Modifica di Elettromiografia (sezione)

==Informazioni Generali==
Un segnale è, per definizione, nient'altro che la rappresentazione grafica dell'andamento temporale di una grandezza fisica. Nel caso dell'elettromiogramma di superficie (sEMG), questa grandezza è la differenza di potenziale generata dal muscolo durante la sua contrazione, che produce una corrente elettrica nei tessuti e una differenza di potenziale che viene infine registrata sulla pelle. La rappresentazione grafica di ciò è l'elettromiogramma o traccia elettromiografica o segnale elettromiografico o sEMG.

Quando si rileva e si registra un segnale sEMG, devono essere considerati due aspetti principali che influenzano la fedeltà della registrazione: il rapporto segnale-rumore e la distorsione. Il primo è definito come il rapporto tra l'energia del segnale utile (cioè il segnale desiderato) e l'energia del rumore. Quest'ultimo consiste non solo nel rumore effettivo (che potremmo immaginare come il fruscio di fondo dei vecchi dischi a 78 giri) ma anche in qualsiasi altro segnale semplicemente indesiderato, come segnali cardiaci, segnali di altri muscoli o segnali dovuti ad artefatti. Questa contaminazione, sebbene spesso indicata come rumore, dovrebbe più accuratamente essere definita interferenza, lasciando il termine rumore per il rumore puramente termico. La distorsione, d'altra parte, è un'alterazione della forma d'onda utile del sEMG che si manifesta matematicamente come una variazione indesiderata delle componenti di frequenza del segnale sEMG.

Il rapporto segnale-rumore e la distorsione sono due problemi che, alterando la rappresentazione del segnale registrato, possono modificare o nascondere le informazioni che il segnale sEMG è destinato a trasmettere.

È ormai ben noto che l'ampiezza del segnale sEMG è di natura casuale e può essere rappresentata da una distribuzione gaussiana. Pertanto, il segnale sEMG non è perfettamente prevedibile a priori, nemmeno analizzando un segmento della traccia immediatamente precedente a quello da prevedere. Ma questo è esattamente ciò che ci si aspetterebbe da un segnale destinato a trasmettere informazioni secondo la teoria di Shannon. Ne consegue, sempre da considerazioni di teoria dell'informazione, che l'uso della trasformata di Fourier sul segnale sEMG è del tutto inappropriato.

Forse a questo punto vale la pena commentare perché la trasformata di Fourier non ha senso per segnali casuali o comunque stocastici. Infatti, se ammettiamo che un segnale rumoroso dovrebbe contenere tutte le frequenze possibili, allora ci aspetteremmo da esso una trasformata di Fourier piatta, cioè contenente tutte le frequenze nello spettro. Tuttavia, un altro segnale rumoroso, temporalmente diverso dal primo, dovrebbe quindi avere la stessa trasformata di Fourier. Questo porterebbe alla conclusione assurda che due segnali diversi avrebbero la stessa trasformata di Fourier. Quindi quale segnale dovrebbe essere

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ricostruito dalla trasformata di Fourier inversa? Ne consegue che la trasformata di Fourier dei segnali casuali non è significativa per il loro contenuto spettrale, e in questo caso devono essere utilizzati altri metodi.

L'ampiezza del segnale sEMG (EMG di superficie) dipende da molti fattori patofisiologici e tecnici. Escludendo questi ultimi, possiamo considerare segnali sEMG con un intervallo di ampiezza massima (intervallo dinamico in ampiezza) da 1,5 mV a 10 mV. Le frequenze presenti nel segnale EMG vanno da 0 a 500 Hz, ma la banda utile per la diagnosi e clinicamente utile va da 50 a 150 Hz. Ovviamente, solo i segnali in questa banda con un'intensità maggiore di quella del rumore nella stessa banda sono utilizzabili.

===Caratteristiche del Rumore nel Segnale sEMG===

====Rumore Elettronico dall'Amplificatore====
Una fonte di rumore inevitabile è quella intrinsecamente presente nei circuiti elettronici utilizzati per amplificare e condizionare il segnale sEMG. Questo rumore ha frequenze che vanno dalla corrente continua (0 Hz) a decine di kHz. Per minimizzare questo rumore, devono essere utilizzate tecniche di progettazione di amplificatori all'avanguardia e componenti elettronici di alta qualità.

