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Elettromiografia: differenze tra le versioni

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==General Information==
==Informazioni Generali==
A signal is, by definition, nothing more than the graphical representation of the temporal trend of a physical quantity. In the case of the surface electromyogram (sEMG), this quantity is the potential difference generated by the muscle during its contraction, which produces an electric current in the tissues and a potential difference that is ultimately recorded on the skin. The graphical representation of this is the electromyogram or electromyographic trace or electromyographic signal or sEMG.
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.


When detecting and recording an sEMG signal, two main aspects that influence the fidelity of the recording must be considered: the signal-to-noise ratio and distortion. The first is defined as the ratio between the energy of the useful signal (i.e., the desired signal) and the energy of the noise. The latter consists not only of actual noise (which we could imagine as the background hiss of old 78 RPM records) but also of any other signal that is simply unwanted, such as cardiac signals, signals from other muscles, or signals due to artifacts. This contamination, although often referred to as noise, should more accurately be termed interference, leaving the term noise for purely thermal noise. Distortion, on the other hand, is an alteration of the useful sEMG waveform that manifests mathematically as an undesired variation in the frequency components of the sEMG signal.
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.


The signal-to-noise ratio and distortion are two problems that, by altering the recorded signal representation, can modify or hide the information the sEMG signal is meant to convey.
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.


It is now well known that the amplitude of the sEMG signal is random in nature and can be represented by a Gaussian distribution. Thus, the sEMG signal is not perfectly predictable a priori, not even by analyzing a segment of the trace immediately preceding the one to be predicted. But this is precisely what one would expect from a signal meant to convey information according to Shannon's theory. It follows, again from information theory considerations, that using the Fourier transform on the sEMG signal is entirely inappropriate.
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.


Perhaps at this point, it is worth commenting on why the Fourier transform does not make sense for random or otherwise stochastic signals. In fact, if we admit that a noisy signal should contain all possible frequencies, then we would expect from it a flat Fourier transform, i.e., one containing all frequencies in the spectrum. However, another noisy signal, temporally different from the first, should then have the same Fourier transform. This would lead to the absurd conclusion that two different signals would have the same Fourier transform. So which signal should be reconstructed from the inverse Fourier transform? It follows that the Fourier transform of random signals is not meaningful for their spectral content, and other methods should be used in this regard.
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


The amplitude of the sEMG (surface EMG) signal depends on many pathophysiological and technical factors. Excluding the latter, we can consider sEMG signals with a maximum amplitude range (dynamic range in amplitude) from 1.5 mV to 10 mV. The frequencies present in the EMG signal range from 0 to 500 Hz, but the diagnostic and clinically useful band ranges from 50 to 150 Hz. Obviously, only signals in this band with an intensity greater than that of noise in the same band are usable.
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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.


===Characteristics of Noise in the sEMG Signal===
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.


====Electronic Noise from the Amplifier====
===Caratteristiche del Rumore nel Segnale sEMG===
An unavoidable source of noise is the one intrinsically present in the electronic circuits used for amplifying and conditioning the sEMG signal. This noise has frequencies ranging from direct current (0 Hz) to tens of kHz. To minimize this noise, state-of-the-art amplifier design techniques and high-quality electronic components must be used.


''Electromagnetic Environmental Noise''
====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.


Another highly annoying source of noise is environmental noise, originating from electromagnetic radiation (radio, television, cell phones, power distribution lines, electrical and electronic devices, etc.) that continuously inundates the human body when it is in modern urban environments. More accurately, this should be referred to as interference. The most significant type is the so-called 50 Hz noise (60 Hz in the American continent and Japan), caused by electromagnetic emissions from power lines. The 50 Hz noise, also known as "mains hum" or "alternating current hum," is particularly disturbing because it often reaches levels that are 100 to 1,000 times higher than the sEMG signal itself. The fight against mains hum is carried out in various ways, including the design of appropriate amplifiers to minimize the recording of 50 Hz noise, proper electrode placement techniques, and, finally, conducting the recording in specially shielded rooms (Faraday cages).
''Rumore Elettromagnetico Ambientale''


====Movement Artifacts====
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).
Further disturbances in the faithful recording of an sEMG signal can arise from movement artifacts. This is of particular interest in the recording of surface sEMG because it is evident that movement is inherently generated by the muscle beneath the skin where the electrodes are applied. At least two different types of movement artifacts are described. The first and most obvious is the one that results from a variation in the electrode surface facing the skin. This occurs more easily with large and rigid electrodes rather than small and flexible ones, which can better and more quickly adapt to the changing curvature of the skin over the muscle during contraction. The variation in the electrode surface in contact with the skin produces a sudden change in the electrode's electrical capacitance and, consequently, a variation in the electrode's direct current voltage. The second type is caused by the movement of the cables that connect the electrodes to the amplifier. In this case, the artifact is essentially still due to capacitive variations at the amplifier input, which can be minimized fairly easily with proper design of the amplifier input stages or by shielding the cables. These artifacts typically have a spectrum ranging from 0 to 20 Hz, i.e., outside the useful band for sEMG recording, and can therefore be eliminated by appropriate filtering circuits without significantly altering the useful signal.


====Randomness of the EMG Signal====
====Artefatti da Movimento====
The last and less obvious source of noise in the sEMG signal is the quasi-random nature of the sEMG signal itself. This occurs mainly in the 0 to 20 Hz range of the spectrum and is due to the random frequency of motor unit discharges. Motor units, in fact, have an activation frequency precisely in the 0 to 20 Hz range. The unstable nature of these components of the signal should lead them to be considered noise and, therefore, filtered out. This is normally done. Unfortunately, the reader unfamiliar with signal theory may not fully understand this point. Filtering signals in the 0 to 20 Hz band, where the motor unit firing frequencies are present, might seem counterintuitive, leading to the removal of any informative content from the signal.
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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But a common-life example might help. Imagine listening to loud rock music from the car stereo of a nearby vehicle, both waiting at a traffic light. What you hear is just a rhythmic succession of drumbeats. But if the driver of the nearby car rolls down the window, you can immediately hear the music. Before the window was lowered, you could perceive the rhythm (low frequency) better than the other sounds (which also followed the rhythm of the music but had a higher frequency content), which the rhythm itself prevented you from understanding. In this example, the window had to be lowered (to allow the music through), whereas in the case of sEMG, the rhythm is filtered out (to better see the signal).
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.


===Electrodes===
====Casualità del Segnale EMG====
Everyone knows that the recording of biological electrical signals starts with electrodes, but very few realize the real "necessity" of these. Electrodes seem like something inherent in the recording process, and no one really questions their role.
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.


In reality, the problem is quite simple. The electronic circuits for amplifying and recording sEMG signals are essentially made of electrical wires. These wires are obviously metallic (copper), and common electrical charges of a single type flow through them: electrons. Surely everyone knows that electrons flow in electrical wires. However, few people question whether electrons can also flow in the human body. Certainly, cellular potentials, which are the basis for the potential differences detectable on the skin, cause electric currents, i.e., flows of electric charges. But these charges in the body's tissues cannot be electrons. In fact, it is difficult to find free-moving electrons in the human body, as happens in the metallic lattice of a wire. In our body, we have other carriers of electric charge, which are ions. Ions are "pieces" of molecules with a net electric charge different from zero. They are very different from electrons: they can weigh tens or hundreds of thousands of times more and may have multiple charges compared to an electron and even of opposite sign. Unfortunately, they can only flow in an aqueous environment and certainly not in a wire due to their size. So, the situation is as follows: we have an electric current in the metallic wires of the amplifier, just as we have an electric current in the body's tissues, where the carriers are ions. How can we ensure that the electric charge flows in such a "mixed" circuit? How can we ensure that the carriers exchange electric charge? This is precisely the important role of the electrode. Here, a chemical reaction exchanges electric charges between electrons and ions. The only chemical reaction that does this is the one known as redox (oxidation-reduction). Thus, the purpose of the electrodes is to provide a site for a redox reaction that "closes the circuit" and allows electric charges to flow continuously from the body's tissues to the amplifier and vice versa, thus enabling the biopotentials on the skin to be detected and amplified. It all works as if the electric charge travels on one type of transport (electrons) in one environment and another type of transport (ions) in a different environment. We need a sort of "interchange" where the electric charge can be transferred from one medium to another.
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).


This is why electrodes are so important and not just simple and trivial pieces of wire to connect to the skin.
===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.


If no one had yet invented an electrode, one could think of making it as follows. It would seem appropriate to make it in two parts: a metallic part to connect to the wire going to the amplifier and a saline part, attached to the former, capable of participating in the redox reaction. Furthermore, it would be important that the electrode's resistance is as low as possible to avoid excessive voltage drop at the electrode, which would result in a smaller value being measured on the trace. Therefore, a low-resistivity metal (and dermatologically suitable) such as silver should be chosen (not gold, as it is too expensive). For the saline part, a silver salt would obviously be chosen. Which one? Since the electrode is placed on the skin, which is in direct communication with the extracellular fluids of the tissues rich in chloride, silver chloride would be chosen. So the electrode would be made as follows: a small metallic silver plate covered with a layer of silver chloride in the area that comes into contact with the skin. To conclude, a sponge soaked in a silver chloride solution in water could be used to ensure the appropriate mobility of ions. It would be wise to keep the entire setup protected from light since light decomposes silver salts, as you might recall from film photography, which has now disappeared. And so we have "invented" a nice electrode. But how does it work?
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


