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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
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Electrode arrays with silver bars Adhesive arrays
DAGLI ELETTRODI BIPOLARI ALLE SCHIERE DI ELETTRODI
Bipolar bar electrodes (Delsys) Bipolar pre-gelled electrodes
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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
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tempo(s)0 2 4 6 8 10 ms
1mV
SP
AZ
IO
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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
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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
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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)
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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 -
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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 (-)
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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
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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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
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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
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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
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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
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INDIVIDUAZIONE DELLA ZONA DI INNERVAZIONE- Applicazione -
EDB muscle
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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
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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 -
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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
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+
–
+
–
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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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.