Appunti Elaborazione di segnali biomedici

Elaborazione dei segnali biomedici 2025/2026

Cronostoria

• 1850 Von Helmoltz misura la velocità di conduzione nei nervi
• 1868 Berstein determina la forma del potenziale d’azione
• 1875 Caton dimostra che l’encefalo di gatto genera potenziali elettrici
• 1877 Reymond misura attività elettrica nel muscolo dell’animale
• 1877 Waller misura attività elettrica cardiaca (ECG) nell’uomo
• 1924 Berger misura attività elettrica encefalica (EEG) nell’uomo

Segnali bioelettrici: potenziale d’azione (PdA)

Potenziale d’azione

È la componente fondamentale di tutti i segnali bioelettrici:

• Interessa cellule nervose e muscolari
• Causato da un flusso di ioni (sodio (Na+), potassio (K+), cloro (Cl-),…) attraverso la membrana cellulare
• Corrisponde ad un potenziale elettrico (= variazione di tensione) che si propaga lungo la membrana dell’assone
• Per il sistema muscolare, accompagna la contrazione meccanica di una cellula, quando è stimolata da una corrente elettrica (neurale o esterna)
• La sua registrazione richiede di isolare una cellula e di utilizzare un micro-elettrodo (dimensioni dell’ordine di alcuni micron) per stimolare la cellula e registrare la sua risposta

Cellula nervosa

Potenziale d’azione (principi)

Il potenziale d’azione è sempre lo stesso per una data cellula, indipendentemente dal metodo usato per eccitarla o dall’intensità dello stimolo al di sopra di una data soglia (All-or-none phenomenon).

Cellule diverse possono avere potenziale d’azione di durata molto diverse:

• Cellule di nervi e muscoli: circa 1 ms.
• Cellule del muscolo cardiaco: circa 150 – 300 ms.

Il PdA fornisce informazioni sulla natura dell’attività fisiologica a livello della singola cellula.

Esempio due diverse tipi di PdA, stesso animale stesso tessuto (miocardio) ma regioni diverse (Ventricolo alto; Atrio basso).

Cellule diverse possono avere potenziale d’azione di caratteristiche elettriche molto diverse.

Potenziale di riposo

• Una cellula nervosa nel suo stato di riposo si dice
• Il potenziale di riposo è dell’ordine da −60 a −100 mV, fino a che qualche disturbo o stimolo perturbi lo stato d’equilibrio.

Depolarizzazione

• Quando una cellula è eccitata da correnti di ioni o da uno stimolo esterno, la membrana cambia le sue caratteristiche: lascia che gli ioni Na+ entrino nella cellula, invertendo la differenza di potenziale rispetto allo stato di riposo.
• Questo rappresenta l’inizio del potenziale d’azione, con un valore di picco, in generale, di circa +20 mV.
• Dopo che il flusso di ioni termina, si raggiunge un nuovo stato di equilibrio.
• Una cellula eccitata che mostri un potenziale d’azione si dice depolarizzata; il processo si chiama depolarizzazione.

Ripolarizzazione

Dopo un certo periodo che è in uno stato depolarizzato, la cellula diventa di nuovo polarizzata e ritorna al suo stato di potenziale di riposo, con un processo noto col nome di ripolarizzazione. Il processo è diverso per ogni cellula a seconda della distribuzione e densità dei canali ionici.

Esistono inoltre diversi tipi di cellule nervose con configurazioni diverse per funzioni diverse ma stesso principio di funzionamento (INPUT/OUTPUT mediato da PdA).

Mielinizzazione dell’assone per aumentare la velocità di trasmissione del PdA (fondamentale per i neuroni sensoriali e motori – comunicare a lunga distanza in tratti brevi).

Gli assoni mielinizzati sono porzioni di neuroni rivestite da una guaina mielinica, che funge da isolante e protegge l’assone, permettendo una trasmissione più rapida degli impulsi nervosi.

Elettrocardiogramma (ECG)

ECG: manifestazione elettrica dell’attività contrattile del cuore.

• Il muscolo cardiaco ha un sistema di conduzione specializzato e caratteristico: l’attività elettrica è legata alla formazione di potenziali elettrici, che sono generati da gruppi di specifiche cellule (pace-maker) nel nodo seno-atriale.

Le cellule pace-maker del miocardio, non sono le uniche cellule in grado di generare una stimolazione nervosa ritmica autonoma.

