L elettromiografia viene classicamente definita come la disciplina. che studia la funzione muscolare attraverso l analisi dell attività

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1 L elettromiografia viene classicamente definita come la disciplina che studia la funzione muscolare attraverso l analisi dell attività mioelettrica correlata alla contrazione. La definizione moderna più corretta è quella che intende l elettromiografia come l insieme delle tecniche di rilevazione, di elaborazione e di impiego del segnale mioelettrico. Il segnale mioelettrico è una manifestazione di tipo elettrico derivante dall attivazione muscolare associata alla contrazione, più precisamente dalle correnti ioniche che scorrono lungo le membrane delle fibre muscolari. Tali correnti sono conseguenti all attivazione del potenziale d azione che provoca l accorciamento della fibra muscolare e che causa quindi, sommando il contributo di più fibre, la contrazione del muscolo. Il segnale rilevato è quindi costituito da diverse componenti elementari che possono variare in funzione della geometria e del posizionamento degli elettrodi. Le componenti di base del segnale sono i potenziali di azione della singola fibra che poi si combinano temporalmente e spazialmente a creare i potenziali di azione dell unità motoria (MUAP), i relativi treni temporali di potenziali (MUAPT) e infine il segnale complessivo (EMG). Lo studio EMG permette di documentare la presenza di anomalie funzionali dei nervi, delle radici, dei muscoli o delle giunzioni neuro-muscolari (sindromi miasteniche). 8

2 Per il lavoro di tesi ho sviluppato un sistema di acquisizione, visualizzazione e elaborazione di segnali elettromiografici. L'interfaccia è stata progettata per permettere una facile interazione: visualizzazione, elaborazione ed analisi dei dati sono tutti a portata di mouse tramite semplici comandi. Percorsi guidati (wizard) seguono l'utente durante la fase di preparazione dell'acquisizione dei segnali elettromiografici, rendendo facili operazioni quali la selezione dei muscoli, la durata e la frequenza dell'acquisizione, i guadagni di amplificazione e il corretto posizionamento degli elettrodi. Il lavoro è stato articolato in due fasi successive: Progettazione e realizzazione di un sistema di acquisizione di segnali biomedici (ECG,EEG,EMG) Progettazione e realizzazione di un sistema di elaborazione e di analisi di un tracciato EMG La progettazione e realizzazione del un software di elaborazione e di analisi del segnale elettromiografico hanno richiesto lo studio approfondito del segnale, della sua sorgente biologica e delle varie patologie. Per comprendere meglio le problematiche relative l acquisizione dei segnali biomedici è stato inoltre necessario approfondire anche la conoscenza delle procedure di utilizzo del MATlab con particolare interesse per l applicativo Data Acquisition Toolbox, che consente di 9

3 pilotare l hardware di acquisizione, immagazzinare e gestire i dati acquisiti. Per la realizzazione di una interfaccia interattiva, poi, ho utilizzato un altro dei toolbox a disposizione con il Software Matlab l applicativo GUIDE che consente la costruzione di interfacce grafiche. I software di acquisizione e di elaborazione sono stati realizzati sulla base dell hardware e dei materiali messi a disposizione durante l attività di tirocinio. L obiettivo finale è stato quello di acquisire conoscenze di base sulla progettazione e sulla realizzazione di un sistema di acquisizione/elaborazione, utilizzando risorse di tipo elettronico ed informatico. L attività svolta ha condotto allo sviluppo di un prodotto finito per l acquisizione, l elaborazione e l analisi di segnali elettromiografici. Il software in questione è stato infine testato su segnali reali al fine di verificarne il corretto funzionamento. 10

4 Capitolo 1 Il Sistema Neuromuscolare 11

5 La forza e la velocità, due parametri prodotti dal muscolo scheletrico, sono alla base di qualsiasi movimento che l uomo compie. Apparentemente questi due parametri sembrano molto dissimili tra loro ma in realtà, essendo prodotti dallo stesso sistema, la dinamica della contrazione muscolare è la stessa: è la dimensione del carico esterno a determinare con quale velocità e forza deve essere spostato il carico. Il sistema che produce forza e velocità è definito sistema neuromuscolare. Esso è composto dal sistema nervoso, definito anche sistema neurale, e dalla parte muscolare o sistema miogeno. La contrazione volontaria del muscolo ha origine in un area ben definita del cervello, detta non a caso area motoria. L impulso nervoso poi, attraverso il motoneurone posto nel midollo spinale, raggiunge il muscolo attraverso una sinapsi che si realizza con l unità motoria. L impulso raggiunge la sua unità funzionale (placca motrice) e attiva il muscolo, per la precisione le fibre innervate, generando quelle traslazioni di filamenti proteici (actina e miosina) che sono alla basse della contrazione stessa. Quando la fibra muscolare viene raggiunta da uno stimolo nervoso infatti, i filamenti di actina e miosina che fanno parte di unità a se stanti all interno delle fibre muscolari dette sarcomeri, reagiscono formando il cosiddetto cross-bridge o ponte actomiosinico, per mezzo del quale i due 12