The redox reaction that occurs between the electrode and the skin is the following:
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>
<math>AgCl + e^-\Leftrightarrow Ag + Cl^-</math>


and everything seems to work well. In particular, since the reaction is reversible, there is the possibility of current flowing in both directions with the same redox reaction. The electrode is said to be reversible. But what happens if the current flows in only one direction, as in long-duration electromyographic measurements? In this case, the electrode could "wear out," meaning that the chloride layer could dissolve entirely, and the metallic silver would come into direct contact with the skin. Thus, the electrode is said to be consumable. A silver/silver-chloride electrode is both reversible and consumable. The depletion of the electrode is not a positive outcome. To make a measurement with the amplifier, at least two electrodes are needed. Each of them will probably "see" a different concentration of chloride ions in the area where it is placed. This will cause each electrode to generate its own half-cell potential (Nernst equation) different from the other. This potential is also known as the liquid junction potential. Since the two potentials are different, they will not cancel each other out, and thus the measured value will be the muscle potential added to the difference in the half-cell potentials of the electrodes. The muscle electrical potential has values well below a millivolt, while the liquid junction potential has values on the order of volts. This fact makes the measurement somewhat complicated, but it is still possible to manage this phenomenon and obtain good recordings. At least until the electrode is in good condition! Once the chloride is completely depleted, the half-cell potential becomes unpredictable and erratic, depending on other ions present in the area, as well as impurities in the silver. It will be very difficult for the electromyographic amplifier to compensate and overcome this effect. At this point, it is said that the electrode has become polarized and can be discarded without regret.
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|'''Figure 1:''' Schematic diagram of the transformation of an ion current (negatively charged) into an electron current (negatively charged) through the exploitation of the redox reaction made possible by the presence of the electrode.  
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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It would be nice, then, to invent an inexhaustible electrode. One could be made with a plate of metallic platinum. Platinum catalyzes the electrolysis of water (we are obviously in an aqueous environment), and we have the following reaction:
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>
<math>2e^-+2H_2O\rightarrow 2OH^- + H_2</math>


However, this time it is a non-reversible reaction, so if the current direction is reversed, a different reaction occurs:
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>
<math>2H_2O\rightarrow 4H^++O_2+4e^-</math>


Thus, we have an inexhaustible electrode (platinum catalyzes the reaction but does not chemically participate in it, so it does not wear out), but it is irreversible. The production of gas (gaseous hydrogen or gaseous oxygen) during the electrolysis reaction is quite inconvenient because the gas tends to insulate the electrode from the skin, making this type of electrode not particularly useful.
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.


Although there are at least two or three other types of electrodes for electromyography, the Ag/AgCl electrode is the most commonly used and is now sold for just a few dozen cents each.
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.


Historically, an interesting electrode is worth mentioning: the "spray-on" electrode, developed by NASA for monitoring the electrocardiograms of the first astronauts. The spray-on electrode was made by spraying colloidal graphite (carbon powder) onto the skin, effectively painting it. The conductive graphite created an intimate contact with the skin, and a normal metal wire could simply be placed on the "black patch." Today, the spray-on electrode is almost no longer used.
==Caratteristiche Elettriche degli Amplificatori==
La progettazione dell'amplificatore è la parte più critica dei dispositivi elettronici utilizzati per registrare il segnale sEMG. La fedeltà del segnale sEMG rilevato dagli elettrodi e dall'amplificatore influenza tutte le fasi successive di elaborazione e presentazione, e nulla può essere fatto per ripristinare un segnale che è stato acquisito in modo errato o distorto. A tal fine, sono importanti una serie di caratteristiche; esse sono spesso pubblicizzate dai produttori dell'attrezzatura, ma molto più raramente comprese dagli utenti.


==Electrical Characteristics of Amplifiers==
===Amplificazione Differenziale e CMRR===
The design of the amplifier is the most critical part of the electronic devices used to record the sEMG signal. The fidelity of the sEMG signal detected by the electrodes and the amplifier influences all subsequent processing and presentation stages, and nothing can be done to restore a signal that has been incorrectly or distortedly acquired. A number of characteristics are important for this purpose; they are often advertised by manufacturers of the equipment, but much more rarely understood by the users.
[[File:Opamppinouts.png|thumb|'''Figura 2:''' Simbolo dell'amplificatore operazionale. Gli ingressi invertente e non invertente sono distinti da "−" e "+" posti nel triangolo dell'amplificatore. V<sub>s+</sub> e V<sub>s−</sub> sono le tensioni di alimentazione; spesso sono omesse dal diagramma per semplicità ma devono essere presenti nel circuito reale.]]


===Differential Amplification and CMRR===
Come accennato in precedenza, il problema del rumore a 50 Hz è potenzialmente un inconveniente piuttosto difficile da eliminare. La tecnica universalmente adottata per affrontare questo problema parte dal concetto che tale rumore dovrebbe essere lo stesso in tutti i punti del corpo, mentre il segnale bioelettrico da acquisire negli stessi punti deve essere diverso. Pertanto, viene utilizzato un amplificatore differenziale. Questo può essere pensato come costituito da due amplificatori identici i cui segnali di uscita vengono sottratti l'uno dall'altro da un modulo di sottrazione appropriato. Se il segnale disturbante è lo stesso in entrambi gli ingressi, verrà annullato all'uscita dal sottrattore, mentre il segnale utile, che è diverso in entrambi gli ingressi, verrà amplificato in modo cosiddetto differenziale. Il segnale disturbante che è lo stesso in entrambi gli ingressi è anche chiamato segnale "in modalità comune". Qualsiasi segnale generato lontano dal corpo ha un'alta probabilità di essere visto come un segnale in modalità comune.
[[File:Opamppinouts.png|thumb|'''Figure 2:''' Operational amplifier symbol. The inverting and non-inverting inputs are distinguished by "−" and "+" placed in the amplifier triangle. V<sub>s+</sub> and V<sub>s−</sub> are the power-supply voltages; they are often omitted from the diagram for simplicity but must be present in the actual circuit.]]


As mentioned earlier, the issue of 50 Hz noise is potentially a rather difficult inconvenience to eliminate. The universally adopted technique to address this starts from the concept that such noise should be the same at all points on the body, while the bioelectric signal to be acquired in the same points must be different. Therefore, a differential amplifier is used. This can be thought of as consisting of two identical amplifiers whose output signals are subtracted from each other by an appropriate subtraction module. If the disturbing signal is the same at both inputs, it will be canceled at the output by the subtractor, while the useful signal, which is different at both inputs, will be amplified in a so-called differential manner. The disturbing signal that is the same at both inputs is also called a "common-mode" signal. Any signal generated far from the body has a high chance of being seen as a common-mode signal, while all signals generated near or inside the body will be "differential" signals. Therefore, noise generated by electromagnetic induction from power lines at 50 Hz will be actively canceled from the final recording of the sEMG signal. Clearly, this explanation requires the availability of highly accurate subtractors, since the common-mode signal can be thousands of times larger than the differential signal. In practice, perfect subtraction can never be achieved, only approximated to varying degrees of quality. The accuracy with which the subtractor performs the difference of the signals from the two inputs can be numerically expressed by the CMRR parameter of the amplifier. The CMRR is the "common-mode rejection ratio" and represents the ratio between the amplification of the differential signal and the amplification of the common-mode signal (which is very low and tends to zero due to the subtractor). Therefore, a perfect, ideal subtractor will have a CMRR equal to infinity. In practice, CMRR values range from 90 to 120 dB (the measurement is expressed in dB as 20 times the base-10 logarithm of the above ratio).<ref>Wang Yang. [https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1846/1/012034/pdf A New Type of Right-leg-drive Circuit ECG Amplifier Using New Operational Amplifier.] Journal of Physics: Conference Series '''1846''' (2021) 012034 doi:10.1088/1742-6596/1846/1/012034</ref><ref>Bruce B. Winter; John G. Webster. [https://ieeexplore.ieee.org/document/4121504/authors#authors Driven-right-leg circuit design]. Journals & Magazines IEEE Transactions on Biomedic..Volume: BME-30 Issue: 1</ref>
segnale, mentre tutti i segnali generati vicino o all'interno del corpo saranno segnali "differenziali". Pertanto, il rumore generato dall'induzione elettromagnetica dalle linee elettriche a 50 Hz sarà attivamente cancellato dalla registrazione finale del segnale sEMG. Chiaramente, questa spiegazione richiede la disponibilità di sottrattori altamente accurati, poiché il segnale in modalità comune può essere migliaia di volte più grande del segnale differenziale. In pratica, una sottrazione perfetta non può mai essere raggiunta, solo approssimata a vari gradi di qualità. L'accuratezza con cui il sottrattore esegue la differenza dei segnali dai due ingressi può essere espressa numericamente dal parametro CMRR dell'amplificatore. Il CMRR è il "rapporto di reiezione in modalità comune" e rappresenta il rapporto tra l'amplificazione del segnale differenziale e l'amplificazione del segnale in modalità comune (che è molto bassa e tende a zero a causa del sottrattore). Pertanto, un sottrattore perfetto e ideale avrà un CMRR pari a infinito. In pratica, i valori di CMRR variano da 90 a 120 dB (la misura è espressa in dB come 20 volte il logaritmo in base 10 del rapporto sopra indicato).<ref>Wang Yang. [https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1846/1/012034/pdf A New Type of Right-leg-drive Circuit ECG Amplifier Using New Operational Amplifier.] Journal of Physics: Conference Series '''1846''' (2021) 012034 doi:10.1088/1742-6596/1846/1/012034</ref><ref>Bruce B. Winter; John G. Webster. [https://ieeexplore.ieee.org/document/4121504/authors#authors Driven-right-leg circuit design]. Journals & Magazines IEEE Transactions on Biomedic..Volume: BME-30 Issue: 1</ref>


As strange as it may seem, there are at least three reasons why it is not practical to have a very high CMRR: the first is that amplifiers with extremely high CMRR tend to be excessively expensive; the second is that such amplifiers are increasingly less stable and reliable in the long term as the CMRR value increases; and the third is that common-mode signals are not necessarily common-mode in an absolute sense, as they may have small phase or amplitude variations that undermine the best CMRR. In addition, alterations or asymmetries in the electrodes can have dramatic effects in lowering the overall CMRR of an amplifier that is otherwise of good quality. (Fig. 2)
Per quanto possa sembrare strano, ci sono almeno tre ragioni per cui non è pratico avere un CMRR molto alto: la prima è che gli amplificatori con CMRR estremamente alto tendono ad essere eccessivamente costosi; la seconda è che tali amplificatori sono sempre meno stabili e affidabili a lungo termine man mano che il valore del CMRR aumenta; e la terza è che i segnali in modalità comune non sono necessariamente in modalità comune in senso assoluto, poiché possono avere piccole variazioni di fase o ampiezza che compromettono il miglior CMRR. Inoltre, alterazioni o asimmetrie negli elettrodi possono avere effetti drammatici nel ridurre il CMRR complessivo di un amplificatore che altrimenti sarebbe di buona qualità. (Fig. 2)


<br />
<br />
====Input Impedance====
====Impedenza di Ingresso====
The impedance of a circuit in which alternating currents flow (i.e., currents that do not always have the same direction and intensity over time) is the equivalent of resistance for direct current circuits. The difference is that impedance varies with the frequency of the currents, and thus a filtering effect is generally obtained, whereby certain signals at a particular frequency may be recorded with higher or lower intensity depending on the impedance of the circuits (typically electrodes and cables) through which they pass.
L'impedenza di un circuito in cui fluiscono correnti alternate (cioè correnti che non hanno sempre la stessa direzione e intensità nel tempo) è l'equivalente della resistenza per i circuiti a corrente continua. La differenza è che l'impedenza varia con la frequenza delle correnti, e quindi si ottiene generalmente un effetto di filtraggio, per cui certi segnali a una particolare frequenza possono essere registrati con maggiore o minore intensità a seconda dell'impedenza dei circuiti (tipicamente elettrodi e cavi) attraverso cui passano.
 
