GENERALITA' SULL'ANALISI ELETTROMIOGRAFICA
L'analisi elettromiagrica di superficie può rappresentare un ottimo strumento di valutazione e controllo non soltanto dei gruppi muscolari interessati ma anche su come avviene in vivo la contrazione muscolare. Le informazioni che si possono rilevare vanno quindi ben al di la' del semplice timing di attivazione e di coinvolgimento muscolare in un gesto motorio.
Con l'evoluzione tecnologica sono oggi usciti dei dispositivi anche indossabili rendendo molto semplice una misurazione elettromiografica che però fisiologicamente si manifesta con una estrema varietà di segnali, l'interpretazione di questi non è per nulla banale, per questo motivo le soluzioni semplificate possono andare bene per il controllo dell'allenamento ma non possono essere minimamente utilizzate a scopo di ricerca scientifica. Per capire in maniera approfondita come avviene una contrazione muscolare e come questa può essere rilevata dalle sonde elettromiografiche occorre valutare il segnale "grezzo" e da questo estrapolare con una serie di processi matematici il giusto output con cui valutare ogni caso specifico. Le soluzioni all inclusive dispongono già di strumenti di filtraggio che potrebbero non essere adatti per gesto motorio da valutare e possono portare completamente fuori strada l'analisi effettuata.
Processare un segnale grezzo è come trovarsi ad un concerto e cercare di capire cosa si stanno dicendo due persone sparse nella folla, prima le devo individuare e poi devo procedere a ridurre tutti i segnali di disturbo che possono essere la musica, i suoni ambientali, ciò che dicono le persone vicino a loro ma anche i segnali di disturbo dati dalle luci o dagli agenti atmosferici.
Prima di di provare a schematizzare come si può attuare un'opera di filtraggio, vediamo quali sono le caratteristiche principali dei segnali elettromiografici.
Fig 1
Il fenomeno è detto ‘’depolarizzazione’’ si propaga lungo tutta la fibra nervosa, in quanto determina un movimento di ioni dalla regione contigua non stimolata verso quella stimolata, con depolarizzazione della regione non stimolata, che a sua volta stimola la regione adiacente e così via. Lo stimolo si propaga ad una eventuale cellula muscolare con la quale la fibra nervosa può essere in rapporto (fig 1)
•L’eccitazione dì una fibra nervosa o muscolare dipende sia dall'ampiezza che dalla durata dello stimolo.
•L’attivazione è possibile con un impulso di durata ridotta solo se la sua ampiezza è aumentata e viceversa.
I parametri della stimolazione solo legati all'intensità dello stimolo e dalla durata dello stimolo, Entrambi questi fattori devono essere considerati; infatti è il loro rapporto (rapporto intensità-durata) ad essere determinante nell’eccitazione del tessuto. “Tale rapporto inoltre non è costante per tutti i gruppi muscolari, ma varia in funzione dei distretti corporei in cui i muscoli si trovano”.
Reobase: indica l’intensità di corrente minima in grado di eccitare un tessuto; l’unità di misura è il milliampere.
Cronassia: indica il tempo (= durata dello stimolo) necessario a stimolare il tessuto, la cui intensità è doppia della reobase. (Fig 2)
Fig. 2
Il tempo di contrazione è la frequenza di scarica ottimale del motoneurone è quella minima utile perché le singole scosse muscolari si fondano a formare una contrazione tetanica.
Fig.3
Per avere una corretta misurazione è quindi necessario posizionare le sonde elettromiografiche in prossimità del ventre muscolare dove ho la più alta probabilità di rilevare il potenziale d'azione. La membrana depolarizzata, che è accompagnata da un movimento di ioni, genera un campo magnetico nelle vicinanze delle fibre muscolari:
Un elettrodo localizzato in tale campo rileverà il potenziale, la cui escursione temporale è nota come potenziale d'azione.
Nel tessuto muscolare umano, l'ampiezza del potenziale d'azione dipende:
•dal diametro della fibra muscolare
•dalla distanza tra la fibra muscolare e la posizione dell’elettrodo
•dalle proprietà filtranti dello stesso
Il potenziale d'azione di unità motoria (MUAP) rappresenta la forma d'onda di tensione consistente nell'integrazione spazio –temporale dei Potenziali d'azione delle singole fibre che la costituiscono.
