Nuove evidenze per l'acquisizione ed interpretazione del segnale EMG: dal bipolare al multicanale e ritorno

In che modo le schiere di elettrodi ci aiutano

nell’interpretazione del segnale EMG di

superficie

Alberto Botter, Ph.D

LISIN – Laboratorio di Ingegneria del Sistema Neuromuscolare

Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni

Politecnico di Torino

Centro Congressi Torino Incontra, Torino. Mercoledì 4 Ottobre 2017

Electrode arrays with silver bars Adhesive arrays

DAGLI ELETTRODI BIPOLARI ALLE SCHIERE DI ELETTRODI

Bipolar bar electrodes (Delsys) Bipolar pre-gelled electrodes

tempo(s)0 2 4 6 8 10 12 14

2

1

0

-1

-2

cm

d1d2

d3

d4d5

d6

d1

d2

d3

SP

AZ

IOd6

d5

d4

2

1

0

-1

-2

cm

tempo(s)0 2 4 6 8 10 ms

1mV

SP

AZ

IO

Fibra muscolare

Zona depolarizzata

Tendine

1 10

10 ms

1

10

+- -

Modello del tripolo di Corrente

(Rosenfalck, 1969)

Propgazione

Linee di corrente

1cm

CARATTERISTICHE DEL SEGNALE EMG MONOPOLARE

10 ms

1

10

Componente propagante

- Dovuta alla propagazione del potenziale (tripolo di

corrente)

- Bifasica

- Decade nello spazio con il cubo della distanza dalla

sorgente (d3)

Componente non propagante (Effetto di Fine Fibra)

- Dovuto all’estinzione del potenziale sul tendine (dipolo di

corrente)

- Monofasica sulla superficie del muscolo

- Decade nello spazio con il quadrato della distanza dalla

sorgente (d2)

CARATTERISTICHE DEL SEGNALE EMG MONOPOLARE

CARATTERISTICHE DEL SEGNALE EMG MONOPOLARE- Effetto della profondità della sorgente -

1

2

3

4

5

Simulazioni basate su ……

All’aumentare della profondità la

componente di fine fibra (che

decade con d2) è attenuata in

misura minore della componente

propagante (che decade con d3)0

1,5

3,0

4,5

Pro

fon

dità [cm

]

1

5

4

3

2

È una cosa positiva o negativa?

NEGATIVA. Sorgenti profonde (o distanti) di muscoli diversi che non vengono

filtrate = CROSSTALK!

Il segnale monopolare è

costituito da componenti che

vengono filtrate poco dai tessuti

POSITIVA. Fibre profonde/distanti dello stesso muscolo contribuiscono al segnale

di superficie in non trascurabile: l’attività muscolare è meglio rappresentata

Relazione EMG-Forza (Staudenmann et al. 2010 JEK)

Coerenza Cortico-Muscolare (Piitulainen et al. 2015 JN)

Segnali Monopolari Interferenza di rete

+

Segnale Differenziale o

BIPOLARE

La configurazione BIPOLARE è più immune ai disturbi esterni di modo comune, ma

ha elimina alcuni componenti importanti del segnale EMG

+ =

CARATTERISTICHE DEL SEGNALE EMG MONOPOLARE- Suscettibilità ad fonti esterne di interferenza -

10 ms

1

10

-

-

-

-

-

-

-

-

-

CARATTERISTICHE DEL SEGNALE EMG BIPOLARE

Il prelievo BIPOLARE filtra le

componenti di modo comune del

segnale MONOPOLARE

Più immune ad interferenza di rete

(elimina le componenti di modo

comune di origine esterna)

È una cosa positiva o negativa?

CERTAMENTE POSITIVA

Più selettivo

elimina le componenti di modo

comune di origine fisiologica e filtra

quelle profonde che appaiono in

superficie più diffuse nello spazio

È una cosa positiva o negativa?

DIPENDE

Meno crosstalk (+)

Meno rappresentatività (-)

10 ms

1mV

10 ms

0.5mV

SEGNALE MONOPOLARE

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

SEGNALE BIPOLARE

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Muscle: Biceps Brachii; Contraction level: 70%MV; IED = 10 mm 1 m

V

50 ms

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

IZ

T

T

INFORMAZIONI ESTRAIBILI DA EMG RILEVATI CON SCHIERE

Rainoldi A, Nazzaro M, Merletti R, Farina D, Caruso I, Gaudenti S.

