Università di Roma La Sapienza
Corso di Elaborazione di Dati e Segnali Biomedici 1
Facoltà di Ingegneria Civile ed Industriale
Il segnale elettromiografico
Ingegneria Clinica
A.A. 2016-2017
Francesco Infarinato, PhD
Laboratorio di Bioingegneria della Riabilitazione
IRCCS San Raffaele Pisana
www.sanraffaele.it
[email protected]
www.infarinato.it
Sommario
•
•
•
•
•
•
Richiami di anatomia e fisiologia muscolare
Segnale elettrico muscolare
Elettromiografia ad ago e di superficie
Parametri globali del segnale EMG
Fenomeni di fatica mioelettrica
Velocità di conduzione media delle fibre
muscolari
2
Richiami di anatomia e fisiologia
• Cellule eccitabili
• Potenziale a riposo e potenziale di azione
• Struttura delle fibre muscolari
– Fisiologia della contrazione muscolare
– Motoneuroni – unità motorie
– Strategie di modulazione della forza
• Principio del reclutamento
• Fenomeni di fatica muscolare
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Membrana Cellulare
• Composta di molecole fosfolipidiche e proteine
• Presenta canali di ingresso-uscita
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Equazione di NERNST
RT [ K +]ext
Vi =
ln
zF
[ K +] int
Equazione di Goldman-Hodgkin-Katz
RT Pk [K +]ext + PNa[ Na+]ext + PCl [Cl−]int
Vm =
ln
zF Pk [K +]int + PNa[ Na+]int + PCl [Cl−]ext
R=Costante universale degi GAS (8314.9 J/Kg.Mol.K)
Z=valenza dello ione
T=Temperatura assoluta °K
F=costante di Faraday
Pi=permeabilità della membrana cellulare allo ione I
[]ext=concentrazione esterna
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Cellule eccitabili
• Sono le cellule che
posseggono canali
voltaggio/chemio
dipendenti all’interno
della loro membrana
In condizione di non eccitazione, il
canale è CHIUSO
Un impulso elettrico o chimico causa
l’apertura del canale, consentendo il
passaggio di ioni attraverso la membrana
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• Lo stato dei canali voltaggio-dipendenti
influenza la permeabilità della cellula al
passaggio di alcuni ioni.
La cellula eccitabile presenta un potenziale non
nullo se misurato rispetto all’esterno
La variazione di permeabilità comporta un trasporto di
cariche al passare del tempo, ovvero una corrente.
La perturbazione dello spazio causata da questo flusso di
corrente può essere misurata.
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Potenziale di Azione
• Uno stimolo chimico interessa una porzione della
membrana
• L’effetto si propaga nelle porzioni limitrofe dando
luogo a una progressiva depolarizzazione dell’intera
membrana (conduzione continua).
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Muscolatura Scheletrica
• I muscoli scheletrici sono
responsabili del
movimento volontario
• Rappresentano il 45% del
tessuto muscolare
complessivo presente
nell’organismo
• Sono collegate al SNC
tramite le giunzioni
neuromuscolari
(Innervation Zones, IZ)
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Anatomia delle fibre muscolari
•Ventre muscolare
•Fibra muscolare
•Miofibrilla
•Sarcomero
•Proteine contrattili e di
controllo
10
Anatomia della fibra muscolare
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Sarcomero
• È l’unità funzionale atomica del movimento
• Contiene le proteine contrattili e quelle di controllo
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Proteine del sarcomero
• Miosina-> filamento spesso
• Actina->filamento sottile
•Troponina
•Tropomiosina
} Contrattili
}Di controllo
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Fisiologia della contrazione muscolare
• Teoria dei filamenti scorrevoli
– La contrazione avviene per lo scorrimento delle
molecole di miosina su quelle di actina grazie
all’energia fornita dall’ATP (adenosin tri fosfato)
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Teoria dei filamenti scorrevoli 1/3
In condizioni di riposo le cisterne del
Calcio sono chiuse e actina e miosina
non possono legarsi
Quando arriva un potenziale di
Azione le cisterne si aprono, il Ca2+ si
lega alla troponina liberando il sito
attivo dell’actina su cui si attacca la
testa della miosina.
15
Teoria dei filamenti scorrevoli 2/3
…Il legame tra calcio e troponina causa una
modificazione nella forma della tropomiosina
che consente la formazione del legame tra
Actina e miosina
Una molecola di ATP legata alla testa
della miosina fornisce l’energia
necessaria alla rotazione della stessa,
facendo perno sul filamento sottile e
liberando un fosfato inorganico
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Teoria dei filamenti scorrevoli 3/3
L’ADP viene rilasciato e una nuova
molecola di ATP si lega alla miosina; la
testa della miosina si stacca dall’actina
La molecola di ATP appena legata
viene scissa in ADP+P e il sistema è
pronto per un nuovo ciclo.