In particolare, per evitare attenuazioni e distorsioni indesiderate, l'impedenza della pelle e dell'elettrodo deve essere il più bassa possibile.
 
possibile, mentre l'impedenza di ingresso dell'amplificatore deve essere il più alta possibile, in modo che la corrente prelevata dal generatore biologico che scorre attraverso i circuiti esterni sia minimizzata. I circuiti elettronici moderni permettono la creazione di amplificatori con impedenze di ingresso che raggiungono fino a 10<sup>15</sup> ohm, con una capacità di ingresso dell'ordine di pochi picofarad. Considerando che la tensione del segnale sEMG di superficie è dell'ordine di 10 mV, con un'impedenza di 10<sup>15</sup> ohm, la corrente negli elettrodi e nell'amplificatore è minuscola, ammontando a solo poche migliaia di elettroni (!) al secondo. Tuttavia, non è solo il valore assoluto della corrente di ingresso nell'amplificatore che conta: anche l'equilibrio delle correnti in tutti i circuiti degli elettrodi è altamente importante. Questo richiede non solo un'attenta progettazione dell'amplificatore, ma anche tecniche di misurazione precise.
 
====Progettazione e Uso degli "Elettrodi Attivi"====
La necessità di un'impedenza di ingresso molto alta degli amplificatori introduce un problema noto come accoppiamento capacitivo agli ingressi.
 
Infatti, con un'impedenza di ingresso molto alta, anche la piccola capacità tra i cavi degli elettrodi e i fili di distribuzione elettrica della rete di alimentazione non può più essere ignorata. La soluzione a questo problema comporta la riduzione della lunghezza dei cavi degli elettrodi o lo spostamento dell'amplificatore il più vicino possibile agli elettrodi. Così vicino, infatti, che viene incorporato nell'elettrodo stesso, creando così un "elettrodo attivo." Il segnale già pre-amplificato viene quindi inviato allo strumento attraverso cavi a bassa impedenza, completamente immuni al problema sopra menzionato.


Specifically, to avoid unwanted attenuation and distortion, the impedance of the skin and electrode must be as low as possible, while the input impedance of the amplifier must be as high as possible, so that the current drawn from the biological generator that flows through the external circuits is minimized. Modern electronic circuits allow the creation of amplifiers with input impedances reaching up to 10<sup>15</sup> ohms, with input capacitance on the order of a few picofarads. Considering that the voltage from the surface sEMG signal is on the order of 10 mV, with an impedance of 10<sup>15</sup> ohms, the current in the electrodes and amplifier is minuscule, amounting to only a few thousand electrons (!) per second. However, it is not just the absolute value of the input current into the amplifier that matters: the balance of the currents in all the electrode circuits is also highly important. This requires not only careful amplifier design but also precise measurement techniques.
====Filtraggio====
Anche con le considerazioni sopra menzionate e i metodi più scrupolosi, il segnale sEMG può ancora essere contaminato da segnali indesiderati che possono essere eliminati utilizzando varie tecniche di filtraggio. Queste tecniche si basano su circuiti (o programmi software nel caso di filtri digitali) che permettono ai segnali utili di passare quasi inalterati mentre attenuano fortemente il rumore o altri segnali indesiderati. Per il segnale sEMG, i filtri possono far passare segnali nella banda da 20 a 500 Hz, con un'attenuazione fuori banda che diminuisce di 12 dB/ottava, significando una riduzione di 12 dB per ogni raddoppio o dimezzamento della frequenza oltre i limiti minimo e massimo.


====Design and Use of "Active Electrodes"====
''Stabilità degli Elettrodi''
The requirement for a very high input impedance of amplifiers introduces a problem known as capacitive coupling at the inputs.


Indeed, with a very high input impedance, even the small capacitance between the electrode cables and the electrical distribution wires of the power grid can no longer be ignored. The solution to this issue involves reducing the length of the electrode cables or moving the amplifier as close as possible to the electrodes. So close, in fact, that it is incorporated into the electrode itself, thus creating an "active electrode." The already pre-amplified signal is then sent to the instrument through low-impedance cables, completely immune to the problem mentioned above.
La stabilità degli elettrodi si riferisce alla stabilità meccanica, elettrica ed elettrochimica. La stabilità meccanica è già stata discussa. La stabilità elettrica ed elettrochimica sono legate al progresso della reazione redox che avviene al contatto dell'elettrodo con la pelle e alle caratteristiche elettriche della pelle. I problemi possono solitamente sorgere da cambiamenti anomali nello stato di idratazione dell'elettrodo, come l'essiccazione o l'umidità eccessiva dovuta al sudore, per esempio.<ref>J.V. Basmajian and C.J. De Luca, ''Muscles Alive. Their Functions Revealed by Electromyography'', quinta edizione (Williams and Wilkins, Baltimore, 1985).</ref>


====Filtering====
===Geometria e Posizionamento degli Elettrodi===
Even with the aforementioned considerations and the most scrupulous methods, the sEMG signal can still be contaminated by unwanted signals that can be eliminated using various filtering techniques. These techniques are based on circuits (or software programs in the case of digital filters) that allow the useful signals to pass through almost unchanged while strongly attenuating noise or other unwanted signals. For the sEMG signal, filters can pass signals in the band from 20 to 500 Hz, with out-of-band attenuation decreasing by 12 dB/octave, meaning a 12 dB reduction for every doubling or halving of the frequency beyond the minimum and maximum limits.
Nel corso della storia delle registrazioni elettromiografiche, la forma e il posizionamento della superficie degli elettrodi non hanno mai ricevuto molta attenzione. Questo è probabilmente dovuto al fatto che si è data più enfasi a una valutazione qualitativa del segnale, e questo approccio è persistito anche nelle metodologie approssimative che sono state utilizzate. Ancora oggi, lo studio del segnale sEMG non ha raggiunto una reputazione "quantitativa" stabile nel senso di essere ampiamente accettato. Questo è ancora più curioso se si considera che un altro specifico "segnale sEMG", quello del muscolo cardiaco o elettrocardiogramma (ECG), è da tempo stabilito come un esame di indiscutibile importanza clinica.


''Stability of the Electrodes''
Inoltre, l'elaborazione del segnale attraverso metodi informatici presenta ora sfide significative in termini di quantificazione o almeno di oggettivazione della misurazione elettromiografica.


Electrode stability refers to mechanical, electrical, and electrochemical stability. Mechanical stability has already been discussed. Electrical and electrochemical stability are related to the progress of the redox reaction that occurs at the electrode's contact with the skin and the skin's electrical characteristics. Problems can usually arise from abnormal changes in the hydration state of the electrode, such as drying out or excessive moisture due to sweat, for example.<ref>J.V. Basmajian and C.J. De Luca, ''Muscles Alive. Their Functions Revealed by Electromyography'', fifth edition (Williams and Wilkins, Baltimore, 1985).</ref>
====Distanza tra gli Elettrodi====
La distanza tra gli elettrodi influenza notevolmente la larghezza di banda, l'ampiezza e la fase del segnale sEMG. Questo significa che la distanza tra gli elettrodi influisce significativamente sulla forma del segnale, producendo così una sorta di distorsione. Il fatto che influenzi anche la fase ci dice che le misurazioni temporali (ritardi, latenze, periodi) derivate dal segnale sEMG in riferimento a eventi di stimolazione esterna dipendono anch'esse da questo. In definitiva, la distanza tra gli elettrodi, sebbene spesso sottovalutata nella pratica, è un parametro fondamentale per eseguire misurazioni sEMG quantitative, cioè riproducibili e quindi comparabili.<ref>A C MettingVanRijn 1, A Peper, C A Grimbergen. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/7934255/ Amplifiers for bioelectric events: a design with a minimal number of parts.] Med Biol Eng Comput1994 May;32(3):305-10. doi: 10.1007/BF02512527.<br /></ref>


===Geometry and Placement of Electrodes===
È quindi chiaro che sarebbe altamente preferibile che il set di elettrodi fosse montato su un supporto rigido in modo che la disposizione degli elettrodi non possa variare in installazioni successive sullo stesso soggetto o su soggetti diversi (in condizioni anatomiche comparabili). La distanza tra gli elettrodi dipende anche dalla loro dimensione e dalla necessità di effettuare misurazioni su piccoli muscoli senza interferenze dai segnali sEMG dei muscoli vicini. Una distanza minima di 1 cm è spesso considerata adeguata, ma ci sono applicazioni in cui la distanza è ancora minore.<ref>E M Spinelli 1, N H Martínez, M A Mayosky. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10612904/ A transconductance driven-right-leg circuit] . IEEE Trans Biomed Eng1999 Dec;46(12):1466-70. doi: 10.1109/10.804574.<br /></ref>
Throughout the history of electromyographic recordings, the shape and placement of the electrode surface have never received much attention. This is likely because a qualitative evaluation of the signal was given more emphasis, and this approach has persisted even in the approximate methodologies that have been used. To this day, the study of the sEMG signal has not achieved a stable "quantitative" reputation in the sense of being widely accepted. This is even more curious when considering that another specific "sEMG signal," that of the cardiac muscle or electrocardiogram (ECG), has long been established as an examination of undeniable clinical importance.


