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CORSO PRECONGRESSUALE 1
Nuove evidenze per l'acquisizione ed interpretazione del segnale EMG: dal bipolare al multicanale e ritorno
Centro Congressi Torino Incontra, Torino. Mercoledì 4 Ottobre 2017
ORGANIZZATORIAlberto Botter, Politecnico di Torino
Taian Vieira, Politecnico di TorinoIsabella Campanini, AUSL di Reggio Emilia
Andrea Merlo, Università of Modena and Reggio Emilia
Nuove evidenze per l'acquisizione ed interpretazione del segnale EMG: dal bipolare al multicanale e ritorno
Registrazioni EMG multicanale e non: verso lo sviluppo di strumenti user-friendly
Giacinto Luigi Cerone, Ph.D Candidate
LISIN – Laboratorio di Ingegneria del Sistema NeuromuscolareDipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni
Politecnico di Torino
Centro Congressi Torino Incontra, Torino, 4 Ottobre 2017
ACQUISIZIONE DI SEGNALI EMG
SCOPO: Prelevare, visualizzare e registrare il segnale elettrico generato dai muscoli durante una contrazione
Interfaccia tra
cute e sistema di
prelievo
Collegano gli
elettrodi al
sistema di
prelievo
• Amplifica il segnale
elettrico in ingresso;
• Riduce i disturbi presenti
sul segnale;
• Trasforma il segnale in
numeri (digitalizzazione)
• Visualizza il segnale su uno schermo;
• Registra il segnale;
• Elabora il segnale;
Muscolo
Elettrodi Cavi di coll. Prelievo e
digitalizzazione
SISTEMA DI ACQUISIZIONE
ACQUISIZIONE DI SEGNALI EMG – TIPOLOGIE DI SISTEMI
SISTEMA DI ACQUISIZIONE
• Prelievo bipolare;
• Costituiti da moduli identici;
• Pochi canali di acquisizione (1
- 4);
• Piccoli e leggeri;
LOW DENSITY HIGH DENSITY
• Prelievo monopolare;
• Monolitico;
• Molti canali di acquisizione (32-
400);
• Ingombranti e pesanti;
ELETTRODI e MATRICI DI ELETTRODI
A COSA SERVONO?
• Interfaccia tra cute e sistema elettronico di prelievo
• Trasformano correnti ioniche (presenti nel corpo) in correnti elettroniche (acquisibili dal circuito) – Trasduttore
TIPOLOGIE
• Contatto mediato da gel o no (secco);
• Supporto Adesivo/non Adesivo/Tessile;
MATERIALI E STRUTTURA
• Elemento trasduttore Ag/AgCl – Ag;
• Elemento di interfaccia cute/trasduttore;
• Supporto;
Elettrodi Cavi di coll. Prelievo e
digitalizzazione
PROBLEMI COMUNI LEGATI AL SISTEMA ELETTRODO-CUTE
IMPEDENZA ELETTRODO-CUTE
• Proprietà che descrive il comportamento del sistema composto da elettrodo e cute al passaggio di cariche
elettriche
• È inversamente proporzionale alla superficie dell’elettrodo elettrodi grandi = imp. Bassa e viceversa
PROBLEMI CORRELATI
• Se alta può compromettere la qualità dell’acquisizione;
• Se differisce significativamente (>10%) tra due elettrodi aumenta la sensibilità del sistema all’interferenza di
rete;
• Movimento relativo tra elettrodi e cute Provoca la comparsa di artefatti da movimento;
ELETTRODI e MATRICI DI ELETTRODI
ALCUNE SEMPLICI SOLUZIONI PER RISOLVERE QUESTI PROBLEMI
Sol. legate alla cute;
Sol. legate alla tecnologia costruttiva dell’elettrodo
Riduzione dello strato corneo della cute (scrubbing) e depilazione
Diminuisce l’impedenza elettrodo-cute migliora le prestazioni del sistema complessivo in termini di
qualità del segnale acquisito e reiezione dell’interferenza di rete;
Aderenza degli elettrodi alla cute mediante supporto adesivo
Riduce gli artefatti da movimento, limitando lo scorrimento relativo tra elettrodi e cute;
Massimizzazione della superficie di contatto tra elettrodi e cute tramite gel o paste conduttive
Aumenta la superficie di contatto tra elettrodi e cute, diminuendo quindi l’impedenza
• Nei sistemi ad alta densità di elettrodi (di piccole dimensioni) è necessario preparare
nel miglior modo possibile la cute del soggetto in modo da ridurne l’impedenza
all’interfaccia con gli elettrodi
ELETTRODI PRE-GELLATI
CARATTERISTICHE
• Diametro: 1-2 cm;
• Materiale: Ag/AgCl
• Supporto: adesivo;
• Gel conduttivo posto tra elettrodo e cute;
• Costo per elettrodo: 0,1€;
Utilizzo principale: Prelievo del segnale EMG in modalità bipolare
• Bassa impedenza elettrodo-cute (modulo <10kΩ @ 50Hz) segnali di buona qualità
• Facilità di utilizzo e applicazione;
• Riduzione degli artefatti da movimento dovuti a scorrimento tra elettrodi e cute.
