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Informazioni sui segnali EMG e EEG

EMG4b

Permette di estrarre l'informazione utile (ampiezza) dalla sovrapposizione tra il segnale portante e quello modulante. È una tecnica mutuata dalle telecomunicazioni e utilizzata per l'analisi del segnale EMG.

Potenziale d'azione e membrana muscolare

La membrana che avvolge il muscolo ha un potenziale di riposo di circa +30mV e reagisce a piccole depolarizzazioni (10mV) producendo una risposta definita potenziale d'azione della fibra muscolare. Produce potenziali d'azione che si propagano in una sola direzione all'interno della fibra muscolare.

Configurazione EMG monopolare

Impiega due soli elettrodi: l'elettrodo attivo e quello di referenza. Prevede il posizionamento dell'elettrodo registrante su una prominenza ossea e quello attivo sul motor-point precedentemente identificato.

I neuroni

Funzionalmente ricevono impulsi a livello dei dendriti e trasmettono l'informazione mediante l'assone ai neuroni con cui sono collegati nel circuito neuronale. Sono caratterizzati da un albero dendritico che assume forme diverse a seconda della funzione svolta dalla cellula e da un corpo centrale detto soma.

Modelli di scalpo

Possono essere solo di tipo planare e sono caratterizzati da una circonferenza 2D che modellizza la testa, e ogni elettrodo ha una posizione espressa in coordinate cartesiane 2D. Sono necessari per la tecnica del brain mapping applicata al segnale EEG.

Sistema internazionale 10-20

Tiene conto di punti di repere anatomici così da adattarsi ad ogni forma e dimensione di cranio. Prevede il posizionamento di 64 elettrodi sulla superficie dello scalpo ed è un sistema standardizzato di posizionamento degli elettrodi EMG.

Processi aleatori

Un processo aleatorio si dice stazionario in senso lato se il valore medio è nullo e la funzione di autocorrelazione dipende dal tempo. Si dice ergodico se le statistiche d'insieme possono essere calcolate dalle statistiche temporali. Si dice stazionario in senso stretto se il suo comportamento statistico dipende dal tempo.

Periodogramma di Bartlett

È uno stimatore non consistente dello spettro di densità di potenza ed è uno stimatore asintoticamente non polarizzato dello spettro di densità di potenza. Permette di calcolare lo spettro di densità di potenza dal segnale applicando il periodogramma semplice a K segmenti non sovrapposti del segnale e ricavandone la media.

Segnale EMG

È caratterizzato da uno spettro di densità di potenza prevalente nella banda di frequenza tra 200 e 500 Hz. Non è mai contaminato da rumore ambientale in fase di acquisizione. Registrato mediante elettrodi di superficie, misura la somma spaziale e temporale dei potenziali d'azione delle diverse unità motorie.

Velocità di conduzione della fibra muscolare

È minore della velocità di conduzione del nervo, è costante per tutte le tipologie di fibra muscolare e si riduce con la comparsa di fatica muscolare.

Elettrodi per l'acquisizione del segnale EMG ad ago

Di tipo bipolare, hanno la cannula esterna che funziona da ground. Sono ideali per muscoli superficiali, invasivi e richiedono pratica nel posizionamento.

Potenziale EEG registrato sullo scalpo

È dato dai flussi ionici nell'ambiente extracellulare dovuti ai potenziali post-sinaptici. Ha una polarità negativa in caso di sinapsi inibitoria superficiale ed è frutto della somma spaziale e temporale dei potenziali d'azione.

Analisi spettrale del segnale EEG

Raggiunge performance elevate quando viene eseguita su segmenti del segnale opportunamente finestrati e poi se ne fa una media. Dà luogo ad uno spettro del segnale che spesso viene diviso in bande di frequenza a cui sono associati i principali ritmi cerebrali. Richiede la rimozione della componente continua e di eventuali trend presenti nel segnale (detrending).

Referenza nel sistema di misura EEG

Può essere esclusivamente di tipo bipolare. Di tipo comune prevede il riferimento di ogni elettrodo sullo scalpo ad un elettrodo comune posizionato su un punto elettricamente neutro. Di tipo "media comune" consiste nell'eseguire la media dei segnali prelevati dai due elettrodi posti sui lobi auricolari.

Filtro analogico

Deve essere scelto in base alle caratteristiche mostrate nel dominio (tempo o frequenza) in cui è avvenuto l'encoding dell'informazione. Di Butterworth è ottimizzato per avere il più ripido roll-off senza ripple in banda passante. Anti-aliasing permette di ricostruire il segnale analogico dai campioni.

Teoria della stima

Uno stimatore spettrale può essere valutato rispetto alle sue capacità di risoluzione dello spettro. Deve avere un errore di stima nullo, altrimenti non può essere usato. È consistente se è polarizzato e ha varianza nulla per N che tende all'infinito.

Stima spettrale parametrica

Mostra performance che risentono minimamente della lunghezza del dato. È indipendente dall'ordine scelto per il modello. Con modello a media mobile è utile per stimare spettri caratterizzati da picchi ripidi.

