Tecniche di rilevamento e di Elaborazione ... - · Lezione 1 3 Programma del corso 1. Segnali biomedici 1.1 Introduzione ai segnali biomedici 1.2 Caratterizzazione di biosegnali

Lezione 1 1

Tecniche di rilevamento e di Elaborazione di Segnali Biomedici

(Scienze Motorie)Giovanni Magenes

E-mail:[email protected]

Lezione 1 2

Obiettivi del corso

Corso di Elaborazione di Segnali Biomedici

•Approccio ai principali segnali biomedici, alle loro caratteristiche, ai modelli di generazione, alle elaborazioni elementari di più generale utilizzo.

•Schema generale di sistema per la rilevazione e la elaborazione di segnali biomedici.

•Comprensione delle relazioni fra calcoli in ambiente numerico a tempo discreto (digitale) e modelli dinamici in tempo continuo (analogico).

•Basi della descrizione in frequenza dei segnali e delle elaborazioni in questo dominio (filtraggio), sia analogiche che numeriche.

•Esempi di elaborazione di biosegnali.

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Programma del corso1. Segnali biomedici 1.1 Introduzione ai segnali biomedici1.2 Caratterizzazione di biosegnali2. Introduzione al trattamento di segnali2.1 Segnali continui nel tempo, segnali periodici; segnali discreti nel

tempo; esempi di segnali biologici continui e discreti;2.2 Campionamento di segnali continui, teorema dei campionamento,

ricostruzione di un segnale campionato; 2.3 Conversione A/D e quantizzazione; scelta della frequenza di

campionamento e problemi di aliasing; schema generale di analizzatore di segnali.

3. Estrazione di parametri e classificazione.3.1 Parametri nel dominio del tempo. Analisi dei movimenti oculari. 3.2 Parametri morfologici e nel dominio della frequenza. Analisi della

frequenza cardiaca. 3.3 Detezione di eventi in un segnale biomedico.


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Segnale

Fenomeno fisico alla cui evoluzione e alle cui caratteristiche attribuiamo un

contenuto informativo

Segnale ⇔ Informazione

• Un segnale può essere definito come una funzione o una grandezza che contiene informazione, in generale riguardo allo stato o al comportamento di un sistema fisico.

• Anche se i segnali possono essere rappresentati in molti modi, l'informazione è sempre contenuta nelle variazioni di una o piùgrandezze.


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Informazione

• Si ha informazione quando si viene a sapere qualcosa d’interesse che prima non si conosceva

• Informazione come: – aumento della conoscenza– diminuzione dell’incertezza

• Perché ci sia informazione occorre che ci sia comunicazione

• Un segnale è un veicolo d’informazione


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Rumore

Tutto ciò che è associato al segnale, ma non porta informazione

Disturba la ricezione del segnale e l’estrazione dell’informazione

Rapporto segnale/rumore (SNR)

• L’informazione cercata determina che cosa èsegnale e che cosa è rumore in un dato fenomeno

• Definizione operativa (e arbitraria)

• SNR può anche essere < 1


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Elaborazione dei segnali

Insieme delle tecniche e procedure utilizzate per:

• migliorare il rapporto segnale/rumore• estrarre l’informazione dal segnale

L’elaborazione non deve comportare perdite d’informazione


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Esempi di segnali• Artificiali (tecnologici)

– Segnali audio– Segnali radio-TV, telefonici (via cavo o

etere)– Segnali di comando/controllo,

telecomandi– Segnali di fumo, segni convenzionali,

simboli, ...

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Esempi di segnali• Naturali

– Gestualità, mimica– Parola e altri segnali vocali– Segnali chimici/olfattivi, bio-elettrici, …

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Segnali

Un segnale può essere definito come una funzione o una grandezzache contiene informazione, in generale riguardo allo stato o al comportamento di un sistema fisico.Anche se i segnali possono essere rappresentati in molti modi, l'informazione è sempre contenuta nelle variazioni di una o piùgrandezze in qualche dominio (tempo, spazio, ...).

Matematicamente un segnale è rappresentato come funzione di unao più variabili indipendenti. E' convenzione diffusa considerare il tempo come la variabileindipendente della rappresentazione matematica di un segnalemonodimensionale.