Moreover, signal processing through computer methods now presents significant challenges in terms of quantifying or at least objectifying electromyographic measurement.
Le distanze ridotte sono generalmente evitate perché si ritiene che i segnali possano essere alterati dalle condizioni locali. Il sudore è considerato un pericolo in questi casi perché tende a "cortocircuitare" gli elettrodi sulla pelle. Questa è una questione controversa e non è considerata valida dall'autore. Infatti, sotto la pelle, esiste un "cortocircuito" naturale costituito dall'extracellulare.


====Distance Between Electrodes====
fluidi del tessuto sottocutaneo e del derma. Un "cortocircuito" esterno, con un'impedenza simile a quella dell'interno, non dovrebbe quindi alterare la misurazione. Alcuni sostengono che costruire amplificatori con un'impedenza di ingresso estremamente alta sarebbe inutile in questo modo. Tuttavia, il "cortocircuito" avverrebbe tra gli elettrodi, non tra i fili che conducono dall'elettrodo all'amplificatore, e l'alta impedenza di ingresso dell'amplificatore continua a essere rilevante nel contrastare l'impedenza dell'elettrodo stesso. Alcuni sostengono anche che, per lo stesso motivo, non sarebbe possibile effettuare misurazioni sEMG in acqua, mentre l'autore ha regolarmente sviluppato sistemi elettromiografici radiotrasmittenti per nuotatori. Inoltre, nessuno ha mai messo in discussione le misurazioni dei biopotenziali, come l'sECG, effettuate in ambienti "umidi", come l'ECG intraesofageo o anche le misurazioni invasive dei biopotenziali.<ref>Palla´s-Areny R, Webster JG. AC amplifiers. In: ''Analog signal processing''. (Wiley, New York, 1999:97–109).</ref>
The distance between the electrodes greatly influences the bandwidth, amplitude, and phase of the sEMG signal. This means that the distance between the electrodes significantly affects the signal's shape, thus producing a kind of distortion. The fact that it also influences the phase tells us that time measurements (delays, latencies, periods) derived from the sEMG signal in reference to external stimulation events also depend on this. Ultimately, the distance between electrodes, although often underestimated in practice, is a fundamental parameter for performing quantitative sEMG measurements, i.e., reproducible and therefore comparable.<ref>A C MettingVanRijn 1, A Peper, C A Grimbergen. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/7934255/ Amplifiers for bioelectric events: a design with a minimal number of parts.] Med Biol Eng Comput1994 May;32(3):305-10. doi: 10.1007/BF02512527.<br /></ref>


It is therefore clear that it would be highly preferable for the set of electrodes to be mounted on a rigid support so that the arrangement of the electrodes cannot vary in subsequent installations on the same subject or on different subjects (under comparable anatomical conditions). The distance between electrodes also depends on their size and the need to make measurements on small muscles without interference from sEMG signals from nearby muscles. A minimum distance of 1 cm is often considered adequate, but there are applications where the distance is even smaller.<ref>E M Spinelli 1, N H Martínez, M A Mayosky. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10612904/ A transconductance driven-right-leg circuit] . IEEE Trans Biomed Eng1999 Dec;46(12):1466-70. doi: 10.1109/10.804574.<br /></ref>
====Dimensione e Forma degli Elettrodi====
È certo che maggiore è la dimensione dell'elettrodo, maggiore è il livello del segnale registrato e minore è il rumore. Tuttavia, un elettrodo grande ha lo svantaggio di acquisire segnali da muscoli diversi o da parti del muscolo che non sono di interesse; specificamente, si perde la selettività spaziale. Pertanto, è necessario un elettrodo che catturi il massimo numero di fibre muscolari da un'area ristretta con poco rumore. È evidente che questi requisiti sono in conflitto, e si deve raggiungere un compromesso.


Small distances are generally avoided because it is believed that the signals may be altered by local conditions. Sweat is considered a hazard in these cases because it tends to "short-circuit" the electrodes on the skin. This is a controversial issue and is not considered valid by the author. In fact, beneath the skin, there is a natural "short-circuit" made up of the extracellular fluids of the subcutaneous tissue and dermis. An external "short-circuit," with an impedance similar to that of the interior, should therefore not alter the measurement. Some argue that constructing amplifiers with extremely high input impedance would be pointless in this way. However, the "short-circuit" would occur between the electrodes, not between the wires leading from the electrode to the amplifier, and the high input impedance of the amplifier continues to be relevant in counteracting the electrode impedance itself. Some also argue that, for the same reason, it would not be possible to make sEMG measurements in water, while the author has regularly developed radiotransmitting electromyographic systems for swimmers. Moreover, no one has ever questioned biopotential measurements, such as sECG, taken in "humid" environments, such as intraesophageal ECG or even invasive biopotential measurements.<ref>Palla´s-Areny R, Webster JG. AC amplifiers. In: ''Analog signal processing''. (Wiley, New York, 1999:97–109).</ref>
Oltre alla forma circolare convenzionale, ora vengono utilizzate altre configurazioni come elettrodi a matrice o a barra, ciascuna con relativi vantaggi e svantaggi. La forma "corretta" rimane un risultato raggiunto attraverso tentativi più o meno euristici e dipende dall'operatore.


====Size and Shape of Electrodes====
====Localizzazione e Posizionamento degli Elettrodi====
It is certain that the larger the size of the electrode, the higher the level of the recorded signal and the lower the noise. However, a large electrode has the disadvantage of acquiring signals from different muscles or from parts of the muscle that are not of interest; specifically, spatial selectivity is lost. Therefore, an electrode is needed that captures the maximum number of muscle fibers from a restricted area with low noise. It is evident that these requirements are in conflict, and some compromise must be reached.
Gli elettrodi dovrebbero essere posizionati tra un punto motore di innervazione muscolare e il tendine o tra due punti motori, e orientati lungo la linea mediana longitudinale del ventre muscolare. Pertanto, l'asse longitudinale degli elettrodi dovrebbe essere allineato parallelamente alla lunghezza delle fibre muscolari.


In addition to the conventional circular shape, other configurations such as array or bar electrodes are now being used, each with relative advantages and disadvantages. The "correct" shape remains an achievement reached through more or less heuristic attempts and depends on the operator.
Gli elettrodi non dovrebbero essere posizionati vicino al tendine. In tali posizioni, le fibre muscolari sono sottili e sparse, e c'è anche il rischio di "captare" segnali sEMG da altri muscoli (ad esempio, agonisti).


====Localization and Positioning of Electrodes====
Allo stesso modo, gli elettrodi non dovrebbero essere posizionati sul punto motore, anche se questo è un preconcetto difficile da superare. Il punto motore è il punto sul muscolo (e la sua proiezione equivalente sulla pelle) dove l'iniezione di una corrente minima provoca una contrazione ben definita del muscolo stesso. Di solito, ma non sempre, questo punto corrisponde alla parte del muscolo dove avviene l'innervazione e dove si trova la massima densità di neuroni.
Electrodes should be placed between a motor point of muscle innervation and the tendon or between two motor points, and oriented along the muscle belly's longitudinal median line. Thus, the longitudinal axis of the electrodes should be aligned parallel to the length of the muscle fibers.


Electrodes should not be placed near the tendon. In such locations, muscle fibers are thin and sparse, and there is also the risk of "picking up" sEMG signals from other muscles (e.g., agonists).
Tuttavia, dal punto di vista della stabilità del segnale, misurare con due elettrodi vicino al punto motore è la peggiore


Similarly, electrodes should not be placed on the motor point, although this is a difficult preconception to overcome. The motor point is the point on the muscle (and its equivalent projection on the skin) where the injection of a minimal current causes a well-defined contraction of the muscle itself. Usually, but not always, this point corresponds to the part of the muscle where innervation occurs and where the highest density of neurons is found.
situazione in cui trovarsi. Da questa regione, i potenziali di attivazione delle fibre muscolari si propagano prossimalmente e distalmente, e le fasi relative positive e negative si sommano o si annullano sugli elettrodi, producendo un segnale molto distorto caratterizzato da picchi acuti e improvvisi a causa della situazione casuale. La stabilità è particolarmente compromessa qui perché è evidente che piccoli movimenti dell'elettrodo causeranno enormi variazioni nel tracciato e nelle sue caratteristiche di frequenza e fase.


However, from the standpoint of signal stability, measuring with two electrodes near the motor point is the worst situation to be in. From this region, the activation potentials of the muscle fibers propagate proximally and distally, and the relative positive and negative phases either sum or cancel out on the electrodes, producing a very distorted signal characterized by sharp, sudden spikes due to the random situation. Stability is particularly compromised here because it is evident that small movements of the electrode will cause huge variations in the trace and its frequency and phase characteristics.
Non è inoltre consigliabile posizionare gli elettrodi agli estremi del muscolo (uno sull'origine e uno sull'inserzione). In questo caso, un volume di tessuto troppo grande è sotto osservazione e i segnali provenienti da muscoli che non sono di interesse vengono facilmente catturati.


It is also not advisable to place electrodes at the muscle's extremes (one on the origin and one on the insertion). In this case, too large a volume of tissue is under observation, and signals from muscles that are not of interest are easily captured.
====Orientamento Relativo alle Fibre Muscolari====
È quindi chiaro che l'asse longitudinale della configurazione dell'elettrodo dovrebbe essere parallelo alle fibre muscolari. In questo modo, la maggior parte delle fibre presenti in quell'area verrà registrata insieme alle caratteristiche spettrali del segnale. Questo è importante perché l'indipendenza dello spettro del segnale da qualsiasi fattore trigonometrico impedirà una stima errata della velocità di conduzione. Per ragioni simili, le misurazioni di ritardo, periodo e latenza saranno più accurate e ripetibili.