Alla dispersione spaziale (contrazione di fibre muscolari appartenenti ad altre UM) si aggiunge quella temporale, poiché tutte le fibre muscolari dell'UM non si contraggono esattamente nello stesso istante. (Fig. 4)
Fig. 4
ANALISI DEL SEGNALE ELETTROMIOGRAFICO
La forma del potenziale, la sua durata e le relative fasi rappresentano le informazioni utili per uno studio a livello fisiologico che porti validi termini di paragone in situazioni patologiche.
Ad esempio, una percentuale di forme polifasiche superiore al 12 % (indice di una perdita eccessiva di sincronizzazione nella contrazione delle fibre muscolari costituenti l'unità motoria) è da considerarsi patologica (Buchthal).
La forma dei potenziali è definita dal numero di fasi, di solito essi hanno forma trifasica o difasica, ma ve ne sono anche polifasici (più di 4 fasi); questi ultimi sono rari (meno del 12%) e un loro aumento indica la presenza di patologie. (Fig 5)
Fig. 5
L'interazione (spazio -temporale) di tutti i segnali provenienti da tutte le UM attive, localizzate nell'area di prelievo degli elettrodi , dà origine al segnale elettromiografico superficiale, altrimenti detto tracciato di interferenza.
Lo spettro del segnale EMG è composto da due parti: Una dovuta alle frequenze di firing delle unità motorie (UM) più grandi e reclutate per ultime; queste contribuiscono con picchi nello spettro, in bassa frequenza, attorno alla frequenza media di sparo delle UM, cioè sui 10-40 Hz.
La seconda parte MUAPT (motorunitactionpotential), e va dai 50 fino a circa 100 Hz, in funzione di vari fattori, quali la forma e la disposizione degli elettrodi, la distanza delle fibre, la fatica muscolare etc... (Fig. 6)
Fig. 6
Fig. 7 Esempio di segnale grezzo: figura a destra deltoide durante un'abduzione, figura sinistra attivazione retto addominale e erettori spinali durante una flesso-estensione del dorso da posizione quadruplica.
ANALISI DI UN TRACCIATO D'INTERFERENZA
Prendiamo in esame un tracciato grezzo e cerchiamo di capire come poterlo manipolare per avere il maggiore numero di informazioni possibili da utilizzare per un'analisi specifica. Nella figura 8 prossimo osservare due tracciati elettromiografici che ad un primo sguardo sembrano abbastanza simmetrici, ovvero il comportamento della sonda 1 e della sonda 2 sono simili tanto da far supporre che nelle tre contrazioni muscolari presenti, l'impegno neurogeno sia equamente distribuito.
Fig. 8 Nell'immagine si distinguono tre azioni muscolari, il segnale 1 presenta una singola fase di reclutamento, il segnale due invece due fasi di reclutamento (elettrodi posizionati a livello del retto addominale: EMG1 parte sternale, EMG2 parte pubica)
Il primo passaggio da eseguire è quello della "rettificazione del segnale", ovvero, portare tutto le spettro in campo positivo. Tutte le tensioni negative sono rese positive, ribaltate rispetto la Base Line. Questa operazione porta a molti benefici: una migliore lettura del segnale, calcolo di parametri standard come la media, area sottesa dalsegnale e valore massimo. (Fig. 9)
Fig. 9 I segnali sono ora sovrapposti, si nota con maggiore dettaglio l'attivazione asincrona della componente distale e prossimale
Il secondo passaggio è quello relativo all'eliminazione del rumore, il processo è definito "smoothing" si può utilizzare un filtraggio RMS (Root Mean Square) rappresentate la potenza media del segnale, e il Valore Rettificato Medio (Average Rectified Value, AVR),che risulta simile all’integrale rettificato. Oppure possiamo utilizzare l'"inviluppo" ovvero la trasformazione del segnale in curve dinamiche che facilita la lettura del fenomeno, l'inviluppo viene solitamente filtrato con un filtro passa basso a 3Hz (ma questo valore può cambiare) per eliminare il segnale interferenziale. Un filtro passa basso è un sistema che permette il passaggio di frequenze al di sotto di una data soglia, detta frequenza di taglio, bloccando le alte frequenze. Fig. 10
