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16 settembre 2017
Segnali Bioelettrici: sEMG
Enrico Maria Staderini
Western Switzerland Universities of Applied Sciences, HEIG-VD, Switzerland
Nel precedente capitolo si è introdotto un nuovo paradigma Neuro Gnatologico basato
essenzialmente su aspetti tecnici e metodologici puramente neurofisiologici che
obbligatoriamente coinvolgono conoscenze di bioingegneria.
In questa rivisitazione delle problematiche sulla acquisizione ed elaborazione del segnale
elettromiografico di superficie (sEMG) sono esposti schematicamente i principali concetti
che stanno alla base delle metodiche di elettromiografia e che si ritengono particolarmente
utili da tenere presenti nella pratica giornaliera sia a fini clinici che di ricerca.
Il livello della trattazione è stato volutamente tenuto ad un livello piuttosto divulgativo
cercando di introdurre il minor numero possibile di improprietà che potrebbero essere
sgradite ad un esperto. Si tratta peraltro di una presentazione solamente introduttiva
dell’argomento che meriterebbe singoli approfondimenti mirati.
Segnali Bioelettrici: sEMG
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SEGNALE ELETTROMIOGRAFICO DI SUPERFICIE O SEMG
GENERALITÀ
Un segnale è per definizione niente altro che la
rappresentazione grafica dell’andamento
temporale di una grandezza fisica. Nel caso del
sEMG tale grandezza è la differenza di potenziale
generata dal muscolo nella sua contrazione e
registrata sulla cute. La rappresentazione grafica
di essa è l’elettromiogramma o tracciato
elettromiografico o segnale elettromiografico o
sEMG.
Quando si rivela e si registra un segnale EMG
occorre tenere presenti 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 (ovvero quello voluto) e l'energia del
rumore.
Quest'ultimo è costituito non solo dal rumore vero
e proprio (che potremmo immaginare come il
fruscio di fondo dei vecchi dischi a 78 giri), ma
anche da qualsiasi altro segnale che
semplicemente non sia voluto, ad esempio il
segnale cardiaco o quello di altri muscoli o quello
dovuto ad artefatti. La distorsione, invece, è una
alterazione della forma del tracciato EMG utile che
si manifesta matematicamente come una
variazione non voluta delle componenti in
frequenza del segnale EMG.
Il rapporto segnale-rumore e la distorsione sono
due problemi che, alterando la rappresentazione
del segnale registrato, possono alterare,
modificare o nascondere l'informazione che il
segnale EMG ci deve convogliare.
E' ormai ben noto che l'ampiezza del segnale EMG
è di natura aleatoria e che può essere
rappresentata da una distribuzione gaussiana. Il
segnale EMG non è dunque perfettamente
prevedibile a priori, nemmeno analizzando un
tratto di tracciato immediatamente precedente a
quello che si vuole predire. Ma questo è proprio
ciò che ci si aspetta da un segnale che deve
convogliare informazione secondo la teoria di
Shannon.
L'ampiezza del segnale EMG di superficie dipende
da molteplici fattori fisiopatologici e tecnici.
Escludendo questi ultimi possiamo considerare
segnali EMG che abbiano una escursione massima
da 1.5 a 10 mV. Le frequenze presenti nel segnale
EMG vanno da 0 a 500 Hz, ma la banda utile a fini
diagnostici e clinici va da 50 a 150 Hz.
Ovviamente i segnali utilizzabili in questa banda
sono solo quelli che hanno un'intensità superiore
a quella del rumore nella stessa banda.
CARATTERISTICHE DEL RUMORE NEL SEGNALE EMG
Rumore elettronico dell'amplificatore
Una sorgente, ineliminabile, di rumore e quella
presente intrinsecamente negli stessi circuiti
elettronici di amplificazione e condizionamento
del segnale EMG. Questo rumore ha frequenze
che si estendono dalla continua (0 Hz) fino a
decine di KHz. Per minimizzare questo rumore
occorre utilizzare tecniche di progettazione degli
amplificatori allo stato dell'arte e componenti
elettronici di alta qualità.
Rumore ambientale elettromagnetico
Un'altra fonte di rumore altamente fastidiosa è
quella dovuta al rumore ambientale. Questo
origina da radiazioni elettromagnetiche (radio,
televisione, telefoni cellulari, linee di distribuzione
dell'energia elettrica, apparecchi elettrici ed
elettronici, ecc.) che continuamente inondano il
corpo umano quando si trova negli ambienti delle
moderne città. La massima importanza viene
rivestita dal cosiddetto rumore a 50 Hz (60 Hz nel
continente americano ed in Giappone) causato
dalla emissione elettromagnetica dei fili elettrici
per la erogazione dell'energia elettrica. Il rumore a
50 Hz, detto anche "rumore di rete" o "alternata"
o "hum", è particolarmente disturbante poiché
raggiunge spesso livelli che sono da 100 a 1000
volte superiori a quelli del segnale EMG stesso. La
lotta contro il rumore di rete viene condotta in
vari modi quali: la progettazione di amplificatori
appropriati per minimizzare la registrazione del
rumore a 50 Hz, la adeguata pratica di
posizionamento degli elettrodi, e, per finire, la
registrazione eseguita in particolari camere
schermate (gabbia di Faraday).
