Metoda wykorzystująca technikę elektromiografii

Metoda ta bazuje na badaniu czynności elektrycznej mięśni, w szczególności na ocenie synchroniczności skurczu dwóch grup mięśni antagonistycznych – zginaczy i prostowników nadgarstka.

Badania z wykorzystaniem elektromiografii są powszechnie stosowane w ośrodkach naukowych i klinicznych. Wykorzystanie metody do monitorowania i analizy zaburzeń funkcji motorycznych w schorzeniach neurodegeneracyjnych zostało przedstawione między innymi w pracach zespołów krajowych [49] [48] oraz zagranicznych [50] [51] [52] [53] [54].

Z punktu widzenia sposobu pobierania sygnału elektrycznego rozróżniane są dwie gałęzie elektromiografii [55]:

 elektromiografia globalna – posługująca się odbiorem biopotencjałów sponad powierzchni mięśni elektrodami zewnętrznymi (Rysunek 3-12),

69

 elektromiografia elementarna (ilościowa) – będąca analizą stanu funkcjonalnego poszczególnych jednostek motorycznych i posługująca się wkłuwanymi elektrodami igłowymi.

Elektromiografia globalna rejestrująca sumaryczne odpowiedzi elektryczne wielu włókien mięśniowych nadaje się zatem do ogólnej oceny współdziałania mięśni synergistów i antagonistów, ośrodkowej kontroli pracy mięśni czy napięcia mięśniowego, co jest głównym przedmiotem opisywanych badań.

Rysunek 3-12 Badanie powierzchniowe EMG, źródło: opracowanie własne

Stanowisko do przeprowadzania badania EMG powinno umożliwić pacjentowi swobodne wyprostowanie ramion w pozycji siedzącej. Z uwagi na znaczące rozmiary standardowej jednostki centralnej EMG oraz komputera sterującego klasy PC stanowiska te zazwyczaj są stacjonarne, jednakże coraz częściej producenci sprzętu do elektromiografii posiadają w swojej ofercie jednostki mobilne współpracujące z jednostką centralną za pośrednictwem sieci bezprzewodowej lub dokonują akwizycji danych bezpośrednio w urządzeniu mobilnym. Przykładem może być jednostka mobilna firmy Delsys (Rysunek 3-13).

70

Rysunek 3-13 Urządzenie mobilne EMG, źródło: http://www.delsys.com/Products, 2012.09.01

Przytoczona wyżej jednostka mobilna EMG, stosowana klinicznie oraz przez grupy badawcze cechuje się następującymi właściwościami (Tabela 3-9).

Parametr Wielkość według producenta

Ilość przechowywanych danych do 1GB lub zależnie od komputera w trybie pracy bezprzewodowej

Wzmocnienie 1000 V/V

Ogólny szum w kanale < 1,2 uV (RMS) Rozdzielczość sygnału 16 bitów

Pasmo pomiaru 20-450 Hz

Częstotliwość próbkowania 64000 Hz

Wielkość 140 x 71 x 40 mm

Waga 375 gram

Tabela 3-9 Parametry techniczne mobilnego EMG, źródło: http://www.delsys.com/Products

Podstawowe badania osób ze schorzeniami neurodegeneracyjnymi z wykorzystaniem aparatury EMG obejmują zapis aktywności mięśni kończyny górnej wskutek występującego drżenia bądź zapis aktywności mięśni w czasie wykonywania powtarzalnej czynności manualnej, która ma na celu ocenę dysfunkcji ruchowej.

71 Większość prac skupia się na badaniu drżenia spoczynkowego bądź pozycyjnego dla dwóch kończyn jednocześnie. Standardowa aplikacja dostarczana wraz z urządzeniem EMG pozwala na ocenę podstawowych parametrów w dziedzinie czasu i częstotliwości a także na podgląd sygnału w czasie trwania zapisu (Rysunek 3-14). Podstawowa analiza w dziedzinie czasu obejmuje wyznaczenie następujących parametrów:

 średnia kwadratowa (ocena siły mięśniowej, szacowanie amplitudy);

 średnia krocząca (badanie średniej amplitudy zmieniającej się w czasie);

 całkowanie sygnału (ocena wydatku energetycznego, porównywanie kumulacyjnej aktywności mięśni);

 progowanie w celu oznaczenia zdarzeń EMG (porównanie synchronizacji mięśni dla dwóch kończyn);

Rysunek 3-14 Wizualizacja sygnału EMG w dziedzinie czasu obrazującego drżenie pacjenta z PD, źródło: [51]

Natomiast analiza sygnału EMG w dziedzinie częstotliwości obejmuje wyznaczenie parametrów:

 częstotliwość dominującej składowej;

 widmowa gęstość mocy (odwzorowanie częstotliwości na moc, porównywanie rozkładów)

 mediana częstotliwości (śledzenie zmienności widmowej, ocena zmęczenia);

Odmienne podejście do analizy sygnału EMG z zapisem drżenia pacjentów z chorobą Parkinsona przedstawiono w pracy [51], gdzie skupiono się na morfologii sygnału a nie jedynie na jednostkowych parametrach opisujących cały sygnał. W badaniu wzięło udział dwudziestu sześciu pacjentów z chorobą Parkinsona (średnia wieku 63 +/- 9 lat) oraz dwadzieścia dwie zdrowe osoby stanowiące grupę kontrolną (średnia wieku 38 +/- 13 lat). Zapis EMG został wykonany w czasie badania z ugiętą

72 pod kątem 90 stopni kończyną górną z wyprostowanymi palcami. Test powtórzono dla każdego pacjenta 6 razy stosując różne obciążenie oraz bez obciążenia.

