Sviluppo del pacchetto software EMGLAB per l'analisi del segnale elettromiografico utilizzando MATLAB

C. Federici, J.Nilsson, M.Panizza
Fondazione Clinica del Lavoro
Università degli Studi di Pavia


  • ABSTRACT
    Grazie alla versatilità di MATLAB nel trattare i files ASCII, è stato possibile sviluppare il pacchetto software EMGLAB per l’elaborazione del segnale EMG. EMGLAB include i protocolli più utilizzati in Neurofisiologia Clinica, che generalmente non sono presenti negli elettromiografi in commercio, i quali si limitano all’acquisizione e registrazione dei dati. Successivamente il medico per produrre il referto deve analizzare la registrazione su carta con procedure manuali. Una delle applicazioni, nei laboratori di Neurofisiologia Clinica, è l’analisi del periodo silente. L’importanza diagnostica del periodo silente, dopo una stimolazione magnetica, è stata ampiamente verificata. Attualmente esistono diversi criteri per la misura di tale parametro, però per facilitare la collaborazione fra i vari gruppi di ricerca è necessario introdurre un metodo standard di misura. Questo è quanto si è voluto realizzare con il programma EMGLAB. L’attività elettrica muscolare (trapezio bilaterale) viene acquisita attraverso elettrodi di superficie, convertita in files ASCII e registrata su un normale floppy-disk. A questo punto EMGLAB grafica, in scala logaritmica, la media rettificata delle tracce selezionate divisa per la media della fase di pre-stimolo. In questo modo il valore 1 rappresenta la fase di pre-stimolo facilitando così il calcolo della fine del periodo silente. La fine del periodo silente viene misurata automaticamente analizzando il risultato del t-test di Student, fra la fase di pre-stimolo e una finestra di 4 ms centrata sull’ipotetica fine del periodo silente. Studiando un campione di otto soggetti sani, si è ottenuto un periodo silente medio di 188.6 ms con deviazione standard di 28.9 ms e una latenza media di 9.1 ms con deviazione standard 1.7 ms. Successivamente il medico può verificare il risultato attraverso una procedura manuale che con l’aiuto del mouse definisce gli estremi del periodo silente. Grazie alle potenzialità di MATLAB nel trattare files ASCII, si è pensato di integrare EMGLAB con ulteriori procedure che generalmente non sono incluse negli elettromiografi in commercio (analisi della risposta motoria, analisi dell’EMG di superficie, analisi del Long Latency Reflex (LLR), analisi del riflesso H). Ultimamente è in fase di studio anche l’interfaccia fra EMGLAB e un sistema di database per la registrazione dei risultati e l’eventuale analisi statistica. E’ d’obbligo sottolineare come l’assoluta indipendenza di EMGLAB dal tipo di elettromiografo utilizzato e l’introduzione di procedure standard, possa facilitare l’interazione fra i vari laboratori di Neurofisiologia Clinica.


  • INTRODUZIONE

    1. Periodo Silente
      Il periodo silente, nella contrazione muscolare volontaria, è stato largamente studiato sia per stimolazione del nervo periferico, sia per stimolazione della corteccia cerebrale (Kimura, 1983; Fuhr et al., 1991; Uncini et al., 1991; Cantello et al., 1992; Haug et al., 1992; Nakashima e Takahashi, 1992; Inghilleri et al., 1993; Wassermann et al., 1993; Prout e Eisen, 1994; Stetkàrovà et al., 1994). Ognuno dei precitati studi utilizza un criterio diverso per definire l’inizio del periodo silente, per esempio c’è chi utilizza l’istante dello stimolo, chi l’inizio della risposta motoria e chi la fine del potenziale motorio evocato (MEP). Questo piccolo esempio di letteratura mette in evidenza la necessità di introdurre un metodo standard per la determinazione del periodo silente. Lo scopo di questo progetto è di realizzare un supporto software, indipendente dall’elettromiografo utilizzato, che possa aiutare il medico nell’analisi obiettiva dell’EMG (incluso risposta motoria).

    2. EMG di superficie
      L’elettromiografia di superficie è una misura diretta dell’attività degli a motoneuroni, e fornisce informazioni sul sistema nervoso centrale. Normalmente viene utilizzata per ottenere informazioni temporali ma un’analisi dello spettro in frequenza può fornire dati sulla contrazione muscolare massimale e sui meccanismi della fatica muscolare. Non esiste una stretta correlazione fra EMG e potenza del muscolo, comunque l’elettromiografia può dare un’informazione approssimata su tale legame (Yanagasawa e Hashimoto, 1992).