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Segnali

La variabile indipendente può essere definita in un insieme continuo (segnale continuo) o in un insieme discreto (segnale discreto). Nelcaso in cui la variabile indipendente sia il tempo si parla di segnalicontinui nel tempo e di segnali discreti nel tempo.

Se, oltre alla variabile indipendente, anche il valore del segnale èdefinito in un insieme discreto, diciamo che il segnale ènumerico.Se ambedue sono definiti in un inseme continuo, il segnale è dettoanalogico.

Analogamente, per i sistemi dedicati alla elaborazione dei segnali, siparla di sistemi analogici e di sistemi numerici o digitali.

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Biosegnali• L’organismo è sorgente di innumerevoli tipi di segnale : segnali

di origine biologica

– Elettrochimici (ECG, EEG, EMG, …)– Meccanici (forze/pressioni, flussi/portate, suoni)– Termici (temperatura corporea, termografia)Biosegnali= Segnali utilizzati nelle scienze mediche e biologiche

• Altri segnali sono prodotti dall’interazione tra l’organismo e un agente esterno– radiografie (raggi X)– ecografie (ultrasuoni)– tomografie (raggi X, altre particelle, campi magnetici)– “bio-immagini”


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Esempi di BiosegnaliCorso di Elaborazione di Segnali Biomedici

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Vari tipi di biosegnali

• Segnali deterministici:– si ripetono sempre “uguali” in osservazioni ripetute

• forma tipica che li caratterizza• “prevedibili”

• Segnali casuali (aleatori):– variabili in maniera imprevedibile

• non hanno forma tipica• descritti in termini statistici


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Segnale deterministico - ECG

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Segnale aleatorio - Sway posturale


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3

-3

-2 -1

0

1 2

3-3 -2 -1 0 1 2

32,01 peso medio sul piede sn

36,49 peso medio sul piede ds

3

-3

-2

-1

0

1 2

3 -3 -2 -1 0 1 2


48,42 peso medio sul piede ds 2

3

-3

-2 -1

0

1 2

3-3 -2 -1 0 1 2


26,86peso medio sul piede ds

3

-3

-2

-1

0

1 2

3 -3 -2 -1 0 1 2

43,11peso medio sul piede sn

36,77 peso medio sul piede ds

Soggetto 2

Soggetto 3 Soggetto 4

Copx

Soggetto 1

Copy

Copx

Copx Copx

Copy Copy

Copy

StatochinesigrammaStatochinesigramma (occhi chiusi)(occhi chiusi)

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Segnali analogici e numerici

• Analogici– continui nel tempo (definiti in ogni istante)– continui nelle ampiezze– es. onde di potenziale

• Numerici (digitali)– discreti nel tempo (definiti solo in certi istanti)– rappresentati mediante numeri (discreti nelle

ampiezze)– necessari per accedere al calcolatore


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Obiettivi dell’analisi di bio-segnali

• Approfondimento delle conoscenze• Diagnosi• Valutazione di performance (monitoraggio, in

tempo reale)• Follow-up• Screening• Protesi, ortesi• …………


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Esempi di segnali biomedici

• Potenziale d’azione: intracellulare, extracellulare.• Elettroencefalogramma (EEG)• Elettrocardiogramma (ECG)• Elettromiogramma (EMG)• Elettrooculogramma (EOG)• Frequenza cardiaca• Pressione arteriosa• Flusso/portata sanguigna• Acidità del sangue (Ph)• Flusso/volume respiratorio• Forza, tensione muscolare


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Obiettivi dell’analisi di bio-segnali

• Approfondimento delle conoscenze• Diagnosi• Valutazione di performance

(monitoraggio, in tempo reale)• Follow-up• Screening• Protesi, ortesi• …………

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Sistema di elaborazione di biosegnali

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Origine del biosegnale

• Il segnale è prelevato dall’organismo mediante appositi dispositivi:– Segnale bioelettrico ↔ Elettrodi– Altri segnali ↔ Sensori, Trasduttori, Sonde

• Se ne ottiene un segnale elettrico:– potenziale, corrente o carica elettrica– in genere un segnale analogico

• L’elaborazione al calcolatore richiede segnale numerico

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Elettroencefalogramma (EEG) 1

• Potenziale elettrico relativo alla attività cerebrale registrato sullo scalpo in posizioni standard:sistema 10/20.


