G Ital Med Lav Erg 2011; 33:3, Suppl, 226-229
http://gimle.fsm.it
© PI-ME, Pavia 2011
ISSN 1592-7830
F. Draicchio, A. Silvetti, A Ranavolo
Il contributo dell’elettromiografia di superficie (sEMG)
alla valutazione del rischio biomeccanico nelle attività industriali
INAIL formerly ISPESL, Dipartimento di Medicina del Lavoro, Via Fontana Candida 1 -00040 Monte Porzio Catone (RM)
RIASSUNTO. Scopo del lavoro è quello di mostrare quali
possibilità e prospettive di utilizzo vi sono
dell’elettromiografia di superficie (sEMG) nel campo della
valutazione del rischio da sovraccarico biomeccanico, anche
attraverso lo studio degli indicatori elettrofisiologici della
fatica muscolare. Nel lavoro verranno presentate a titolo
esemplificativo applicazioni della sEMG alla valutazione del
rischio da sovraccarico biomeccanico in ambito industriale.
ABSTRACT. HOW SURFACE ELECTROMYOGRAPHY (SEMG) CAN
HELP IN BIOMECHANICAL RISK ASSESSMENT IN INDUSTRIAL WORK.
Observational information on muscle activity is related to sEMG
activity expressed as a percentage of the maximum voluntary
contraction (MVC). This is the case for the Garg and Moore
Strain Index and the Hand Activity Level (HAL) proposed by the
ACGIH. This latter involves the assessor recording the levels
of MVC in 10% intervals. This degree of sensitivity certainly
calls for the use of surface electromyography (sEMG) rather
than just observation.
Furthermore sEMG signal can contribute to assess muscle
fatigue and force with the modern instruments for signal
frequency analysis; earlier limitations have been overcome
and dynamic assessment can now be done.
Key words: Surface EMG, sEMG-force relationship,
biomechanical risk assessment.
1. Introduzione
Nell’ambito della valutazione del rischio da sovraccarico biomeccanico possiamo avere un approccio graduato
quanto si vuole a partire dal rilievo della soggettività, ai
metodi osservazionali fino a giungere alle misure dirette.
I molto diffusi strumenti di raccolta della soggettività e/o
quelli osservazionali presentano il vantaggio di una certa
facilità di utilizzo e di un relativamente basso costo, ma
anche lo svantaggio di una non sempre sufficiente riproducibilità, sensibilità ed accuratezza. Lo studio dell’attività elettromiografica consente innanzitutto di definire il
“timing” di attivazione dei diversi muscoli attraverso opportune misure volte a definire “onset” ed “offset” dell’attività. Ciò permette, tra l’altro, lo studio della relazione di fase fra muscoli diversi per indagare le sinergie e
l’attività di muscoli agonisti ed antagonisti. Molti utili
elementi di analisi possono venire anche dallo studio
delle relazioni di fase delle attivazioni in relazione all’assetto posturale o all’interno del ciclo. Per quanto riguarda
la quantificazione dell’ampiezza dell’attività si è giunti
attraverso le procedure standardizzate di normalizzazione
(Linee Guida SENIAM, 1993) ad una molto precisa definizione dell’ampiezza. Di seguito vengono presentati i
metodi utilizzati per il prelievo e l’analisi del segnale, i
molti parametri che possono essere ricavati e le prospettive di utilizzo del segnale eletromigrafico di superficie in
Medicina del Lavoro.
2. Materiali e metodi: le tecniche di prelievo e di elaborazione
del segnale elettromiografico di superficie
Gli elettrodi vengono posizionati sulla cute e il segnale
prelevato viene trasferito mediante dei cavi sottili all’unità
centrale. Oggi è possibile utilizzare anche sistemi senza
fili. Tali sistemi facilitano l’utilizzo della sEMG in Medicina del Lavoro ed in Ergonomia.