Tecniche di analisi del segnale EMG

Per l'estrazione dell'inviluppo considerano il segnale EMG come rumore modulato in frequenza. Applicate ai potenziali evocati motori, prevedono la misura dell'ampiezza picco-picco della risposta alla stimolazione del nervo periferico. Hanno evidenziato come l'ampiezza dell'EMG prelevata in una finestra temporale di elevata durata si distribuisca secondo una distribuzione gaussiana.

Elettromiografia (EMG)

Può essere impiegata nella diagnosi di malattie neuromuscolari. Permette di studiare il movimento umano in condizioni sia fisiologiche che patologiche. È fortemente affetta dalle caratteristiche anatomiche dei muscoli.

Configurazione EMG bipolare

È tipica solo dell'EMG di superficie e lascia passare tutte le componenti in frequenza del segnale EMG.

Trasmissione sinaptica

Di tipo elettrico viene effettuata grazie all'azione mediatrice di neurotrasmettitori. Di tipo chimico inibitoria rende la membrana post-sinaptica permeabile agli ioni sodio. Di tipo chimico è caratterizzata dal rilascio di neurotrasmettitori nella fessura sinaptica, determinando l'apertura di determinati canali ionici e modificando il potenziale della membrana post-sinaptica.

Tecniche di visualizzazione dei segnali EMG

Le mappe di frequenza permettono di visualizzare lo spettro di densità di potenza ottenuto per un segnale prelevato da una singola posizione elettrodica. Le mappe di ampiezza permettono di visualizzare la distribuzione spaziale sullo scalpo dell'ampiezza del segnale EEG in un preciso istante temporale. Il brain mapping permette di visualizzare la distribuzione spaziale del segnale sullo scalpo.

Elettrodi per la registrazione EEG

Di tipo "a secco" non richiedono l'impiego di un gel conduttivo, sono caratterizzati da una elevata impedenza di contatto. Non possono essere di tipo ad ago. Di tipo "wet" sono caratterizzati da un deterioramento dell'impedenza elettrodo-cute nel tempo dovuto all'asciugatura del gel conduttivo.

Filtro analogico (luglio 2021)

Di Butterworth è ottimizzato per avere il più alto roll-off senza ripple nella banda passante. Anti-aliasing permette di ricostruire il segnale analogico dai campioni. Può essere di tipo Chebyshev, Butterworth e Bessel.

Teoria della stima (luglio 2021)

Uno stimatore è un'espressione matematica che permette di stimare i parametri incogniti a partire dalle misure a disposizione. Deve avere un errore di stima nullo, altrimenti non può essere usato. È polarizzato se il valore atteso della stima coincide con il valore vero.

Stima spettrale parametrica (luglio 2021)

Si impiegano sistemi LTI esclusivamente di tipo auto regressivo (AR). L'accuratezza dipende dal tipo di modello e dal relativo ordine. L'uscita del sistema LTI viene usata per stimare lo spettro del segnale di interesse.

Ricostruzione dell'inviluppo lineare

Consiste nella sola applicazione di un filtro passa alto al segnale EMG. Viene realizzata attraverso rettificazione e filtraggio passa-basso del segnale EMG. Può essere implementata via software o tramite un circuito elettronico.

Membrana del muscolo

È caratterizzata a riposo da un potenziale negativo rispetto all'esterno, dovuto alla maggiore concentrazione di potassio all'esterno della cellula e di sodio all'interno della stessa. Prende il nome di sarcolemma ed è caratterizzata da un gradiente di tensione indipendente dalle concentrazioni ioniche negli ambienti intra ed extra cellulare.

Elettrodi EMG ad ago (luglio 2021)

Non richiedono alcuna conoscenza muscolo-scheletrica. Sono utili per rilevare i potenziali d'azione dell'unità motoria e permettono di acquisire il segnale in sola configurazione bipolare.

Potenziale EEG registrato sullo scalpo (luglio 2021)

È dato dai flussi ionici nell'ambiente extracellulare dovuti ai potenziali post-sinaptici. Ha una polarità che dipende dal tipo di sinapsi e dalla sua profondità rispetto alla superficie della testa. È frutto della somma spaziale e temporale dei potenziali di azione.

Bande di frequenza del segnale EEG

• Alfa: 8 → 13 Hz
• Gamma: 30 → 40 Hz
• Theta: 13 → 30 Hz

Referenza del sistema di misura EMG (luglio 2021)

Di tipo comune deve essere il più possibile inattiva elettricamente. Di tipo "media comune" consiste nell'eseguire la media dei segnali prelevati dai due elettrodi posti sui lobi auricolari. Di tipo comune prevede il riferimento di ogni elettrodo sullo scalpo ad un elettrodo comune posizionato su un punto elettricamente neutro.

Conversione digitale analogica

Permette di ricostruire il segnale analogico a partire dai campioni. Consiste esclusivamente nell'applicazione di un filtro.