Se nel sarcoplasma è presente ancora
Ca2+ la testa della miosina compie
un’altra traslazione sulla molecola di
actina
17
18
A monte…
• Impulso dal SNC
• Rilascio di acetilcolina a livello della placca di
innervazione
• Apertura delle cisterne del calcio
• Scorrimento delle proteine contrattili
CONTRAZIONE
19
Propagazione del PDA
• La depolarizzazione di una porzione del
sarcolemma causa una variazione di
permeabilità agli ioni delle porzioni ad esso
limitrofe, dando vita a un fenomeno di
conduzione continua
20
Modellizzazione del potenziale di azione
Il PDA muscolare si propaga lungo il sarcolemma come un tripolo elettrico
lungo una linea
www.lisin.polito.it
21
Tipi di fibre muscolari
• Diverse isoforme della catena pesante della
miosina (MHC)
• Diverse proprietà metaboliche, meccaniche e di
resistenza
Le proprietà dei diversi tipi di fibre muscolari, sono legate anche al motoneurone che le
innerva: è quindi corretto parlare anche di motoneuroni di tipo I e II
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Maggiore quantità di mitocondri,
maggiore vascolarizzazione->fibre
“rosse”
In particolare…
Metabolismo
dimensione
Velocità di contrazione
Resistenza
all’affaticamento
Velocità di conduzione
Tipo I (slow twitch
Tipo II (fast twitch
ST)
FT)
ossidativo
glicolitico
piccola
bassa
alta
bassa
grande
Segnale di ampiezza
inferiore
alta
Adatta a movimenti lenti e di
lunga durata bassa
alta
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Unità motoria
• L’insieme di un motoneurone e delle fibre da esso innervate
Ogni motoneurone innerva più fibre, ma ogni fibra può essere innervata da un solo
motoneurone
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Rapporto α-motoneurone/numero di fibre
• Il numero e il tipo di fibre muscolari di una unità
motoria in un muscolo ci danno indicazioni sulla sua
funzione
Muscoli oculomotori: 10
fibre per UM (regolazione
fine del movimento
dell’occhio..)
Quadricipite femorale:
10000 fibre per UM
(postura eretta, corsa,
camminata..)
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Sistemi di modulazione della forza
• Principio del reclutamento
• Regolazione della frequenza di scarica
• Attivazione coordinata di muscoli agonisti e
antagonisti
• Sinergie di gruppi muscolari
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Principio del reclutamento (size principle)
[Henneman 1977]
• Durante una contrazione il numero delle unità motorie attive
cresce al crescere della forza erogata e il reclutamento procede
ordinatamente dalle unità motorie più lente (e piccole) a quelle
più veloci (e grandi)
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Frequenza di scarica
• La frequenza di scarica delle
UM aumenta all’aumentare
della forza
• Da 80%MVC l’incremento di
forza è dovuto
ESCLUSIVAMENTE
all’aumento della frequenza di
scarica (il reclutamento è già
completo)
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Fatica
• Aumento dei prodotti catabolici
– Anidride carbonica (CO2)
– Ioni H+
• Diminuzione di ossigeno in seguito a
modificazioni geometriche del muscolo e dei
vasi che lo irrorano
• Diminuzione dei substrati energetici
– riduzione glicogeno muscolare
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Segnale elettromiografico
• Generazione del segnale (somma di MUAPT)
• Caratteristiche del segnale EMG
– Contenuto in frequenza
– EMG e unità motorie
– Segnale da singola fibra, volontario e stimolato
– Intervalli di stazionarietà
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Generazione del segnale EMG
Rappresenta la somma dei contributi dati dall’attività ASINCRONA delle unità
Motorie reclutate in un certo istante di tempo
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Contributo delle UM al segnale sEMG
•
•
•
•
Dimensione delle fibre attive
Quantità di fibre per UM
Distanza dal punto di prelievo
Presenza di disomogeneità del tessuto
interposto
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Caratteristiche del segnale EMG
Ampiezza
50µV÷5mV
Contenuto in frequenza
10÷450Hz
Intervallo di stazionarietà
500÷1000ms in condizioni
isometriche
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Elettromiografia
• Sensori per il prelievo del segnale (di profondità e di
