Caratteristiche del segnale EMG

Sistemi di elaborazione delle informazioni
Misura di forze esterne
Ing. Marta Gandolla
[email protected]
1 . Dinamometro a molla
Se si tirano le estremità di una molla, essa si allunga.
Maggiore é la forza applicata sulla molla,
maggiore é la tensione da essa esercitata,
maggiore risulta il suo allungamento.
𝑭∝𝑻∝𝒙
Elemento costitutivo - elemento di materiale elastico la cui deformazione
fornisce l’entità della forza applicata
Legge di Hooke
𝑭=𝒌∗𝒙
x – spostamento
k – costante elastica della molla
si applica la forza sconosciuta all’elemento elastico, si misura di quanto si
deforma e si risale all’entità della forza
2 . Dinamometro con sensore piezoelettrico
Elemento costitutivo - elemento di materiale piezoelettrico. La
compressione o trazione di un materiale piezoelettrico genera una
tensione differenziale ai capi dello stesso
La carica viene rilevata, amplificata e trasformata in segnale digitale
3 . Dinamometro ad estensimetro
Elemento costitutivo – resistore elettrico. Il resistore viene applicato su un
materiale deformabile. La deformazione del materiale sottostante
(sopporto) il resistore varia il suo valore.
Struttura delle pedane
Pedana a matrice di sensori
Solette a matrice di sensori
Pedana di forza
Sistemi di elaborazione delle informazioni
Elettromiografia - EMG
http://www.youtube.com/watch?v=k0uSpYd_Ics
Elettromiografia
Disciplina che si occupa di rilevare, analizzare ed utilizzare segnali
elettrici che sono emessi da muscoli in fase di contrazione
Un muscolo è composto da:
 Fasci di fibre muscolari
 Perimisio (membrana che avvolge
più fasci muscolari)
 fasci muscolari composti da:
 Fibre muscolari (cellule
muscolari)
 Endomisio (membrana che
avvolge più fibre muscolari)
Le fibre muscolari sono
l’elemento contrattile
La motor unit
 Ogni muscolo può avere più unità
motorie (motor units) per innervare
diversi tipi di fibre (e.g. veloci o lente)
 Ogni motot unit può innervare da 5 fino
a qualche centinaia di fibre muscolari
 La motor unit è la più piccola unità del
sistema nervoso centrale per il controllo
e lo sviluppo della forza muscolare.
Misura del segnale elettromiografico
 Amplificatore differenziale
 Input da due diversi punti del
muscolo:
 Vicini (1-2 cm)
 Elettrodi allineati con la
direzione delle fibre
muscolari (i.e. maggiore
probabilità di rilevazione
del segnale)
 Si sottrae il segnale rilevato da i
due elettrodi
 Si amplifica la differenza
Elettrodi
Invasivi
Di superficie
 Fine-wire (intramuscolari)
 Bipolari (wired o wireless)
 needle
 Array di elettrodi
Elettrodi di superficie
Vantaggi
 Semplici e veloci nell’applicazione
 Non è richiesta una certificazione, né la presenza di personale
specializzato per l’applicazione
 Minimo fastidio
 Semplicità di riposizionamento
Svantaggi
 Utilizzati solo per muscoli superficiali
 Problemi di cross-talk
 Posizionamento non standardizzato
 Possono influire sui movimenti del soggetto
Elettrodi fine-wire
Vantaggi
 Alta sensitività
 Possono rilevare l’attività di una singola motor unit
 Accesso alla misura di muscoli profondi
 Solo marginali effetti di cross-talk
Svantaggi
 Sensitività troppo elevata
 Richiedono personale specializzato per l’applicazione
 Il riposizionamento è estremamente difficoltoso
 L’attività registrata non riflette necessariamente l’attività del
muscolo nel suo complesso
Qualità del segnale elettromiografico
La qualità del segnale elettromiografico determina l’utilità delle
informazioni estratte dal segnale
E’ di massima importanza massimizzare la qualità del segnale
acquisito
La qualità del segnale EMG dipende da:
 Posizionamento degli elettrodi/sensori
 Caratteristiche degli elettrodi/sensori
 Interfaccia pelle-elettrodo
 Cross-talk tra muscoli
 rumore
Possibili fonti di rumore
1. Rumore fisiologico – ECG, EOG, segnali respiratori, etc.
Possono essere ridotti da un corretto posizionamento degli elettrodi
(posizionamento e orientamento)
2. Rumore ambientale – disturbi da linea di alimentazione (50 Hz)
Rimossa dall’amplificazione differenziale
3. Rumore di base – rumore elettro-chimico (interfaccia elettrodi-pelle)
Ridotto da un’accurata preparazione della pelle
4. Artefatto da movimento – movimento degli elettrodi rispetto alla pelle
Ridotto da un’accurata preparazione della pelle, corretto posizionamento e
fissaggio degli elettrodi e filtraggio
Possibili fattori di influenza del segnale
 Fattori geometrici e anatomici
– Grandezza degli elettrodi
– Forma degli elettrodi
– Distanza tra gli elettrodi e I tendini/giunzioni muscolari
– Spessore della pelle e grasso sub-cutaneo
– Non-allineamento tra gli elettrodi e le fibre muscolari
 Fattori fisiologici
– Temperatura e flusso sanguigno
– Tipo e livello di contrazione
– Velocità di conduzione delle fibre muscolari
– Numero di motor unit
– Grado di sincronizzazione delle motor unit
Caratteristiche del segnale EMG
