Misura di forze esterne

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1 Sistemi di elaborazione delle informazioni Misura di forze esterne Ing. Marta Gandolla

2 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

3 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

4 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

5 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.

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7 Struttura delle pedane

8 Pedana a matrice di sensori

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10 Solette a matrice di sensori

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12 Pedana di forza

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15 Sistemi di elaborazione delle informazioni Elettromiografia - EMG

16 Elettromiografia Disciplina che si occupa di rilevare, analizzare ed utilizzare segnali elettrici che sono emessi da muscoli in fase di contrazione

17 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

18 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.

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20 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

21 Elettrodi Invasivi Fine-wire (intramuscolari) needle Di superficie Bipolari (wired o wireless) Array di elettrodi

22 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

23 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

24 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

25 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

26 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

27 Caratteristiche del segnale EMG Range di ampiezza 0-10 mv prima dell amplificazione Frequenza Hz Energia dominante Hz Picco - nelle vicinanze di Hz Frequenza caratteristica di fibre lente Frequenza caratteristica di fibre veloci Hz Hz

28 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

29 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

30 1. Ampiezza picco-picco Descrizione immediata del segnale EMG Calcolata come ampiezza tra il picco negativo e quello positivo

31 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

32 3. Root mean square Somma dell ampiezza del segnale al quadrato sotto radice in un intervallo temporale RMS = EMG t = t 1 + EMG t = t EMG(t = t n ) 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=t 2 EMG(t) t=t 1

33 Analisi del segnale EMG dominio della frequenza Trasformata Fast Fourier Transform (FFT): Densità spettrale Potenza media di frequenza

34 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

35 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

36 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

37 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)

38 Uso dell EMG come segnale di forza NON SEMPRE VERO.

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40 Relazione lineare forza-emg

41 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

42 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

43 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 FORZE INTERNE A. Forze di gravità B. Reazioni applicate dal suolo A. Forze muscolari

44 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

45 Risposta EMG Stimulus artifact M-wave H-reflex Volts msec Latency