====Orientation Relative to Muscle Fibers====
===Il "Misterioso" Elettrodo di Riferimento===
It is therefore clear that the longitudinal axis of the electrode configuration should be parallel to the muscle fibers. In this way, most of the fibers present in that area will be recorded along with the signal's spectral characteristics. This is important because the independence of the signal's spectrum from any trigonometric factors will prevent erroneous estimation of conduction velocity. For similar reasons, delay, period, and latency measurements will be more accurate and repeatable.
Il problema principale con l'elettrodo di riferimento è che nella maggior parte delle apparecchiature elettromiografiche, viene chiamato "terra" o "massa". L'operatore, solitamente non familiare con gli aspetti elettronici o bioelettrici, lo percepisce come qualcosa legato alla sicurezza del paziente o alla riduzione del rumore (ad esempio, il rumore a 50 Hz che verrebbe "scaricato" a "terra", come si farebbe con un elettrodomestico). Questo è assolutamente falso e porta a grandi fallimenti e perdite di tempo.


===The "Mysterious" Reference Electrode===
La necessità e l'importanza di utilizzare un amplificatore differenziale per registrare segnali bioelettrici è già stata spiegata. Si è detto che un amplificatore differenziale è essenzialmente composto da due amplificatori che amplificano il potenziale in due punti, e la differenza viene presa istante per istante. Ogni amplificatore avrà due elettrodi tra i quali viene misurata la differenza di potenziale. Consideriamo di posizionare un elettrodo vicino al muscolo temporale destro del paziente nella Figura 1 e un altro elettrodo in un altro punto del cranio. Si otterrà una registrazione della differenza di potenziale tra il muscolo e l'elettrodo di riferimento. Se viene utilizzato un secondo amplificatore, con gli elettrodi posizionati tra un'altra area del muscolo e lo stesso elettrodo di riferimento, o un altro riferimento posizionato sul trago dell'orecchio, come nella Figura 1, si otterrà un'altra registrazione della differenza di potenziale tra il massetere e il trago. La differenza tra i due (cioè, la differenza delle due differenze di potenziale) sarà la differenza di potenziale tra le due aree muscolari! Sembra uno scioglilingua, ma facciamo i conti per chiarire il concetto.
The main issue with the reference electrode is that in most electromyographic equipment, it is called "ground" or "earth." The operator, usually unfamiliar with electronic or bioelectric aspects, perceives it as something related to patient safety or noise reduction (e.g., 50 Hz noise that would be "discharged" to "ground," as one would do with a household appliance). This is absolutely false and leads to great failures and wasted time.


The need for and importance of using a differential amplifier to record bioelectric signals has already been explained. It was said that a differential amplifier is essentially composed of two amplifiers that amplify the potential at two points, and the difference is taken instant by instant. Each amplifier will have two electrodes between which the potential difference is measured. Consider placing one electrode near the right temporalis muscle of the patient in Figure 1 and another electrode somewhere else on the skull. A recording of the potential difference between the muscle and the reference electrode will be obtained. If a second amplifier is used, with the electrodes placed between another area of the muscle and the same reference electrode, or another reference placed on the ear tragus, as in Figure 1, another recording of the potential difference between the masseter and the tragus will be obtained. The difference between the two (i.e., the difference of the two potential differences) will be the potential difference between the two muscle areas! It sounds like a tongue twister, but let’s do the math to clarify the concept.
Sia <math>V_a</math> la differenza di potenziale tra


Let <math>V_a</math> be the potential difference between electrode <math>A</math> and the reference electrode <math>C</math>; similarly, <math>V_b</math> will be for the other electrode. The value of <math>V_a</math> will be the sum of two components: the biological potential difference in that area (<math>V_{ac}</math>) plus the common-mode signal, for example, the 50 Hz signal (<math>V_n</math>). Similarly for <math>V_b</math>. In formula:
elettrodo <math>A</math> e l'elettrodo di riferimento <math>C</math>; analogamente, <math>V_b</math> sarà per l'altro elettrodo. Il valore di <math>V_a</math> sarà la somma di due componenti: la differenza di potenziale biologico in quell'area (<math>V_{ac}</math>) più il segnale di modo comune, ad esempio, il segnale a 50 Hz (<math>V_n</math>). Analogamente per <math>V_b</math>. In formula:


<math>V_a=V_{ac}+V_n</math>
<math>V_a=V_{ac}+V_n</math>
Riga 146: Riga 168:
<math>V_b=V_{bc}+V_n</math>
<math>V_b=V_{bc}+V_n</math>


We know that the differential amplifier amplifies the difference between the inputs, and thus the output <math>V_o</math> of the differential amplifier, after an amplification of 1 (for simplicity), will be:
Sappiamo che l'amplificatore differenziale amplifica la differenza tra gli ingressi, e quindi l'uscita <math>V_o</math> dell'amplificatore differenziale, dopo un'amplificazione di 1 (per semplicità), sarà:


<math>V_o=V_a-V_b=V_{ac}-V_n-(V_{bc}-V_n)</math>
<math>V_o=V_a-V_b=V_{ac}-V_n-(V_{bc}-V_n)</math>


Simplifying the algebra:
Semplificando l'algebra:


<math>V_o=V_a-V_b=V_{ac}-V_{bc}</math>
<math>V_o=V_a-V_b=V_{ac}-V_{bc}</math>


The same exact procedure applies to the masseter muscle (D, E, R).
Lo stesso identico procedimento si applica al muscolo massetere (D, E, R).
 
Questa è precisamente la differenza di potenziale tra le due aree muscolari sotto gli elettrodi A e B. Come si può vedere dalla formula, il segnale di modo comune è scomparso nell'equazione finale, il che significa che potrebbe essere stato qualsiasi cosa, assumendo che la tensione di modo comune tra uno qualsiasi dei due elettrodi A o B e l'elettrodo di riferimento sia uguale.
 
[[File:Riferimento 2.jpg|left|thumb|'''Figura 3:''' Posizionamento degli elettrodi come discusso nel testo]]


This is precisely the potential difference between the two muscle areas under electrodes A and B. As can be seen from the formula, the common-mode signal has disappeared in the final equation, meaning it could have been anything, assuming that the common-mode voltage between either of the two electrodes A or B and the reference electrode is equal.
Infatti, a causa della differenza tra i segnali dei due amplificatori nell'amplificatore differenziale, non è necessario posizionare il terzo elettrodo esattamente sulla gamba. Potrebbe essere posizionato ovunque. Non sorprende che questo elettrodo sia spesso chiamato l'elettrodo "indifferente" perché può essere posizionato "indifferentemente" ovunque sulla superficie del corpo. È anche chiamato "terra" o "massa" o "riferimento", ma nel senso di essere il riferimento per l'amplificatore differenziale. È più una questione tecnica, elettronica che bioelettrica. Nelle registrazioni elettrocardiografiche (ECG), l'elettrodo indifferente è l'elettrodo della "gamba destra".<ref>M J Burke 1, D T Gleeson. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10721622/ A micropower dry-electrode ECG preamplifier] . IEEE Trans Biomed Eng. 2000 Feb;47(2):155-62. doi: 10.1109/10.821734.<br /></ref>


[[File:Riferimento 2.jpg|left|thumb|'''Figure 3:''' Electrode placement as discussed in the text]]
In pratica, l'elettrodo indifferente dovrebbe essere posizionato lontano dal sito di registrazione. Un'area dove può essere ben collegato con un contatto a bassa impedenza, magari su una prominenza ossea (in elettroencefalografia, si usa il processo mastoideo). Per lo stesso motivo, dovrebbe preferibilmente essere un elettrodo grande.


Indeed, because of the difference between the signals of the two amplifiers in the differential amplifier, it is not necessary to place the third electrode exactly on the leg. It could be placed anywhere. Not surprisingly, this electrode is often called the "indifferent" electrode because it can be "indifferently" placed anywhere on the body surface. It is also called "ground" or "earth" or "reference," but in the sense of being the reference for the differential amplifier. It is more of a technical, electronic issue than a bioelectric one. In electrocardiographic (ECG) recordings, the indifferent electrode is the "right leg" electrode.<ref>M J Burke 1, D T Gleeson. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10721622/ A micropower dry-electrode ECG preamplifier] . IEEE Trans Biomed Eng. 2000 Feb;47(2):155-62. doi: 10.1109/10.821734.<br /></ref>
È importante ricordare che non è un elettrodo di "terra" nel senso elettricista. È spesso anche identificato come "terra isolata" per indicare che è un riferimento per l'amplificatore, non la terra di sicurezza o di schermatura della macchina o delle macchine nell'area di registrazione. Altrimenti, il paziente sarebbe a rischio di elettrocuzione, poiché il paziente deve sempre rimanere isolato da tutto per garantire la sicurezza, proprio come un piccione su un filo ad alta tensione.


In practice, the indifferent electrode should be placed far from the recording site. An area where it can be well connected with low impedance contact, perhaps over a bony prominence (in electroencephalography, the mastoid process is used). For the same reason, it should preferably be a large electrode.
====Sicurezza Elettrica delle Apparecchiature====
Un guasto in un dispositivo alimentato elettricamente che ha


It is important to remember that it is not a "ground" electrode in the electrician's sense. It is often also identified as "isolated ground" to indicate that it is a reference for the amplifier, not the safety or shielding ground of the machine or machines in the recording area. Otherwise, the patient would be at risk of electrocution, as the patient must always remain isolated from everything to ensure safety, much like a pigeon on a high-voltage wire.
Il contatto galvanico diretto con la pelle del paziente può rappresentare un rischio per la salute, poiché una corrente potenzialmente pericolosa potrebbe attraversare il soggetto, che tipicamente non può difendersi.


====Electrical Safety of Equipment====
Questo problema è generalmente inesistente nelle apparecchiature a bassa tensione alimentate a batteria (da 3 a 15 V), ma diventa importante nelle apparecchiature alimentate dalla rete elettrica. Sebbene non sia possibile ottenere una sicurezza assoluta in tutti i casi possibili, l'isolamento tra i circuiti collegati al paziente (alimentati a bassa tensione) e le restanti parti del dispositivo è generalmente considerato adeguato. Questo può essere ottenuto tramite accoppiamento magnetico (trasformatore di isolamento) o accoppiamento ottico (optoisolatore o fotocoupler). Il trasformatore di isolamento è generalmente il metodo più semplice dal punto di vista tecnico, ma può anche essere la fonte di maggiori problemi riguardanti la fedeltà della registrazione. In entrambi i casi, isolare il paziente dal resto del circuito minimizza anche il rumore indotto a 50 Hz.
A failure in a device powered by electricity that has direct galvanic contact with the patient's skin can pose a health risk, as a potentially dangerous current could flow through the subject, who typically cannot defend themselves.


