Lezione 1

07/02/2011
EMG:
natura del tracciato,
analisi
e un esempio di valutazione clinica
in ambito riabilitativo
Definizione di EMG
1
07/02/2011
Campi di interesse
L’unità motoria
Unità funzionale più piccola che
permette il controllo della
contrazione muscolare.
Insieme del corpo cellulare e dei
dendriti del motoneurone,
delle diramazioni del suo
assone e delle fibre muscolari
da esso innervate.
2
07/02/2011
Eccitabilità delle membrane muscolari
Modello della membrana semi-permeabile
Eccitabilità delle membrane muscolari
Equilibrio ionico - Pompa Na+Cl-
3
07/02/2011
Eccitabilità delle membrane muscolari
Meccanismo della soglia
Onda di depolarizzazione
La zona di depolarizzazione (1-3 mm quadrati) viaggia lungo la fibra
muscolare con una velocità di 2-6 m/s
4
07/02/2011
Pattern di interferenza
Con
gli studi kinesiologici i
potenziali d’azione di tutte le
unità motorie rilevabili da un
elettrodo sono elettricamente
sovrapposti
e
sono
rappresentati come segnali
bipolari con distribuzione
simmetrica delle ampiezze
positive e negative (valore
medio pari a zero).
Questo è chiamato Pattern di
Interferenza.
Generazione del segnale EMG
Il segnale EMG riflette
direttamente le
caratteristiche legate a:
Reclutamento dei
Potenziali d’Azione delle
Unità Motorie (MUAPs)
Frequenza di scarica
5
07/02/2011
“Raw” EMG
Registrazione EMG relativa a 3 differenti contrazioni del
muscolo bicipite brachiale.
“Raw” EMG
Rumore di baseline:
•
•
•
Qualità degli amplificatori EMG
Rumore circostante
Qualità delle condizioni di rilevazione
6
07/02/2011
“Raw” EMG
Ogni spike ha una forma e un’ampiezza unica
“Raw” EMG
Alcuni ordini di grandezza:
•
•
•
Rumore della baseline: 3-5 microvolt (buone condizioni)
Range del segnale EMG “raw”: +/- 5000 microvolt (atleti)
Frequenza del segnale EMG: 6-500 Hz
7
07/02/2011
Fattori che influenzano il segnale EMG
Caratteristiche del tessuto:
•
•
•
•
Tipo di tessuto
Spessore del tessuto
Temperatura
Cambiamenti fisiologici
Fattori che influenzano il segnale EMG
Cross talk fisiologico:
anche i muscoli vicini possono produrre un
segnale EMG rilevante.
Tipicamente il Cross Talk non supera il
10% - 15% del contenuto totale del segnale
8
07/02/2011
Fattori che influenzano il segnale EMG
•
Cambiamenti nella geometria tra il ventre del muscolo e il
sito di aggancio degli elettrodi
•
Rumore esterno
•
Qualità e scelta degli elettrodi e degli amplificatori interni
Amplificatori EMG
Si utilizzano amplificatori differenziali poiché capaci di eliminare
gli artefatti.
EMG pre-amplificatori
installati nei cavi o
posizionati sulla punta degli
elettrodi
Il segnale è di solito amplificato
da 500 a 1000 volte
9
07/02/2011
Digitalizzazione di un segnale
Affinché un segnale venga visualizzato e analizzato al computer
deve essere convertito da analogico a digitale
Digitalizzazione di un segnale
Teorema di Nyquist (o teorema del
campionamento):
per poter ricostruire il segnale in maniera
corretta in tutto il suo contenuto in
frequenza,
la
frequenza
di
campionamento deve essere almeno
doppia
alla
frequenza
massima
contenuta nel segnale.
10
07/02/2011
Digitalizzazione di un segnale
Per i segnali EMG tutto il contenuto in
frequenza è compreso tra i 10 e i 250 Hz e
spesso si ricorre ad amplificatori di
banda fino ai 500 Hz; ciò richiede una
frequenza di campionamento di almeno
1000Hz.
Elettrodi
Elettrodi di superficie (ex: argento/cloruro
di argento) con il diametro della zona conduttiva
pari a 1 cm (o meno).
