EMG: natura del tracciato, analisi e un esempio di valutazione clinica in ambito riabilitativo Definizione di EMG 1
Campi di interesse L unità motoria Unità funzionale più piccola che permette il controllo della contrazione muscolare. Insieme del corpo cellulare e dei dendriti del motoneurone, delle diramazioni del suo assone e delle fibre muscolari da esso innervate. 2
Eccitabilità delle membrane muscolari Modello della membrana semi-permeabile Eccitabilità delle membrane muscolari Equilibrio ionico - Pompa Na+Cl- 3
Eccitabilità delle membrane muscolari Meccanismo della soglia Onda di depolarizzazione La zona di depolarizzazione (1-3 mm quadrati) viaggia lungo la fibra muscolare con una velocità di 2-6 m/s 4
Pattern di interferenza Con gli studi kinesiologici i potenziali d azione di tutte le unità motorie rilevabili da un elettrodo sono elettricamente sovrapposti e sono rappresentati come segnali bipolari con distribuzione simmetrica delle ampiezze positive e negative (valore medio pari a zero). Questo è chiamato Pattern di Interferenza. Generazione del segnale EMG Il segnale EMG riflette direttamente le caratteristiche legate a: Reclutamento dei Potenziali d Azione delle Unità Motorie (MUAPs) Frequenza di scarica 5
Raw EMG Registrazione EMG relativa a 3 differenti contrazioni del muscolo bicipite brachiale. Raw EMG Rumore di baseline: Qualità degli amplificatori EMG Rumore circostante Qualità delle condizioni di rilevazione 6
Raw EMG Ogni spike ha una forma e un ampiezza unica Raw EMG Alcuni ordini di grandezza: Rumore della baseline: 3-5 microvolt (buone condizioni) Range del segnale EMG raw : +/- 5000 microvolt (atleti) Frequenza del segnale EMG: 6-500 Hz 7
Fattori che influenzano il segnale EMG Caratteristiche del tessuto: Tipo di tessuto Spessore del tessuto Temperatura Cambiamenti fisiologici Fattori che influenzano il segnale EMG Cross talk fisiologico: anche i muscoli vicini possono produrre un segnale EMG rilevante. Tipicamente il Cross Talk non supera il 10% - 15% del contenuto totale del segnale 8
Fattori che influenzano il segnale EMG Cambiamenti nella geometria tra il ventre del muscolo e il sito di aggancio degli elettrodi Rumore esterno Qualità e scelta degli elettrodi e degli amplificatori interni Amplificatori EMG Si utilizzano amplificatori differenziali poiché capaci di eliminare gli artefatti. EMG pre-amplificatori installati nei cavi o posizionati sulla punta degli elettrodi Il segnale è di solito amplificato da 500 a 1000 volte 9
Digitalizzazione di un segnale Affinché un segnale venga visualizzato e analizzato al computer deve essere convertito da analogico a digitale Digitalizzazione di un segnale Teorema di Nyquist (o teorema del campionamento): per poter ricostruire il segnale in maniera corretta in tutto il suo contenuto in frequenza, la frequenza di campionamento deve essere almeno doppia alla frequenza massima contenuta nel segnale. 10
Digitalizzazione di un segnale Per i segnali EMG tutto il contenuto in frequenza è compreso tra i 10 e i 250 Hz e spesso si ricorre ad amplificatori di banda fino ai 500 Hz; ciò richiede una frequenza di campionamento di almeno 1000Hz. Elettrodi Elettrodi di superficie (ex: argento/cloruro di argento) con il diametro della zona conduttiva pari a 1 cm (o meno). Gli elettrodi commercialmente disponibili sono a gel bagnato perché garantiscono una migliore conduzione e migliori condizioni di Impedenza degli elettrodi adesivi. 11
Elettrodi Elettrodo di riferimento: elettrodo poco interessato dall attività muscolare (in prossimità delle ossa, della fronte, del processo spinoso, della cresta iliaca, della tibia ) Raccomandazioni generali L uso di elettrodi piccoli aumenta le selettività delle misure Gli elettrodi a gel bagnato hanno il miglior valore di impedenza Più piccolo è l elettrodo più alto è il valore dell impedenza Più piccola è la distanza inter-elettrodo maggiore è la selettività La distanza raccomandata tra gli elettrodi è di 2 cm Le coppie di elettrodi devono essere posizionate parallelamente ai fasci muscolari Si consiglia di usare la porzione dominante del ventre del muscolo per una migliore selettività Ci si assicuri che il sito gli elettrodi rimangano fissi sulla zona di fissaggio durante il movimento Si possono utilizzare le mappe anatomiche per individuare i punti consigliati per il fissaggio degli elettrodi 12