Gli elettrodi usati per le registrazioni della sEMG sono
dei dischi in plastica con al centro un disco metallico con
un elettrolita, ricoperti preventivamente da un gel conduttore per minimizzare l’impedenza di contatto fra la cute e
l’elettrodo. Il prelievo bipolare mediante un apposito sistema di amplificazione consente di ridurre i disturbi, che
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si presentano in maniera sincrona nella zona di prelievo
aumentando il rapporto segnale/rumore.
L’elettromiografia di superficie non è invasiva. Il soggetto dal quale si registra può seguire la naturale strategia
motoria. Abbiamo quindi la possibilità di registrare l’attività elettromiografia durante il movimento nel corso dell’attività lavorativa e di usare il segnale EMG per la valutazione del rischio biomeccanico.
La Fgura 1 e la Figura 2 rappresentano un esempio di
utilizzo della sEMG nella valutazione del rischio biomeccanico nel corso di un’attività di lavoro svolta in un’industria tessile. La Figura 1 rappresenta in particolare la registrazione della sEMG dalla muscolatura del tronco inclinato sul piano frontale ed in torsione e la Figura 2 rappresenta in particolare, in proiezione laterale, la registrazione
dalla muscolatura dell’arto superiore. In entrambe le immagini sono visibili anche i markers per il rilievo del segnale cinematico.
Figura 1. L’immagine mostra un’operatrice impegnata al lavoro con una macchina tessile durante la registrazione dell’attività elettromiografia dalla muscolatura paravertebrale
e da quella degli arti superiori. Sono ben visibili gli elettrodi di registrazione connessi con una piccola centralina posta
sul fianco destro della lavoratrice
Figura 2. L’immagine mostra un particolare dell’attività già
illustrata in Figura 1. Oltre agli elettrodi per la registrazione
della sEMG dalla muscolatura del braccio, sono visibili i
markers per l’analisi cinematica
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Tuttavia con la sEMG si possono investigare solo i
muscoli più superficiali. Ne è inoltre sconsigliato l’uso per
i muscoli troppo piccoli. Va evitato il rischio che si determini il cosiddetto fenomeno del cross-talk, cioè la registrazione del segnale da più muscoli fra loro vicini.
Se con un peso in mano si flette lentamente il gomito,
il bicipite scorre sotto la pelle e si sposta rispetto agli elettrodi di superficie anche di 1 o 2 centimetri. Quando il muscolo si sposta rispetto agli elettrodi si posso registrare
delle variazioni dell’attività elettromiografica, che non
corrispondono a delle vere modificazioni dell’attività elettrica muscolare (artefatti da movimento). Anche per
questo motivo sono state standardizzate, attraverso apposite linee guida, le posizioni in cui collocare gli elettrodi
per ridurre al massimo gli artefatti dovuti al movimento
della cute rispetto al muscolo.
La prima caratteristica che deve avere un elettromiografo di qualità è quella di avere un buon range dinamico.
Se il range dinamico dello strumento è di circa 10 volt ed
è di 5 millivolt il valore massimo del segnale EMG sull’elettrodo, ciò significa che il guadagno del sistema di amplificazione dovrà essere pari circa a 2000 (cioè il segnale
all’origine dovrà essere amplificato di circa 2000 volte).
Un buon elettromiografo deve avere un’adeguata risposta
in frequenza (cioè una buona capacità di far passare il segnale utile senza distorcerlo e dunque senza modificare le
sue diverse componenti in frequenza). Con le moderne interfacce analogico-digitali è poi molto importante la frequenza di campionamento (cioè il numero di prelievi del
segnale analogico, che vengono effettuati nell’unità di
tempo). La frequenza di campionamento deve essere almeno doppia della massima frequenza, che caratterizza il
segnale EMG. In caso contrario potremmo avere dei fenomeni di distorsione. Più aumentiamo la frequenza di campionamento più accuratamente riusciamo a ricostruire il
segnale.
L’obiettivo dei diversi passaggi del trattamento del segnale sEMG è quello di trasformare un’informazione così
complessa in un dato di semplice interpretazione.