This problem is usually non-existent in battery-powered low-voltage equipment (from 3 to 15 V), but it becomes important in mains-powered equipment. While absolute safety cannot be achieved in all possible cases, isolation between the circuits connected to the patient (low-voltage powered) and the remaining parts of the device is usually considered adequate. This can be achieved through magnetic coupling (isolation transformer) or optical coupling (optoisolator or photocoupler). The isolation transformer is generally the simplest method from a technical perspective, but it can also be the source of the most problems regarding recording fidelity. In both cases, isolating the patient from the rest of the circuit also minimizes induced 50 Hz noise.
I livelli di sicurezza delle apparecchiature sEMG sono regolati da specifiche norme armonizzate a livello europeo, che vengono utilizzate per valutare la qualità degli strumenti. Un livello "minimo" di sicurezza deve essere presente nelle apparecchiature secondo varie direttive europee. Solo se questo livello minimo di sicurezza è rispettato, l'apparecchiatura può essere contrassegnata con il marchio CE (Conformité Européenne), permettendone la circolazione commerciale all'interno di tutti gli stati dell'UE.


The safety levels of sEMG equipment are regulated by specific harmonized standards at the European level, which are used to assess the quality of the instruments. A "minimum" level of safety must be present in the equipment according to various European directives. Only if this minimum level of safety is met can the equipment be marked with the CE (Conformité Européenne) mark, allowing its commercial circulation within all EU states.
===Elaborazione dei segnali sEMG===
Per molto tempo, la forma più comune di elaborazione del segnale sEMG è stata l'integrazione della forma d'onda rettificata. Questo viene fatto rettificando il segnale, cioè rendendo positive le deflessioni negative della traccia utilizzando circuiti elettronici appropriati. Il segnale risultante viene quindi integrato, il che significa che viene passato attraverso un filtro passa-basso che produce un segnale molto più uniforme, mediando istante per istante tutti i picchi del segnale rettificato originale.


===Processing of sEMG Signals===
Questo tipo di elaborazione era particolarmente popolare perché era facile da implementare con semplici circuiti elettronici molto prima dell'avvento dei computer e dell'elaborazione digitale del segnale.
For a long time, the most common form of processing the sEMG signal was to integrate the rectified waveform. This is done by rectifying the signal, i.e., making the negative deflections of the trace positive using appropriate electronic circuits. The resulting signal is then integrated, meaning it is passed through a low-pass filter that outputs a much smoother signal, averaging all the peaks of the original rectified signal instant by instant.


This type of processing was particularly popular because it was easy to implement with simple electronic circuits long before the advent of computers and digital signal processing.
Oggi, più appropriatamente, soprattutto grazie all'uso dell'elaborazione digitale del segnale, viene utilizzato il valore quadratico medio (RMS) del segnale.<ref>E M Spinelli 1, N H Martinez, M A Mayosky. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11410389/ A single supply biopotential amplifier.] Med Eng Phys. 2001 Apr;23(3):235-8. doi: 10.1016/s1350-4533(01)00040-6.<br /></ref> In questo caso, ogni valore del segnale viene elevato al quadrato e poi mediato nel tempo. In questo modo, i valori negativi del segnale diventano positivi poiché elevare al quadrato un valore negativo dà un risultato positivo. Un altro tipo di elaborazione è quella che fornisce il valore medio rettificato. Questo, insieme alla rettificazione integrata, è una misura approssimativa dell'area sotto il segnale sEMG, ma nessuno dei due ha un significato fisico, fisiologico o clinico preciso. Il valore RMS, invece, è una misura della potenza del segnale e quindi ha un significato clinico più rilevante. Per questo motivo, viene sempre più utilizzato.


Today, more appropriately, especially thanks to the use of digital signal processing, the root mean square (RMS) value of the signal is used.<ref>E M Spinelli 1, N H Martinez, M A Mayosky. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11410389/ A single supply biopotential amplifier.] Med Eng Phys. 2001 Apr;23(3):235-8. doi: 10.1016/s1350-4533(01)00040-6.<br /></ref> In this case, each signal value is squared and then averaged over time. In this way, the negative values of the signal become positive since squaring a negative value gives a positive result. Another type of processing is the one that provides the mean rectified value. This, along with integrated rectification, is an approximate measure of the area under the sEMG signal, but neither has a precise physical, physiological, or clinical meaning. The RMS value, on the other hand, is a measure of signal power and therefore has a more relevant clinical meaning. For this reason, it is increasingly used today.
today.


In addition to these amplitude-related measurements, it is essential to remember the time measurements related to the onset of various sEMG signals. These times can be correlated with an external mechanical or electrical stimulus, as in the study of reflexes, or with movements or forces applied or exerted by one or more skeletal segments. These measurements are of interest in biomechanical studies.
Oltre a queste misurazioni relative all'ampiezza, è essenziale ricordare le misurazioni temporali relative all'inizio di vari segnali sEMG. Questi tempi possono essere correlati con uno stimolo meccanico o elettrico esterno, come nello studio dei riflessi, o con movimenti o forze applicate o esercitate da uno o più segmenti scheletrici. Queste misurazioni sono di interesse negli studi biomeccanici.