Raccomandazioni generali Movimento relativo elettrodo ventre del muscolo Fissaggio dei cavi Elettrodi invasivi a filo 13
Landmark anatomici Test di impedenza 14
Baseline noise Spike di piccola ampiezza potrebbero essere visibili ma non dovrebbero superare i 10 15 microvolt. Il livello medio del rumore dovrebbe collocarsi attorno a 1 3,5 microvolt Baseline offset È possibile che la baseline degli EMG non corrisponda perfettamente alla linea di zero; è utile correggere ciò per una corretta identificazione dei valori che caratterizzano il tracciato 15
Baseline shift La baseline prima e dopo le contrazioni deve rimanere costantemente sulla linea di zero Analisi della distribuzione in frequenza La maggior parte del contenuto in frequenza del segnale è posta tra 10 e 250 Hz 16
Elaborazione del segnale - Rettificazione SCOPO: eliminare la parte non riproducibile del segnale Elaborazione del segnale Eliminazione degli artefatti 17
Elaborazione del segnale - Normalizzazione Normalizzazione del segnale al valore medio o al valore di picco Elaborazione del segnale Parametri di ampiezza 18
Elaborazione del segnale Parametri di frequenza Elaborazione del segnale Parametri di tempo Tempo di picco Tempi di inizio e di fine scarica 19
Analisi degli EMG 20
Analisi degli EMG Un esempio: Analisi del cammino 21
Un esempio di valutazione clinica in ambito riabilitativo La riabilitazione assistita da robot Analisi dei dati biometrici di casi clinici Analisi dell attivazione muscolare Conclusioni 2. Analisi dei dati biometrici di casi clinici 22
Analisi dei dati biometrici di casi clinici Sono state effettuate delle registrazioni prima e dopo la terapia riabilitativa per ognuno degli 8 pazienti sulle capacità di effettuare l abduzione e l adduzione dell arto. Registrazioni biometriche: rilevata la posizione di 4 giunti articolari: Sterno, Spalla, Gomito, Polso. Spalla (acromion) Sterno (giuntura sterno-clavicolare) Gomito (epicondilo laterale dell omero) Polso (processo stiloideo dell ulna) Analisi dei dati biometrici di casi clinici Sono state effettuate delle registrazioni prima e dopo la terapia riabilitativa per ognuno degli 8 pazienti sulle capacità di effettuare l abduzione e l adduzione dell arto. Registrazioni EMG: rilevata l attività dei muscoli durante l esecuzione dei task motori. 23
Analisi dei dati biometrici di casi clinici Analisi biometrica Analisi dei dati biometrici di casi clinici Analisi biometrica È possibile individuare 3 fasi fondamentali del movimento: Fase di movimento in avanti dell arto; Fase di afferraggio ; Fase di ritorno dell arto. Si ricorre all analisi dei profili della velocità di movimento. 24
Analisi dei dati biometrici di casi clinici Analisi biometrica: valutazione degli angoli di apertura delle articolazioni. Spalla Gomito Analisi dei dati biometrici di casi clinici Analisi biometrica È possibile individuare 3 fasi fondamentali del movimento: Fase di abduzione dell arto; Fase di reaching; Fase di adduzione dell arto. Presa Movimento in avanti Movimento all indietro 25
Analisi dei dati biometrici di casi clinici Stroke patient with moderate impairment Attivazione EMG del bicipite Analisi dei dati biometrici di casi clinici 26
Another case, with severe impairment (sav) 27
EMG activation superimposed on elbow profile 28
3. Analisi dell attivazione muscolare The patients enrolled for the testing Patient S Age Event year Type of e stroke x Site of stroke Fugl-Meyer score (66) Ashworth score 1 M 72 2003 Hemorrhagic temporo-parietal, cortical-subcortical left side 36 39 2 M 79 2005 Hemorrhagic posterior portion of the left lateral ventrical roof with an extension corresponding to the semioval center 52 22 3 M 37 2004 Hemorrhagic nucleo-capsule-radiata left side 12 21 4 F 42 1988 Hemorrhagic midbrain-thalamusleft lesion 56 10 5 M 58 2006 Hemorrhagic intra-parenchymal lenticular-capsular left collection 57 9 6 M 69 2004 Ischemic extensive lesion in the left parietal side 12 24 7 M 58 2002 Hemorrhagic temporo-parietal left side 43 15 8 M 68 2004 Ischemic parieto-occipital, cortical-subcortical left side 37 17 9 M 70 2005 Hemorrhagic temporo-parietal left side 17 15 Bilbao, December 16 th,2009 SKILLS Third Review Meeting 29
