Elettromiografia

Elettromiografia

Masticationpedia

Article by: Enrico Maria Staderini· Gianni Frisardi

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:

$A g C l + e^{-} \Leftrightarrow A g + C l^{-}$

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.

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:

$2 e^{-} + 2 H_{2} O \to 2 O H^{-} + H_{2}$

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

si verifica:

$2 H_{2} O \to 4 H^{+} + O_{2} + 4 e^{-}$

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. V_s+ e V_s− 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 $V_{a}$ la differenza di potenziale tra

elettrodo $A$ e l'elettrodo di riferimento $C$ ; analogamente, $V_{b}$ sarà per l'altro elettrodo. Il valore di $V_{a}$ sarà la somma di due componenti: la differenza di potenziale biologico in quell'area ( $V_{a c}$ ) più il segnale di modo comune, ad esempio, il segnale a 50 Hz ( $V_{n}$ ). Analogamente per $V_{b}$ . In formula:

$V_{a} = V_{a c} + V_{n}$

$V_{b} = V_{b c} + V_{n}$

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

$V_{o} = V_{a} - V_{b} = V_{a c} - V_{n} - (V_{b c} - V_{n})$

Semplificando l'algebra:

$V_{o} = V_{a} - V_{b} = V_{a c} - V_{b c}$

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.

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.

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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

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[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).

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[6] Palla´s-Areny R, Webster JG. AC amplifiers. In: Analog signal processing. (Wiley, New York, 1999:97–109).

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[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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