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Elettromiografia

Masticationpedia
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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

```it 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 ``` 

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:

AgCl+e−⇔Ag+Cl−

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.

  • 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.
    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.

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:

2e−+2H2O→2OH−+H2

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

si verifica:

2H2O→4H++O2+4e−

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.

Caratteristiche Elettriche degli Amplificatori

La progettazione dell'amplificatore è la parte più critica dei dispositivi elettronici utilizzati per registrare il segnale sEMG. La fedeltà del segnale sEMG rilevato dagli elettrodi e dall'amplificatore influenza tutte le fasi successive di elaborazione e presentazione, e nulla può essere fatto per ripristinare un segnale che è stato acquisito in modo errato o distorto. A tal fine, sono importanti una serie di caratteristiche; esse sono spesso pubblicizzate dai produttori dell'attrezzatura, ma molto più raramente comprese dagli utenti.

Amplificazione Differenziale e CMRR

Figura 2: Simbolo dell'amplificatore operazionale. Gli ingressi invertente e non invertente sono distinti da "−" e "+" posti nel triangolo dell'amplificatore. Vs+ e Vs− sono le tensioni di alimentazione; spesso sono omesse dal diagramma per semplicità ma devono essere presenti nel circuito reale.

Come accennato in precedenza, il problema del rumore a 50 Hz è potenzialmente un inconveniente piuttosto difficile da eliminare. La tecnica universalmente adottata per affrontare questo problema parte dal concetto che tale rumore dovrebbe essere lo stesso in tutti i punti del corpo, mentre il segnale bioelettrico da acquisire negli stessi punti deve essere diverso. Pertanto, viene utilizzato un amplificatore differenziale. Questo può essere pensato come costituito da due amplificatori identici i cui segnali di uscita vengono sottratti l'uno dall'altro da un modulo di sottrazione appropriato. Se il segnale disturbante è lo stesso in entrambi gli ingressi, verrà annullato all'uscita dal sottrattore, mentre il segnale utile, che è diverso in entrambi gli ingressi, verrà amplificato in modo cosiddetto differenziale. Il segnale disturbante che è lo stesso in entrambi gli ingressi è anche chiamato segnale "in modalità comune". Qualsiasi segnale generato lontano dal corpo ha un'alta probabilità di essere visto come un segnale in modalità comune.

segnale, mentre tutti i segnali generati vicino o all'interno del corpo saranno segnali "differenziali". Pertanto, il rumore generato dall'induzione elettromagnetica dalle linee elettriche a 50 Hz sarà attivamente cancellato dalla registrazione finale del segnale sEMG. Chiaramente, questa spiegazione richiede la disponibilità di sottrattori altamente accurati, poiché il segnale in modalità comune può essere migliaia di volte più grande del segnale differenziale. In pratica, una sottrazione perfetta non può mai essere raggiunta, solo approssimata a vari gradi di qualità. L'accuratezza con cui il sottrattore esegue la differenza dei segnali dai due ingressi può essere espressa numericamente dal parametro CMRR dell'amplificatore. Il CMRR è il "rapporto di reiezione in modalità comune" e rappresenta il rapporto tra l'amplificazione del segnale differenziale e l'amplificazione del segnale in modalità comune (che è molto bassa e tende a zero a causa del sottrattore). Pertanto, un sottrattore perfetto e ideale avrà un CMRR pari a infinito. In pratica, i valori di CMRR variano da 90 a 120 dB (la misura è espressa in dB come 20 volte il logaritmo in base 10 del rapporto sopra indicato).[1][2]

Per quanto possa sembrare strano, ci sono almeno tre ragioni per cui non è pratico avere un CMRR molto alto: la prima è che gli amplificatori con CMRR estremamente alto tendono ad essere eccessivamente costosi; la seconda è che tali amplificatori sono sempre meno stabili e affidabili a lungo termine man mano che il valore del CMRR aumenta; e la terza è che i segnali in modalità comune non sono necessariamente in modalità comune in senso assoluto, poiché possono avere piccole variazioni di fase o ampiezza che compromettono il miglior CMRR. Inoltre, alterazioni o asimmetrie negli elettrodi possono avere effetti drammatici nel ridurre il CMRR complessivo di un amplificatore che altrimenti sarebbe di buona qualità. (Fig. 2)


Impedenza di Ingresso

L'impedenza di un circuito in cui fluiscono correnti alternate (cioè correnti che non hanno sempre la stessa direzione e intensità nel tempo) è l'equivalente della resistenza per i circuiti a corrente continua. La differenza è che l'impedenza varia con la frequenza delle correnti, e quindi si ottiene generalmente un effetto di filtraggio, per cui certi segnali a una particolare frequenza possono essere registrati con maggiore o minore intensità a seconda dell'impedenza dei circuiti (tipicamente elettrodi e cavi) attraverso cui passano.

In particolare, per evitare attenuazioni e distorsioni indesiderate, l'impedenza della pelle e dell'elettrodo deve essere il più bassa possibile. 

possibile, mentre l'impedenza di ingresso dell'amplificatore deve essere il più alta possibile, in modo che la corrente prelevata dal generatore biologico che scorre attraverso i circuiti esterni sia minimizzata. I circuiti elettronici moderni permettono la creazione di amplificatori con impedenze di ingresso che raggiungono fino a 1015 ohm, con una capacità di ingresso dell'ordine di pochi picofarad. Considerando che la tensione del segnale sEMG di superficie è dell'ordine di 10 mV, con un'impedenza di 1015 ohm, la corrente negli elettrodi e nell'amplificatore è minuscola, ammontando a solo poche migliaia di elettroni (!) al secondo. Tuttavia, non è solo il valore assoluto della corrente di ingresso nell'amplificatore che conta: anche l'equilibrio delle correnti in tutti i circuiti degli elettrodi è altamente importante. Questo richiede non solo un'attenta progettazione dell'amplificatore, ma anche tecniche di misurazione precise.

Progettazione e Uso degli "Elettrodi Attivi"

La necessità di un'impedenza di ingresso molto alta degli amplificatori introduce un problema noto come accoppiamento capacitivo agli ingressi.

Infatti, con un'impedenza di ingresso molto alta, anche la piccola capacità tra i cavi degli elettrodi e i fili di distribuzione elettrica della rete di alimentazione non può più essere ignorata. La soluzione a questo problema comporta la riduzione della lunghezza dei cavi degli elettrodi o lo spostamento dell'amplificatore il più vicino possibile agli elettrodi. Così vicino, infatti, che viene incorporato nell'elettrodo stesso, creando così un "elettrodo attivo." Il segnale già pre-amplificato viene quindi inviato allo strumento attraverso cavi a bassa impedenza, completamente immuni al problema sopra menzionato.

Filtraggio

Anche con le considerazioni sopra menzionate e i metodi più scrupolosi, il segnale sEMG può ancora essere contaminato da segnali indesiderati che possono essere eliminati utilizzando varie tecniche di filtraggio. Queste tecniche si basano su circuiti (o programmi software nel caso di filtri digitali) che permettono ai segnali utili di passare quasi inalterati mentre attenuano fortemente il rumore o altri segnali indesiderati. Per il segnale sEMG, i filtri possono far passare segnali nella banda da 20 a 500 Hz, con un'attenuazione fuori banda che diminuisce di 12 dB/ottava, significando una riduzione di 12 dB per ogni raddoppio o dimezzamento della frequenza oltre i limiti minimo e massimo.

Stabilità degli Elettrodi

La stabilità degli elettrodi si riferisce alla stabilità meccanica, elettrica ed elettrochimica. La stabilità meccanica è già stata discussa. La stabilità elettrica ed elettrochimica sono legate al progresso della reazione redox che avviene al contatto dell'elettrodo con la pelle e alle caratteristiche elettriche della pelle. I problemi possono solitamente sorgere da cambiamenti anomali nello stato di idratazione dell'elettrodo, come l'essiccazione o l'umidità eccessiva dovuta al sudore, per esempio.[3]

Geometria e Posizionamento degli Elettrodi

Nel corso della storia delle registrazioni elettromiografiche, la forma e il posizionamento della superficie degli elettrodi non hanno mai ricevuto molta attenzione. Questo è probabilmente dovuto al fatto che si è data più enfasi a una valutazione qualitativa del segnale, e questo approccio è persistito anche nelle metodologie approssimative che sono state utilizzate. Ancora oggi, lo studio del segnale sEMG non ha raggiunto una reputazione "quantitativa" stabile nel senso di essere ampiamente accettato. Questo è ancora più curioso se si considera che un altro specifico "segnale sEMG", quello del muscolo cardiaco o elettrocardiogramma (ECG), è da tempo stabilito come un esame di indiscutibile importanza clinica.

Inoltre, l'elaborazione del segnale attraverso metodi informatici presenta ora sfide significative in termini di quantificazione o almeno di oggettivazione della misurazione elettromiografica.

Distanza tra gli Elettrodi

La distanza tra gli elettrodi influenza notevolmente la larghezza di banda, l'ampiezza e la fase del segnale sEMG. Questo significa che la distanza tra gli elettrodi influisce significativamente sulla forma del segnale, producendo così una sorta di distorsione. Il fatto che influenzi anche la fase ci dice che le misurazioni temporali (ritardi, latenze, periodi) derivate dal segnale sEMG in riferimento a eventi di stimolazione esterna dipendono anch'esse da questo. In definitiva, la distanza tra gli elettrodi, sebbene spesso sottovalutata nella pratica, è un parametro fondamentale per eseguire misurazioni sEMG quantitative, cioè riproducibili e quindi comparabili.[4]

È quindi chiaro che sarebbe altamente preferibile che il set di elettrodi fosse montato su un supporto rigido in modo che la disposizione degli elettrodi non possa variare in installazioni successive sullo stesso soggetto o su soggetti diversi (in condizioni anatomiche comparabili). La distanza tra gli elettrodi dipende anche dalla loro dimensione e dalla necessità di effettuare misurazioni su piccoli muscoli senza interferenze dai segnali sEMG dei muscoli vicini. Una distanza minima di 1 cm è spesso considerata adeguata, ma ci sono applicazioni in cui la distanza è ancora minore.[5]

Le distanze ridotte sono generalmente evitate perché si ritiene che i segnali possano essere alterati dalle condizioni locali. Il sudore è considerato un pericolo in questi casi perché tende a "cortocircuitare" gli elettrodi sulla pelle. Questa è una questione controversa e non è considerata valida dall'autore. Infatti, sotto la pelle, esiste un "cortocircuito" naturale costituito dall'extracellulare. 

fluidi del tessuto sottocutaneo e del derma. Un "cortocircuito" esterno, con un'impedenza simile a quella dell'interno, non dovrebbe quindi alterare la misurazione. Alcuni sostengono che costruire amplificatori con un'impedenza di ingresso estremamente alta sarebbe inutile in questo modo. Tuttavia, il "cortocircuito" avverrebbe tra gli elettrodi, non tra i fili che conducono dall'elettrodo all'amplificatore, e l'alta impedenza di ingresso dell'amplificatore continua a essere rilevante nel contrastare l'impedenza dell'elettrodo stesso. Alcuni sostengono anche che, per lo stesso motivo, non sarebbe possibile effettuare misurazioni sEMG in acqua, mentre l'autore ha regolarmente sviluppato sistemi elettromiografici radiotrasmittenti per nuotatori. Inoltre, nessuno ha mai messo in discussione le misurazioni dei biopotenziali, come l'sECG, effettuate in ambienti "umidi", come l'ECG intraesofageo o anche le misurazioni invasive dei biopotenziali.[6]

Dimensione e Forma degli Elettrodi

È certo che maggiore è la dimensione dell'elettrodo, maggiore è il livello del segnale registrato e minore è il rumore. Tuttavia, un elettrodo grande ha lo svantaggio di acquisire segnali da muscoli diversi o da parti del muscolo che non sono di interesse; specificamente, si perde la selettività spaziale. Pertanto, è necessario un elettrodo che catturi il massimo numero di fibre muscolari da un'area ristretta con poco rumore. È evidente che questi requisiti sono in conflitto, e si deve raggiungere un compromesso.

