CORSO PRECONGRESSUALE 1

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1 CORSO PRECONGRESSUALE 1 Nuove evidenze per l'acquisizione ed interpretazione del segnale EMG: dal bipolare al multicanale e ritorno ORGANIZZATORI Alberto Botter, Politecnico di Torino Taian Vieira, Politecnico di Torino Isabella Campanini, AUSL di Reggio Emilia Andrea Merlo, Università of Modena and Reggio Emilia Centro Congressi Torino Incontra, Torino. Mercoledì 4 Ottobre 2017

2 Nuove evidenze per l'acquisizione ed interpretazione del segnale EMG: dal bipolare al multicanale e ritorno Registrazioni EMG multicanale e non: verso lo sviluppo di strumenti user-friendly Giacinto Luigi Cerone, Ph.D Candidate LISIN Laboratorio di Ingegneria del Sistema Neuromuscolare Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Politecnico di Torino Centro Congressi Torino Incontra, Torino, 4 Ottobre 2017

3 ACQUISIZIONE DI SEGNALI EMG SCOPO: Prelevare, visualizzare e registrare il segnale elettrico generato dai muscoli durante una contrazione Muscolo SISTEMA DI ACQUISIZIONE Elettrodi Cavi di coll. Prelievo e digitalizzazione Interfaccia tra cute e sistema di prelievo Collegano gli elettrodi al sistema di prelievo Amplifica il segnale elettrico in ingresso; Riduce i disturbi presenti sul segnale; Trasforma il segnale in numeri (digitalizzazione) Visualizza il segnale su uno schermo; Registra il segnale; Elabora il segnale;

4 ACQUISIZIONE DI SEGNALI EMG TIPOLOGIE DI SISTEMI SISTEMA DI ACQUISIZIONE LOW DENSITY Prelievo bipolare; Costituiti da moduli identici; Pochi canali di acquisizione (1-4); Piccoli e leggeri; HIGH DENSITY Prelievo monopolare; Monolitico; Molti canali di acquisizione (32-400); Ingombranti e pesanti;

5 ELETTRODI e MATRICI DI ELETTRODI Elettrodi Cavi di coll. Prelievo e digitalizzazione A COSA SERVONO? Interfaccia tra cute e sistema elettronico di prelievo Trasformano correnti ioniche (presenti nel corpo) in correnti elettroniche (acquisibili dal circuito) Trasduttore TIPOLOGIE Contatto mediato da gel o no (secco); Supporto Adesivo/non Adesivo/Tessile; MATERIALI E STRUTTURA Elemento trasduttore Ag/AgCl Ag; Elemento di interfaccia cute/trasduttore; Supporto;

6 PROBLEMI COMUNI LEGATI AL SISTEMA ELETTRODO-CUTE IMPEDENZA ELETTRODO-CUTE Proprietà che descrive il comportamento del sistema composto da elettrodo e cute al passaggio di cariche elettriche È inversamente proporzionale alla superficie dell elettrodo elettrodi grandi = imp. Bassa e viceversa PROBLEMI CORRELATI Se alta può compromettere la qualità dell acquisizione; Se differisce significativamente (>10%) tra due elettrodi aumenta la sensibilità del sistema all interferenza di rete; Movimento relativo tra elettrodi e cute Provoca la comparsa di artefatti da movimento;

7 ELETTRODI e MATRICI DI ELETTRODI ALCUNE SEMPLICI SOLUZIONI PER RISOLVERE QUESTI PROBLEMI Sol. legate alla cute; Sol. legate alla tecnologia costruttiva dell elettrodo Riduzione dello strato corneo della cute (scrubbing) e depilazione Diminuisce l impedenza elettrodo-cute migliora le prestazioni del sistema complessivo in termini di qualità del segnale acquisito e reiezione dell interferenza di rete; Aderenza degli elettrodi alla cute mediante supporto adesivo Riduce gli artefatti da movimento, limitando lo scorrimento relativo tra elettrodi e cute; Massimizzazione della superficie di contatto tra elettrodi e cute tramite gel o paste conduttive Aumenta la superficie di contatto tra elettrodi e cute, diminuendo quindi l impedenza Nei sistemi ad alta densità di elettrodi (di piccole dimensioni) è necessario preparare nel miglior modo possibile la cute del soggetto in modo da ridurne l impedenza all interfaccia con gli elettrodi

8 ELETTRODI PRE-GELLATI CARATTERISTICHE Diametro: 1-2 cm; Materiale: Ag/AgCl Supporto: adesivo; Gel conduttivo posto tra elettrodo e cute; Costo per elettrodo: 0,1 ; Bassa impedenza elettrodo-cute (modulo 50Hz) segnali di buona qualità Facilità di utilizzo e applicazione; Riduzione degli artefatti da movimento dovuti a scorrimento tra elettrodi e cute. Elevato ingombro impossibilità di utilizzo nei sistemi ad alta densità di elettrodi Non integrabili in dispositivi wearable; Perdita di adesività in particolari condizioni (sudorazione elevata, applicazione prolungata ecc.); Non riutilizzabili Utilizzo principale: Prelievo del segnale EMG in modalità bipolare

