Lezione 9
Misure ed elaborazione di segnali
per l ergonomia, lo sport e la
riabilitazione
EMG di superficie
L'impiego dell'elettromiografia di superficie (SEMG) sta avendo una notevole
diffusione sia per le caratteristiche di non invasività, sia per le potenzialità offerte
dalle moderne tecniche di analisi numerica del segnale elettromiografico che
possono fornire utili informazioni quantitative sulle condizioni di attività del
distretto muscolare esaminato.
Mentre l EMG ad ago resta una tecnica di primaria importanza a livello
diagnostico, che necessariamente richiede per il suo impiego l'apporto del
neurologo, la SEMG è una tecnica di indagine dell'attività muscolare molto
promettente e di grande interesse per la riabilitazione: nel monitoraggio degli
effetti di un trattamento, direttamente durante un esercizio per aumentarne
l'efficacia, per valutare l'affaticabilità muscolare …
Lezione 1
2
sEMG
• I segnali di superficie
hanno ampiezze
variabili dal livello di
rumore a pochi mV da
picco a picco con la
quasi totalita della
potenza compresa tra
10 Hz e 300-400 Hz.
Strumentazione e tecniche di registrazione
Essendo il segnale elettromiografico di piccola ampiezza (100.000 volte più
piccolo della tensione elettrica di una normale batteria), nei moderni
elettromiografi sono inserite sia una sezione d'amplificazione sia una sezione
di post-elaborazione del segnale..
Poter disporre del segnale in forma digitale offre il vantaggio di semplificare
notevolmente l'esecuzione delle diverse elaborazioni, nonché di poterlo
archiviare per successivi utilizzi.
L'utilizzo di elettrodi di superficie semplifica sensibilmente le operazioni di
prelievo del segnale e, unitamente alla non-invasività della tecnica, rende
possibile l'effettuazione di registrazioni sia in condizioni di sforzo sia statico che
dinamico, ad esempio durante l'esecuzione di esercizi o gesti funzionali.
Tuttavia è importante ricordare che, avendo il segnale registrato un'ampiezza
inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente, le
UM di cui è possibile registrare l'attività sono quelle situate entro un raggio
massimo di 15 mm dagli elettrodi. Inoltre, la quantità di tessuto interposto tra
la sorgente e gli elettrodi può attenuare le componenti ad alta frequenza del
segnale, solitamente in modo proporzionale alla "profondità" dell'UM.
Lezione 1
4
Frequenza media e frequenza mediana:
sono parametri spettrali definiti come i descrittori statistici della distribuzione
in frequenza delle componenti del segnale e vengono impiegati
principalmente nello studio della fatica muscolare
Lezione 1
5
Velocità di conduzione delle fibre muscolari:
questo parametro rappresenta la velocità media alla quale il PUM si sposta
lungo la fibra muscolare e deve essere misurato con un'apposita
strumentazione ed in condizioni di contrazione muscolare indotta
elettricamente. Viene usato insieme ai parametri spettrali per la
quantificazione
dei fenomeni di fatica muscolare.
Lezione
1
6
SOFTWARE
Load cell signals (pre and post)
sEMG signals (pre and post)
Power Spectrum
Average Rectified Value
(vs. Time)
Esempio di applicazione in campo ergonomico:
studio di sedie per ufficio
• Definizione di un protocollo per la valutazione del comfort di sedie
per ufficio e dei materiali impiegati per realizzarle.
• Scelta di parametri oggettivi, rilevabili attraverso misure univoche e
ripetibili, che possano essere indice di comodità di un oggetto.
Problematiche principali
• Individuazione di variabili con cui descrivere il sistema utente-prodotto
inserito nel particolare contesto in cui il prodotto viene utilizzato.
Comfort di una sedia da ufficio:
possibile definizione
• Valutazione dei possibili disagi causati da una
seduta non confortevole.
Cosa è emerso:
– una sedia scomoda provoca quasi sempre
fastidi muscolari, localizzati soprattutto a
livello lombare e delle spalle.
Confronto fra una sedia ergonomica ed una
comune sedia per ufficio
• Ad un gruppo di 9 volontari
sani (6 donne, 3 uomini) di età
compresa fra i 18 e i 31 anni è
stato chiesto di eseguire una
serie di prove durante le quali
sono stati raccolti i dati relativi
all attività dei muscoli trapezi
e lombari.
Prove
• Prova di affaticamento
• Prova di scarico tonico su sedia, durante un attività di
videoscrittura
Elaborazione dei dati raccolti
• Si è posta l attenzione sull ARV (valore medio
rettificato) dei segnali relativi ad ogni prova. Tale
parametro è stato preso in considerazione quale indice
di attività muscolare.
• Si è calcolata la differenza fra l ARV relativo alla prova
affaticamento e l ARV relativo alla seduta.