''Rumore Elettromagnetico Ambientale''

Un'altra fonte di rumore altamente fastidiosa è il rumore ambientale, originato dalla radiazione elettromagnetica (radio, televisione, telefoni cellulari, linee di distribuzione dell'energia elettrica, dispositivi elettrici ed elettronici, ecc.) che inonda continuamente il corpo umano quando si trova in ambienti urbani moderni. Più precisamente, questo dovrebbe essere definito come interferenza. Il tipo più significativo è il cosiddetto rumore a 50 Hz (60 Hz nel continente americano e in Giappone), causato dalle emissioni elettromagnetiche delle linee elettriche. Il rumore a 50 Hz, noto anche come "ronzio di rete" o "ronzio di corrente alternata", è particolarmente disturbante perché spesso raggiunge livelli che sono da 100 a 1.000 volte superiori al segnale sEMG stesso. La lotta contro il ronzio di rete viene condotta in vari modi, tra cui la progettazione di amplificatori appropriati per minimizzare la registrazione del rumore a 50 Hz, tecniche di posizionamento corretto degli elettrodi e, infine, la conduzione della registrazione in stanze appositamente schermate (gabbie di Faraday).

====Artefatti da Movimento====
Ulteriori disturbi nella registrazione fedele di un segnale sEMG possono derivare da artefatti da movimento. Questo è di particolare interesse nella registrazione dell'EMG di superficie perché è evidente che il movimento è intrinsecamente generato dal muscolo sotto la pelle dove sono applicati gli elettrodi. Sono descritti almeno due diversi tipi di artefatti da movimento. Il primo e più ovvio è quello che risulta da una variazione della superficie dell'elettrodo a contatto con la pelle. Questo si verifica più facilmente con elettrodi grandi e rigidi piuttosto che con quelli piccoli e flessibili, che possono meglio e più rapidamente adattarsi alla curvatura mutevole della pelle sopra il muscolo durante la contrazione. La variazione della superficie dell'elettrodo a contatto con la pelle produce un cambiamento improvviso nella capacità elettrica dell'elettrodo e, di conseguenza, un
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 variazione della tensione continua dell'elettrodo. Il secondo tipo è causato dal movimento dei cavi che collegano gli elettrodi all'amplificatore. In questo caso, l'artefatto è essenzialmente dovuto a variazioni capacitive all'ingresso dell'amplificatore, che possono essere minimizzate abbastanza facilmente con una corretta progettazione degli stadi di ingresso dell'amplificatore o schermando i cavi. Questi artefatti hanno tipicamente uno spettro che va da 0 a 20 Hz, cioè al di fuori della banda utile per la registrazione sEMG, e possono quindi essere eliminati da circuiti di filtraggio appropriati senza alterare significativamente il segnale utile.

====Casualità del Segnale EMG====
L'ultima e meno ovvia fonte di rumore nel segnale sEMG è la natura quasi casuale del segnale sEMG stesso. Questo si verifica principalmente nella gamma di spettro da 0 a 20 Hz ed è dovuto alla frequenza casuale delle scariche delle unità motorie. Le unità motorie, infatti, hanno una frequenza di attivazione proprio nella gamma da 0 a 20 Hz. La natura instabile di questi componenti del segnale dovrebbe portarli a essere considerati rumore e, quindi, filtrati. Questo viene normalmente fatto. Sfortunatamente, il lettore non familiare con la teoria del segnale potrebbe non comprendere appieno questo punto. Filtrare i segnali nella banda da 0 a 20 Hz, dove sono presenti le frequenze di scarica delle unità motorie, potrebbe sembrare controintuitivo, portando alla rimozione di qualsiasi contenuto informativo dal segnale.

Ma un esempio di vita quotidiana potrebbe aiutare. Immagina di ascoltare musica rock ad alto volume dallo stereo dell'auto di un veicolo vicino, entrambi in attesa al semaforo. Quello che senti è solo una successione ritmica di colpi di batteria. Ma se il conducente dell'auto vicina abbassa il finestrino, puoi immediatamente sentire la musica. Prima che il finestrino fosse abbassato, potevi percepire il ritmo (bassa frequenza) meglio degli altri suoni (che seguivano anch'essi il ritmo della musica ma avevano un contenuto di frequenza più alta), che il ritmo stesso ti impediva di comprendere. In questo esempio, il finestrino doveva essere abbassato (per permettere alla musica di passare), mentre nel caso del sEMG, il ritmo viene filtrato (per vedere meglio il segnale).