Artefatti di movimento
Ulteriori disturbi nella registrazione fedele di un
segnale EMG possono derivare dagli artefatti di
movimento. Ciò è di particolare interesse nella
registrazione dell'EMG di superficie poiché è
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evidente che il movimento viene sicuramente dato
dal muscolo sottostante alla cute dove sono
applicati gli elettrodi. Si descrivono almeno due
diverse tipologie di artefatti da movimento. Il
primo e più ovvio è quello che deriva da una
variazione della superficie di elettrodo affacciata
alla cute. Questo avviene più facilmente per
elettrodi grandi e rigidi piuttosto che con elettrodi
piccoli e flessibili così da adattarsi meglio e più
rapidamente alla variazione della curvatura della
cute sul muscolo durante la contrazione di questo.
Il secondo è dovuto al movimento dei cavetti che
collegano gli elettrodi all'amplificatore. In questo
secondo caso l'artefatto è essenzialmente dovuto
a variazioni capacitive in ingresso all'amplificatore
e ciò può essere facilmente minimizzato con una
adeguata progettazione degli stadi di ingresso
dell'amplificatore. Questi artefatti hanno
comunque uno spettro che si aggira tra 0 e 20 Hz;
in una banda, cioè, che è esterna a quella utile per
la registrazione dell'EMG e quindi possono
eventualmente essere eliminati da appositi circuiti
di filtraggio senza alterare troppo il segnale utile.
Aleatorietà del segnale EMG
L'ultima e meno scontata fonte di rumore nel
segnale EMG è la natura quasi-aleatoria del
segnale EMG stesso. Ciò avviene soprattutto nella
regione da 0 a 20 Hz dello spettro ed è dovuta alla
frequenza aleatoria della scarica delle unità
motorie. Le unità motorie, peraltro, hanno una
frequenza di attivazione proprio nella gamma da 0
a 20 Hz. La natura instabile di queste componenti
del segnale dovrebbe farle considerare alla
stregua di un rumore ed essere quindi cancellate
con dei filtri. Cosa che viene normalmente fatta.
Purtroppo, il lettore non esperto in teoria dei
segnali può non capire fino in fondo il discorso
appena fatto. La cancellazione di segnali nella
banda da 0 a 20 Hz, quella nella quale sono
presenti le frequenze di ripetizione delle unità
motorie, sembrerebbe un controsenso che
porterebbe alla cancellazione di qualsiasi
contenuto informativo nel segnale.
Ma un esempio della vita comune ci potrebbe
venire dall'ascolto di una musica rock a tutto
volume proveniente dall'autoradio di una
macchina vicina a noi, entrambi in attesa al
semaforo. Ciò che riceviamo è solo un ritmico
susseguirsi di tonfi di tamburo. Ma se il guidatore
della macchina vicina abbassa il finestrino
possiamo subito percepire la musica. Prima che il
finestrino si abbassasse ricevevamo molto meglio
il ritmo (a bassa frequenza) degli altri suoni (che
andavano sempre allo stesso ritmo della musica
ma che avevano un timbro, ovvero un contenuto
di frequenze, più alto) i quali il ritmo stesso ci
impediva di comprendere. Nel caso dell'esempio si
è dovuto abbassare il finestrino (per far passare la
musica) mentre nel caso dell'EMG si cancelle il
ritmo (per vedere meglio il segnale).
ELETTRODI
Tutti sanno che la registrazione di segnali elettrici
biologici parte dagli elettrodi, ma pochissimi si
rendono conto della reale "necessità" di questi.
Sembra che gli elettrodi siano qualcosa di
connaturato alla registrazione e nessuno di fatto si
pone il problema di capire cosa essi ci stiano a
fare.
In realtà il problema è molto semplice. I circuiti
elettronici di amplificazione e registrazione dei
segnali EMG sono fatti essenzialmente di fili
elettrici. Tali fili sono metallici ed in essi scorrono
cariche elettriche abbastanza comuni e di un solo
tipo: gli elettroni. Sicuramente tutti sanno che nei
fili elettrici scorrono elettroni. Pochi però si
pongono il dubbio di capire se per caso possano
scorrere elettroni anche nel corpo umano.
Sicuramente i potenziali cellulari, che sono alla
base delle differenze di potenziali rilevabili sulla
cute, fanno scorrere delle correnti elettriche, cioè
dei flussi di cariche elettriche. Ma queste cariche,
nei tessuti del corpo non possono essere elettroni.
Nel corpo, infatti, è ben difficile trovare elettroni
liberi di muoversi così come avviene in un reticolo
metallico. Ma nel nostro corpo abbiamo altri
portatori di carica elettrica: gli ioni. Gli ioni sono
"pezzi" di molecole che hanno una carica elettrica
netta diversa da zero. Essi sono molto diversi dagli
elettroni: possono pesare decine e centinaia di
migliaia di volte di più e possono avere una carica
elettrica multipla di quella di un elettrone e anche
di segno opposto. Purtroppo possono scorrere
solo in un ambiente acquoso e certamente non in
un filo elettrico. Allora la situazione è questa:
abbiamo una corrente elettrica i cui portatori sono
gli elettroni nei fili dell'amplificatore ed una
corrente elettrica i cui portatori sono gli ioni nel
corpo e nei tessuti. Come possiamo fare in modo
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che la carica elettrica possa scorrere in un circuito
"misto" in questa maniera? Come possiamo fare in
modo che i portatori si scambino la carica
elettrica? E' proprio questa la importantissima
cosa che avviene nell'elettrodo. Qui una reazione
chimica scambia cariche elettriche tra elettroni e
ioni. L'unica reazione chimica che fa questo è la
reazione che va sotto il nome di ossidoriduzione.