Altre cellule pacemaker si trovano:

• Nelle pareti del tratto gastrointestinale (Cellule interstiziali di Cajal). Regolano le contrazioni ritmiche dei muscoli lisci che controllano la peristalsi, il movimento ondulatorio che muove il cibo attraverso il sistema digerente.
• Nel cervello. Nel tronco encefalico, specifici neuroni agiscono come pacemaker per la respirazione. Queste cellule generano segnali ritmici che controllano la contrazione dei muscoli respiratori, aiutando a regolare la respirazione.
• Nell’utero durante la gravidanza: alcune cellule muscolari lisce nell'utero sviluppano un'attività simile a quella di un pacemaker, specialmente durante il travaglio. Queste cellule aiutano a coordinare le contrazioni durante il parto.
• Nei vasi del sistema linfatico. Coordinano la contrazione delle cellule muscolari dei vasi linfatici per favorire il movimento della linfa (specialmente in direzione antigravitazionale).

Il muscolo cardiaco ha un sistema di conduzione specializzato e caratteristico: l’attività elettrica è legata alla formazione di potenziali elettrici, che sono generati da gruppi di specifiche cellule (pace-maker) nel nodo seno-atriale.

• Questi potenziali d’azione si propagano lungo il muscolo cardiaco, prima alle cellule degli atri poi, attraverso particolari fibre (il fascio di His), a quelle dei ventricoli, causando un particolare pattern di eccitazione e contrazione. Si determina così la contrazione ritmica delle cellule delle quattro cavità del cuore.
• I potenziali non restano confinati all’interno del miocardio perché il tessuto che lo circonda è conduttivo. Essi sono perciò presenti anche sulla superficie esterna del corpo.

L’elettrocardiogramma è la registrazione tramite elettrodi in posizioni determinate sulla cute del torace, dette derivazioni (o leads), dei potenziali elettrici così generati dall’attività cardiaca.

Derivazioni

• Le 6 derivazioni agli arti vedono l’attività elettrica del cuore da lontano - in prima approssimazione, dipolo elettrico nel piano frontale;
• Le 6 derivazioni toraciche esplorano sul piano trasversale i potenziali in prossimità del muscolo cardiaco.

Il livello di questi potenziali è molto basso: da qui la necessità di amplificarli ed elaborarli per ottenere una loro rappresentazione grafica.

Il sistema elettrico del cuore

Ciclo cardiaco visualizzato nell’ECG:

• Onda P: depolarizzazione degli atri, che induce la contrazione atriale.
• Onda R: l'impulso elettrico si trasferisce ai ventricoli che si depolarizzano (R) e conseguentemente si contraggono.
• Onda T: ripolarizzazione dei ventricoli.
• La ripolarizzazione degli atri non è visibile nell’ECG.

La sequenza degli eventi e delle onde in un ciclo cardiaco è:

1. Il nodo SA si eccita.
2. L'attività elettrica si propaga attraverso la muscolatura atriale a velocità relativamente bassa, causando una depolarizzazione o contrazione degli atri: onda P dell’ECG. A causa di questa lenta contrazione e alla dimensione ridotta degli atri, P è un’onda lenta e di piccola ampiezza: 0.1 – 0.2 mV e durata 60 – 80 ms.
3. Ritardo di propagazione nel nodo atrioventricolare (AV). Segmento normalmente isoelettrico di 60 – 80 ms dopo l’onda P, segmento PR. Trasferimento di sangue dagli atri ai ventricoli.
4. Il nodo AV si eccita.
5. Il fascio di His e il sistema di Purkinje, di fibre di conduzione specializzate, propagano velocemente lo stimolo ai ventricoli.
6. L’onda di stimolo si diffonde rapidamente dall’apice verso la parte superiore del cuore, causando una rapida depolarizzazione o contrazione dei ventricoli: onda QRS di ampiezza di 1 mV e durata 80 ms.
7. Le cellule del muscolo del ventricolo possiedono una durata relativamente lunga del potenziale d’azione di 300 – 350 ms. La parte di plateau di questo potenziale causa un segmento isoelettrico di circa 100 – 120 ms dopo l’onda QRS: il segmento ST.
8. La ripolarizzazione o rilassamento dei ventricoli causa l’onda lenta T, con ampiezza di 0.1 – 0.3 mV e durata 120 – 160 ms.

Caratteristiche normali di un ECG

• Banda 0.1-100 Hz, ampiezza decine di mV
• È un segnale stazionario (con le stesse caratteristiche) per brevi tratti.
• Non periodico, ma spesso con un ritmo prevalente concentrato su specifiche bande di frequenza. È un segnale pseudoperiodico.

Periodo e frequenza di un segnale ECG

Il ritmo del cuore, in termini di battiti per minuto (bpm), può essere stimato contando il numero di eventi PQRST dell’ECG.