Risultati clinici Si è riscontrato un miglioramento significativo per : Scala Fugl-Meyer Scala Asher Range di movimento articolari: attivi e passivi Paziente Pre-trattamento Post-trattamento Differenza 1 36 41 5 2 52 58 6 3 12 20 8 4 56 57 1 5 57 60 3 6 12 13 1 7 43 46 3 8 37 44 7 9 17 18 1 A. Frisoli, C. Procopio, B. Rossi, et al. Robot-Mediated Arm Rehabilitation in Virtual Environments for Chronic Stroke Patients: A Clinical Study, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics Risultati clinici Scale di valutazione clinica Standard : Scala di Fugl-Meyer Scala di Ashworth modificata Range Of Motion (ROM) 30
Correlazione tra le misurazioni cliniche e le misurazioni della performance con robot È stata condotta un analisi preliminare per confermare che le misurazioni quantitative sono correlate con le scale cliniche (prossima slide) Aspetti importanti da considerare sono: La distanza dell evento (paziente acuto, sub-acuto e cronico) Il livello di severità nella malattia (basso, moderato, alto) Queste due variabili dovrebbero essere considerate nella messa a punto della terapia e influirà notevolmente sui risultati della stessa. Profilo di velocità del gomito In un soggetto sano è possibile considerare il profilo della velocità di apertura dell angolo della spalla o del gomito; i due picchi corrispondono ai movimenti di andata e ritorno nel movimento di reaching, come riportato in figura. Levin, M.F., Interjoint coordination during pointing movements is disrupted in spastic hemiparesis. Brain, 1996. 119(1): p. 281. Joint velocity in reaching In modo analogo è possibile definire un parametro chiamato T-angle, dal grafico ottenuto da velocità di apertura dell angolo sull angolo stesso, per ogni articolazione. In un paziente sano con una buona coordinazione articolare tale parametro dovrebbe essere simile ad un cerchio. Cirstea, Levin et al., Interjoint coordination dynamics during reaching in stroke, Exp Brain Res (2003), 151:298-300 Angular velocity T-angles Angular displacement 31
Acquisizione e analisi dei dati Le registrazioni cinematiche ed elettromiografiche sono state ottenute quando il soggetto ha eseguito tre diversi task di reaching: è stato utilizzato il sistema integrato Elite-BTS a 8 canali per gli EMG e 6 canali dedicati alle telecamere per l analisi cinematica dei movimenti. Shoulder Elbow Wrist Breastbone Il task motorio è stato ripetuto 18 volte a differenti velocità e per raggiungere 3 differenti posizioni target: si è chiesto al paziente, per ogni posizione, di ripetere il movimento3 volte a velocità normale e 3 volte a velocità massima. Data acquisition and analysis Shoulder In order to validate the acquisition of motor competencies in the execution of reaching movement, a kinesiologic evaluation was performed in a group of patients that underwent robotic therapy In a healthy subject we expect to have a profile of the angle aperture velocity for elbow or shoulder joints with two peaks, corresponding to the forward and backward movement in a reaching movement. Levin, M.F., Interjoint coordination, Brain, 1996. 119(1): p. 281. From the plot of the angle velocity vs. angle displacement for each joint, we define the T- angle,. In a healthy subject with good joint coordination it should look like a CIRCLE. Elbow Wrist Joint velocity in reaching T-angles Breastbone Angular velocity Angular displaceme Bilbao, December 16 th,2009 SKILLS Third Review Meeting 32