===Elettrodi===
Tutti sanno che la registrazione dei segnali elettrici biologici inizia con gli elettrodi, ma pochissimi si rendono conto della vera "necessità" di questi. Gli elettrodi sembrano qualcosa di intrinseco al processo di registrazione, e nessuno mette davvero in discussione il loro ruolo.

In realtà, il problema è abbastanza semplice. I circuiti elettronici per amplificare e registrare i segnali sEMG sono essenzialmente fatti di fili elettrici. Questi fili sono ovviamente metallici (rame), e le cariche elettriche comuni di un solo tipo fluiscono attraverso di essi: gli elettroni. Sicuramente tutti sanno che gli elettroni fluiscono nei fili elettrici. Tuttavia, poche persone si chiedono se gli elettroni possano anche fluire nel corpo umano. Certamente, i potenziali cellulari, che sono alla base delle differenze di potenziale rilevabili sulla pelle, causano correnti elettriche, cioè flussi di cariche elettriche. Ma queste cariche nei tessuti del corpo non possono essere

elettroni. In effetti, è difficile trovare elettroni liberi in movimento nel corpo umano, come accade nel reticolo metallico di un filo. Nel nostro corpo, abbiamo altri portatori di carica elettrica, che sono gli ioni. Gli ioni sono "pezzi" di molecole con una carica elettrica netta diversa da zero. Sono molto diversi dagli elettroni: possono pesare decine o centinaia di migliaia di volte di più e possono avere cariche multiple rispetto a un elettrone e persino di segno opposto. Purtroppo, possono fluire solo in un ambiente acquoso e certamente non in un filo a causa delle loro dimensioni. Quindi, la situazione è la seguente: abbiamo una corrente elettrica nei fili metallici dell'amplificatore, così come abbiamo una corrente elettrica nei tessuti del corpo, dove i portatori sono gli ioni. Come possiamo garantire che la carica elettrica fluisca in un circuito così "misto"? Come possiamo garantire che i portatori scambino carica elettrica? Questo è precisamente il ruolo importante dell'elettrodo. Qui, una reazione chimica scambia cariche elettriche tra elettroni e ioni. L'unica reazione chimica che fa questo è quella nota come redox (ossidoriduzione). Pertanto, lo scopo degli elettrodi è fornire un sito per una reazione redox che "chiude il circuito" e permette alle cariche elettriche di fluire continuamente dai tessuti del corpo all'amplificatore e viceversa, consentendo così di rilevare e amplificare i biopotenziali sulla pelle. Funziona tutto come se la carica elettrica viaggiasse su un tipo di trasporto (elettroni) in un ambiente e su un altro tipo di trasporto (ioni) in un ambiente diverso. Abbiamo bisogno di una sorta di "intercambio" dove la carica elettrica possa essere trasferita da un mezzo all'altro.

Questo è il motivo per cui gli elettrodi sono così importanti e non solo semplici e banali pezzi di filo da collegare alla pelle.

Se nessuno avesse ancora inventato un elettrodo, si potrebbe pensare di realizzarlo come segue. Sembrerebbe opportuno farlo in due parti: una parte metallica da collegare al filo che va all'amplificatore e una parte salina, attaccata alla prima, capace di partecipare alla reazione redox. Inoltre, sarebbe importante che la resistenza dell'elettrodo fosse il più bassa possibile per evitare una caduta di tensione eccessiva all'elettrodo, che si tradurrebbe in un valore minore misurato sulla traccia. Pertanto, dovrebbe essere scelto un metallo a bassa resistività (e dermatologicamente adatto) come l'argento (non l'oro, poiché è troppo costoso). Per la parte salina, ovviamente, si sceglierebbe un sale d'argento. Quale? Poiché l'elettrodo è posto sulla pelle, che è in comunicazione diretta con i fluidi extracellulari dei tessuti ricchi di cloruro, si sceglierebbe il cloruro d'argento. Quindi l'elettrodo sarebbe fatto come segue: una piccola piastra metallica d'argento ricoperta da uno strato di cloruro d'argento nell'area che viene a contatto con la pelle. Per concludere, si potrebbe usare una spugna imbevuta in una soluzione di cloruro d'argento in acqua per garantire la mobilità appropriata degli ioni. Sarebbe saggio mantenere l'intero setup

 protetto dalla luce poiché la luce decompone i sali d'argento, come potresti ricordare dalla fotografia su pellicola, che ora è scomparsa. E così abbiamo "inventato" un bel elettrodo. Ma come funziona?