Oltre alla forma circolare convenzionale, ora vengono utilizzate altre configurazioni come elettrodi a matrice o a barra, ciascuna con relativi vantaggi e svantaggi. La forma "corretta" rimane un risultato raggiunto attraverso tentativi più o meno euristici e dipende dall'operatore.

Localizzazione e Posizionamento degli Elettrodi

Gli elettrodi dovrebbero essere posizionati tra un punto motore di innervazione muscolare e il tendine o tra due punti motori, e orientati lungo la linea mediana longitudinale del ventre muscolare. Pertanto, l'asse longitudinale degli elettrodi dovrebbe essere allineato parallelamente alla lunghezza delle fibre muscolari.

Gli elettrodi non dovrebbero essere posizionati vicino al tendine. In tali posizioni, le fibre muscolari sono sottili e sparse, e c'è anche il rischio di "captare" segnali sEMG da altri muscoli (ad esempio, agonisti).

Allo stesso modo, gli elettrodi non dovrebbero essere posizionati sul punto motore, anche se questo è un preconcetto difficile da superare. Il punto motore è il punto sul muscolo (e la sua proiezione equivalente sulla pelle) dove l'iniezione di una corrente minima provoca una contrazione ben definita del muscolo stesso. Di solito, ma non sempre, questo punto corrisponde alla parte del muscolo dove avviene l'innervazione e dove si trova la massima densità di neuroni.

Tuttavia, dal punto di vista della stabilità del segnale, misurare con due elettrodi vicino al punto motore è la peggiore 

situazione in cui trovarsi. Da questa regione, i potenziali di attivazione delle fibre muscolari si propagano prossimalmente e distalmente, e le fasi relative positive e negative si sommano o si annullano sugli elettrodi, producendo un segnale molto distorto caratterizzato da picchi acuti e improvvisi a causa della situazione casuale. La stabilità è particolarmente compromessa qui perché è evidente che piccoli movimenti dell'elettrodo causeranno enormi variazioni nel tracciato e nelle sue caratteristiche di frequenza e fase.

Non è inoltre consigliabile posizionare gli elettrodi agli estremi del muscolo (uno sull'origine e uno sull'inserzione). In questo caso, un volume di tessuto troppo grande è sotto osservazione e i segnali provenienti da muscoli che non sono di interesse vengono facilmente catturati.

Orientamento Relativo alle Fibre Muscolari

È quindi chiaro che l'asse longitudinale della configurazione dell'elettrodo dovrebbe essere parallelo alle fibre muscolari. In questo modo, la maggior parte delle fibre presenti in quell'area verrà registrata insieme alle caratteristiche spettrali del segnale. Questo è importante perché l'indipendenza dello spettro del segnale da qualsiasi fattore trigonometrico impedirà una stima errata della velocità di conduzione. Per ragioni simili, le misurazioni di ritardo, periodo e latenza saranno più accurate e ripetibili.

Il "Misterioso" Elettrodo di Riferimento

Il problema principale con l'elettrodo di riferimento è che nella maggior parte delle apparecchiature elettromiografiche, viene chiamato "terra" o "massa". L'operatore, solitamente non familiare con gli aspetti elettronici o bioelettrici, lo percepisce come qualcosa legato alla sicurezza del paziente o alla riduzione del rumore (ad esempio, il rumore a 50 Hz che verrebbe "scaricato" a "terra", come si farebbe con un elettrodomestico). Questo è assolutamente falso e porta a grandi fallimenti e perdite di tempo.

La necessità e l'importanza di utilizzare un amplificatore differenziale per registrare segnali bioelettrici è già stata spiegata. Si è detto che un amplificatore differenziale è essenzialmente composto da due amplificatori che amplificano il potenziale in due punti, e la differenza viene presa istante per istante. Ogni amplificatore avrà due elettrodi tra i quali viene misurata la differenza di potenziale. Consideriamo di posizionare un elettrodo vicino al muscolo temporale destro del paziente nella Figura 1 e un altro elettrodo in un altro punto del cranio. Si otterrà una registrazione della differenza di potenziale tra il muscolo e l'elettrodo di riferimento. Se viene utilizzato un secondo amplificatore, con gli elettrodi posizionati tra un'altra area del muscolo e lo stesso elettrodo di riferimento, o un altro riferimento posizionato sul trago dell'orecchio, come nella Figura 1, si otterrà un'altra registrazione della differenza di potenziale tra il massetere e il trago. La differenza tra i due (cioè, la differenza delle due differenze di potenziale) sarà la differenza di potenziale tra le due aree muscolari! Sembra uno scioglilingua, ma facciamo i conti per chiarire il concetto.

Sia Va la differenza di potenziale tra

elettrodo A e l'elettrodo di riferimento C; analogamente, Vb sarà per l'altro elettrodo. Il valore di Va sarà la somma di due componenti: la differenza di potenziale biologico in quell'area (Vac) più il segnale di modo comune, ad esempio, il segnale a 50 Hz (Vn). Analogamente per Vb. In formula:

Va=Vac+Vn

Vb=Vbc+Vn

Sappiamo che l'amplificatore differenziale amplifica la differenza tra gli ingressi, e quindi l'uscita Vo dell'amplificatore differenziale, dopo un'amplificazione di 1 (per semplicità), sarà:

Vo=Va−Vb=Vac−Vn−(Vbc−Vn)

Semplificando l'algebra:

Vo=Va−Vb=Vac−Vbc

Lo stesso identico procedimento si applica al muscolo massetere (D, E, R).

Questa è precisamente la differenza di potenziale tra le due aree muscolari sotto gli elettrodi A e B. Come si può vedere dalla formula, il segnale di modo comune è scomparso nell'equazione finale, il che significa che potrebbe essere stato qualsiasi cosa, assumendo che la tensione di modo comune tra uno qualsiasi dei due elettrodi A o B e l'elettrodo di riferimento sia uguale.

Figura 3: Posizionamento degli elettrodi come discusso nel testo

Infatti, a causa della differenza tra i segnali dei due amplificatori nell'amplificatore differenziale, non è necessario posizionare il terzo elettrodo esattamente sulla gamba. Potrebbe essere posizionato ovunque. Non sorprende che questo elettrodo sia spesso chiamato l'elettrodo "indifferente" perché può essere posizionato "indifferentemente" ovunque sulla superficie del corpo. È anche chiamato "terra" o "massa" o "riferimento", ma nel senso di essere il riferimento per l'amplificatore differenziale. È più una questione tecnica, elettronica che bioelettrica. Nelle registrazioni elettrocardiografiche (ECG), l'elettrodo indifferente è l'elettrodo della "gamba destra".[7]

In pratica, l'elettrodo indifferente dovrebbe essere posizionato lontano dal sito di registrazione. Un'area dove può essere ben collegato con un contatto a bassa impedenza, magari su una prominenza ossea (in elettroencefalografia, si usa il processo mastoideo). Per lo stesso motivo, dovrebbe preferibilmente essere un elettrodo grande.

È importante ricordare che non è un elettrodo di "terra" nel senso elettricista. È spesso anche identificato come "terra isolata" per indicare che è un riferimento per l'amplificatore, non la terra di sicurezza o di schermatura della macchina o delle macchine nell'area di registrazione. Altrimenti, il paziente sarebbe a rischio di elettrocuzione, poiché il paziente deve sempre rimanere isolato da tutto per garantire la sicurezza, proprio come un piccione su un filo ad alta tensione.

Sicurezza Elettrica delle Apparecchiature

Un guasto in un dispositivo alimentato elettricamente che ha

Il contatto galvanico diretto con la pelle del paziente può rappresentare un rischio per la salute, poiché una corrente potenzialmente pericolosa potrebbe attraversare il soggetto, che tipicamente non può difendersi.

Questo problema è generalmente inesistente nelle apparecchiature a bassa tensione alimentate a batteria (da 3 a 15 V), ma diventa importante nelle apparecchiature alimentate dalla rete elettrica. Sebbene non sia possibile ottenere una sicurezza assoluta in tutti i casi possibili, l'isolamento tra i circuiti collegati al paziente (alimentati a bassa tensione) e le restanti parti del dispositivo è generalmente considerato adeguato. Questo può essere ottenuto tramite accoppiamento magnetico (trasformatore di isolamento) o accoppiamento ottico (optoisolatore o fotocoupler). Il trasformatore di isolamento è generalmente il metodo più semplice dal punto di vista tecnico, ma può anche essere la fonte di maggiori problemi riguardanti la fedeltà della registrazione. In entrambi i casi, isolare il paziente dal resto del circuito minimizza anche il rumore indotto a 50 Hz.

I livelli di sicurezza delle apparecchiature sEMG sono regolati da specifiche norme armonizzate a livello europeo, che vengono utilizzate per valutare la qualità degli strumenti. Un livello "minimo" di sicurezza deve essere presente nelle apparecchiature secondo varie direttive europee. Solo se questo livello minimo di sicurezza è rispettato, l'apparecchiatura può essere contrassegnata con il marchio CE (Conformité Européenne), permettendone la circolazione commerciale all'interno di tutti gli stati dell'UE.

Elaborazione dei segnali sEMG

Per molto tempo, la forma più comune di elaborazione del segnale sEMG è stata l'integrazione della forma d'onda rettificata. Questo viene fatto rettificando il segnale, cioè rendendo positive le deflessioni negative della traccia utilizzando circuiti elettronici appropriati. Il segnale risultante viene quindi integrato, il che significa che viene passato attraverso un filtro passa-basso che produce un segnale molto più uniforme, mediando istante per istante tutti i picchi del segnale rettificato originale.

Questo tipo di elaborazione era particolarmente popolare perché era facile da implementare con semplici circuiti elettronici molto prima dell'avvento dei computer e dell'elaborazione digitale del segnale.

Oggi, più appropriatamente, soprattutto grazie all'uso dell'elaborazione digitale del segnale, viene utilizzato il valore quadratico medio (RMS) del segnale.[8] In questo caso, ogni valore del segnale viene elevato al quadrato e poi mediato nel tempo. In questo modo, i valori negativi del segnale diventano positivi poiché elevare al quadrato un valore negativo dà un risultato positivo. Un altro tipo di elaborazione è quella che fornisce il valore medio rettificato. Questo, insieme alla rettificazione integrata, è una misura approssimativa dell'area sotto il segnale sEMG, ma nessuno dei due ha un significato fisico, fisiologico o clinico preciso. Il valore RMS, invece, è una misura della potenza del segnale e quindi ha un significato clinico più rilevante. Per questo motivo, viene sempre più utilizzato. 

today.

Oltre a queste misurazioni relative all'ampiezza, è essenziale ricordare le misurazioni temporali relative all'inizio di vari segnali sEMG. Questi tempi possono essere correlati con uno stimolo meccanico o elettrico esterno, come nello studio dei riflessi, o con movimenti o forze applicate o esercitate da uno o più segmenti scheletrici. Queste misurazioni sono di interesse negli studi biomeccanici.


Bibliography & references
  1. ↑ Wang Yang. A New Type of Right-leg-drive Circuit ECG Amplifier Using New Operational Amplifier. Journal of Physics: Conference Series 1846 (2021) 012034 doi:10.1088/1742-6596/1846/1/012034
  2. ↑ Bruce B. Winter; John G. Webster. Driven-right-leg circuit design. Journals & Magazines IEEE Transactions on Biomedic..Volume: BME-30 Issue: 1
  3. ↑ J.V. Basmajian and C.J. De Luca, Muscles Alive. Their Functions Revealed by Electromyography, quinta edizione (Williams and Wilkins, Baltimore, 1985).
  4. ↑ A C MettingVanRijn 1, A Peper, C A Grimbergen. Amplifiers for bioelectric events: a design with a minimal number of parts. Med Biol Eng Comput1994 May;32(3):305-10. doi: 10.1007/BF02512527.
  5. ↑ E M Spinelli 1, N H Martínez, M A Mayosky. A transconductance driven-right-leg circuit . IEEE Trans Biomed Eng1999 Dec;46(12):1466-70. doi: 10.1109/10.804574.
  6. ↑ Palla´s-Areny R, Webster JG. AC amplifiers. In: Analog signal processing. (Wiley, New York, 1999:97–109).
  7. ↑ M J Burke 1, D T Gleeson. A micropower dry-electrode ECG preamplifier . IEEE Trans Biomed Eng. 2000 Feb;47(2):155-62. doi: 10.1109/10.821734.
  8. ↑ E M Spinelli 1, N H Martinez, M A Mayosky. A single supply biopotential amplifier. Med Eng Phys. 2001 Apr;23(3):235-8. doi: 10.1016/s1350-4533(01)00040-6.
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