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EEG 2 - Esempi di tracciati

• ritmo α , 8-13 Hz

• ritmo β > 13 Hz

• ritmo θ , 4-8 Hz

• ritmo δ < 4 Hz


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EEG 3 - Caratteristiche• banda 0.1 Hz - 50 Hz, ampiezza decine di μV• stazionario (con le stesse caratteristiche) per brevi tratti• non periodico ma spesso con un ritmo prevalente

concentrato su specifiche bande di frequenza• le caratteristiche variano con la derivazione• vi sono similitudini e sincronismi fra derivazioni vicine

Pot.d’azione singoli neuroni

Attivitàcoordinata aree corteccia

Volume conduttore tessuti cranio

Potenziali sulla superficie dello scalpo

• informazione indiretta e globale sulla attività cerebrale• ridondanza del tracciato rispetto alle caratteristiche rilevanti• possibilità di integrare informazioni da diverse derivazioni


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Elettrocardiografia (ECG) – Il cuore

L’ organo principale dell’apparato circolatorio e’ ilcuore,posto nel mediastino, zona centrale del torace fra i due polmoni. E’ un organomuscolare cavo disposto in serie fra la sezione venosa e quella arteriosa del circolo con la funzione di pompa,cioe’ dispingere avanti il sanguemediante un alternarsi dicontrazioni (sistole) e rilasciamento (diastole).

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Internamente ha 4 cavità: 2 superiori (atrio destro e sinistro) e 2 inferiori (ventricolo destro e sinistro). Ognuno dei due atri è sovrapposto al rispettivo ventricolo, con il quale comunica attraverso un foro o ostio atrioventricolare. Il passaggio del sangue avviene sempre dall'atrio al ventricolo. Il foro atrioventricolare destro è munito di una valvola, la tricuspide; quello sinistro di un'altra valvola, la bicuspide o mitrale. Le valvole, chiudendosi, impediscono il riflusso del sangue dal ventricolo all'atrio durante la sistole. Allo stesso scopo servono le valvole semilunari poste tra i ventricoli e il grande vaso arterioso che da essi si diparte: l'aorta e l'arteria polmonare.

Le frecce mostrano la direzione del flusso sanguigno attraverso il cuore: l'atrio destro riceve il sangue dal corpo, lo trasferisce al ventricolo destro che lo pompa nei polmoni per ricevere ossigeno. Il sangue ritorna dai polmoni all'atrio sinistro. Da lì passa nel ventricolo sinistro che lo pompa nel resto del corpo per un altro ciclo.

Elettrocardiografia (ECG) – Il cuore

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L'elettrocardiografia è uno dei test medico-diagnostici cardiovascolari non invasivi più importanti e diffusi ed oggi l'elettrocardiografo costituisce la dotazione base della maggior parte dei reparti, ambulatori e studi medici.L'attività cardiaca è legata alla formazione di potenziali elettrici, generati da gruppi di cellule (pace-maker) poste in zone ben definite del miocardio. Questi potenziali, originati nel nodo seno-atriale, si propagano lungo il muscolo cardiaco attraverso particolari fibre (fascio di His e rete di Purkinje) determinandone la contrazione ritmica.

Elettrocardiografia (ECG) – Potenziali cardiaci

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I potenziali non restano però confinati all'interno del miocardio, poiché il tessuto che lo circonda è conduttivo. Essi sono perciò presenti anche sulla superficie esterna del corpo, dove possono essere misurati applicando degli elettrodi sulla cute. L'elettrocardiogramma (ECG) è la registrazione di questi potenziali che si generano in conseguenza del campo elettrico variabile prodotto dall'attività cardiaca. Il livello di questi potenziali è molto basso; se opportunamente amplificati e trattati è però possibile ottenere una rappresentazione grafica dei potenziali cardiaci dalla quale dedurre informazionidiagnostiche utili per l'analisi d'alcune funzioni cardiache.

Elettrocardiografia (ECG) – Potenziali cardiaci

I potenziali che si manifestano sulla superficie del corpo sono rilevati inposizioni determinate, dette derivazioni (o connessioni),universalmente accettate ai fini di poter disporre di tracciati confrontabili.