50<FM<66 Movement features (low severity) Joint velocity in reaching Elbow angle at normal velocity before rehabilitation 200 110 100 Elbow angle at normal velocity after rehabilitation 150 100 50 Angle ( ) 100 Angle ( ) Velocity ( /s) 90 0 80 0-50 Velocity ( /s) 70-100 T-angles velocity ( /s) -200 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 t (sec) Elbow angle at normal velocity before rehabilitation outward inward 100 50 0-50 velocità ( /s) -150 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 t (sec) Elbow angle at normal velocity after rehabilitation outward 100 inward 50 0-50 -100-100 50 60 70 80 90 100 110 120 130 angle ( ) 50 60 70 80 90 100 110 120 130 angle ( ) Bilbao, December 16 th,2009 SKILLS Third Review Meeting 20<FM<50 Movement features (medium severity) Elbow angle at normal velocity before rehabilitation 50 Elbow angle at normal velocity after rehabilitation 50 Joint velocity in reaching Angle ( ) 100 Angle ( ) 0 Velocity ( /s) 100 0 Velocity ( /s) -50 0 2 4 6 8 10 12 14 t (sec) -50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t (sec) 120 T-angles 100 80 velocity ( /s) 60 40 20 0-20 -40-60 -80 Elbow angle at normal velocity before rehabilitation outward inward -100 70 80 90 100 110 120 130 140 150 angle ( ) velocità ( /s) 120 100 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80 Elbow angle at normal velocity after rehabilitation outward inward -100 70 80 90 100 110 120 130 140 150 angle ( ) Bilbao, December 16 th,2009 SKILLS Third Review Meeting 33
Joint velocity in reaching Angle ( ) 88 86 84 Movement features (high severity) FM<2 0 Elbow angle at normal velocity before rehabilitation 10 5 0 Velocity ( /s) Angle ( ) 80 70 Elbow angle at normal velocity after rehabilitation 40 20 0 Velocity ( /s) -5 82-10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t (sec) 60-20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 t (sec) T-angles 100 80 60 Elbow angle at normal velocity before rehabilitation outward inward 100 80 60 Elbow angle at normal velocity after rehabilitation outward inward velocity ( /s) 40 20 0-20 -40-60 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 angle ( ) velocità ( /s) 40 20 0-20 -40-60 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 angle ( ) Bilbao, December 16 th,2009 SKILLS Third Review Meeting Movement analysis of patients Performance Index PI 1 PI 2 PI 3 PI 4 PI 5 PI 6 PI 6 PI 8 Total time (s) Outward time (s) Inward time (s) Outward regularity Inward regularity Total Regularity Contralateral movement Central movement Ipsilateral movement Admission Discharge p Admission Discharge p Admission Discharge p 4.02±1.74 3.18±1.14 0.0191 4.10±2.10 3.07±1.08 0.0071 5.25±2.84 3.15±1.14 0.0004 1.30±0.57 1.09±0.60 0.1709 1.26±0.69 0.93±0.35 0.0152 1.38±0.71 0.99±0.54 0.0082 1.40±1.15 1.12±0.52 0.1119 1.33±0.72 1.22±0.57 0.4835 2.07±1.84 1.09±0.27 0.0136 2.63±2.42 2.26±4.37 0.6657 4.15±5.51 0.96±1.26 0.0027 4.74±5.91 0.96±1.87 0.0027 3.96±4.82 1.85±1.83 0.0174 7.19±10.22 2.56±2.99 0.0200 12.81±17.86 2.11±2.22 0.0054 11.41±7.58 6.30±6.39 0.0011 23.07±27.00 5.85±6.47 0.0013 32.37±34.89 5.93±6.05 0.0004 Elbow angle Regularity 9.51±6.62 6.55±1.99* 0.013 8.33±4.36 7.70±3.79 NS 10.54±6.60 7.31±3.71* 0.009 CI index for TRI-BI muscles 0.90±0.80 1.85±1.73* * 0.006 0.54±0.29 1.42±1.18* * 0.001 0.64±0.53 1.41±1.47* * In Yellow only non significant kinesiological measurements are highlighted As expected they are associated with controlateral and inward motion. 0.002 34
High correlation with clinical data A significant correlation is observed between the clinical evaluation carried out with FMA and the assessment associated regularity of motion, measured by counting the number of local minima in the wrist displacement profile Pre.rehabilitation R2-0.795 P=0.01 October 6, 2010 SKILLS meeting Darmstadt Correlation values are kept after rehabilitation Evaluation indexes associated to smoothness of movement show a stronger association with clinical assessment Post.rehabilitation R2-0.967 P=0.0001 October 6, 2010 SKILLS meeting Darmstadt 35
Measurement of smoothness at the functional level end-effector Time performance at the functional level end-effector Highest fitting with FMA Smoothness at the level of joint-shoulder T-angle map October 6, 2010 SKILLS meeting Darmstadt Conclusioni 36
Conclusioni Il sistema L-Exos è stato testato clinicamente con successo in uno studio condotto su pazienti colpiti da ictus con difficoltà motorie per gli arti superiori La maggior parte dei pazienti si è dimostrata entusiasta dei principali vantaggi ottenuti in termini di Activities of Daily Life Il feedback qualitativo-soggettivo è fortemente sostenuto dalle analisi cliniche che evidenziano sicuramente significativi miglioramenti nei parametri clinici derivanti dalla terapia riabilitativa assistita da robot. 37