    3. Riflesso di Lunga Latenza (LLR)
      Stimolando elettricamente un nervo misto (tipo di nervo formato sia da fibre motorie che da fibre sensoriali) si osserva una particolare attività detta attività riflessa. Questa attività può essere di breve latenza, e in questo caso è il risultato di un loop spinale (simile al Riflesso H), o di lunga latenza (long latency reflex), risultato di un long loop che coinvolge anche strutture corticali, che sono così facilmente rilevabili dalla periferia.

    4. Riflesso H
      Il riflesso H, è stato descritto per la prima volta da Hoffman (1918) come una caratteristica del riflesso monosinaptico. Successivamente Magladery et al. (1952) ha utilizzato il riflesso H, dopo una stimolazione condizionata, come strumento per il calcolo dell’eccitabilità degli a-motoneuroni. Questo test viene largamente utilizzato nello studio degli arti inferiori di soggetti con disfunzioni cerebrali e extrapiramidali e con spasticità. L’inibizione reciproca del riflesso H è stata descritta da Baldissera et al. (1983) e da Day et al. (1984) come facile strumento per la valutazione della inibizione disinaptica e pre-sinaptica nei muscoli rilassati degli arti superiori.



  • METODO E RISULTATI

    1. Risposta motoria

      • Registrazione
        La registrazione della risposta motoria utilizza un filtro con banda passante 50Hz - 4000Hz (-3dB).
        La risposta motoria viene registrata tramite elettrodi di superficie (Dantec 13L20).

      • Analisi (Fig. 1)
        L’utente, utilizzando il mouse, definisce l’inizio della risposta motoria e automaticamente viene calcolata la latenza (ritardo fra stimolazione e l’inizio della contrazione muscolare) e il valore peak to peak del potenziale d’azione. Successivamente è possibile fare un’analisi dello spettro di frequenza del segnale, scegliendo la porzione di spettro che si desidera osservare. L’analisi spettrale viene fatta dall’inizio della risposta motoria fino alla fine della registrazione utilizzando la funzione PSD (FFT) e filtrando il segnale con una finestra di Hanning per evitare la comparsa del fenomeno di Gibbs dovuto al troncamento della serie di dati (Oppenheim e Schafer, 1975; Krauss et al. ,1994).


    2. Periodo Silente

      • Stimolazione
        La stimolazione magnetica avviene tramite l’applicazione di una bobina sopra lo scalpo a livello della corteccia motoria (Cadwell MES-10, Cadwell Laboratories Inc. Kennewick, WA, 99336, USA).
        La bobina, percorsa da corrente elettrica, genera un campo magnetico che induce una corrente depolarizzante a livello dei motoneuroni corticali. Questa depolarizzazione è responsabile di una contrazione muscolare (MEP). Per determinare il periodo silente sono necessarie 10 stimolazioni
        (10 registrazioni) intervallate di 10 s.

      • Registrazione
        La registrazione della risposta destra e sinistra avviene simultaneamente utilizzando un filtro con banda passante 50Hz - 4000Hz (-3dB). La risposta motoria viene registata tramite elettrodi di superficie (Dantec 13L20) posizionati sul muscolo trapezio bilaterale a meta della linea clavicolare, mentre l’elettrodo di rifermento è posizionato sulla giunzione sterno-clavicolare. Il paziente è in posizione supina e durante la contrazione muscolare spinge le spalle in direzione delle orecchie con forza costante.

      • Acquisizione dei dati
        La risposta muscolare viene campionata ad una frequenza di 12.8 Khz (Dantec Counterpoint, Dantec Medical A/S, 2740 Skovlunde, Denmark). Per il periodo silente la registrazione avviene per un tempo di 400 ms, mentre per la risposta motoria di 30 ms. La fase di prestimolo è il 10% della finestra utilizzata. I dati vengono registrati utilizzanto il sistema di gestione dei paziente (PDMS) fornito dalla Dantec. Ogni traccia viene successivamente convertita in formato ASCII (C_DECO software Dantec) per l’analisi con EMGLAB. E’ possibile inoltre analizzare dati registrati tramite Medelec Mystro (Medelec Limited, Manor Way, Old Woking, Surrey, England) e Nicolet Viking (Nicolet Biomedical Inc., Madison, Wisconsin, USA).

      • Analisi:Fig. 2a e 2b (immagine di 13Kb)
        Per la determinazione della fine del periodo silente, si utilizza il t-test in considerazione al fatto che sia la fase di prestimolo che la fase di silenzio hanno distribuzione normale. La fase di prestimolo viene registrata, dall’elettrodo di superficie, come interference pattern dell’attività casuale delle singole fibre, mentre la fase di silenzio è caratterizzata principalmente dal rumore dell’amplificatore e dell’impedenza del sistema elettrodo-cute. L’analisi dei dati viene fatta in più passi:

        1. calcolo della media rettificata delle tracce selezionate;
        2. determinazione del valor medio della fase di prestimolo;
        3. definizione della latenza (tempo fra lo stimolo e l’inizio della risposta motoria);
        4. definizione dell’inizio del periodo silente come il punto il cui valore è pari alla media del prestimolo meno un volta la deviazione standard;
        5. calcolo della fine del periodo silente utilizzando il t-test fra la fase di prestimolo e una finestra centrata sull’ipotetica fine del periodo silente. L’ incremento della finestra varia in funzione del risultato del t-test, in particolare:

          - t-test>3 incremento di 2 ms;
          - t-test<2.99 incremento di 0.1 ms;

      La procedura termina quando il risultato del test è inferiore a 1.96. Tale valore garantisce l’uguaglianza fra le medie delle due finestre con probabilità del 95 %. Per implementare il t-test si è utilizzata la seguente formula (Kreyszig, 1972):
      [FORMULA]

      Essendo i due campioni di dimensione diversa (n1=450, n2=51) non è stato possibile utilizzare la funzione ttest2 di MATLAB. La differenza fra il numero di campioni delle due finestre, ha suscitato diverse perplessità sull’efficacia del test. Si è pensato allora di suddividere la fase di prestimolo in 8 intervalli di 4 ms e di calcolarne la media, ottenendo così una finestra di 4 ms da utilizzare nel t-test. I risultati delle due procedure differiscono di 0.6 ms (0.32 % di errore). Si è optato perciò per la soluzione iniziale evitando inutili calcoli che possono compromettere la rapidità di esecuzione dell’analisi.

    3. Risultati
      Utilizzando EMGLAB per analizzare i dati relativi ad un campione di 8 soggetti normali (registrazione simultanea del trapezio bilaterale destro e sinistro), si sono ottenuti i seguenti risultati
      (Nilsson et al., 1995):

      1. soglia del potenziale motorio 62.1±9.9%;
      2. periodo silente medio destro 189.3±26.3 ms (misurato dall’inizio della risposta motoria);
      3. perodo silente medio sinistro 187.8±32.8 ms (misurato dall’inizio della risposta motoria);
      4. periodo silente medio 188.6 ms.


    4. EMG di superficie
      L’attività elettromiografica viene registrata mediante elettrodi di superfice collocati sopra il ventre muscolare. I filtri utilizzati hanno una banda passante da 50 Hz a 2 KHz ( BTS : 50 - 600Hz (-3dB)).

      • Analisi:Fig. 3a (immagine di 13Kb) e 3b
        Il medico, oltre ad osservare il tracciato, ha bisogno di conoscere alcuni parametri riguardanti il contenuto in frequenza del segnale, è necessaria perciò l’analisi dello spettro in frequenza.
        L’utente, utilizzando il mouse, può suddividere il tracciato in tre porzioni e analizzarle separatamente ottenendo informazioni su:

        1. frequenza mode;
        2. frequenza mediana;
        3. frequenza media;
        4. valore RMS;
        5. 10% dello spettro (L);
        6. 90% dello spettro (H);
        7. H/L.


    5. Riflesso di Lunga Latenza (LLR)
      Il nervo mediano viene stimolato elettricamente a livello del polso fino al raggiungimento della soglia motoria. L’attività muscolare (abduttore del pollice) viene registrata con elettrodi di superficie utilizzando un filtro con banda passante 1 -3000Hz (-3dB), e successivamente si calcola la media normale e quella rettificata. Normalmente per lo studio sono sufficienti 100-200 stimolo, però in alcuni casi è opportuno utillizzare anche 500 stimoli per ottenere una maggiore precisione. La procedura va ripetuta almeno due volte per poter definire correttamente gli estremi della risposta motoria. In tutti i soggetti sani è possibile osservare il Short Latency Reflex (SLR) e il Long Latency Reflex II (LLRII) con valori medi rispettivamente di 28.6 ± 2.4 ms e 50.3 ± 3.0 ms (Hallett et al., 1994).

      • Analisi (Fig. 4)
        L’analisi del LLR con EMGLAB include la determinazione dei seguenti parametri: (i) latenza; (ii) ampiezza del riflesso, misurata dal punto di latenza, divisa per l’offset e (iii) integrale della risposta media dalla latenza fino alla linea di base scelta dall’utente.