Geometrical factors in surface EMG of the vastus medialis

and lateralis muscles.

J Electromyogr Kinesiol. 2000 Oct;10(5):327-36.

Mesin L, Merletti R, Rainoldi A. Surface EMG: the issue

of electrode location.

J Electromyogr Kinesiol. 2009 Oct;19(5):719-26.

Farina D, Cescon C, Merletti R. Influence of

anatomical, physical, and detection-system

parameters on surface EMG.

Biol Cybern. 2002 Jun;86(6):445-56.

IZ

1 16

EFFETTO DELLA ZONA DI INNERVAZIONE SUL SEGNALE

BIPOLARE

1s 0.5mV

1s 0.5mV

1

2

3

4

5

6

7

Tempo (s)

50 1510 20

α(d

eg

)

180

30

α

ECCCON CON

100

Biceps brachii: 50% MVC25 ms

IED

=1cm

SPREAD DELLA ZONA DI INNERVAZIONE

Spread Elevato

(> qualche IED)

Diminuisce l’effetto della IZ sulla

stima di ampiezza

IZ di singole Unità Motorie

INDIVIDUAZIONE DELLA ZONA DI INNERVAZIONE- Applicazione -

EDB muscle

INFORMAZIONI ESTRAIBILI DA EMG RILEVATI CON SCHIERE

Muscle: Biceps Brachii; Contraction level: 70%MV; IED = 10 mm 1 m

V

50 ms

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

T

T

Lunghezza (

media

) delle

fib

re

10 ms

0.5mV

BIPOLAR SIGNAL

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Sp

azio

Tempo

IED

Spazio

ΔS

Δt

CV = ΔS

Δt

INFORMAZIONI ESTRAIBILI DA EMG RILEVATI CON SCHIERE

- Velocità di conduzione -

T2T1 T3

Tempo

1

8

15

Sp

azio

Tempo

1

8

15

Sp

azio

Tempo

1

8

15

Sp

azio

Spazio

ΔS

ΔtΔt

Δt

CV1 = ΔS

ΔtCV2 =

ΔS

ΔtCV3 =

ΔS

Δt> >

MNF1 MNF2 MNF3> >

RMS1 RMS2 RMS3< <

EFFETTO DELLA CV SULLE VARIABILI EMG

+

–

+

–

Pennation angle = 20°Pennation angle = 0°

Conduction velocity: 4 m/s Fat thickness: 3 mm Skin thickness: 1 mm 16 electrodes with 5 mm IED

+

–

+

–

Fat tissue

Skin5 ms

A.U. A.U.

Action potentials in pennate fibres are

represented locally on the skin Mesin et al (2011) J Biomech

44: 1096–103

INFO ESTRAIBILI DA MUSCOLI PENNATI ATTRAVERSO sEMG

Stima della lunghezza del muscolo attraverso estinzione potenziale sui tendini

Muscolo pennato in profondità

5 ms

A.U. A.U.

Muscolo fusiforme

INFO ESTRAIBILI DA MUSCOLI PENNATI ATTRAVERSO sEMG

Stima della velocità di propagazione dei MUAP

5 ms

A.U. A.U.

Muscolo pennato in profonditàMuscolo fusiforme

INFO ESTRAIBILI DA MUSCOLI PENNATI ATTRAVERSO sEMG

Stima della posizione della zona di innervazione

5 ms

A.U. A.U.

Muscolo pennato in profonditàMuscolo fusiforme

Muscolo pennato

in profondità

Muscolo

fusiforme

Il concetto di zona di innervazione (IZ) è

mal definito per muscoli pennati

Nei muscoli fusiformi la distribuzione delle

innervazioni (i.e. sinapsi) può essere più o

meno localizzata generando una o più IZs

e/o IZs più o meno larghe. Questo è

associato a riduzioni più o meno evidenti

del segnale EMG di superficie

Nei muscoli pennati, le singole fibre sono

più corte e non decorrono lungo tutto

l’asse longitudinale del muscolo. Dovendo

essere ogni singola fibra innervata, la

distribuzione delle innervazioni è molto

dispersa e copre gran parte dell’asse

longitudinale del muscolo.