Gli elettrodi commercialmente disponibili
sono a gel bagnato perché garantiscono una
migliore conduzione e migliori condizioni di
Impedenza degli elettrodi adesivi.
11
07/02/2011
Elettrodi
Elettrodo di riferimento: elettrodo poco interessato dall’attività
muscolare (in prossimità delle ossa, della fronte, del processo
spinoso, della cresta iliaca, della tibia…)
Raccomandazioni generali
•
•
•
•
•
•
•
•
•
L’uso di elettrodi piccoli aumenta le selettività delle misure
Gli elettrodi a gel bagnato hanno il miglior valore di impedenza
Più piccolo è l’elettrodo più alto è il valore dell’impedenza
Più piccola è la distanza inter-elettrodo maggiore è la selettività
La distanza raccomandata tra gli elettrodi è di 2 cm
Le coppie di elettrodi devono essere posizionate parallelamente ai
fasci muscolari
Si consiglia di usare la porzione dominante del ventre del muscolo
per una migliore selettività
Ci si assicuri che il sito gli elettrodi rimangano fissi sulla zona di
fissaggio durante il movimento
Si possono utilizzare le mappe anatomiche per individuare i punti
consigliati per il fissaggio degli elettrodi
12
07/02/2011
Raccomandazioni generali
Movimento relativo elettrodo –
ventre del muscolo
Fissaggio dei cavi
Elettrodi invasivi a filo
13
07/02/2011
Landmark anatomici
Test di impedenza
14
07/02/2011
Baseline noise
Spike di piccola ampiezza potrebbero essere visibili ma non dovrebbero
superare i 10 – 15 microvolt.
Il livello medio del rumore dovrebbe collocarsi attorno a 1 – 3,5 microvolt
Baseline offset
È possibile che la baseline degli EMG non corrisponda perfettamente alla
linea di zero; è utile correggere ciò per una corretta identificazione dei
valori che caratterizzano il tracciato
15
07/02/2011
Baseline shift
La baseline prima e dopo le contrazioni deve rimanere costantemente
sulla linea di zero
Analisi della distribuzione in frequenza
La maggior parte del contenuto in frequenza del segnale è posta
tra 10 e 250 Hz
16
07/02/2011
Elaborazione del segnale - Rettificazione
SCOPO: eliminare la parte non riproducibile del segnale
Elaborazione del segnale – Eliminazione degli artefatti
17
07/02/2011
Elaborazione del segnale - Normalizzazione
Normalizzazione del segnale al valore medio o al valore di picco
Elaborazione del segnale – Parametri di ampiezza
18
07/02/2011
Elaborazione del segnale – Parametri di frequenza
Elaborazione del segnale – Parametri di tempo
Tempo di picco
Tempi di inizio e
di fine scarica
19
07/02/2011
Analisi degli EMG
20
07/02/2011
Analisi degli EMG
Un esempio: Analisi del cammino
21
07/02/2011
Un esempio di valutazione clinica
in ambito riabilitativo
La riabilitazione assistita da robot
Analisi dei dati biometrici di casi clinici
Analisi dell’attivazione muscolare
Conclusioni
2. Analisi dei dati biometrici di casi clinici
22
07/02/2011
Analisi dei dati biometrici di casi clinici
Sono state effettuate delle registrazioni prima e dopo la terapia
riabilitativa per ognuno degli 8 pazienti sulle capacità di
effettuare l’abduzione e l’adduzione dell’arto.
Registrazioni biometriche: rilevata la posizione di 4 giunti
articolari: Sterno, Spalla, Gomito, Polso.
Spalla
(acromion)
Sterno (giuntura
sterno-clavicolare)
Gomito (epicondilo
laterale dell’omero)
Polso (processo
stiloideo dell’ulna)
Analisi dei dati biometrici di casi clinici
Sono state effettuate delle registrazioni prima e dopo la terapia
riabilitativa per ognuno degli 8 pazienti sulle capacità di
effettuare l’abduzione e l’adduzione dell’arto.
Registrazioni EMG: rilevata l’attività dei muscoli durante
l’esecuzione dei task motori.