 Range di ampiezza – 0-10 mV
prima dell’amplificazione
 Frequenza – 10-500 Hz
 Energia dominante - 50-150 Hz
 Picco - nelle vicinanze di 80-100 Hz
 Frequenza caratteristica di fibre lente
75-125 Hz
 Frequenza caratteristica di fibre veloci
125-250 Hz
A quali domande potrebbe rispondere un segnale EMG?
 Se un muscolo è attivo o no durante un movimento
 La tempistica di attivazione muscolare (fasi ON/OFF) di un muscolo
durante un’attività motoria
 Relazione di fase tra diversi muscoli durante un’attività (cocontrazioni, strategia motoria, etc.)
 Il pattern di attivazione muscolare riflette l’acquisizione di una
capacità motoria
 Sinergie motorie
 Percentuale di attivazione del singolo muscolo
 L’aumento del segnale EMG riflette un affaticamento muscolare
Analisi del segnale EMG
 Ampiezza e frequenza
 Aumento delle motor unit  maggiore attivazione muscolare
 Cambio nella frequenza di sparo  cambio di frequenza (NB –
frequenza singola fibra vs attivazione asincrona)
 Variabili principali:
» Ampiezza picco-picco (p-p)
» Ampiezza media del segnale rettificato
» Root mean square (RMS)
» Inviluppo lineare
» Integrale del segnale
1. Ampiezza picco-picco
• Descrizione immediata del segnale EMG
Calcolata come ampiezza tra il picco negativo e quello positivo
2. Ampiezza media del segnale rettificato
• Il segnale EMG contiene picci negativi e picchi positivi
• Segnale rettificato – tutti I valori negativi sono convertiti a
positivi
𝐸𝑀𝐺(𝑡) = 𝐸𝑀𝐺 𝑡
3. Root mean square
Somma dell’ampiezza del segnale al quadrato sotto radice in un
intervallo temporale
𝑅𝑀𝑆 =
𝐸𝑀𝐺 𝑡 = 𝑡1 + 𝐸𝑀𝐺 𝑡 = 𝑡2 +. . +𝐸𝑀𝐺(𝑡 = 𝑡𝑛 )
𝑛
4. Inviluppo lineare
Il segnale EMG è filtrato passa-basso (3-50 Hz) su tutto il segnale
rettificato (vedi sessione sperimentale)
3. Integrale del segnale EMG
Somma dell’attività totale lungo un intervallo temporale (area sottesa
alla curva)
𝐼=
𝑡=𝑡2
𝑡=𝑡1
𝐸𝑀𝐺(𝑡)
Analisi del segnale EMG – dominio della frequenza
Trasformata Fast Fourier Transform (FFT):
 Densità spettrale
 Potenza media di frequenza
 …
EMG – confronto intra-individuale
Verificare la variazione di performance di un muscolo in un singolo
soggetto
 Durante sessioni separate senza rimuovere gli elettrodi
 In diverse sessioni di acquisizione (ATTENZIONE!)
1. Confrontare il contributo relativo di un muscolo ad un compito
motorio
2. Determinare la tempistica di attivazione di un muscolo (intervalli
on/off sul segnale rettificato)
3. Identificazione di pattern di attivazione tipici di un compito
motorio
EMG – confronto inter-individuale
Diversi soggetti avranno muscoli con:
 Diversa massa muscolare
 Diversa lunghezza/geometria del muscolo
 Diverso rapporto tra fibre veloci e lente
 Diverse strategie di reclutamento
 Diverse frequenze di lavoro
PRIMA DEL CONFRONTO TRA DIVERSI SOGGETTI E’
NECESSARIA UNA NORMALIZZAZIONE
Normalizzazione
RAPPORTO/CALIBRAZIONE RISPETTO AD UN SEGNALE DI
RIFERIMENTO:
 Contrazione volontaria massimale in condizioni isometriche
 Contrazione volontaria massimale durante un compito motorio
funzionale
 Attività basale
LIMITE:
Variabilità nella generazione della forza massimale e dell’attività
basale
DAL SEGNALE NORMALIZZATO E’ POSSIBILE:
 Confrontare il contributo di un muscolo in diversi soggetti
durante contrazioni statiche o dinamiche
 Confrontare il contributo relativo di diversi muscoli un diversi
soggetti durante contrazioni statiche o dinamiche
 Determinare la tempistica di attivazione del muscolo (dal
segnale rettificato)
 Attività in diverse sessioni di acquisizione (anche del singolo
soggetto)
Uso dell’EMG come segnale di forza
NON SEMPRE VERO….
Relazione lineare forza-EMG
Relazione ampiezza EMG/intensità di contrazione muscolare
• L’ampiezza dell’EMG cresce al crescere della contrazione
• MA non è una relazione lineare
Relazione non-lineare tra l’ampiezza del segnale EMG e
l’intensità di contrazione
Gait analysis - Che cosa si misura?
 CINEMATICA – descrizione quantitativa del moto di uno o più corpi

DINAMICA (FORZE ESTERNE) – studio delle forze e dei momenti angolari che
causano il moto di uno o più corpi (e.g. scambio di forze del corpo con il
terreno)

DINAMICA (FORZE INTERNE) – studio della forza sviluppata dal singolo
muscolo per concorrere al movimento di uno o più corpi
FORZE ESTERNE
studio delle forze e dei momenti angolari che causano il moto di uno o più
corpi
FORZE INTERNE
studio della forza sviluppata dal singolo muscolo per concorrere al
movimento di uno o più corpi
Il sistema è formato dall’intero corpo inteso come catena
cinematica che scambia forze con l’ambiente esterno
FORZE ESTERNE
A.
B.
Forze di gravità
Reazioni applicate dal
suolo
FORZE INTERNE
A.
Forze muscolari
Esame della velocità di conduzione delle fibre nervose
Onda M (M-wave) – attività sincrona di tutte le fibre muscolari in
seguito ad uno stimolo elettrico
Risposta EMG
Stimulus artifact
M-wave
Volts
Latency
msec
H-reflex