Ecco dunque lo scopo degli elettrodi: garantire un
luogo dove possa avvenire una reazione di
ossidoriduzione che "chiuda il circuito" e che
consenta alle cariche elettriche di continuare a
fluire dai tessuti del corpo all'amplificatore e
viceversa facendo così in modo che i biopotenziali
presenti sulla cute possano essere rivelati ed
amplificati.
Per questo gli elettrodi sono così importanti e non
banali pezzetti di filo da collegare alla cute.
Se nessuno avesse ancora inventato un elettrodo,
si potrebbe pensare di farlo come segue. Intanto
sembrerebbe opportuno farlo in due pezzi: una
parte metallica per il collegamento con il filo
elettrico che va all’amplificatore ed una parte
salina, attaccata alla precedente, in grado di
partecipare alla reazione di ossidoriduzione.
Inoltre potrebbe essere importante che la
resistenza dell’elettrodo fosse la più piccola
possibile per evitare che si abbia sull’elettrodo una
eccessiva caduta di tensione e quindi si misuri un
valore inutilmente più piccolo sul tracciato. Così si
dovrebbe scegliere un metallo a bassa resistività
(e adeguata tollerabilità dermatologica) come
l’argento (non l’oro perché troppo costoso). Per
quanto riguarda la parte salina ovviamente si
sceglierà a questo punto un sale d’argento. Quale?
Siccome l’elettrodo va messo sulla pelle che è in
diretta comunicazione con i liquidi extracellulari
del derma ricchi di cloro, si sceglierà ad esempio il
sale cloruro d’argento. E allora l’elettrodo sarà
fatto così: una placchetta d’argento metallico
ricoperta da una patina di cloruro d’argento nella
zona che deve andare a contatto con la pelle. Per
concludere potremmo prevedere una spugnetta
imbevuta di una soluzione di cloruro d’argento in
acqua per garantire l’opportuna mobilità degli
ioni. Sarebbe bene che il tutto fosse al riparo dalla
luce. Questa infatti scinde i sali d’argento
1
. E così
1
Le prime lastre fotografiche erano proprio fatte di una
pasta di cloruro d’argento, sostituito poi dal nitrato e,
più modernamente, dal bromuro. Il bromuro è il sale
più “debole” e la sua scissione ad opera della luce
abbiamo “inventato” un bell’elettrodo. Ma come
funziona?
La reazione di ossidoriduzione che avviene tra
l’elettrodo e la pelle è la seguente:
Ag Cl AgCl e
e sembra funzionare tutto bene. In particolare,
essendo la reazione reversibile, si ha la possibilità
di uno scorrimento della corrente in ambedue le
direzioni con la stessa reazione di ossidoriduzione.
L’elettrodo si dice reversibile. Ma che succede se
la corrente dovesse scorrere sempre in una sola
direzione come si ha proprio in una misura
elettromiografica di lunga durata? In questo caso
l’elettrodo potrebbe “consumarsi” nel senso che
lo strato di cloruro potrebbe passare tutto in
soluzione e l’argento metallico entrare
direttamente in contatto con la pelle. Allora
l’elettrodo si dice esauribile. Un elettrodo
argento/argento-cloruro è un elettrodo reversibile
ed esauribile. L’esaurimento dell’elettrodo non è
una cosa positiva. Per fare una misura con
l’amplificatore ci vogliono almeno due elettrodi.
Ognuno di essi “vedrà” probabilmente una
concentrazione diversa di ioni cloro nella zona
dove è stato posto. Questo farà che ogni
elettrodo genererà un proprio potenziale di
semicella (equazione di Nerst) diverso dall’altro.
Tale potenziale è anche noto con il nome di
potenziale di giunzione liquida. Essendo i due
potenziali diversi, essi non si annulleranno a
vicenda e quindi si misurerà il valore del
potenziale muscolare sommato alla differenza dei
potenziali di semicella degli elettrodi. Il potenziale
elettrico muscolare ha valori ben inferiori al
millivolt mentre il potenziale di giunzione liquida
ha valori dell’ordine del volt. Questo fatto rende la
misura un po’ complicata e pur tuttavia si può
convivere con questo fenomeno e ottenere delle
buone registrazioni. Questo almeno fino a quando
l’elettrodo è in buono stato! Quando il cloruro si è
consumato tutto, infatti, il potenziale di semicella
diventa impredicibile ed erratico dipendendo da
altri ioni presenti nella zona oltre che dalle
impurità presenti nell’argento. Ben difficilmente
l’amplificatore elettromiografico potrà ora
compensare ed ovviare a questo effetto. A questo
avviene molto facilmente, così da consentire la
produzione di pellicole fotografiche molto sensibili.
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punto si dice che l’elettrodo si è polarizzato e può
essere gettato nella spazzatura senza rimpianti.