23
07/02/2011
Analisi dei dati biometrici di casi clinici
Analisi biometrica
Analisi dei dati biometrici di casi clinici
Analisi biometrica
È possibile individuare 3 fasi fondamentali del movimento:
Fase di movimento in avanti dell’arto;
Fase di afferraggio ;
Fase di ritorno dell’arto.
Si ricorre all’analisi dei profili della velocità di movimento.
24
07/02/2011
Analisi dei dati biometrici di casi clinici
Analisi biometrica: valutazione degli angoli di apertura
delle articolazioni.
Spalla
Gomito
Analisi dei dati biometrici di casi clinici
Analisi biometrica
È possibile individuare 3 fasi fondamentali del movimento:
Fase di abduzione dell’arto;
Fase di reaching;
Fase di adduzione dell’arto.
Presa
Movimento in avanti
Movimento all’indietro
25
07/02/2011
Analisi dei dati biometrici di casi clinici
Stroke patient with moderate impairment
Attivazione EMG del bicipite
Analisi dei dati biometrici di casi clinici
26
07/02/2011
Another case, with severe impairment (sav)
27
07/02/2011
EMG activation superimposed on elbow profile
28
07/02/2011
3. Analisi dell’attivazione muscolare
The patients enrolled for the testing
Patient
S
Age
e
x
Event year
1
M
72
2003
2
M
79
3
M
4
Site of stroke
Fugl-Meyer
score
(66)
Ashworth
score
Hemorrhagic
temporo-parietal, cortical-subcortical left side
36
39
2005
Hemorrhagic
posterior portion of the left lateral ventrical roof
with an extension corresponding to the
semioval center
52
22
37
2004
Hemorrhagic
nucleo-capsule-radiata left side
12
21
F
42
1988
Hemorrhagic
midbrain-thalamus left lesion
56
10
5
M
58
2006
Hemorrhagic
intra-parenchymal lenticular-capsular left
collection
57
9
6
M
69
2004
Ischemic
extensive lesion in the left parietal side
12
24
7
M
58
2002
Hemorrhagic
temporo-parietal left side
43
15
8
M
68
2004
Ischemic
parieto-occipital, cortical-subcortical left side
37
17
9
M
70
2005
Hemorrhagic
temporo-parietal left side
17
15
Bilbao, December 16th,2009
Type of
stroke
SKILLS Third Review Meeting
29
07/02/2011
Risultati clinici
• Si è riscontrato un
miglioramento significativo
per :
– Scala Fugl-Meyer
– Scala Asher
– Range di movimento
articolari: attivi e passivi
Paziente
Pre-trattamento
Post-trattamento
1
36
41
Differenza
5
2
52
58
6
3
12
20
8
4
56
57
1
5
57
60
3
6
12
13
1
7
43
46
3
8
37
44
7
9
17
18
1
A. Frisoli, C. Procopio, B. Rossi, et al. Robot-Mediated Arm
Rehabilitation in Virtual Environments for Chronic Stroke Patients: A
Clinical Study , Proceedings of IEEE International Conference on Robotics
& Automation ICRA 2008.
Risultati clinici
• Scale di valutazione clinica Standard :
– Scala di Fugl-Meyer
– Scala di Ashworth modificata
– Range Of Motion (ROM)
30
07/02/2011
Correlazione tra le misurazioni cliniche e le misurazioni
della performance con robot
• È stata condotta un’analisi preliminare per confermare che le
misurazioni quantitative sono correlate con le scale cliniche
(prossima slide)
• Aspetti importanti da considerare sono:
– La distanza dell’evento (paziente acuto, sub-acuto e cronico)
– Il livello di severità nella malattia (basso, moderato, alto)
• Queste due variabili dovrebbero essere considerate nella messa a
punto della terapia e influirà notevolmente sui risultati della
stessa.
Profilo di velocità del gomito
• In un soggetto sano è possibile
considerare il profilo della velocità di
apertura dell’angolo della spalla o del
gomito; i due picchi corrispondono ai
movimenti di andata e ritorno nel
movimento di reaching, come riportato
in figura.
Joint velocity in reaching
Levin, M.F., Interjoint coordination during
pointing movements is disrupted in spastic
hemiparesis. Brain, 1996. 119(1): p. 281.