superficie)
• Modalità di prelievo
– Monopolare
– Singolo differenziale
– Doppio differenziale
• Elettromiografo
• Conversione analogico-digitale
– Contenuto in frequenza ricostruzione del segnale
• Differenze fra segnale intramuscolare e di superficie
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Elettrodi per EMG
Needle EMG electrode
PRO
CONTRO
Segnale meno
rumoroso
Tecnica invasiva
Posizionamento
Maggiore
contenuto nelle alte elettrodo doloroso e
frequenze
scomodo
Mostra le proprietà locali del muscolo in
esame
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Elettrodi per EMG
PRO
CONTRO
Facile
applicazione e
riposizionamento
Segnale filtrato dal
grasso subcutaneo
Non invasiva
Risente
maggiormente
degli artefatti da
movimento
Fluttuante
Attivo
(aplificatore
on board)
Fornisce informazioni globali sul
muscolo in esame
Schiera lineare
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Elettromiografo
Accoppiamento
optoelettronico o induttivo
Seconda amplificazione
Elettrodo
Blocco di
filtraggio
Prima
amplificazione
CPU
RAM
M
U
X
A/D
Converter
HDD
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Modalità di prelievo del segnale EMG
-1
Monopolare
+1
1
-1
+1
-1
+1
Doppio differenziale
DD1
-1
SD
+1
-1
-1
+1
DD2
+1
-1
+1
SD
Singolo differenziale
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Condizionamento del segnale: filtraggio
Notch
(band-stop 49÷51Hz)
HighPass (10Hz)
LowPass (500Hz)
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Parametri globali del segnale EMG
• Grandezze caratteristiche del segnale EMG
– RMS, ARV, MDF, MNF: tipi di fibre e fatica
mioelettrica
– Velocità di conduzione media delle fibre muscolari
– RQA %DET, sincronizzazione e determinismo
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Parametri nel tempo
T /2
1
ARV =
| v(t ) | dt
∫
T −T / 2
1
N
N 2
∑| x
n=− N 2
n
|
Average Rectified Value
T /2
1
2
RMS =
v
(t )dt
∫
T −T / 2
1
N
N 2
2
x
∑ n
n=− N 2
Root Mean Square
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Parametri in frequenza
∞
MDF=
1
2
∫ P ( f )df =
1
2
M0
Median Frequency
0
∞
MNF=
∫ fP( f )df / ∫ P( f )df = M / M
1
0
Hz
∞
0
Mean Frequency
0
Forza (unità arbitrarie)
80%MVC
isometrica
MDF
sec
42
Isometrica BB 80%MVC
sEMG
MDF
T=1s
T=32s
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Il concetto di velocità di conduzione (CV)
10 mm
2
MUAP PROPAGATION
1
0
∆t = 2ms
-1
-1
MFCV = 5ms
sEMG Amplitude [mV]
s
V =
t
Canali EMG
Nota la distanza tra due punti di prelievo, è
possibile stabilire la velocità di
propagazione del segnale elettromiografico
noto il tempo necessario a passare da un
punto di prelievo all’altro
-2
0.114
0.116
0.118
EMG Ch1
EMG Ch 2
0.120
0.122
0.124
0.126
0.128
0.130
Time [s]
Tempo
44
0.132
Problematiche aperte
• Perché stimare la CV?
• Come stabilire con (ragionevole) certezza se
l’evento osservato nei due punti è lo stesso?
• Quali sono le principali strategie
implementative per stimare la CV?
• CV e configurazioni elettrodiche
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Tecniche di analisi non-lineare
•Gli esponenti di Lyapunov
Sono in numero pari alla dimensione di embedding d e forniscono:
•Misura della caoticità di un sistema, intesa come sensibilità
rispetto alle variazioni delle condizioni iniziali
•Misura della convergenza o divergenza delle traiettorie
ottenute congiungendo i punti dello spazio delle fasi
corrispondenti all’evoluzione temporale del sistema.
Se si considerano gli esponenti ordinati in maniera decrescente, è
sufficiente che il primo esponente L1 sia positivo per affermare che la
serie numerica in esame è caotica (con un grado di caoticità
proporzionale ad esso).
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Tecniche di analisi non-lineare
•L’analisi delle ricorrenze ed il determinismo
La R.Q.A. (Recurrence Quantification Analysis) è una tecnica
matematica proposta da Webber e Zbilut della Loyola University di
Chicago. In particolare ha ottenuto successo nell’analisi di segnali
caotici.
Avendo riscontrato che il segnale elettromiografico di superficie (e il
sistema che lo genera) è caotico abbiamo scelto di analizzarlo
servendoci proprio della R.Q.A.
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