Sarebbe bello allora inventare un elettrodo
inesauribile. Uno lo potremmo fare con una
placchetta di platino metallico. Il platino catalizza
l’elettrolisi dell’acqua (ci troviamo ovviamente in
un ambiente acquoso) e abbiamo questa reazione:
Stavolta si tratta però di una reazione non
reversibile e quindi invertendo il senso della
corrente deve avvenire una reazione diversa:
eOHOH 2
2
1
2
22
Abbiamo così un elettrodo inesauribile (il platino
catalizza la reazione, ma non ne prende parte
chimicamente e quindi non si consuma), ma
irreversibile. La produzione di gas nella reazione di
elettrolisi non è affatto comoda (il gas tende ad
isolare l’elettrodo dalla pelle) e dunque questo
tipo di elettrodo non è particolarmente utile.
Per quanto esistano almeno altri due o tre tipi di
elettrodi per elettromiografia, quello Ag/AgCl è il
più usato ed è ormai in vendita a meno di 1000
lire l’uno.
Storicamente si ricorda un elettrodo divertente:
era l’elettrodo “spray-on” sviluppato dalla NASA
per il monitoraggio dell’elettrocardiogramma dei
primi astronauti. Lo spray-on era realizzato
spruzzando grafite colloidale (polvere di carbone)
sulla pelle che ne risultava praticamente
verniciata. La grafite (conduttiva) creava un
contatto intimo con la pelle e sulla “macchia nera”
si poteva semplicemente appoggiare un normale
filo metallico. Oggi l’elettrodo spray-on non è
quasi più utilizzato.
CARATTERISTICHE ELETTRICHE DEGLI AMPLIFICATORI
La progettazione dell'amplificatore è la parte più
critica dei dispositivi elettronici che vengono usati
per registrare il segnale EMG. La fedeltà del
segnale EMG rilevato dagli elettrodi e
dall'amplificatore influenza tutte le successive fasi
di elaborazione e presentazione e nulla può essere
fatto per ripristinare un segnale acquisito in
maniera sbagliata e distorta. Una serie di
caratteristiche sono importanti a questo fine; sono
spesso reclamizzate dalle Case costruttrici della
strumentazione, ma molto più raramente
comprese dagli utilizzatori.
Amplificazione differenziale e CMRR
Come detto precedentemente il problema del
rumore a 50 Hz è potenzialmente un
inconveniente piuttosto difficile da eliminare. La
tecnica universalmente adottata per affrontarlo
parte dal concetto che tale rumore dovrebbe
essere lo stesso in tutti i punti del corpo mentre
diverso deve essere il segnale bioelettrico da
acquisire negli stessi punti. Quindi viene usato un
amplificatore differenziale. Questo può essere
pensato come costituito da due amplificatori
uguali i cui segnali di uscita vengono sottratti l'uno
dall'altro da un opportuno modulo di sottrazione.
Se il segnale disturbante è uguale ai due ingressi
allora esso sarà cancellato all'uscita dal sottrattore
mentre il segnale utile, diverso ai due ingressi,
sarà amplificato in maniera "cosiddetta"
differenziale. Il segnale disturbante uguale ai due
ingressi si chiama anche segnale di "modo
comune". Ogni segnale generato lontano dal
corpo ha grandi possibilità di essere visto come un
segnale di modo comune mentre tutti i segnali
generati vicino al corpo o dentro di esso saranno
segnali "differenziali". Quindi il rumore generato
per induzione elettromagnetica dalle linee di
erogazione dell'energia elettrica a 50 Hz sarà
attivamente cancellato dalla registrazione finale
del segnale EMG. Ovviamente questa spiegazione
richiede la disponibilità di sottrattori altamente
accurati poiché bisogna ricordare che il segnale di
modo comune può anche essere migliaia di volte
più grande del segnale differenziale. In pratica una
sottrazione perfetta non può mai essere ottenuta,
ma solo approssimata con livelli di qualità più o
meno elevati. L'accuratezza con la quale il
sottrattore effettua la differenza dei segnali
provenienti dai due ingressi può essere espressa
numericamente mediante il parametro CMRR
dell'amplificatore. Il CMRR è il "rapporto di
reiezione di modo comune" e rappresenta il
rapporto tra l'amplificazione del segnale
differenziale e l'amplificazione del segnale di
modo comune (molto bassa e tendente a zero a
causa del sottrattore). Pertanto un sottrattore
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perfetto, e ideale, avrà un CMRR pari a infinito.
Praticamente si hanno valori di CMRR che vanno
da 90 e 120 dB (la misura viene espressa in dB
come 20 volte il logaritmo in base dieci del
rapporto detto sopra).
(1)
Per quanto possa
sembrare strano ci sono almeno tre ragioni per le
quali non è sensato avere un CMRR molto alto: la
prima è che amplificatori ad altissimo CMRR
tendono a costare in maniera esagerata; la
seconda è che tali amplificatori sono sempre
meno stabili e affidabili nel lungo periodo
all'aumentare del valore di CMRR e la terza è che i
segnali di modo comune non sono proprio
necessariamente di modo comune in senso
assoluto potendo avere piccole variazioni di fase o
di ampiezza che vanificano il migliore CMRR.
Inoltre alterazioni o asimmetricità degli elettrodi
possono avere effetti drammatici nell'abbassare il
CMRR complessivo di un amplificatore peraltro, in
sé, di buona qualità.