9 SCHIERE E MATRICI DI ELETTRODI SECCHI CARATTERISTICHE Materiale: Ag Supporto: gomma non conduttiva Costo per elettrodo: 5 ; Facilità di utilizzo, applicazione e rimozione; Possibilità di utilizzo in applicazioni multicanale (elevata densità di elettrodi); Tempi di setup ridotti; Riutilizzabilità. Alta impedenza elettrodo-cute progettazione accurata del sistema elettronico per segnali di buona qualità; Non integrabili in dispositivi wearable; Artefatti da movimento elevati dovuti a peso, e mancanza di adesione tra elettrodi a cute utilizzabili solo in condizioni statiche; Utilizzo principale: Valutazioni preliminari sul posizionamento di matrici o elettrodi per il prelievo bipolare

10 SCHIERE E MATRICI DI ELETTRODI FLESSIBILI CARATTERISTICHE Diametro: 5-8 mm; Materiale: Ag Supporto: Kapton e foam adesivo; Pasta conduttiva posta tra elettrodo e cute; Costo per elettrodo: 0,2 ; Bassa impedenza elettrodo-cute (decine di segnali di buona qualità Possibilità di utilizzo in applicazioni multicanale (elevata densità di elettrodi); Artefatti da movimento ridotti per sistemi multi-canale (peso ridotto, buona adesione tra elettrodi a cute) utilizzabili sia in condizioni statiche che dinamiche; Non integrabili in dispositivi wearable; Perdita di adesività in particolari condizioni (sudorazione elevata, applicazione prolungata ecc.); Non riutilizzabili. Utilizzo principale: Studio del sistema neuromuscolare in condizioni statiche e dinamiche mediante tecniche di HD-sEMG

11 MATRICI DI ELETTRODI SU SUPPORTO TESSILE CARATTERISTICHE Materiale: Ag Supporto: lycra elasticizzata Costo per elettrodo: 10 ; Facilità di utilizzo, applicazione e rimozione; Possibilità di utilizzo in applicazioni multicanale (elevata densità di elettrodi); Applicazione per lunghi periodi; Integrabile in sistemi wearable; Riutilizzabilità. Alta impedenza elettrodo-cute progettazione accurata del sistema elettronico di prelievo per segnali di buona qualità; Artefatti da movimento elevati dovuti a mancanza di adesione tra elettrodi a cute e movimento relativo tra elettrodi e cute durante contrazioni dinamiche; Utilizzo principale: Studi che richiedono l utilizzo contemporaneo di tecniche di multi-canele e sistemi indossabili

12 CAVI DI COLLEGAMENTO Elettrodi Cavi di coll. Prelievo e digitalizzazione A COSA SERVONO? Collegano il sistema di prelievo (elettrodi) a quello di acquisizione COME SONO FATTI? Sono costituiti da tanti conduttori quanti sono gli elettrodi da collegare al sistema di acquisizione. M D2 D1 Cable C d W M: Silicone rubber tube

13 CAVI DI COLLEGAMENTO PROBLEMI Peso e ingombro elevato per sistemi di acquisizione ad alta densità; Artefatti da movimento dovuti a: Urti relativi tra i conduttori costituenti il cavo effetto triboelettrico; Urto tra cavi e sistema di prelievo; Ridotta mobilità del soggetto; Fungono da collettore di interferenza di rete e disturbi elettromagnetici POSSIBILI SOLUZIONI Porre il sistema elettronico di acquisizione il più vicino possibile al soggetto (non praticabile nei sistemi HDsEMG) Utilizzare cavi intrecciati e sonde attive per ridurre disturbi elettromagnetici e interferenza di rete aumento della complessità e dei costi del sistema di prelievo; Non utilizzare cavi.

14 SISTEMA DI ACQUISIZIONE DI SEGNALI EMG Elettrodi Cavi di coll. Prelievo e digitalizzazione A COSA SERVE? Amplifica e condiziona i segnali EMG; Rigetta i disturbi comuni presente all ingresso dell amplificatore; Digitalizza i segnali amplificati; Trasmette tali segnali ad una unità di elaborazione e visualizzazione.

15 SISTEMI SMART PER L ACQUISIZIONE DI SEGNALI EMG CARATTERISTICHE Modularità; Configurabilità; Interoperabilità; Connettività wireless verso dispositivi mobili; Semplicità di utilizzo;

16 CONCLUSIONI Un sistema di acquisizione del segnale EMG è composto da blocchi che sono progettati in un contesto integrato; Per acquisire segnali EMG di buona qualità è necessario utilizzare tecniche e tecnologie appropriate a seconda del contesto di misura; L utilizzo di sistemi di acquisizione e prelievo SMART può facilitare l utilizzo integrato e contemporaneo di diverse tecnologie (bipolare e HD) diminuendo i tempi di preparazione del setup clinico/sperimentale. HANDS-ON!!!