Il segnale elettromiografico Ingegneria Clinica

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1 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 Francesco Infarinato, PhD Laboratorio di Bioingegneria della Riabilitazione IRCCS San Raffaele Pisana francesco.infarinato@uniroma1.it

2 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

3 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 3

4 Membrana Cellulare Composta di molecole fosfolipidiche e proteine Presenta canali di ingresso-uscita 4

5 Vm= Vi = RT zf [ K+ ] ln [ K+ ] Equazione di Goldman-Hodgkin-Katz RT zf Equazione di NERNST P ln k P k ext int [ K + ] + P [ Na + ] + P [ Cl ] [ K+ ] ext int + P Na Na [ Na+ ] ext int + P Cl Cl [ Cl ] int ext R=Costante universale degi GAS ( 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 5

6 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 6

7 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. 7

8 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). 8

9 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) 9

10 Anatomia delle fibre muscolari Ventre muscolare Fibra muscolare Miofibrilla Sarcomero Proteine contrattili e di controllo 10

11 Anatomia della fibra muscolare 11

12 Sarcomero È l unità funzionale atomica del movimento Contiene le proteine contrattili e quelle di controllo 12

13 Proteine del sarcomero Miosina-> filamento spesso Actina->filamento sottile } Contrattili Troponina Tropomiosina }Di controllo 13

14 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) 14

15 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 Ca 2+ si lega alla troponina liberando il sito attivo dell actina su cui si attacca la testa della miosina. 15

16 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 16

17 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 Ca 2+ la testa della miosina compie un altra traslazione sulla molecola di actina 17

18 18

19 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

20 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

21 Modellizzazione del potenziale di azione Il PDA muscolare si propaga lungo il sarcolemma come un tripolo elettrico lungo una linea 21

22 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 22

23 In particolare Maggiore quantità di mitocondri, maggiore vascolarizzazione->fibre rosse Tipo I (slow twitch ST) Tipo II (fast twitch FT) Metabolismo ossidativo glicolitico dimensione piccola grande Segnale di ampiezza inferiore Velocità di contrazione bassa alta Resistenza all affaticamento alta Adatta a movimenti lenti e di lunga durata bassa Velocità di conduzione bassa alta 23

24 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 24

25 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: fibre per UM (postura eretta, corsa, camminata..) 25

26 Sistemi di modulazione della forza Principio del reclutamento Regolazione della frequenza di scarica Attivazione coordinata di muscoli agonisti e antagonisti Sinergie di gruppi muscolari 26

27 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) 27

28 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) 28

29 Fatica Aumento dei prodotti catabolici Anidride carbonica (CO 2 ) 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 29

30 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 30

31 Generazione del segnale EMG Rappresenta la somma dei contributi dati dall attività ASINCRONA delle unità Motorie reclutate in un certo istante di tempo 31

32 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 32

33 Caratteristiche del segnale EMG Ampiezza Contenuto in frequenza Intervallo di stazionarietà 50µV 5mV Hz ms in condizioni isometriche 33

34 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 34

35 Elettrodi per EMG Needle EMG electrode PRO Segnale meno rumoroso Maggiore contenuto nelle alte frequenze CONTRO Tecnica invasiva Posizionamento elettrodo doloroso e scomodo Mostra le proprietà locali del muscolo in esame 35

36 Elettrodi per EMG PRO Facile applicazione e riposizionamento Non invasiva CONTRO Segnale filtrato dal grasso subcutaneo Risente maggiormente degli artefatti da movimento Fornisce informazioni globali sul muscolo in esame Fluttuante Attivo (aplificatore on board) Schiera lineare 36

37 Elettromiografo Elettrodo Accoppiamento optoelettronico o induttivo Blocco di filtraggio Seconda amplificazione Prima amplificazione CPU RAM M U X A/D Converter HDD 37

38 Modalità di prelievo del segnale EMG Monopolare -1 Doppio differenziale DD1 SD DD SD Singolo differenziale 38

39 Condizionamento del segnale: filtraggio HighPass (10Hz) Notch (band-stop 49 51Hz) LowPass (500Hz) 39

40 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 40

41 Parametri nel tempo ARV = 1 T T / 2 T / 2 v( t) dt 1 N N 2 n= N 2 x n Average Rectified Value RMS = / 2 1 T T v T / 2 2 ( t) dt 1 N N 2 n= N 2 x n 2 Root Mean Square 41

42 Parametri in frequenza MDF= MNF= 1 2 f ) 0 0 P ( df = M fp( f) df/ P( f) df = M / M Median Frequency Mean Frequency Hz Forza (unità arbitrarie) 80%MVC isometrica MDF sec 42

43 semg Isometrica BB 80%MVC MDF T=1s T=32s 43

44 Il concetto di velocità di conduzione (CV) 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 mm MUAP PROPAGATION V = s Canali EMG 0-1 t = 2ms MFCV = 5ms -1 t EMG Ch1 EMG Ch 2 Time [s] Tempo 44

45 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 45

46 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). 46

47 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. 47