Metoda badawcza bazowała na wyznaczonym z każdego sygnału histogramie oraz analizie CR (ang. Crossing Rate analysis of signals). Analiza CR wyznaczona została jako ilość przejść sygnału w każdym segmencie powyżej określonego progu (przykład analizy z 11 progami przedstawia Rysunek 3-15). Liczbę progów w analizie CR określono na 201.

Rysunek 3-15 Analiza CR z 11 progami dla sygnału EMG, źródło: [51]

Histogram oraz wielkości CR stanowiły wielowymiarowe wektory cech, które poddane zostały redukcji przy użyciu transformaty KLT (ang. Karhunen-Lo`eve Transform). Zarys transformaty został opisany w poniższych krokach. Wektor cech przedstawia się jako model liniowy:

𝑧_𝑗 𝐻𝜃_𝑗+ 𝑣_𝑗.

𝑧_𝑗 ∅₁𝜃₁(1) + ∅₂𝜃₂(2) + ⋯ + ∅_𝑘𝜃_𝑘(𝑘) + 𝑣_𝑗. ^(3.7) gdzie: zj - wektor cech, 𝑧_𝑗 𝑅𝑁

73 𝜃_𝑗 - wagi, 𝜃_𝑗 𝑅𝐾

𝑣_𝑗 - błąd dla wektora cech j

Dla zbioru danych zawierającego wektory cech dla M badań (ang. subjects) model liniowy może być przedstawiony w postaci macierzowej:

𝑍 (𝑧₁… 𝑧_𝑀).

𝑍 𝐻𝜃 + 𝑣. ^(3.8)

dla: 𝜃 (𝜃₁… 𝜃_𝑀) 𝑅𝐾𝑥𝑀 𝑣 (𝑣₁… 𝑣_𝑀) 𝑅𝑁𝑥𝑀

Istnieje wiele sposobów na wybór wektorów bazowych 𝜃_𝑘 w macierzy H. Dla transformaty KLT przyjmuje się tą wielkość jako wektor własny macierzy korelacji zdefiniowanej następująco: 𝑅 ¹ 𝑀^{∑ 𝑧𝑗𝑧𝑗𝑇} 1 𝑀^𝑍𝑍𝑇 𝑀 𝑗=1 . (3.9)

Wektor 𝜃_𝑗 będący wektorem głównych składowych (ang. principal components) w pierwszym równaniu (3.7) może zostać wyznaczony metodą najmniejszych kwadratów z modelu liniowego (3.8) w następujący sposób:

𝜃̂ (𝐻𝑇𝐻)−1𝐻𝑇𝑍 𝐻𝑇𝑍. (3.10) gdzie: 𝐻𝑇𝐻 𝐼 , gdyż wektory własne macierzy R są

ortonormalne.

Końcowa dyskryminacja cech przeprowadzana została przez autorów w przestrzeni liniowej za pomocą przedstawionego wyżej wektora 𝜃_𝑗. Wielkości bazowe tj. histogram i CR zostały wybrane z uwagi na przewidywaną czułość w analizie sygnału o cechach impulsowych. Poniżej (Rysunek 3-16) przedstawiono wynik zastosowania powyższej analizy dla opisanego badania, gdzie najlepsze rezultaty dyskryminacji otrzymano dla przestrzeni rozpiętej pomiędzy wektorem własnym 𝜃_𝑗(1) 𝜃_𝑗( ).

74

Rysunek 3-16 Wynik algorytmu klasyfikującego grupę pacjentów w badaniu z wykorzystaniem EMG, grupę kontrolną oznaczono symbolem (+) a grupę badawczą w skład której wchodzili chorzy na PD przez (o),

źródło: [51]

Wykorzystanie aparatury EMG pozwala na przeprowadzenie badania, które w odróżnieniu od wcześniej opisanych umożliwia bezpośrednią ocenę czynności elektrycznej mięśni. Podstawowa ocena zapisu EMG daje zadawalające wyniki umożliwiające klasyfikację zarejestrowanego zbioru danych. W szczególności możliwość zbadania synchroniczności skurczu grup mięśni antagonistycznych – zginaczy i prostowników nadgarstka daje doskonałe uzupełnienie klasycznego podejścia skupiającego się na analizie pojedynczych parametrów. Do wad metody należy zaliczyć proces podpięcia pacjenta do aparatury EMG, który może być przeprowadzony przez specjalistę.

3.3.5 Metoda wykorzystująca kamery cyfrowe do rejestracji ruchu w trzech