La reazione redox che avviene tra l'elettrodo e la pelle è la seguente:

<math>AgCl + e^-\Leftrightarrow Ag + Cl^-</math>

e tutto sembra funzionare bene. In particolare, poiché la reazione è reversibile, c'è la possibilità che la corrente fluisca in entrambe le direzioni con la stessa reazione redox. Si dice che l'elettrodo sia reversibile. Ma cosa succede se la corrente fluisce in una sola direzione, come nelle misurazioni elettromiografiche di lunga durata? In questo caso, l'elettrodo potrebbe "consumarsi", il che significa che lo strato di cloruro potrebbe dissolversi completamente e l'argento metallico verrebbe a contatto diretto con la pelle. Pertanto, si dice che l'elettrodo sia consumabile. Un elettrodo argento/cloruro d'argento è sia reversibile che consumabile. L'esaurimento dell'elettrodo non è un risultato positivo. Per effettuare una misurazione con l'amplificatore, sono necessari almeno due elettrodi. Ognuno di essi probabilmente "vedrà" una concentrazione diversa di ioni cloruro nell'area in cui è posizionato. Questo farà sì che ogni elettrodo generi il proprio potenziale di semicella (equazione di Nernst) diverso dall'altro. Questo potenziale è anche noto come potenziale di giunzione liquida. Poiché i due potenziali sono diversi, non si annulleranno a vicenda, e quindi il valore misurato sarà il potenziale muscolare aggiunto alla differenza nei potenziali di semicella degli elettrodi. Il potenziale elettrico muscolare ha valori ben al di sotto di un millivolt, mentre il potenziale di giunzione liquida ha valori dell'ordine dei volt. Questo fatto rende la misurazione alquanto complicata, ma è comunque possibile gestire questo fenomeno e ottenere buone registrazioni. Almeno finché l'elettrodo è in buone condizioni! Una volta che il cloruro è completamente esaurito, il potenziale di semicella diventa imprevedibile e irregolare, a seconda degli altri ioni presenti nell'area, nonché delle impurità nell'argento. Sarà molto difficile per l'amplificatore elettromiografico compensare e superare questo effetto. A questo punto, si dice che l'elettrodo sia diventato polarizzato e può essere scartato senza rimpianti.

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File:SnapShot 241014 165659.jpg|'''Figura 1:''' Diagramma schematico della trasformazione di una corrente ionica (carica negativamente) in una corrente elettronica (carica negativamente) attraverso lo sfruttamento della reazione redox resa possibile dalla presenza dell'elettrodo. 
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Sarebbe bello, quindi, inventare un elettrodo inesauribile. Uno potrebbe essere realizzato con una piastra di platino metallico. Il platino catalizza l'elettrolisi dell'acqua (siamo ovviamente in un ambiente acquoso), e abbiamo la seguente reazione:

<math>2e^-+2H_2O\rightarrow 2OH^- + H_2</math>

Tuttavia, questa volta è una reazione non reversibile, quindi se la direzione della corrente viene invertita, si verifica una reazione diversa.

si verifica:

<math>2H_2O\rightarrow 4H^++O_2+4e^-</math>

Quindi, abbiamo un elettrodo inesauribile (il platino catalizza la reazione ma non vi partecipa chimicamente, quindi non si consuma), ma è irreversibile. La produzione di gas (idrogeno gassoso o ossigeno gassoso) durante la reazione di elettrolisi è piuttosto scomoda perché il gas tende a isolare l'elettrodo dalla pelle, rendendo questo tipo di elettrodo non particolarmente utile.

Sebbene esistano almeno altri due o tre tipi di elettrodi per l'elettromiografia, l'elettrodo Ag/AgCl è il più comunemente usato ed è ora venduto per pochi centesimi ciascuno.

Storicamente, vale la pena menzionare un elettrodo interessante: l'elettrodo "spray-on", sviluppato dalla NASA per monitorare gli elettrocardiogrammi dei primi astronauti. L'elettrodo spray-on era realizzato spruzzando grafite colloidale (polvere di carbonio) sulla pelle, dipingendola di fatto. La grafite conduttiva creava un contatto intimo con la pelle, e un normale filo metallico poteva semplicemente essere posizionato sulla "macchia nera". Oggi, l'elettrodo spray-on è quasi non più utilizzato.