• Si è poi valutato l’Indice di Riposo come inverso dell’ARV
Risultati
INDICE DI RIPOSO - MUSCOLI LOMBARI
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Standard
Ergonomica
LOMBARE SX
LOMBARE DX
INDICE DI RIPOSO - MUSCOLI TRAPEZI
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Standard
Ergonomica
TRAPEZIO SX
TRAPEZIO DX
Risultati
• I sedili con gel risultano meno affaticanti
dei sedili con schiuma poiché l’ARV è più
basso (ovvero l’indice di riposo è più alto)
e permettono un migliore controllo
posturale.
Distribuzione della pressione durante la
camminata
Centro di Gravità e COP
CG: Definito come la posizione del baricentro del corpo
COP: Definito come il punto di applicazione della forza
risultante scambiata tra piede e suolo.
Il movimento del COP varia in relazione al movimento del CG e alla
distribuzione della forza muscolare richiesta per controllare o
produrre un movimento
L andamento della componente verticale
delle forze di reazione al suolo si modifica
con la velocità di progressione del passo.
Studio della distribuzione delle pressioni
plantari
• Sistema di baropodometria Pedar-X System
(Novelgmbh, Munich, Germany).
Bluetooth
Unità di acquisizione
Sensori
Software Pedar (Pc dotato
di modulo BT)
Solette
• Matrici di sensori disposti in righe
e colonne.
• Il punto di intersezione tra una riga
e una colonna costituisce il
sensore capacitivo
Principio di funzionamento
• Il segnale elettrico Ue viene applicato alle
colonne
• Ue viene trasmesso attraverso il materiale
dielettrico e ricevuto dalle righe (Ua).
• L ampiezza del segnale ricevuto Ua dipende
dalla distanza tra le righe e le colonne
• La pressione applicata al sensore modifica la
distanza tra righe e colonne
• Misurando l ampiezza di Ua (grandezza
elettrica) si può risalire al valore della pressione
(grandezza fisica) esercitata sul sensore
Distribuzione delle pressioni plantari
Mappa delle pressioni plantari
• Permette di conoscere le aree di maggior carico
durante una camminata/corsa. Per codificare i
diversi livelli di pressione viene utilizzata una
scala di colori.
Centro di Pressione (COP)
• COP: base del vettore che rappresenta
la componente verticale delle forze di
reazione al suolo.
Novel s tools
Novel s tools
STUDIO ERGONOMICO SULL EFFICACIA
DI NUOVE TECNOLOGIE NELLE CALZATURE
• 5 soggetti (femmine):
– Età: 20 - 50:
– Peso medio: 55 kg (± 5)
– Altezza media: 165 cm (±5)
• Soggetti senza patologie che interessino
l’attività deambulatoria
Protocollo
• Ad ogni soggetto è
richiesto di camminare a
velocità normale lungo un
corridoio di circa 10 m.
• Per ogni modello di
calzatura (con tecnologia
e senza tecnologia)
vengono eseguite 5
camminate.
• Prima di ogni misura, il
soggetto esegue alcune
camminate per prendere
familiarità con le
calzature e la
strumentazione.
Tecnologia A
•
E possibile notare come la pressione esercitata durante la fase di attacco al
suolo sull area calcaneare è notevolmente inferiore nel caso di camminata con
scarpa dotata di tecnologia A . In questo caso l area di colore rosso viene
sostituita da un area di colore giallo, indice di pressione minore. Contrariamente
non si vedono effetti significativi durante la fase di spinta sulla zona delle teste
metatarsali e sull alluce.
Tecnologia “B” (scarpa con tacco)
•
•
•
È interessante notare come ci sia una ridistribuzione dei punti di maggior pressione
tra i dati acquisiti durante camminate con scarpa dotata di tecnologia e camminate
con scarpa senza tecnologia.
Si può concludere che la tecnologia utilizzata agisce non tanto nel diminuire in
assoluto la pressione esercitata ma piuttosto nel ridistribuirla in aree diverse.
Durante la camminata con scarpe con tacco le aree di maggior pressione sono
quelle dell avampiede. In questo caso la tecnologia aiuta a caricare maggiormente
il tallone alleggerendo la zona delle teste metatarsali.
Valutazione dei plantari tecnologici
Plantas
• Studio della distribuzione delle pressioni plantari
Strumentazione per lo studio della
distribuzione di pressioni
• Sistema Pliance-X System per la rilevazione di pressioni.
• Non solette, ma matrici di sensori di dimensioni e forme diverse.
Studio della distribuzione delle
pressioni su selle per bicicletta
STUDIO ERGONOMICO DI VEICOLI COMMERCIALI:
MAPPE DI PRESSIONE ALL INTERFACCIA PILOTASEDILE
Movimenti oculari