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Elettrocardiogramma (ECG) 1• Potenziale elettrico relativo alla attività cardiaca

registrato in superficie in posizioni prefissate:arti e torace sistema di 12 derivazioni (lead) standard.

triangolo di Einthoven (derivaz. arti):3 derivaz. bipolari I, II e III3 derivaz. unipolari aumentate aVF (Foot),

aVL (Left arm), aVR (Right arm)


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Le derivazioni unipolari sono date dalle possibili coppie ottenibili collegando traloro uno dei tré punti RA, LA, LL ed un punto "virtuale" (Punto di Goldberg)ottenuto come media dei potenziali dei punti restanti:aVR: RA - (LA + LL)/2aVL: LA - (RA + LL)/2aVF: LL - (RA+LA)/2

Elettrocardiografia (ECG) - Derivazioni

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ECG 2 - derivazioni cont.6 derivazioni precordiali (toraciche)

• le 6 derivazioni agli arti vedono l’attività elettrica del cuore da lontano - in prima approssimazione, bipolo elettrico nel piano frontale - 2 segnali indipendenti (leggi di Kirchoff)

• le 6 derivazioni toraciche esplorano sul piano trasversale i potenziali in prossimità del muscolo cardiaco


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Elettrocardiografia (ECG) - Derivazioni

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La morfologia del segnale elettrocardiografico dipende dai generatori cardiaci, dalle caratteristiche del mezzo conduttore e dalla derivazione utilizzata.Un normale segnale elettrocardiografico misurato con due elettrodi posti nella caviglia sinistra e nel polso destro è riportato in figura. La prima deflessione, indicata con la lettera P, è prodotta dalla depolarizzazione (attivazione) atriale, la seguente serie di deflessioni, indicata come QRS, dalla depolarizzazione ventricolare, e l'onda indicata come T dalla ripolarizzazione ventricolare (la ripolarizzazione atriale èmascherata dal QRS).

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ECG 4 - significato fisiologico

• onda Pdepol. atriia partire dal nodo seno atriale

• tratto PQpausa nodo AV

• complesso QRSdepol. ventricolicontrazione cuore

• tratto ST cuore contratto

• onda Tripol. ventricoli

P

Q

R

S

T


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ECG 6 - Esempi

Bradicardia

Tachicardia sinusale


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Segnali di origine cardiovascolare - Esempi

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Esempio 2 -Elettromiografia

L'elettromiografia (EMG) misura i potenziali elettrici che si formano in un muscolo durante la sua contrazione volontaria.

Questi potenziali sono causati dalla depolarizzazione elettrica delle fibre muscolari in risposta all'arrivo di un impulso elettrico alla sinapsi neuromuscolare (punto di contatto tra la terminazione di un nervo periferico e la membrana di una fibra muscolare).

L'elettromiografia deve essere considerata come estensione dell'esame neurologico; infatti, permette la valutazione della funzionalitàneuromuscolare, in termini sia qualitativi, sia quantitativi.

Si distinguono due classi principali di EMG: quella ad agoelettrodo e quella di superficie.

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La misurazione dei potenziali d'azione muscolari (MAP), che rappresentano la risultante dell'attività elettrica dell'Unità Motoria al momento della contrazione, avviene mediante l'inserimento nel ventre muscolare di un agoelettrodo bipolare concentrico, nello spazio extracellulare. I singoli potenziali rispecchiano l'attività di una singola unità motoria (tutte le fibre muscolari collegate a una terminazione nervosa) nel caso di elettrodi di inserzione.L'esecuzione dell'esame vero e proprio comprende: · Il posizionamento dell'elettrodo di terra; · L'elettrodo esplorante viene inserito con una certa inclinazione per via transcutanea nel ventre muscolare considerato. L'attività elettrica registrata subito dopo il suo inserimento viene definita "attività di inserzione". · L'agoelettrodo viene mantentuto immobile per registrare eventuali attività elettriche spontanee, oppure seguenti ai vari gradi di contrazione muscolare: volontaria (antigravitazionale) o riflessa. A seconda delle situazioni e delle possibilità operative verranno studiati i potenziali d'unitàmotoria in quadro di "attività di reclutamento" (per contrazioni muscolari di intensità crescente) e di "interferenza" (per contrazioni massimali); ·

Elettromiografia ad ago

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L'esame di EMG fornisce risultati caratteristici che permettono la distinzione tra una malattia muscolare (miopatia, ad es. distrofie, miositi o la miastenia) e una malattia del sistema nervoso periferico (neuropatia, ad es. polineuropatie, neuriti o sindromi di compressione di una radice di un nervo periferico da ernia del disco o la sindrome del tunnel carpale).

