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Venerdì 05 Marzo 2010 19:41

L'elettromiografia di superficie: concetti di base

Gianluca Spinatonda
Ingegnere, Servizio di Bioingegneria, Istituto di Riabilitazione di Veruno, Fondazione Salvatore Maugeri Clinica del Lavoro e della Riabilitazione, IRCCS

Scienza Riabilitativa, 12 - 1997


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.
Benché la neuro-fisiopatologia sia il campo clinico che storicamente si è maggiormente avvalso della elettromiografia di superficie a scopo diagnostico, recentemente anche altri settori, clinici e di ricerca, 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, studio della balbuzie, analisi prestazionali in medicina dello sport, studio dei tremori muscolari, biofeedback della contrazione muscolare, studio del cammino, analisi della spasticità e valutazioni della attività muscolare in generale.
Mentre l'elettromiografia ad ago resta una tecnica di primaria importanza a livello diagnostico, che necessariamente richiede per il suo impiego l'apporto del neurologo, la non-invasività e la disponibilità di metodi di analisi automatica sempre più potenti, rendono la SEMG 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 o la qualità del recupero di un'attività muscolare compromessa ed in tutte quelle situazioni in cui sia importante quantificare l'attività mio-elettrica in modo non-invasivo e con un vantaggioso rapporto tra efficacia e costi.

Potenziali elettrici e segnale EMG
I muscoli scheletrici sono organizzati funzionalmente sulla base di unità motorie (UM).
La sezione trasversale di un muscolo rivela come alle fibre appartenenti ad una UM siano interposte quelle di altre UM, pertanto le fibre muscolari di una singola UM costituiscono una sorgente bio-elettrica distribuita in un mezzo conduttivo di cui fanno parte tutte le altre fibre muscolari, sia attive sia inattive. Il segnale elettrico generato dalle fibre attive di una UM è chiamato potenziale extra-cellulare o potenziale d'unità motoria (PUM), ha morfologia trifasica (ovvero è costituito da tre picchi con segno alternato), ha una durata compresa tra 3 e 15 ms, una ampiezza variabile da 20 a 2000 V, a seconda delle caratteristiche della UM, ed una frequenza di scarica compresa tra i 6 e i 30 Hz.
La SEMG misura il potenziale di campo elettrico risultante dalla sovrapposizione dei potenziali d'azione delle singole fibre muscolari attive.
E' importante osservare che i singoli contributi elettrici generati dalle UM, ovvero i PUM, sovrapponendosi nel volume muscolare sia spazialmente sia temporalmente, danno luogo ad un segnale elettrico, apparentemente disordinato, chiamato pattern di interferenza tipicamente non-periodico e variabile nel tempo; per tali motivi, per poter interpretare il segnale è necessario sottoporlo ad una elaborazione utilizzando adeguati parametri statistici ed elettrici anch'essi varianti nel tempo.
Una particolare tecnica, utilizzata nello studio della fatica muscolare, consiste nell'indurre artificialmente la contrazione mediante una stimolazione elettrica del muscolo, permettendo in tal modo di ottenere livelli di contrazione, e quindi misurazioni elettromiografiche, più ripetibili che non tramite la contrazione volontaria.

Strumentazione e tecniche di registrazione
Essendo il segnale elettromiografico di piccola ampiezza (100.000 volte più piccolo della tensione elettrica di una normale batteria), è anzitutto necessario amplificarlo per portarlo ad una intensità adeguata per le successive elaborazioni. Nei moderni elettromiografi sono inserite sia una sezione d'amplificazione sia una sezione di post-elaborazione del segnale per consentire la gestione in modo digitale delle funzioni di filtraggio e misura del segnale oltre che provvedere alla archiviazione dei dati misurati insieme alle informazioni anagrafiche e cliniche necessarie. Un'alternativa a questo sistema consiste nell'impiego di una sezione d'amplificazione e pre-condizionamento del segnale (rispondente alla normativa di sicurezza vigente) 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 (sequenze di numeri che rappresentano l'evoluzione temporale dell'ampiezza del segnale) 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. Infine, è importante ricordare che talora, soprattutto nel caso di registrazioni effettuate su muscoli di piccole dimensioni o nel caso di errato posizionamento degli elettrodi, è possibile il sommarsi di contributi indesiderati generati da fibre attive di muscoli prossimi a quello in esame (fenomeno del cross-talk).
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 è lasciata 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. Tuttavia, per ottenere segnali di buona qualità è sicuramente necessaria una considerevole pratica e un atlante specialistico che fornisca le necessarie indicazioni per il corretto posizionamento degli elettrodi. Nell'effettuazione di registrazioni in condizioni dinamiche (esercizi, test ergometrici, ecc.) vanno considerati gli effetti che il movimento può produrre sul segnale, quali le variazioni indesiderate di ampiezza dovute al movimento delle masse muscolari e alle variazioni della impedenza di contatto degli elettrodi, con conseguenti alterazioni del segnale EMG originale.

Analisi del segnale
Il 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). Una volta effettuato il filtraggio del segnale EMG è possibile procedere alle misurazioni in grado di fornire le desiderate informazioni sulle caratteristiche di attivazione delle fibre muscolari che l'hanno generato.
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.
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
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 indotta elettricamente. Viene usato insieme ai parametri spettrali per la quantificazione dei fenomeni di fatica muscolare.



Ultimo aggiornamento Venerdì 05 Marzo 2010 19:44
 

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