• Elevato ingombro impossibilità di utilizzo nei sistemi ad alta densità di elettrodi
• Non integrabili in dispositivi wearable;
• Perdita di adesività in particolari condizioni (sudorazione elevata, applicazione prolungata ecc.);
• Non riutilizzabili
SCHIERE E MATRICI DI ELETTRODI SECCHI
CARATTERISTICHE
• Materiale: Ag
• Supporto: gomma non conduttiva
• Costo per elettrodo: 5€;
• Facilità di utilizzo, applicazione e rimozione;
• Possibilità di utilizzo in applicazioni multicanale (elevata
densità di elettrodi);
• Tempi di setup ridotti;
• Riutilizzabilità.
• Alta impedenza elettrodo-cute (>100kΩ @50Hz) progettazione accurata del sistema elettronico per
segnali di buona qualità;
• Non integrabili in dispositivi wearable;
• Artefatti da movimento elevati dovuti a peso, e mancanza di adesione tra elettrodi a cute utilizzabili
solo in condizioni statiche;
Utilizzo principale: Valutazioni preliminari sul posizionamento di matrici o elettrodi
per il prelievo bipolare
• Bassa impedenza elettrodo-cute (decine di kΩ @50Hz) segnali di buona qualità
• Possibilità di utilizzo in applicazioni multicanale (elevata densità di elettrodi);
• Artefatti da movimento ridotti per sistemi multi-canale (peso ridotto, buona adesione tra
elettrodi a cute) utilizzabili sia in condizioni statiche che dinamiche;
SCHIERE E MATRICI DI ELETTRODI FLESSIBILI
CARATTERISTICHE
• Diametro: 5-8 mm;
• Materiale: Ag
• Supporto: Kapton e foam adesivo;
• Pasta conduttiva posta tra elettrodo e cute;
• Costo per elettrodo: 0,2€;
• Non integrabili in dispositivi wearable;
• Perdita di adesività in particolari condizioni (sudorazione elevata, applicazione
prolungata ecc.);
• Non riutilizzabili.
Utilizzo principale: Studio del sistema neuromuscolare in condizioni statiche e
dinamiche mediante tecniche di HD-sEMG
MATRICI DI ELETTRODI SU SUPPORTO TESSILE
CARATTERISTICHE
• Materiale: Ag
• Supporto: lycra elasticizzata
• Costo per elettrodo: 10€;
• Facilità di utilizzo, applicazione e rimozione;
• Possibilità di utilizzo in applicazioni multicanale (elevata densità di elettrodi);
• Applicazione per lunghi periodi;
• Integrabile in sistemi wearable;
• Riutilizzabilità.
• Alta impedenza elettrodo-cute (>100kΩ @50Hz)
progettazione accurata del sistema elettronico di
prelievo per segnali di buona qualità;
• Artefatti da movimento elevati dovuti a mancanza di
adesione tra elettrodi a cute e movimento relativo tra
elettrodi e cute durante contrazioni dinamiche;
Utilizzo principale: Studi che richiedono l’utilizzo contemporaneo di tecniche di
multi-canele e sistemi indossabili
CAVI DI COLLEGAMENTO
A COSA SERVONO?
• Collegano il sistema di prelievo (elettrodi) a quello di acquisizione
COME SONO FATTI?
• Sono costituiti da tanti conduttori quanti sono gli elettrodi da collegare al sistema di
acquisizione.
Elettrodi Cavi di coll. Prelievo e
digitalizzazione
D2 D1
Cable C dW
M
M: Silicone rubber tube
CAVI DI COLLEGAMENTO
PROBLEMI
• Peso e ingombro elevato per sistemi di acquisizione ad alta densità;
• Artefatti da movimento dovuti a:
• Urti relativi tra i conduttori costituenti il cavo effetto triboelettrico;
• Urto tra cavi e sistema di prelievo;
• Ridotta mobilità del soggetto;
• Fungono da collettore di interferenza di rete e disturbi elettromagnetici
POSSIBILI SOLUZIONI
• Porre il sistema elettronico di acquisizione il più vicino possibile al soggetto (non praticabile nei sistemi
HDsEMG)
• Utilizzare cavi intrecciati e sonde attive per ridurre disturbi elettromagnetici e interferenza di rete aumento
della complessità e dei costi del sistema di prelievo;
• Non utilizzare cavi….
SISTEMA DI ACQUISIZIONE DI SEGNALI EMG
A COSA SERVE?
• Amplifica e condiziona i segnali EMG;
• Rigetta i disturbi comuni presente all’ingresso dell’amplificatore;
• Digitalizza i segnali amplificati;
• Trasmette tali segnali ad una unità di elaborazione e visualizzazione.
Elettrodi Cavi di coll. Prelievo e
digitalizzazione
SISTEMI SMART PER L’ACQUISIZIONE DI SEGNALI EMG
CARATTERISTICHE
• Modularità;
• Configurabilità;
• Interoperabilità;
• Connettività wireless verso dispositivi mobili;
• Semplicità di utilizzo;
CONCLUSIONI
• Un sistema di acquisizione del segnale EMG è composto da blocchi che sono progettati in un
contesto integrato;
• Per acquisire segnali EMG di buona qualità è necessario utilizzare tecniche e tecnologie appropriate
a seconda del contesto di misura;
• L’utilizzo di sistemi di acquisizione e prelievo SMART può facilitare l’utilizzo integrato e
contemporaneo di diverse tecnologie (bipolare e HD) diminuendo i tempi di preparazione del setup
clinico/sperimentale.
HANDS-ON!!!