    6. Riflesso H

      • Curva di recupero
        Le curve di recupero del riflesso H vengono determinate nell’avanbraccio quando il paziente è sdraiato con il braccio rilassato e parallelo al corpo (Panizza et al., 1990). Il nervo mediano viene stimolato a livello della fossa cubitale utilizzando elettrodi di superficie inbevuti in una soluzione salina (Medelec 53051), posti ad una distanza di 2,5 cm fra loro. La stimolazione avviene con un impulso ad onda quadra della durata di 1 ms ed intensità opportuna per ottenere il riflesso H senza risposta motoria. Il potenziale d’azione viene registrato dal flexor carpi radialis usando elettrodi di superficie (distanti fra loro 3 cm), facendo particolare attenzione all’impedenza che non deve superare i 3 KW, e amplificato con amplificatore a basso rumore (2 - 2000 Hz (-3dB)).Il protocollo di misura, delle curve di recupero, comprende una serie di coppie di stimoli con delay di 30, 40, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 ms e 1, 2, 3, 4 , 5 sec intervallati di 10 sec. Per ogni delay si fanno almeno 4 registrazioni e i dati sono accettabili se differiscono meno del 15 %.
        Una volta terminata la registrazione si calcola la media del riflesso H ottenuto con uno stimolo (incondizionato) e di quello ottenuto con due stimoli (condizionato); per ogni delay si esprime la media condizionata come percentuale di quella incondizionata.

      • Analisi
        Per il momento EMGLAB permette l’analisi dei dati ottenuti con Dantec Counterpoint e Medelec Mystro. Il medico deve indicare la latenza (con l’ausilio del mouse) del riflesso H per ogni delay, dopodiché il programma grafica il risultato dell’analisi sovrapposto ai risultati normali ottenuti studiando 25 soggetti sani (Panizza et al., 1990), evidenziando in questo modo la posizione del paziente. EMGLAB permette inoltre di poter escludere dall’analisi le tracce che contengono artefatti.

    7. Riflesso H, inibizione reciproca
      Il nervo mediano viene stimolato a livello della fossa cubitale con una corrente costante di intensità opportuna per ottenere il riflesso H senza risposta motoria e di durata 1 ms. Il nervo radiale, invece, viene stimolato al braccio con uno stimolo della durata di 0,5 ms ed intensità pari alla soglia motoria (si definisce soglia motoria il potenziale che produce una risposta motoria di 50 mV). In molti pazienti l’intensita della stimolazione del nervo radiale deve essere diminuita del 20 % per evitare che il riflesso H dei muscoli estensori possa disturbare l’attività dei muscoli flessori. Il riflesso H incondizionato, registrato con la stimolazione del nervo mediano, viene comparato con il riflesso H condizionato, ottenuto dalla stimolazione del nervo mediano e del nervo radiale. La risposta elettrica del nervo radiale viene ottenuta a differenti delay prima e dopo la stimolazione del nervo mediano. I delay utilizzati sono : -1, -0.5, 0, 0.5, 1, 2, 10, 20, 30, 50, 75, 100, 200, 500, 1000 ms ( i valori negativi rappresentano la stimolazione del nervo radiale dopo quella del nervo mediano). Per ogni delay si fanno 10 registrazioni calcolando la media e rappresentando la media condizionata come percentuale di quella incondizionata.

      • Analisi (Fig. 5a, 5b)
        Per il momento EMGLAB permette l’analisi dei dati ottenuti con Dantec Counterpoint e Medelec Mystro. In base al tipo di strumento utilizzato l’analisi differisce dal numero di delay utilizzati (Mystro : 0, 2, 10, 20, 50, 75, 100 ms). Dopo aver definito la latenza del riflesso H (utilizzando il mouse) per ogni delay, EMGLAB grafica la curva di reciproca inibizione sovrapposta al risultato dello studio fatto su 25 soggetti sani (Panizza et al., 1989). Il programma inoltre permette di escludere, dall’analisi, le tracce che contengo artefatti.


  • CONCLUSIONE
    Lo scopo di EMGLAB è di fornire un valido strumento per l’analisi obiettiva e veloce dell’ EMG, introducendo allo stesso tempo un metodo standard per la determinazione del periodo silente. I vari protocolli di analisi implementati da EMGLAB permettono uno studio accurato del sistema nervoso periferico e parzialmente di quello centrale, facilitando la diagnosi. Il programma è compatibile con i seguenti elettromiografi:

    - DANTEC Counterpoint,
    - MEDELEC Mystro,
    - NICOLET Viking,
    - BTS Telemg.

    Il menù principale (Fig. 6a - Immagine di 13 Kb -, 6b) permette di selezionare il tipo di strumento utilizzato e automaticamente vengono selezionate la frequenza di campionamento, la durata della registrazione e l’amplificazione. L’interfaccia grafica di EMGLAB permette, anche all’utente meno esperto, di utilizzare il programma in modo molto semplice e guidato. La semplicità di utilizzo è la caratteristica principale di EMGLAB che vuole essere un aiuto per il medico e non un’ulteriore problema. Si sono osservati, in molti studi pubblicati su autorevoli riviste di medicina, gravi errori nella scelta della frequenza di campionamento in relazione al filtro utilizzato. Tali ‘’distrazioni’’ non sono rilevabili da EMGLAB, si consiglia perciò all’utente di fare molta attenzione e in caso di incertezza chiedere aiuto al personale tecnico.


    •