‐12‐20 

     

    iii  

    Table of Contents Abstract .............................................................................................................. i 

    Acknowledgements ........................................................................................ ii 

    Table of Contents ........................................................................................... iii 

    Terminology .................................................................................................... vi Abbreviations .................................................................................................. vi 

    1  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 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

     Table of Contents 2011‐12‐20 

     

    iv  

    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 

    3  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 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

     Table of Contents 2011‐12‐20 

     

    v  

    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  

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    1 Introduction 2011‐12‐20 

     

    vi  

    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 

         

  • Tremor Quantification and  Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

                                       1 Introduction                                    2011‐12‐20 

     

    1  

    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).  

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    1 Introduction 2011‐12‐20 

     

    2  

    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). 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    1 Introduction 2011‐12‐20 

     

    3  

    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.  

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    1 Introduction 2011‐12‐20 

     

    4  

    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. 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    5  

    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). 

     

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    6  

    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. 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    7  

    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). 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    8  

    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). 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    9  

    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 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    10  

    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 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    11  

    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.  

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    12  

    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.   

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    13  

    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 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    14  

    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 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    15  

    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.  

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    16  

    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. 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    17  

    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.   

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    18  

    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. 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    19  

     

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

     

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    20  

    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). 

    2.6.2. Block Diagram of R8C/1B MCU

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    21  

    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).

     

          

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    22  

    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.  

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    23  

    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.

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    24  

     

     

     

     

     

     

     

    Figure 2.5 Pin Diagram of MAX 232(11)

    2.7.3. Max 232 Logic diagram

    Figure2.6 Logical diagram of Max 232 (11) 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    25  

    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.  

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    26  

    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). 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    2 Theory 2011‐12‐20 

     

    27  

    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.

    Table2.6. Pin description of DB9 pin (8)

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    28  

    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.No 

    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) 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    29  

    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) 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    30  

    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 surfaces. 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    31  

    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.  

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    32  

    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).  

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    33  

    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.  

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    34  

    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.   

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    35  

    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). 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    36  

    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).  

     

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    37  

    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). 

    Figure3.3. Diagram of MEMS Piezo‐resistive accelerometer 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    38  

    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). 

     

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    39  

    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. 

    Figure 3.5 Diagram of differential capacitive layout

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    3 Methodology 2011‐12‐20 

     

    40  

    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). 

       

     

     

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    4 Design 2011‐12‐20 

     

    41  

    4. Design The  physical  movements  of  the  hand  are  recorded  using  an accelerometer  data  recording  unit.  Data  acquisition  and  temporary storage is carried out by a RENASAS 16 bit Microcontroller. The RS‐232 protocol  is used  for  serial  transmission  of  the  recorded digital  signals into the PC where the raw data of the Tremor Amplitude and Frequency is  stored. MATLAB  version  2007a was  used  for  the  signal processing applications to extract the final output voltage and frequency.  

    The RENASAS Micro  controller R8C/1B  is used  to process  the  analog data from the accelerometer sensor (MMA7455L tri‐axial accelerometer) into  the  digital  form.  Data  is  transferred  to  PC  by  RS232  serial communication interface.  

    The designed power  supply  circuit provides  a  5V  regulated power  to the micro controller and also to the other modules.  

    4.1. Hardware design

    The hard ware design steps are classified as follows: 

    a) Power supply 

    b) Accelerometer interface 

    c) Max232 and DB9 or RS232 serial port interface. 

    4.1.1. Power Supply

    Power supply is an essential unit for all the electronics designs equipped by microcontroller  unit.  Transformers  are  the  heart  of  the  converting system, which  receives alternating current  (AC) voltage of 230V, 50Hz from mains  supply  and  converts  in  to  direct  current  (DC)  voltage  of required values of different  components  embedded  in  the  system  like microcontroller,  analogue  to  digital  converters  (ADC),  amplifiers,  opt couplers etc. 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    4 Design 2011‐12‐20 

     

    42  

    In  the present project design, RENASAS R8C Microcontroller  and  the associated digital circuits require +5V regulated power supply for their operation. Thus,  the power supply circuit has  to provide 5V  regulated power  to  the  DAC  and micro  controller.  The  DC  power  required  is derived from a 230V AC supply mains. Power supply block diagram is shown in below figure 4.1. 

     

    Figure: 4.1. Block Diagram of Power supply 

    In  the  circuit,  a  step down  transformer of primary winding  rate  230V with isolated secondary is used. The secondary winding provides 0‐15V with a current capacity of 500mA.  

    The secondary winding voltages are rectified by using full wave bridge rectifier. The rectified output voltage is fed to a capacitor filter; capacitor value should be of very high value  for  low ripple. Thus, a capacitor of 1000μf with  a working  voltage  of  18v  is  sufficient,  but  for  safety  the working voltage is considered as 35v.  

    The  filtered DC  output  is  connected  to  a  three pin positive  regulator, 7805 to obtain +5V regulated output. 

     

       

     

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    4 Design 2011‐12‐20 

     

    43  

     

     

     

     

     

                             Figure: 4.2. Step down transformer used in the circuit 

    Three pin  regulators are widely used  for  regulated DC power  supply. These  regulators  have  built  in  features  of  limiting  over  voltage,  over current and also thermal shutdown facility. 

    Practically voltage  fluctuates over a wide  range,  so  the  regulator  itself needs  resolution  of  2V  higher  than  the  required  output.  Here  7V  is required  for  5V  output.  In  order  to  accommodate  the  voltage fluctuations on  the  lower side of 230v, another 5v additional voltage  is considered. Below figure 4.3 shows 7805 Regulator used in the circuit. 

     

     

     

     

     

     

    Figure: 4.3. 7805 Regulator used in the circuit 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    4 Design 2011‐12‐20 

     

    44  

    The rectified and filtered output voltage from the transformer is used to feed  a  three  pin  7805  regulator,  it  basically  provides  an  output  of  5v irrespective of input voltage, provided the input is greater than 7v. The regulator outputs are connected with a small capacitor of 0.1μf (between output  and  ground)  to  improve  noise  immunity.  Finally  this  output drives the micro controller. 

    4.1.2. Accelerometer Interface In order to  interface the accelerometer to the micro controller only two open ended pins are  sufficient. Any open output pins can be used  for this purpose, and in the present application, port‐3 pins 0 and 1 are used for this application. A pull‐up resistor is connected to this port, and the pins are connected to the accelerometer pins by means of the connecting cable. The  accelerometer  also  requires power  supply,  and  is provided from the micro controller power supply and in the accelerometer PCB, a 3.3 V  regulator  is provided  so  that  the 5V supply  is converted  to 3.3V and is provided to the accelerometer as the power supply.  

    4.1.2.1. Interfacing between Power supply, Accelerome-ter and micro controller

    Power supply required to the micro controller, accelerometer are almost the same, interfacing between them is shown in below figure 4.4.  

     Figure4.4.Interfacing between power supply, Accelerometer and

    microcontroller 

  • Tremor Quantification and Parameter Extraction Bejugam Santosh Kumar 

    4 Design 2011‐12‐20 

     

    45  

    4.1.3. Interfacing between MAX232 and DB9 connector Interfacing between MAX232 integrated circuit and DB9 connector or RS‐232 serial port connector is shown in below figure 4.5. 

    Figure 4.5 Interfacing between Micro controller Max232 and DB9 Connector 

    4.2. Tremor Hardware Kit Pin Configur