Impedenza di ingresso
L'impedenza di un circuito nel quale scorrono
correnti alternate (non aventi cioè sempre lo
stesso verso e la stessa intensità nel tempo) è
l'equivalente della resistenza per circuiti in
corrente continua. La differenza sta nel fatto che
l'impedenza varia al variare della frequenza delle
correnti e quindi si ottiene in generale un effetto
di filtraggio per cui certi segnali ad una certa
frequenza possono essere registrati con valori di
intensità maggiori o minori a seconda della
impedenza dei circuiti (tipicamente elettrodi e
cavetterie) nei quali sono transitati.
In particolare, per evitare attenuazioni e
distorsioni non volute, occorre che l'impedenza
della cute e dell'elettrodo sia la più piccola
possibile e, contemporaneamente, che
l'impedenza di ingresso dell'amplificatore sia la più
alta in modo che la corrente richiesta al
generatore biologico che scorre nei circuiti
esterni, sia minore. I circuiti elettronici moderni
consentono di realizzare amplificatori con
impedenze di ingresso che possono arrivare fino
anche a 10
12
ohms con capacità di ingresso
dell'ordine di alcuni picofarads. Considerando che
la tensione dovuta al segnale EMG di superficie è
dell'ordine di 10 mV, con una impedenza di 10
12
ohms si ha una corrente piccolissima negli
elettrodi e nell'amplificatore pari a circa qualche
migliaio di elettroni (!) al secondo. Ma non è solo il
valore assoluto della corrente di ingresso
nell'amplificatore ciò che conta: molto importante
è anche il bilanciamento delle correnti in tutti i
circuiti degli elettrodi. Questo richiede non solo
una accurata progettazione degli amplificatori, ma
anche una accurata metodica di effettuazione
della misura.
Progettazione ed utilizzo di "elettrodi attivi"
La richiesta di una impedenza di ingresso degli
amplificatori assai elevata introduce un problema
noto come accoppiamento capacitivo agli ingressi.
Infatti, con una altissima impedenza di ingresso
non può più nemmeno essere trascurata la
capacità, piccolissima, tra i cavetti degli elettrodi
ed i fili elettrici della rete di distribuzione della
energia elettrica. La soluzione a questo consiste
nel diminuire la lunghezza dei cavetti degli
elettrodi ovvero di avvicinare il più possibile
l'amplificatore agli elettrodi. Tanto vicino da
incorporarlo nell'elettrodo stesso così da ottenere
un "elettrodo attivo". Il segnale già preamplificato
viene quindi inviato allo strumento su cavetti a
bassa impedenza assolutamente immuni al
problema detto sopra.
FILTRAGGI
Ma anche con le considerazioni dette sopra ed i
metodi più scrupolosi, il segnale EMG di superficie
può essere ancora contaminato da segnali non
voluti che possono essere eliminati con varie
tecniche di filtraggio. Queste si basano su circuiti
(o programmi software nel caso di filtri digitali)
che lasciano passare in maniera quasi
immodificata i segnali utili ed attenuano
fortemente i segnali di rumore o comunque non
voluti. Per il segnale EMG di superficie i filtri
possono lasciar passare segnali nella banda da 20
a 500 Hz con una attenuazione fuori banda che
discende di 12 dB/ottava cioè di 12 dB per ogni
raddoppio o dimezzamento della frequenza a
partire da quelle limite minima e massima.
Stabilità degli elettrodi
Per stabilità degli elettrodi si deve intendere la
stabilità meccanica, elettrica ed elettrochimica.
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Della stabilità meccanica si è già detto. Le stabilità
elettrica ed elettrochimica hanno a che fare con
l'andamento della reazione di ossidoriduzione che
avviene nell'elettrodo al contatto con la cute e con
le caratteristiche elettriche di questa.
Normalmente si possono avere problemi dovuti a
variazioni abnormi dello stato di idratazione
dell'elettrodo come la essiccazione o la troppa
umidità ad esempio dovuta al sudore.
(2)
GEOMETRIA E POSIZIONAMENTO DEGLI ELETTRODI
Nella storia delle registrazioni elettromiografiche
la forma e la disposizione della superficie
dell'elettrodo non ha mai ricevuto una grande
attenzione. Questo probabilmente perché si dava
maggiore risalto ad una valutazione qualitativa del
segnale e, peraltro, tale impostazione si è
mantenuta anche per le metodiche approssimate
che sono state utilizzate. Ad oggi ancora lo studio
del segnale EMG di superficie non ha raggiunto
una reputazione "quantitativa" stabile. Ciò è ancor
più curioso se si considera che un altro particolare
"segnale EMG di superficie", quello del muscolo
cardiaco o elettrocardiogramma ECG, è ormai
assestato come esame di indiscusso interesse
clinico.
Peraltro la elaborazione del segnale con mezzi
informatici pone oggi importanti problemi per una
quantificazione o almeno una oggettivazione della
misura elettromiografica.
Distanza tra gli elettrodi
La distanza tra gli elettrodi influenza grandemente
la banda, l'ampiezza e la fase del segnale EMG.
Questo significa che la distanza tra gli elettrodi
influenza, anche grandemente, la forma del
segnale e quindi ne produce una sorta di
distorsione. Il fatto che influenzi anche la fase ci
dice che da questo dipendono anche le misure di
tempo (ritardi, latenze, periodi) che dal segnale
EMG possono venir estrapolati in riferimento a
eventi esterni di stimolazione. In ultima analisi la
distanza tra gli elettrodi, per quanto poco valutata
in pratica, è un parametro fondamentale per poter
effettuare misure EMG quantitative, cioè
riproducibili e quindi confrontabili.