Tracciato EMG normale: i singoli potenziali sono di pochi millivolt e si sovrappongono

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Tracciato EMG patologico da sofferenza cronica del nervo periferico che innerva il muscolo: i singoli potenziali sono ingranditi e appaiono più isolati.

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EMG di superficie

L'impiego dell'elettromiografia di superficie (SEMG) sta avendo una notevole diffusione sia per le caratteristiche di non invasività, sia per le potenzialità offerte dalle moderne tecniche di analisi numerica del segnale elettromiografico che possono fornire utili informazioni quantitative sulle condizioni di attività del distretto muscolare esaminato.

Recentemente numerosi settori, clinici e non, hanno utilizzato questa metodica con diversi tipi di applicazioni: valutazione della forza muscolare, test isometrici, studio della fatica muscolare, studio e terapia del dolore, studio del controllo del movimento, analisi prestazionali in medicina dello sport, biofeedback della contrazione muscolare, studio del cammino, valutazioni della attività muscolare in generale.

Mentre l‘EMG ad ago resta una tecnica di primaria importanza a livello diagnostico, che necessariamente richiede per il suo impiego l'apporto del neurologo, la SEMG è una tecnica di indagine dell'attività muscolare molto promettente e di grande interesse per la riabilitazione: nel monitoraggio degli effetti di un trattamento, direttamente durante un esercizio per aumentarne l'efficacia, per valutare l'affaticabilità muscolare …

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Strumentazione e tecniche di registrazioneEssendo il segnale elettromiografico di piccola ampiezza (100.000 volte piùpiccolo della tensione elettrica di una normale batteria), nei moderni elettromiografi sono inserite sia una sezione d'amplificazione sia una sezione di post-elaborazione del segnale. Un'alternativa a questo sistema consiste nell'impiego di una sezione d'amplificazione e pre-condizionamento del segnale e una scheda di conversione analogico-digitale, che può essere installata in un normale personal computer dotato di apposito software.Poter disporre del segnale in forma digitale offre il vantaggio di semplificare notevolmente l'esecuzione delle diverse elaborazioni, nonché di poterlo archiviare per successivi utilizzi.L'utilizzo di elettrodi di superficie semplifica sensibilmente le operazioni di prelievo del segnale e, unitamente alla non-invasività della tecnica, rende possibile l'effettuazione di registrazioni sia in condizioni di sforzo sia statico che dinamico, ad esempio durante l'esecuzione di esercizi o gesti funzionali.

Tuttavia è importante ricordare che, avendo il segnale registrato un'ampiezza inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente, le UM di cui è possibile registrare l'attività sono quelle situate entro un raggio massimo di 15 mm dagli elettrodi. Inoltre, la quantità di tessuto interposto tra la sorgente e gli elettrodi può attenuare le componenti ad alta frequenza del segnale, solitamente in modo proporzionale alla "profondità" dell'UM.

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Come per altre tecniche di registrazione di segnali bio-elettrici, anche per il SEMG è possibile scegliere tra registrazione di tipo monopolare (un elettrodo attivo in corrispondenza del muscolo da esaminare ed uno di riferimento su un punto neutro) e registrazione bipolare (due elettrodi attivi posti ambedue sul muscolo esaminato). La scelta fra le due tecniche èlasciata all'esperienza e alle preferenze dell'operatore, anche se la registrazione bipolare offre una migliore immunità ai disturbi, benché nel caso di muscoli di piccole dimensioni sia di difficile impiego essendo meno selettiva di quella monopolare e richiedendo un'area per il posizionamento degli elettrodi maggiore.E' generalmente consigliabile posizionare l'elettrodo (o gli elettrodi) in corrispondenza del ventre muscolare, ovvero dove si ottiene il segnale d'ampiezza più elevata a parità di livello di contrazione.