6 filamenti scorrono uno sull altro accorciando i sarcomeri e quindi il muscolo. La contrazione muscolare poi, per mezzo dei tendini, viene trasmessa alle ossa e determina tutti quei movimenti volontari e non che permettono all individuo di svolgere funzioni di vitale importanza quali la locomozione e il mantenimento della corretta postura. 1.1 Fisiologia dei muscoli I muscoli sono organi dotati di proprietà contrattile, sono cioè capaci di diminuire la loro lunghezza sotto l'influenza di uno stimolo, che giunge loro attraverso le vie nervose, e quindi di determinare un movimento più o meno complesso. Tutte le funzioni fisiche del nostro corpo implicano un attività muscolare. Tali funzioni comprendono i movimenti scheletrici, la contrazione del cuore, la contrazione dei vasi sanguigni, la peristalsi intestinale, e molte altre. Circa il 40-50% del peso totale dell'uomo (30-40% nella donna) è dovuto alla presenza del muscolo scheletrico, tessuto deputato ad almeno tre fondamentali funzioni. Movimento: volontario o automatico di parti del corpo e/o dell'intero organismo. Postura: mantenimento della posizione del corpo nello spazio. 13

7 Produzione di calore: necessario al mantenimento stabile della temperatura corporea. Vi sono tre diversi tipi di muscolatura responsabili di queste attività: - la muscolatura scheletrica permette all organismo di muovere parti di organi rispetto ad altre e di effettuare spostamenti nello spazio (locomozione) e serve al trasporto dei gas respiratori. - la muscolatura cardiaca serve per la circolazione sanguigna, mentre - la muscolatura liscia provvede alla motilità di determinati organi interni e dei vasi ematici. Questi tipi di tessuto muscolare si distinguono per numerose caratteristiche funzionali di notevole importanza. In ogni organismo vivente la locomozione, ovvero la capacità di movimento, si basa o sull iterazione tra proteine contrattili che richiedono il consumo di ATP, come miosine, con altre proteine, ad esempio l actina, oppure sulla polimerizzazione e sulla depolimerizzazione di astina e di tubolina. 14

8 Figura 1 Struttura e funzione dei muscoli La funzione della contrazione in un muscolo è resa possibile dalla contrazione di ciascuno degli elementi che lo compongono. La più piccola unità di contrazione è, all interno della singola fibra muscolare, il sarcomero, che contraendosi determina la contrazione di tutte le miofibrille della cellula. Le miofibrille, a loro volta, sono responsabili della contrazione della fibra muscolare, che segue la cosiddetta legge del tutto o nulla : cioè si contrae in modo completo oppure non si contrae affatto. Nell insieme, tutte le fibre che si contraggono determinano la contrazione del muscolo, osservabile direttamente. La possibilità di contrarre uno stesso muscolo con intensità diverse dipende dal fatto che le diverse fibre 15

9 che lo compongono sono raggruppate in unità motorie; in altri termini, le fibre di una stessa unità sono innervate dalle terminazioni provenienti da uno stesso motoneurone e, quindi, rispondono contemporaneamente e allo stesso modo soltanto agli stimoli provenienti da questo. In una contrazione poco intensa, solo determinate fibre muscolari vengono sollecitate. L intensità della contrazione aumenta all aumentare della velocità degli impulsi nervosi inviati attraverso le placche motrici. Quando gli stimoli nervosi giungono a grande velocità e per un periodo di tempo prolungato, si verifica lo stato di tetania, ovvero di massima contrazione, che può essere anche causato da particolari patologie (come l infezione da Clostridium tetani). Il tessuto muscolare può essere suddiviso in tessuto muscolare striato e liscio sulla base del comportamento mostrato dai suoi componenti cellulari nei confronti della luce passante. La maggiore o minore trasparenza riflette l organizzazione spaziale degli elementi contrattili, presenti nella cellula in esame. 16