Fig. 10 Mediante l'inviluppo con filtro passa-basso a 3 Hz si può notare come il segnale cambia al proseguire delle ripetizioni, soprattutto nel tracciato di EMG2 (verde) aumenta l'area sottesa alla curva e di conseguenza il tempo del muscolo sotto tensione pur non variando l'intensità del segnale
Come evidenziato in questa breve trattazione, l'analisi di un segnale grezzo porta spesso ad errore, soprattutto considerando le variazioni stesse della modulazione della contrazione muscolare. Ovviamente tutti i dati devono essere riferiti allo standard che è legato alla registrazione della massima contrazione volontaria. La massima contrazione volontaria è un metodo di ridefinizione del segnale, non più valutato secondo una tensione, ma rispetto una percentuale. Il processo dinormalizzazione consiste nell’acquisire quanto un soggetto può contrarre unmuscolo, assegnando il 100% alla massima contrazione e lo 0% alla contrazione nulla. Solitamente il protocollo vuole che le massime contrazioni siano mantenute per alcuni secondi e siano ripetute più volte, con un periodo di pausa tra ognuna. È un potente metodo per poter confrontare dati elettromiografici ottenuti da prove su soggetti diversi, o dallo stesso soggetto in giorni diversi. Normalizzare i livelli sEMG rispetto alla massima contrazione volontaria è anche un metodo comunemente usato per ridurre la variabilità tra diverse registrazioni.
BIBLIOGRAFIA
[1] D. U. Silverthorn, B. R. Johnson, W. C. Ober, C. W. Garrison, e A. C. Silverthorn,Human physiology: an integrated approach. Boston: Pearson Education, 2013.
[2] Prof. Marcello Bracale, «Elettromiografia - Appunti del corso di Elettronica Biomedica». 2002.
[3] P. Konrad, «The abc of emg», Pract. Introd. Kinesiol. Electromyogr., vol. 1, pagg. 30–35, 2005.
[4] M. Zahak, «Signal Acquisition Using Surface EMG and Circuit Design Considerations for Robotic Prosthesis», in Computational Intelligence in Electromyography Analysis - A Perspective on Current Applications and Future Challenges, G. R. Naik, A c. di InTech, 2012.
[5] R. Merletti e P. Parker, A c. di, Electromyography: physiology, engineering, and noninvasive applications. Hoboken: Wiley-Interscience [u.a.], 2004.
[6] F. Hug e S. Dorel, «Electromyographic analysis of pedaling: A review», J. Electromyogr. Kinesiol., vol. 19, n. 2, pagg. 182–198, apr. 2009.
[7] B. H. Olstad, J. R. Vaz, C. Zinner, J. M. H. Cabri, e P.-L. Kjendlie, «Muscle coordination differences in world champions, world-class and national elite breaststroke swimmers», J. Sports Sci., vol. 0, n. 0, pagg. 1–11, lug. 2016.
[8] B. Guignard, B. H. Olstad, D. Simbaña Escobar, J. Lauer, P.-L. Kjendlie, e A. H. Rouard, «Different Muscle-Recruitment Strategies Among Elite Breaststrokers», Int. J. Sports Physiol. Perform., vol. 10, n. 8, pagg. 1061–1065, nov. 2015.
[9] B. H. Olstad, J. R. Vaz, C. Zinner, J. M. H. Cabri, e P.-L. Kjendlie, «Muscle coordination, activation and kinematics of world-class and elite breaststroke swimmers during submaximal and maximal efforts», J. Sports Sci., vol. 0, n. 0, pagg. 1–11, lug. 2016.
[10] B. H. Olstad, C. Zinner, J. Cabri, e P.-L. Kjendlie, «Surface electromyographic measurements on land prior to and after 90 min of submersion (swimming) are highly reliable», J. Electromyogr. Kinesiol., vol. 24, n. 5, pagg. 698–703, ott. 2014.