Lezione 1 47Misura su quadricipite in condizioni isocinetiche

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La velocità di conduzione nervosa è normalmente di circa 50 metri al secondo ed è ridotta nelle polineuropatie e neuropatie infiammatorie oppure nelle neuropatie locali da compressione meccanica, come la sindrome del solco del nervo ulnare o la sindrome del tunnel carpale. Nella maggior parte dei casi, l'EMG e la velocità di conduzione non sono in grado di fornire da soli una diagnosi specifica, che richiede sempre un'interpretazione adeguata della storia e dello sviluppo dei sintomi e della situazione clinica e del risultato di altri esami diagnostici.

L'EMG è completato dalla misurazione della velocità di conduzione nervosa: si applica uno stimolo elettrico ad un nervo periferico del braccio o della gamba e si misura il tempo che decorre tra stimolo e contrazione di un muscolo innervato da un particolare nervo. Stimolando il nervo in almeno due punti distanti e misurando la distanza tra questi punti èpossibile calcolare la velocità con cui il nervo conduce lo stimolo elettrico tra i due punti.

Velocità di conduzione

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Registrazione della velocità di conduzione: il nervo mediano èstimolato sia all'altezza del gomito sia sopra l'articolazione della mano e si registra la risposta di contrazione muscolare dei muscoli del pollice.

Tracciato della risposta elettrica muscolare registrata con gli elettrodi posti sopra il pollice. Sopra, la curva dopo stimolazione all'articolazione della mano (la risposta arriva prima), sotto, la curva dopo stimolazione al gomito (la risposta è più tardiva). Dividendo la distanza tra i due punti di stimolazione per la differenza di tempo tra l'inizio delle due risposte (frecce rosse) si calcola la velocità di conduzione nervosa.

Velocità di conduzione

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Analisi del segnaleIl segnale EMG deve essere innanzitutto filtrato, in modo da eliminare disturbi o metterne in evidenza le componenti d'interesse. Le tipologie di filtraggio sono diverse, a seconda che si vogliano evidenziare componenti a bassa frequenza (filtro passa-basso) o ad alta frequenza (filtro passa-alto) presenti nel segnale, che si vogliano eliminare componenti di disturbo a frequenza prefissata (notch-filter) o di caratteristiche note e variabili nel tempo (filtraggio tempo-variante).

Tra i diversi parametri calcolabili, quelli maggiormente impiegati sono: Ampiezza e valore quadratico medio o RIEMG:sono parametri di ampiezza del segnale e sono utili per la loro stretta correlazione con la forza sviluppata; inoltre sono i più immediati indici di attività muscolare e possono essere impiegati per la stima del numero delle UM attive e per descrivere le modalità del loro reclutamento. Alcuni impieghi sono ad esempio: la valutazione dell'attività mio-elettrica in rapporto alla misura della forza esercitata (generalmente in condizioni isometriche), nel Bio-feedback, nello studio della postura e del movimento, nello studio dei tempi di reazione e del controllo neuromotorio.

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Frequenza media e frequenza mediana:sono parametri spettrali definiti come i descrittori statistici della distribuzione in frequenza delle componenti del segnale e vengono impiegati principalmente nello studio della fatica muscolare

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Velocità di conduzione delle fibre muscolari:questo parametro rappresenta la velocità media alla quale il PUM si sposta lungo la fibra muscolare e deve essere misurato con un'apposita strumentazione ed in condizioni di contrazione muscolare indottaelettricamente. Viene usato insieme ai parametri spettrali per la quantificazione dei fenomeni di fatica muscolare.

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Segnali biologici con diversa origine - Esempi

a) Velocità del flusso sanguigno nell’arteria cerebrale di un soggetto umano

b) EMG (contrazione e rilassamento della lingua)

c) Angolo di rotazione del ginocchio

d) ECG

e) Frequenza cardiaca istantanea in battiti al minuto (100 battiti)

1 s

0.2 s


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Segnale EMG + ECG

1 s

EMG rilevato sul torace durante 2 respiri con sovrapposizione dell’ECG

Il segnale ECG puo’ essere individuato e rimosso.

In questo caso lo consideriamo RUMORERUMORE

Con ulteriori operazioni (raddrizzamento e filtraggio) si puo’ ottenere un segnale che rappresenta l’”ampiezza”dell’EMG


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