(3)
E' chiaro dunque che sarebbe assai preferibile che
l'insieme degli elettrodi fosse montato su un
supporto rigido in modo che la disposizione degli
elettrodi non possa variare in montaggi successivi
sullo stesso soggetto o su soggetti diversi (in
condizioni anatomiche confrontabili). La distanza
tra gli elettrodi dipende anche dalla grandezza di
questi e dal fatto di dover fare misure su piccoli
muscoli senza essere disturbati da segnali EMG
provenienti da muscoli vicini. Spesso una distanza
minima di 1 cm viene considerata adeguata, ma ci
sono applicazioni dove la distanza è ancora
minore.
(4)
Piccole distanze in genere non vengono usate
poiché si ritiene che i segnali possano essere
alterati dalle condizioni locali. Il sudore è
considerato in questi casi un pericolo perché
tende a "cortocircuitare" gli elettrodi sulla pelle. La
cosa è controversa e dall'autore non viene
ritenuta valida. Infatti al di della cute,
all'interno, esiste un "cortocircuito" naturale
costituito dai fluidi extracellulari del sottocutaneo
e del derma. Un "cortocircuito" esterno, avente
per lo più una impedenza analoga a quella
dell'interno, non dovrebbe quindi alterare la
misura. Si contesta che in questo modo sarebbe
inutile costruire amplificatori ad altissima
impedenza di ingresso. Ma il "cortocircuito"
avverrebbe tra gli elettrodi, non tra i fili che
dall'elettrodo vanno all'amplificatore, e l'alta
impedenza di questo continua ad avere la sua
rilevanza per contrastare la stessa impedenza di
elettrodo. Si contesta anche che non sarebbe
possibile, per lo stesso motivo, effettuare misure
EMG in acqua, mentre l'autore ha regolarmente
realizzato sistemi elettromiografici
radiotrasmittenti da nuotatori. Peraltro nessuno
ha mai messo in discussione misure di
biopotenziali, ad esempio ECG, effettuati in
ambienti "umidi" come ad esempio l'ECG
intraesofageo o addirittura le misure invasive di
biopotenziali.
(5)
GRANDEZZA E FORMA DEGLI ELETTRODI
E' sicuro che tanto più grande è la grandezza
dell'elettrodo, tanto maggiore è il livello del
segnale registrato e minore il rumore ottenuto.
Ma un grande elettrodo ha poi lo svantaggio di
acquisire segnali da muscoli diversi o da parti del
muscolo che non sono di interesse; in particolare
si perde in selettività spaziale. Allora ci vorrebbe
un elettrodo che prendesse il maggior numero di
fibre muscolari da una parte ristretta e con basso
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rumore. E' evidente che queste richieste sono in
conflitto e occorre qualche compromesso.
Alla convenzionale forma circolare si stanno oggi
affiancando altre conformazioni come quella ad
array o a barra con vantaggi e svantaggi relativi. La
forma "giusta" rimane comunque un
raggiungimento per tentativi più o meno euristici
e dipendenti dall'operatore.
Localizzazione e posizionamento degli elettrodi
Gli elettrodi dovrebbero essere posizionati tra un
punto motorio di innervazione del muscolo ed il
tendine o tra due punti motori e orientati sulla
linea longitudinale mediana del ventre muscolare.
Così l'asse longitudinale degli elettrodi dovrebbe
essere allineato in parallelo con la lunghezza delle
fibre muscolari.
Gli elettrodi non devono essere messi in
prossimità del tendine. In tali punti le fibre
muscolari sono fini e scarse ed inoltre si corre il
rischio di "ricevere" segnali EMG di altri muscoli
(ad es. agonisti).
Ugualmente gli elettrodi non devono essere posti
sul punto motorio, anche se questo è un
preconcetto difficile da abbattere. Il punto
motorio è quel punto sul muscolo (e la
equivalente sua proiezione sulla cute) dove
l'iniezione di una minima corrente provoca una
ben definita contrazione del muscolo stesso. Di
solito, ma non sempre, questo punto corrisponde
a quella parte del muscolo dove c'è l'innervazione
e si ha quindi la più alta densità di neuroni.
Ma dal punto di vista della stabilità del segnale, la
misura con due elettrodi in prossimità del punto
motorio è la peggiore situazione nella quale ci si
possa mettere. Da tale regione, infatti, i potenziali
elettrici di attivazione delle fibre muscolari di
propagano prossimalmente e distalmente e le
relative fasi positive e negative si sommano o si
sottraggono sugli elettrodi fornendo un segnale
molto distorto e anche costituito da picchi secchi
ed improvvisi a causa dell'aleatoria situazione. La
stabilità è qui particolarmente compromessa
poiché è evidente come piccoli spostamenti
dell'elettrodo causeranno variazioni enormi del
tracciato e delle sue caratteristiche in frequenza e
fase.
E' inoltre sconsigliabile porre gli elettrodi agli
estremi del muscolo (uno sull'origine ed uno sulla
inserzione). In questo caso si pone sotto
rilevazione un volume di tessuti troppo elevato ed
è facile avere segnali di muscoli non di interesse.