Esempio: Un ECG ha un periodo di T~800 ms. La sua frequenza istantanea (relativa ad un singolo ciclo cardiaco) vale: F = 1/T = 1/(800 ms) = 1/(0.8 sec) = 1.25 Hz.

Principale unità di misura per la frequenza di ECG è battiti per minuto (bpm). bpm è definita come frequenza media relativa (nbattiti) ad un intervallo di tempo (t, min).

bpm = nbattiti /tempo(min) = F *60 = 1.25*60 = 75 bpm

ECG: implicazioni cliniche

La forma delle onde dell’ECG è alterata da malattie cardiovascolari: ischemia miocardica e infarto, ipertrofia ventricolare e problemi di conduzione.

Segnali derivati: tacogramma

Il tacogramma è la serie temporale degli intervalli battito-battito o intervalli RR.

Tacogramma: diagramma che ha sull’asse x il numero dei battiti cardiaci, sull’asse y il valore dell’intervallo R-R. Fornisce una misura nel tempo della frequenza cardiaca.

Il tacogramma richiede l’analisi automatica del segnale ECG per il riconoscimento dei segmenti R-R (che corrisponde a identificare i picchi e a determinare la durata temporale dei vari intervalli).

Heart Rate Variability (HRV) // Variabilità frequenza cardiaca

La HRV è una tecnica non invasiva per misurare ed analizzare la variabilità della frequenza cardiaca.

Razionale

Un tempo si credeva che il battito cardiaco a riposo fosse monotono e regolare come accade con un metronomo (60 pulsazioni al minuto uguale un battito al secondo).

In seguito le ricerche in campo cardiologico hanno messo in luce l'esistenza di una differenza nei tempi di contrazione tra un battito e l'altro, nell'ordine di alcuni millisecondi. Questo cambio spontaneo nella frequenza di contrazione cardiaca si è visto essere correlata con le interazioni pressorie dell'attività respiratoria e con le influenze esercitate dai rami del sistema nervoso simpatico e parasimpatico sul muscolo cardiaco.

Idea

Un corpo sano con un sistema cardiovascolare in salute, mostrerà, in condizione di riposo, una sorprendente irregolarità fra battiti cardiaci e una elevata HRV. Viceversa un organismo soggetto a stress cronico avrà un ritmo cardiaco molto regolare e con scarse variazioni.

Heart Rate Variability (HRV) // Analisi in frequenza

Lo spettro di potenza del tacogramma contiene informazioni essenziali per arrivare alla valutazione del bilanciamento fra i sistemi simpatico e parasimpatico.

NB: Il Sistema simpatico e parasimpatico fanno parte del sistema nervoso autonomo. In modo semplicistico il sistema simpatico si attiva in situazione di emergenza. Quello parasimpatico quello di ristabilire equilibrio superata l’emergenza.

Heart Rate Variability (HRV) e tacogramma

Elettromiogramma (EMG)

Contrazione muscolare (ripasso)

È la registrazione dei potenziali elettrici che si formano in un muscolo durante la sua contrazione volontaria. Questi potenziali sono causati dalla depolarizzazione elettrica delle fibre muscolari in risposta all’arrivo di un impulso elettrico alla sinapsi neuromuscolare (punto di contatto fra la terminazione di un nervo periferico e la membrana di una fibra muscolo).

L’EMG può essere ad agoelettrodo (leggermente invasivo ma molto preciso) o di superficie.

Elettrodi di superficie possono essere:

• Monopolari: quando il segnale viene rilevato tra un elettrodo localizzato sopra il muscolo ed uno fuori dalla zona elettricamente attiva (neutra).
• Bipolari: quando viene utilizzato un amplificatore differenziale per rilevare segnali prelevati tra due punti sullo stesso muscolo, solitamente allineati in direzione delle fibre.

Esempi di posizionamento degli elettrodi (a seconda del sistema muscolare di interesse).

Effetti di posizionamento dell’elettrodo

IDEA: Maggiore il numero di fibre coinvolto, maggiore il segnale.

Effetti di attenuazione della profondità

IDEA: Strati di lipidi attenuano il segnale (fungono da isolanti).

Unità motoria (UM) o Single Motor Unit (SMU)

Dalla fisiologia:

• L’UM è l'insieme del motoneurone e delle fibre muscolari che esso innerva
• Motoneurone: cellula nervosa su cui convergono tutte le informazioni provenienti dal sistema nervoso e che invia il segnale fino al muscolo, attraverso il proprio assone, che forma il nervo periferico motorio.
• Il numero di fibre muscolari di ciascuna unità motoria varia da qualche decina ad alcune migliaia e ciò influenza la forza generata dall'attività motoria.