Solitamente un’elaborazione di base relativa al tracciato elettromiografico grezzo consiste nel rettificarlo, integrarlo, filtrarlo e normalizzarlo rispetto al valore della
massima contrazione volontaria. La rettificazione consiste
nell’invertire di segno tutti i segnali negativi. L’integrazione consiste invece nella somma dei voltaggi in un determinato intervallo di tempo. Vi sono sistemi di integrazione in cui la finestra temporale entro la quale si deve
sommare i voltaggi è come se si spostasse continuamente
facendo si che il segnale integrato risulti più continuo. In
tali casi si parla di integrazione a finestra mobile. Queste
operazioni che prima dovevano essere eseguite con procedure di calcolo molto complesse oggi si fanno con semplici software.
Quando andiamo ad analizzare vari segnali elettromiografici anche se questi sono stati prelevati in momenti diversi dallo stesso soggetto, o ancora di più se sono stati registrati in soggetti differenti, è necessario introdurre una
procedura di normalizzazione. necessario cioè adottare un
riferimento, che è la massima contrazione volontaria
(MCV) di quel determinato muscolo di quel determinato
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soggetto. In questo modo diversi segnali elettromiografici
registrati in momenti diversi in uno stesso soggetto o in
soggetti diversi divengono fra loro comparabili.
3. I risultati dell’analisi del segnale
In origine il segnale EMG era considerato di tipo qualitativo, ora, grazie ai progressi della tecnica, riusciamo ad
ottenere delle misure di tipo quantitativo. Tra i parametri
che possiamo investigare abbiamo il range di ampiezza, il
valore medio del segnale grezzo, il valore medio del segnale rettificato e il valore efficace (cioè il valore RMS,
Root Mean Square). Vi è inoltre da considerare il contenuto in frequenza del segnale elettromiografico che è di
particolare utilità nello studio della fatica muscolare.
Tra gli elementi che vengono valutati, dopo che il segnale è stato opportunamente trattato, troviamo il timing
di attivazione muscolare, cioè la finestra temporale in cui
un determinato muscolo è attivo. È possibile in tal modo
valutare la relazione temporale che esiste fra l’attivazione
di diversi muscoli agonisti ed antagonisti in una determinata fase del ciclo di un’attività ripetitiva. Inoltre in modo
piuttosto semplice si può valutare in che percentuale un
determinato muscolo si attiva rispetto alla MCV dello
stesso muscolo. Possiamo anche avere informazioni sul
comportamento dei muscoli di coppia utilizzando ad
esempio gli indici di co-contrazione, che ci dicono in che
misura due muscoli di coppia si attivano simultaneamente.
Tale co-attivazione può essere posta in relazione con la rigidità del sistema articolare cui i due muscoli fanno riferimento.
La fatica muscolare può essere valutata attraverso lo
studio di parametri, che si riferiscono al dominio del
tempo (parametri di ampiezza e velocità di conduzione) e
al dominio della frequenza (frequenza media: MNF e mediana: MDF). L’utilizzo di questi parametri ai fini dello
studio della fatica muscolare è possibile soprattutto in
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condizioni di contrazione muscolare isometrica. In tali
condizioni infatti, il muscolo non modifica la sua lunghezza, la forza rimane pressoché costante e la posizione
relativa tra muscolo ed elettrodi di superficie non cambia.
In queste condizioni la metodica maggiormente utilizzata
per l’analisi del segnale nel dominio della frequenza è la
“short-time Fast Fourier Transform”. L’insorgere della fatica induce un incremento delle ampiezze ed uno spostamento dello spettro verso le basse frequenze (con una riduzione sia della MNF, che della MDF), con un conseguente incremento del valore medio (Average Rectified
Value, ARV) e del valore efficace (RMS) del segnale ed
infine con un decremento della velocità di conduzione
(conduction velocity, CV). In condizioni dinamiche, come
ad esempio nel corso di attività di movimentazione manuale dei carichi o di movimenti ripetuti dell’arto superiore, questi algoritmi non possono essere utilizzati. In
questi casi si utilizzano delle trasformazioni tempo-frequenza come la trasformata wavelet nella quale le componenti ad alta frequenza vengono analizzate con una maggiore risoluzione rispetto a quelle a bassa frequenza. La
trasformata wavelet è considerata tra gli indici più attendibili per lo studio della fatica muscolare.