Orientazione rispetto alle fibre muscolari
Appare dunque chiaro che l'asse longitudinale
della configurazione di elettrodi debba essere
parallelo alle fibre muscolari. In questo modo la
maggior parte delle fibre presenti in quell'area
saranno registrate insieme con le caratteristiche
spettrali del segnale. Questo è importante poiché
l'indipendenza dello spettro del segnale da
qualsiasi fattore trigonometrico eviterà una stima
erronea della velocità di conduzione. Per motivo
analogo saranno più valide e ripetibili le eventuali
misure di ritardo, periodo, latenze, ecc.
Il "misterioso" elettrodo di riferimento
Il guaio principale dell'elettrodo di riferimento è
che nella stragrande parte delle apparecchiature
elettromiografiche esso viene chiamato "ground"
o "terra". Esso viene quindi percepito
dall'operatore, solitamente ignaro di aspetti
elettronici o bioelettrici, come un qualcosa che ha
a che fare con la sicurezza del paziente o con la
lotta ai disturbi indotti (ad es. il rumore a 50 Hz
che sarebbe in questo modo "disperso" verso
"terra" come si farebbe con un elettrodomestico).
Ciò è assolutamente falso e generatore di grandi
insuccessi e perdite di tempo.
E' stata già spiegata la necessità e l'importanza di
usare un amplificatore differenziale per la
registrazione dei segnali bioelettrici. Si è detto al
proposito che un amplificatore differenziale è di
fatto costituito da due amplificatori che
amplificano il potenziale in due punti e poi se ne fa
la differenza istante per istante. Bene ogni
amplificatore avrà due elettrodi tra i quali
misurerà la differenza di potenziale. (Figura 1)
Considereremo un elettrodo da porre in
prossimità del muscolo Temporale (A) ed un altro
elettrodo da porre in una qualsiasi altra parte del
corpo ad esempio sul lobo auricolare(R). Si avrà
dunque una registrazione della differenza di
potenziale tra il muscolo e l’orecchio. Se useremo
un secondo amplificatore del quale disporremo gli
elettrodi tra un'altra zona del muscolo Temporale
(B) e lo stesso orecchio avremo un'altra
registrazione della differenza di potenziale tra
l'altra zona del muscolo e la gamba. La differenza
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16 settembre 2017
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tra le due (cioè la differenza delle due differenze
di potenziale) sarà la differenza di potenziale tra le
due zone del muscolo! Sembra uno scioglilingua
ma facciamo due calcoli per chiarire meglio il
concetto.
Sia V
A
la differenza di potenziale elettrico tra
l’elettrodo A e l’elettrodo di riferimento; per
l’altro elettrodo si abbia di conseguenza V
B
. Il
valore V
A
sarà dato dalla somma di due
componenti: il valore della differenza di potenziale
biologico in quella zona (V
AR
) più il segnale di
modo comune, ad esempio quello a 50 Hz (V
n
). In
modo equivalente sarà per V
B
. In formule:
V
A
= V
AR
+ V
n
V
B
= V
BR
+ V
n
Sappiamo che l’amplificatore differenziale
amplifica la differenza degli ingressi e quindi
l’uscita V
o
dell’amplificatore differenziale, dopo
una amplificazione di 1 volta (per semplificare),
sarà:
V
o
= V
A
V
B
= V
AR
V
n
(V
BR
V
n
)
quindi, sviluppando l’algebra dei segni e
semplificando:
V
o
= V
A
V
B
= V
AR
V
BR
E questa è proprio la differenza di potenziale tra le
due zone del muscolo sotto gli elettrodi A e B.
Ovviamente lo stesso sarà per il muscolo
massetere con gli elettrodi C e D. Come si vede
dalla formula il segnale di modo comune è sparito
nella formula finale, cioè poteva essere qualsiasi,
sempre supponendo che la tensione di modo
comune tra uno qualsiasi dei due elettrodi A o B e
l’elettrodo di riferimento sia uguale a quella
dell’altro.
Infatti, proprio a causa della differenza tra i segnali
dei due amplificatori dell'amplificatore
differenziale, non è necessario porre il terzo
elettrodo proprio sull’orecchio. Potrebbe stare
ovunque. Non a caso spesso tale elettrodo si
chiama per l'appunto elettrodo "indifferente".
Perché può essere "indifferentemente" posto in
qualsiasi punto della superficie del corpo. Esso è
anche "ground" o "terra" o "riferimento", ma
inteso come riferimento dell'amplificatore
differenziale.
E' più una questione di tipo tecnico elettronico
che bioelettrico. Nella registrazione
elettrocardiografica ECG l'elettrodo indifferente è
l'elettrodo "di gamba destra".
(6)
Di fatto l'elettrodo
indifferente deve essere piazzato in punto lontano
dal luogo della registrazione. Una zona dove possa
essere ben collegato con un contatto a bassa
impedenza, magari in un punto sopra una
prominenza ossea (in elettroencefalografia si usa il
processo mastoideo).
Deve possibilmente essere, per lo stesso motivo,
un elettrodo grande.
Da ricordare è il fatto che non è un elettrodo di
"terra" in senso da elettricista. Spesso viene anche
identificato come "isolated ground" per dire che è
una "terra" o riferimento dell'amplificatore e non
la connessione di terra di sicurezza o di
schermatura della macchina o delle macchine
presenti nel luogo di registrazione. Peraltro se così
fosse si metterebbe a rischio di folgorazione il
paziente che deve sempre e comunque rimanere
isolato da tutto affinché, se proprio deve
succedere un guaio, si salvi comunque, come un
piccione sul filo dell'alta tensione.