• In modo analogo è possibile definire un
parametro chiamato T-angle, dal grafico
ottenuto da velocità di apertura
dell’angolo sull’angolo stesso, per ogni
articolazione. In un paziente sano con
una buona coordinazione articolare tale
parametro dovrebbe essere simile ad un
cerchio.
Cirstea, Levin et al., Interjoint coordination
dynamics during reaching in stroke, Exp
Brain Res (2003), 151:298-300
T-angles
Angular
velocity
Angular
displacement
31
07/02/2011
Acquisizione e analisi dei dati
• Le registrazioni cinematiche ed
elettromiografiche sono state
ottenute quando il soggetto ha
eseguito tre diversi task di
reaching: è stato utilizzato il
sistema integrato Elite-BTS a 8
canali per gli EMG e 6 canali
dedicati alle telecamere per l’analisi
cinematica dei movimenti.
• Il task motorio è stato ripetuto 18
volte a differenti velocità e per
raggiungere 3 differenti posizioni
target: si è chiesto al paziente, per
ogni posizione, di ripetere il
movimento3 volte a velocità
normale e 3 volte a velocità
massima.
Shoulder
Breastbone
Elbow
Wrist
Data acquisition and analysis
Shoulder
• In order to validate the acquisition of
motor competencies in the execution of
reaching movement, a kinesiologic
evaluation was performed in a group of
patients that underwent robotic therapy
In a healthy subject we expect to
have a profile of the angle aperture
velocity for elbow or shoulder joints
with two peaks, corresponding to
the forward and backward
movement in a reaching movement.
Levin, M.F., Interjoint coordination, Brain,
1996. 119(1): p. 281.
From the plot of the angle velocity vs. angle
displacement for each joint , we define the T-
Breastbone
Elbow
Wrist
Joint velocity in reaching
T-angles
Angular velocity
angle,. In a healthy subject with
good joint coordination it should
look like a CIRCLE.
Angular displacement
Bilbao, December
16th,2009
SKILLS Third Review Meeting
32
07/02/2011
50<FM<66
Movement features (low severity)
Elbow angle at normal velocity before rehabilitation
Elbow angle at normal velocity after rehabilitation
200
150
Joint velocity
in reaching
110
100
100
90
Velocity (°/s)
Angle (°)
0
Velocity (°/s)
Angle (°)
50
100
0
-50
80
-100
70
0
0.5
1
1.5
2
t (sec)
2.5
3
0
-200
4
3.5
0.5
1
1.5
2
2.5
-150
3.5
3
t (sec)
Elbow angle at normal velocity before rehabilitation
Elbow angle at normal velocity after rehabilitation
outward
inward
100
T-angles
outward
inward
100
50
velocità (°/s)
velocity (°/s)
50
0
-50
0
-50
-100
-100
50
60
70
80
90
angle (°)
100
110
120
130
50
60
70
Bilbao, December 16th,2009
80
90
angle (°)
100
110
120
130
SKILLS Third Review Meeting
20<FM<50
Movement features (medium severity)
Elbow angle at normal velocity after rehabilitation
Elbow angle at normal velocity before rehabilitation
50
50
100
0
0
100
0
2
4
6
8
10
12
0
-50
14
1
2
3
4
t (sec)
5
6
Velocity (°/s)
Angle (°)
Velocity (°/s)
Angle (°)
Joint velocity
in reaching
-50
8
7
t (sec)
Elbow angle at normal velocity after rehabilitation
Elbow angle at normal velocity before rehabilitation
120
120
T-angles
outward
inward
100
outward
inward
100
80
80
60
60
40
velocità (°/s)
velocity (°/s)
40
20
0
20
0
-20
-20
-40
-40
-60
-60
-80
-80
-100
70
-100
70
80
Bilbao, December 16th,2009
90
100
110
angle (°)
120
130
140
150
80
90
100
110
angle (°)
120
130
140
150
SKILLS Third Review Meeting