Per quanto riguarda la valutazione della forza in uno
studio recente di Disselhorst e Klug (2009) sono state riassunte le complesse problematiche interpretative, che si riferiscono all’utilizzo del segnale elettromiografico per la
stima della forza muscolare. Particolari condizioni di registrazione rendono più agevole tale predizione, ad esempio
in condizioni isometriche. La Figura 3 rappresenta nel grafico sulla destra in ascisse la forza registrata ortogonalmente all’accelerazione gravitazionale ed in ordinate l’attività elettromiografia registrata dal muscolo bicipite, rappresentato schematicamente a sinistra del grafico.
Al termine della loro rassegna Disselhorst e Klug concludono comunque che, attraverso l’utilizzo di più moderne tecniche di analisi, il segnale ettromiografico può
rappresentare un buon predittore della forza muscolare.
Figura 3 (modificata da Vredenbregt J., Rau G., 1973). A sinistra disegno schematico del’assetto sperimentale. G rappresenta il vettore dell’accelerazione gravitazionale. Il grafico sulla destra rappresenta in ascisse sia la forza espressa in kp,
che la % della MCV ed in ordinate l’attività elettromiografia espressa in unità arbitrarie. Le curva rappresentano l’andamento
del’attività elettrica al variare della forza e come quest’ultima vada di pari passo con la % della MCV
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4. Conclusione
Se guardiamo ad alcuni strumenti attualmente utilizzati in Medicina del Lavoro ed Ergonomia vediamo che
spesso per quanto riguarda l’attività muscolare agli elementi di carattere osservazionale vengono riferiti livelli di
attività elettromiografica espressi come percentuale della
massima contrazione volontaria (MCV). Questo vale ad
esempio per lo Strain Index di Garg e Moore e per l’Hand
Activity Level (HAL) proposto dall’ACGIH. Per quest’ultimo indicatore si chiede al valutatore di discriminare livelli della MCV ad intervalli del 10% della stessa MCV.
Tali livelli di sensibilità consigliano certamente l’utilizzo
della sEMG piuttosto che la semplice osservazione.
Un’ulteriore prospettiva di particolare interesse in Medicina del Lavoro è rappresentata dalla possibilità di utilizzare il segnale sEMG per la valutazione della forza e della
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fatica muscolare attraverso i moderni strumenti forniti
dalle tecniche di analisi in frequenza del segnale che, superando precedenti limitazioni, offrono oggi la possibilità
di condurre la valutazione anche in condizioni dinamiche.
Bibliografia
Disselhorst-Klug C, Schmitz-Rode T, Rau G. Surface electromyography
and muscle force: Limits in sEMG-force relationship and new
approaches for applications. Clinical Biomechanics 2009; 24 225235.
Merletti R, Parker P. Electromyography: Physiology Engineering and
Noninvasive Applications. IEEE-Press, Wiley-Interscience, 2004.
Vredenbregt J, Rau G. Surface electromyography in relation to force,
muscle length and endurance. In: Desmedt JE. Ed. New
Developments in Electromyography and Clinical Neurophysiology,
vol. 1. Karger, Basel, 1973. 607-622.
Hermes H, Freriks B, Merletti R, et al. European recommendations for
surface ElectroMyoGraphy (SENIAM). Torino, CLUT Ed. 2000.
Richiesta estratti: Francesco Draicchio, INAIL formerly ISPESL, Occupational Medicine Department, Via Fontana Candida 1, 00040
Monte Porzio Catone (RM), Italy - E-mail: [email protected]