Figura 1: Posizionamento degli elettrodi con
riferimento alla trattazione del testo
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SICUREZZA ELETTRICA DEGLI APPARATI
Un guasto di una apparecchiatura alimentata da
energia elettrica che abbia un contatto diretto
galvanico con la cute del paziente può mettere a
rischio la salute di quest'ultimo poiché una
corrente elettrica potenzialmente pericolosa
potrebbe scorrere nel soggetto che, per giunta,
non può in genere difendersi.
Questo problema è di solito inesistente in
apparecchi alimentati a batterie a bassa tensione
(da 3 a 15 V), ma diventa importante in apparecchi
a tensione di rete. Per quanto una sicurezza
assoluta non possa essere raggiunta per tutti i casi
possibili, normalmente si ritiene adeguato un
isolamento, dei circuiti collegati al paziente
(alimentati a bassa tensione) da quelli restanti
dell'apparecchiatura, effettuato da un
accoppiamento magnetico (trasformatore di
isolamento) o ottico (optoaccoppiatore o
fotoaccoppiatore). Il trasformatore di isolamento
è in genere il modo più semplice dal punto di vista
tecnico, ma è anche quello che può costituire la
maggior parte dei problemi quanto a fedeltà delle
registrazioni. In entrambi i casi un isolamento del
paziente dal resto del circuito minimizza anche il
rumore a 50 Hz indotto.
I livelli di sicurezza delle apparecchiature per EMG
sono normati da apposite norme armonizzate a
livello europeo che vengono usate per valutare la
qualità degli strumenti. Un grado "minimo" di
sicurezza deve comunque essere presente nelle
apparecchiature secondo varie direttive europee.
Solo se questo grado minimo di sicurezza è
raggiunto, l'apparecchiatura può essere munita
del marchio di conformità europea (CE) che ne
consente la circolazione commerciale nell'ambito
di tutti gli Stati dell'Unione Europea.
ELABORAZIONE DEL SEGNALE EMG
Per parecchio tempo la forma più comune di
elaborazione del segnale EMG è stata quella di
farne l’integrale della forma rettificata. Questa
viene ottenuta rettificando il segnale, cioè facendo
diventare positive, con opportuni circuiti
elettronici, le deflessioni negative del tracciato.
Successivamente il segnale così ottenuto viene
integrato, cioè viene fatto passare in un circuito
passa basso che fornisce in uscita un segnale
estremamente più morbido poiché media istante
per istante tutti i picchi del segnale originale
rettificato.
Questo tipo di elaborazione fu particolarmente
popolare poiché era facile ad essere
implementato con semplici circuiti elettronici ben
prima dell’avvento dei calcolatori e
dell’elaborazione informatica dei dati.
Oggi, più appropriatamente, soprattutto grazie
all’uso di elaborazioni digitali dei segnali, viene
usato il valore quadratico medio (root mean
square o rms) del segnale.
(7)
In questo caso ogni
valore del segnale viene posto al quadrato e poi
mediato nel tempo. Anche in questo caso i valori
negativi del segnale divengono positivi per il fatto
che il quadrato di un valore negativo fornisce un
valore positivo. Un altro tipo di elaborazione è
quella che fornisce il valore medio rettificato.
Questa e la rettificazione integrata sono misure
indicative approssimativamente dell’area sottesa
al segnale EMG, ma non hanno un preciso
significato fisico o, tanto meno, fisiologico o
clinico. Il valore rms, invece, è una misura della
potenza del segnale e quindi ha un significato
clinico più interessante. Per questo è oggi sempre
più utilizzato.
Oltre a queste misure relative alla ampiezza del
segnale, occorre ricordare le misure relative ai
tempi di insorgenza dei vari segnali EMG. Tali
tempi possono essere correlati con uno stimolo
meccanico o elettrico esterno, come avviene nello
studio dei riflessi, ovvero con movimenti, forze
esercitate o applicate con l’esterno da uno o più
segmenti scheletrici. Tali misure rivestono
interesse nello studio della biomeccanica.
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Bibliografia
1 Winter B, Webster J.Driven right-leg circuit
design.IEEE Trans Biomed Engng
1983;30:626.
2 J.V. Basmajian and C.J. De Luca, Muscles
Alive. Their Functions Revealed by
Electromyography, fifth edition (Williams
and Wilkins, Baltimore, 1985).
3 Metting Van Rijn AC, Peper A, Grimbergen
CA. Amplifiers for bioelectric events: a
design with a minimal number of parts.
Med Biol Engng Comput 1994;32:30510.
4 Spinelli E, Martinez N, Mayosky M. A
transconductance driver right leg circuit.
IEEE Trans Biomed Engng 1999;46:146670.
5 Palla´s-Areny R, Webster JG. AC amplifiers.
In: Analog signal processing. (Wiley, New
York, 1999:97109).
6 Burke J, Gleeson D. A micropower dry-
electrode ECG preamplifier. IEEE Trans
Biomed Engng 2000;47:15562.
7 Enrique M. Spinelli, Nolberto H. Martinez,
Miguel Angel Mayosky: A single supply
biopotential amplifier Medical Engineering
& Physics 23 (2001) 235238