33
07/02/2011
Movement features (high severity) FM<2
0
Elbow angle at normal velocity after rehabilitation
Elbow angle at normal velocity before rehabilitation
40
10
88
Joint velocity
in reaching
80
5
Velocity (°/s)
Angle (°)
Angle (°)
0
Velocity (°/s)
20
86
70
0
84
-5
60
82
0
0.5
1
1.5
2
t (sec)
-10
0
1
2
3
4
t (sec)
5
6
7
8
Elbow angle at normal velocity before rehabilitation
-20
3.5
4
100
outward
inward
80
outward
inward
80
60
60
velocità (°/s)
40
velocity (°/s)
3
Elbow angle at normal velocity after rehabilitation
100
T-angles
2.5
20
0
40
20
0
-20
-20
-40
-40
-60
50
55
60
65
70
75
angle (°)
80
85
90
95
100
-60
50
Bilbao, December 16th,2009
55
60
65
70
75
angle (°)
80
85
90
95
100
SKILLS Third Review Meeting
Movement analysis of patients
Contralateral movement
Central movement
Ipsilateral movement
Performance Index
PI
1
PI
2
PI
3
PI
4
PI
5
PI
6
PI
6
PI
8
Admission
Discharge
p
Admission
Discharge
p
Admission
Discharge
p
Total time
(s)
4.02±1.74
3.18±1.14
0.0191
4.10±2.10
3.07±1.08
0.0071
5.25±2.84
3.15±1.14
0.0004
Outward
time (s)
1.30±0.57
1.09±0.60
0.1709
1.26±0.69
0.93±0.35
0.0152
1.38±0.71
0.99±0.54
0.0082
Inward time
(s)
1.40±1.15
1.12±0.52
0.1119
1.33±0.72
1.22±0.57
0.4835
2.07±1.84
1.09±0.27
0.0136
Outward
regularity
2.63±2.42
2.26±4.37
0.6657
4.15±5.51
0.96±1.26
0.0027
4.74±5.91
0.96±1.87
0.0027
Inward
regularity
3.96±4.82
1.85±1.83
0.0174
7.19±10.22
2.56±2.99
0.0200
12.81±17.86
2.11±2.22
0.0054
Total
Regularity
11.41±7.58
6.30±6.39
0.0011
23.07±27.00
5.85±6.47
0.0013
32.37±34.89
5.93±6.05
0.0004
9.51±6.62
6.55±1.99*
0.013
8.33±4.36
7.70±3.79
NS
10.54±6.60
7.31±3.71*
0.009
0.90±0.80
1.85±1.73*
*
0.006
0.54±0.29
1.42±1.18*
*
0.001
0.64±0.53
1.41±1.47*
*
0.002
Elbow angle
Regularity
CI index for
TRI-BI
muscles
In Yellow only non significant kinesiological measurements are highlighted
As expected they are associated with controlateral and inward motion.
34
07/02/2011
High correlation with clinical data
• A significant correlation is observed between the clinical
evaluation carried out with FMA and the assessment
associated regularity of motion, measured by counting the
number of local minima in the wrist displacement profile
Pre.rehabilitation
R2 -0.795
P=0.01
SKILLS meeting – Darmstadt
October 6, 2010
Correlation values are kept after rehabilitation
Evaluation indexes associated to smoothness of movement show
a stronger association with clinical assessment
Post.rehabilitation
R2 -0.967
P=0.0001
October 6, 2010
SKILLS meeting – Darmstadt
35
07/02/2011
Measurement of smoothness at the functional level end-effector
Highest fitting
Time performance at the functional level end-effector
with FMA
Smoothness at the level of joint-shoulder T-angle map
October 6, 2010
SKILLS meeting – Darmstadt
Conclusioni
36
07/02/2011
Conclusioni
Il sistema L-Exos è stato testato clinicamente con successo
in uno studio condotto su pazienti colpiti da ictus con
difficoltà motorie per gli arti superiori
La maggior parte dei pazienti si è dimostrata entusiasta dei
principali vantaggi ottenuti in termini di Activities of Daily
Life
Il feedback qualitativo-soggettivo è fortemente sostenuto
dalle analisi cliniche che evidenziano sicuramente significativi
miglioramenti nei parametri clinici derivanti dalla terapia
riabilitativa assistita da robot.
37