10 Figura 2 a,b Schema tra neurone e fibre muscolari Il tessuto muscolare striato è caratterizzato dalla presenza di bande trasversali chiare e scure. Esistono due tipi di tessuto muscolare striato: scheletrico e cardiaco. Il tessuto muscolare striato scheletrico è volontario, cioè è condizionato e regolato dagli impulsi nervosi, che pervengono attraverso i nervi al muscolo e presiede ai movimenti dell organismo nell ambiente. Questo tessuto è innervato da neuroni (motoneuroni), il cui soma (vedi par. successivo) è alloggiato nel SNC. Il tessuto muscolare striato cardiaco si contrae invece autonomamente, cioè non solo al di fuori di qualsiasi stimolo volontario, ma anche di ogni stimolazione proveniente dal sistema 17

11 nervoso vegetativo che lo innerva e che esercita la sola funzione di regolarne la frequenza delle contrazioni. Figura 3 Filamenti di astina e miosina Il tessuto muscolare liscio è caratterizzato dall assenza di striatura ed è innervato da neuroni del sistema nervoso vegetativo, per cui si contrae indipendentemente dal controllo volontario. 18

12 1.2 Il Neurone : la cellula nervosa Il neurone è la cellula nobile del Sistema Nervoso, specificamente capace di ricevere, memorizzare e trasmettere informazioni. I nervi sono costituiti da fasci di assoni (neuriti o cilindrassi), ciascuno dei quali origina da un singolo neurone. Un impulso nervoso è definito sensitivo od afferente, quando da un recettore periferico si porta al Sistema Nervoso Centrale (conduzione centripeta) e motorio od efferente, quando da centri nervosi superiori si porta all'organo efferente (conduzione centrifuga). Figura 4 Descrizione dettagliata dei componenti di un neurone 19

13 Il neurone si compone d'un corpo o soma, dal quale si irradiano numerosi prolungamenti di lunghezza diversa, detti dendriti ed un prolungamento unico particolare, l assone (neurite o cilindrasse). Da un punto di vista funzionale, i dendriti veicolano l'impulso nervoso al corpo cellulare, mentre l'assone trasmette l'impulso che gli proviene dal soma. Una singola fibra nervosa è costituita da un assone circondato da due involucri, la guaina mielinica (costituita da strati alternati di lipidi e proteine) e il neurilemma che costituiscono il risultato dell'attività delle cellule di Schwann. La zona di confine tra due cellule di Schwann contigue è detta Nodo di Ranvier. In corrispondenza di tali nodi gli assoni sono nudi, cioè direttamente esposti al liquido interstiziale circostante. Tale situazione particolare riveste una notevole importanza funzionale per quanto attiene alla conduzione dell'impulso nervoso. La membrana cellulare controlla un delicato equilibrio elettrico e di concentrazione degli ioni intra ed extracellulari Na +, K +, Cl -, A - (ioni organici). In condizioni di riposo la membrana è poco permeabile agli ioni Na +, impermeabile agli ioni A -, abbastanza permeabile agli ioni K + e opera un meccanismo di trasporto attivo degli ioni Na + 20

14 (consumo energetico metabolico) dall'interno della cellula verso l'esterno. In questa situazione si misura a cavallo della membrana un potenziale di -70 / -90 mv con l'interno negativo rispetto all'esterno. Figura 5 Potenziale di membrana 21

15 All'arrivo dello stimolo elettrico si ha una depolarizzazione della membrana e in caso che il potenziale superi i -55 mv circa, si ha la nascita del potenziale di azione (pda), con l'interno positivo rispetto all'esterno, che si propaga lungo la fibra interessando le zone vicine. Lo scatenarsi del pda è dovuto al notevole aumento della permeabilità della membrana agli ioni Na + che entrano in quantità nella cellula, cambiando segno al potenziale di membrana. Dopo circa 1 msec la permeabilità agli ioni Na + ridiventa bassa e la membrana si ripolarizza ritornando alla condizione di riposo ed è quindi con un succedersi di depolarizzazioni e ripolarizzazioni che il pda si propaga lungo la fibra autosostenendosi. Nel caso delle fibre nervose amieliniche, ogni porzione del plasmalemma deve subire il processo di depolarizzazione, perchè il potenziale di azione possa essere trasmesso lungo tutta la loro estensione. Invece, nel caso delle fibre nervose mieliniche la guaina mielinica funge da isolante impedendo, ove sia presente, gli scambi ionici tra fibra ed ambiente extracellulare. Tuttavia, a livello dei Nodi di Ranvier il plasmalemma delle fibre, essendo privo della guaina mielinica, resta a diretto contatto con l'ambiente extracellulare. Pertanto, solo in corrispondenza di tali nodi gli scambi ionici possono avere luogo e l'impulso nervoso è trasmesso lungo le singole fibre da nodo a nodo (conduzione saltatoria), anziché lungo l'intera fibra come nel caso delle fibre amieliniche. 22