Reclutamento e frequenza di attivazione

Durante le contrazioni volontarie del muscolo la forza esercitata è modulata da due parametri indipendenti tra loro:

• Reclutamento delle UM (#UM attivate)
• Frequenza UM (firing)

La combinazione di queste due varia da muscolo a muscolo, varia con la velocità del movimento e dipende dalla fatica muscolare.

ATTENUAZIONE DEI TESSUTI. I tessuti effettuano un filtraggio sul segnale originale e per questo motivo il segnale EMG non riflette ampiezza e frequenza originale ma ne è solo una rappresentazione.

EMG: implicazioni cliniche

Permette la distinzione fra una malattia muscolare (miopatia, distrofie) e una malattia del sistema nervoso periferico (es. compressione di una radice di un nervo periferico da ernia del disco).

Viene utilizzato per analisi del movimento e il controllo di protesi.

Esempi:

Elettroneurogramma (ENG) - Nerve Conduction Velocity (NCV)

• È la misura della velocità di conduzione di un nervo (sensoriale o motorio). Tale misura può completare l’informazione che si ottiene dall’EMG.
• La velocità di conduzione nervosa è normalmente di 50 metri/s ed è ridotta nelle polineuropatie e neuropatie infiammatorie o nelle neuropatie locali da compressione meccanica, ad es. la sindrome del tunnel carpale.

Si applica uno stimolo elettrico al nervo periferico del braccio (es. mediano), o della gamba, mediante elettrodi ad anello applicati ad un dito.

Si registra l’attività in due punti a distanza nota D lungo il percorso del nervo. Si misura il tempo che decorre tra stimolo e contrazione in tali punti.

Si divide la distanza fra i due punti per la differenza di tempo delle due risposte e si ottiene la velocità di conduzione nervosa.

Velocità di conduzione nervose tipiche:

• 45 – 70 m/s nelle fibre nervosa (grazie a mielina)
• 0.2 – 0.4 m/s nel muscolo cardiaco
• 0.03 – 0.05 m/s nelle fibre fra atrii e ventricoli

Stimolo: 100 V, 100 – 300 μs

Ampiezza: 10 μV

Guadagno amplificatore: 2,000;

Banda 10 – 10,000 Hz

Elettro-oculogramma (EOG)

• È la registrazione del potenziale tra cornea e retina
• Viene utilizzato per monitorare i movimenti dell’occhio, per scopi soprattutto di ricerca (studio delle fasi del sonno, associato all’EEG).
• È misurato con coppie di elettrodi posizionati ai lati dell’occhio. L’ampiezza è tra 10 μV e 5 mV.

Elettroretinogramma (ERG)

• È la registrazione del potenziale generato dalla retina in risposta ad uno stimolo luminoso (flash).
• Viene usato in clinica e per ricerca in oftalmologia.
• È misurato con elettrodi inseriti su delle lenti a contatto.
• L’ampiezza è tra 0.5 μV e 1 mV. La banda richiesta per elaborare un ERG è di circa 0.2-200 Hz.

Elettroencefalogramma (EEG)

• Potenziale elettrico relativo alla attività cerebrale registrato sullo scalpo in posizioni standard:
  • Banda 0.1-50 Hz, ampiezza decine di μV
  • È un segnale stazionario a tratti
  • Non è periodico ma ha spesso un ritmo prevalente
• Il posizionamento e il numero degli elettrodi può cambiare (così come la tecnologia sottostante)

Principi fisiologici del segnale EEG

• I neuroni corticali sono organizzati in modo da formare ammassi colonnari ad orientamento perpendicolare alla superficie della corteccia cerebrale, di cui costituiscono le unità funzionali elementari.
• L’EEG è l’espressione dei processi sinaptici (potenziali pre-e post-sinaptici) sviluppati dai neuroni piramidali
• I potenziali rilevabili tramite EEG sono quelli associati a correnti all'interno dell'encefalo che fluiscono perpendicolarmente rispetto allo scalpo.

Impieghi clinici del EEG

• Individuare e quantificare deficit dell’attività E/I dell’encefalo (Diagnosi di epilessia)
• Monitoraggio durante anestesia e delle fasi del sonno
• Biomarker per studi farmacologici

Segnali biomagnetici

Vari organi, quali il cuore, i polmoni e il cervello, producono un campo magnetico, che può essere registrato sulla superficie esterna.

Si parla quindi di magnetocardiogramma (MCG), magnetopneumogramma (MPG) e di magnetoencefalogramma (MEG).

I segnali biomagnetici non furono rilevati per molto tempo a causa della loro ampiezza estremamente