Implicazioni

Nei muscoli pennati:

1. Non si vede la riduzione del segnale

sEMG bipolare associato all’innervazione

2. Non è possibile usare in segnale delle

schiere per individuare la posizione di

inoculazione della tossina botulinica

INFO ESTRAIBILI DA MUSCOLI PENNATI ATTRAVERSO sEMG

INFO ESTRAIBILI DA MUSCOLI PENNATI ATTRAVERSO sEMG

Popliteal

fossa

Reference

electrode

Array of 32

electrodes

(5 mm

IED)

30 ms

Sin

gle

diffe

ren

tia

lch

an

ne

ls

IN MUSCOLI PENNATI LA RAPPRESENTATIVITÀ NON È PIÙ UNA

QUESTIONE DI PROFONDITÀ, MA DI POSIZIONE SUL MUSCOLO

Fig. 2. Left: position of the linear array of electrodes. The electrodes considered to simulate

conventional electrodes in different skin locations are indicated with a green box. Right: raw signals

from two MG locations

50ms20% max Envelope=

Very

proximal

Proximal

Raw EMGs and Envelopes

10 x 1 mm

IED = 5 mm

Simulated, bipolar

channelsArea: 1 cm2

IED: 2cm

Very Proximal

Proximal

Central

Distal

Very distal

Multichannel

electrodes:

Does electrode location affect the estimation of onset and degree of

medial gastrocnemius activity during gait?

SIAMOC 2017 - POSTER PM 3 – Venerdì 6 ottobre

ALCUNE CONSIDERAZIONI SULLA DIMENSIONE DEGLI ELETTRODI

Circolare

di grandi dimensioni

d>1cm

Circolare

di piccole dimensioni

d < 1cm

Barra trasversale

al decorso delle fibre

l ≈ 1cm

ALCUNE CONSIDERAZIONI SULLA DIMENSIONE DEGLI ELETTRODI

max = 0,9 a.u.

max = 0,6 a.u.

max:1,0 a.u.

max = 0,4 a.u.

Componente a f= 200Hz propagante @ cv = 4m/s

Puntiforme

d = 0,5 cm

d = 1,0 cm

d = 1,5 cm

1 ciclo = 2cm (essendo f/cv = 50 cicli/m)

t

t

t

t

0,1s

L’elettrodo filtra il segnale:

Filtro passa basso per le

frequenze spaziali

ALCUNE CONSIDERAZIONI SULLA DIMENSIONE DEGLI ELETTRODI

A) Puntiforme (<3mm, Subaryani et al 2016)

B) d = 0,5 cm

C) d = 1,0 cm

D) d = 1,5 cm

Non viene visto da B C D

Attenuato da B

Non viene visto da C D

Attenuato da B e C

Non viene visto DFre

quenza

spazia

le

cre

scen

te

I segnali a frequenza spaziale bassa sono meno attenuati dalle dimensioni degli elettrodi.

Questi segnali sono:

- Quelli dovuti a sorgenti profonde

- Quelli che non propagano (costanti nello spazio). Es: EFFETTO DI FINE FIBRA

Elettrodi di grandi

dimensioni attenuano

segnali a frequenze

spaziali alte (sorgenti

superficiali)

Diverse curve rappresentano

diversi MUAP all’aumento delle

dimensioni longitudinali

dell’elettrodo da 10 a 50mm in

passi da 10mm

Riduzione dell’ampiezza della

componente propagante mentre la

componente non propagante

rimane invariata

ALCUNE CONSIDERAZIONI SULLA DIMENSIONE DEGLI ELETTRODI

Nuove evidenze per l'acquisizione ed interpretazione del segnale EMG: dal bipolare al multicanale e ritorno

In che modo le schiere di elettrodi ci aiutano

nell’interpretazione del segnale EMG di superficie(?)

RISPOSTE:

Ci hanno permesso di descrivere e comprendere meglio i fenomeni di propagazione

ed estinzione e come questi contribuiscono ai segnali monopolari e bipolari

Ci hanno permesso di sviluppare metodi per l’estrazione di variabili

fisiologiche/anatomiche rilevanti (velocità di conduzione globale e di singola unità

motoria, posizione zona innervazione, lunghezza del muscolo)

Attraverso i segnali letti con schiere dei elettrodi, e con il supporto di modelli, è stato

possibile descrivere dettagliatamente l’effetto dell’architettura muscolare sul

segnale letto dalla superficie del muscolo

Gli studi con schiere di elettrodi hanno permesso di descrivere in che modo la

configurazione di prelievo (posizione, dimensione e distanza tra gli elettrodi)

influisce sensibilmente sulla qualità (rapporto segnale rumore), rappresentatività del

segnale e sensibilità al crosstalk.