Come costruire un apparato per l’elettromiografia

Il tuo organismo usa l’elettricità per comunicare e controllare le parti del corpo. Sebbene tutte le cellule abbiano gradienti ionici attraverso le loro membrane, i sistemi di organi più noti che usano l’elettricità sono il cervello, i muscoli e il cuore. I tuoi neuroni e muscoli lavorano insieme per consentire al tuo corpo di muoversi rapidamente. Abbiamo registrato, in un altro articolo, i potenziali d’azione di singoli neuroni di insetti e vermi. Ora proviamo a registrare i potenziali di azione muscolare nell’uomo. Questa attività di laboratorio di fisiologia muscolare è ottima per gli scienziati dilettanti di tutte le età.

Con questo esperimento, puoi conoscere la fisiologia muscolare attraverso i cosiddetti “elettromiogrammi” (EMG). Avrai una comprensione della comunicazione neurone / muscolo e ascolterai gli impulsi elettrici dei muscoli a riposo e durante la contrazione. Quando il cervello decide di spostare un muscolo, l’impulso dei neuroni della corteccia motoria (chiamati “neuroni motori superiori”) viaggia nel midollo spinale, dove ha sinapsi con i “neuroni motori inferiori” (detti anche “neuroni motori alfa”).

Questi neuroni motori poi, a loro volta, hanno sinapsi con i muscoli per formare una “unità motoria”. Un’unità motoria è costituita da un singolo neurone motorio e dalle molteplici fibre muscolari che innerva. Una fibra muscolare è un tipo di cellula molto speciale che può cambiare forma a causa delle catene di miosina / actina che scorrono l’una sull’altra. I neuroni motori, dunque, portano gli impulsi motori dal sistema nervoso centrale agli attuatori specifici, i muscoli.

La forma tipica del potenziale d’azione di una singola cellula nervosa o muscolare.

Un singolo neurone motorio può avere sinapsi con più fibre muscolari. In generale, un muscolo grande e potente come il bicipite ha neuroni motori che innervano migliaia di fibre muscolari, mentre i muscoli piccoli che richiedono molta precisione, come i muscoli del bulbo oculare, hanno neuroni motori che innervano solo circa 10 fibre muscolari. I neuroni sensori, invece, sono dei neuroni portano gli impulsi sensoriali dagli organi sensoriali del corpo al sistema nervoso centrale.

Quando un neurone motorio attiva un potenziale d’azione – che abbiamo già misurato qui, nell’articolo Come misurare il potenziale d’azione dei neuroni – ciò provoca un rilascio di acetilcolina nella sinapsi tra il neurone e il muscolo (questa sinapsi è anche chiamata “giunzione neuromuscolare”). Questa acetilcolina provoca quindi cambiamenti nel potenziale elettrico del muscolo. Una volta che questo potenziale elettrico raggiunge una soglia, si verifica un potenziale d’azione reale nella fibra muscolare.

L’elettromiografo e l’utilità di un elettromiogramma

Questo potenziale d’azione si propaga attraverso la membrana del muscolo, provocando l’apertura dei canali del calcio comandati in tensione, il che inizia la cascata cellulare che alla fine provoca la contrazione muscolare. Quando contraete un muscolo, dunque ciò è il risultato di molte fibre muscolari che generano dei potenziali d’azione e cambiano forma. Possiamo registrare questa nostra attività con un apposito apparato, chiamato elettromiografo, che illustreremo in questo articolo.

I muscoli creano molti potenziali d’azione durante un movimento, come muovere il braccio o chiudere le mani. Questo crea un segnale simile all’immagine qui riportata, che mostra un aumento del segnale a causa del movimento di dita diverse.

Nella prossima sezione vedremo la progettazione di un sistema di acquisizione dati basato su USB per registrare il segnale dell’elettromiogramma (EMG). Tre elettrodi gelificati argento / argento cloruro (Ag / AgCl) vengono posizionati sullo strato superiore della superficie della pelle in tutti gli esperimenti condotti. Il segnale grezzo è una tensione a basso livello (da μV a mV), pertanto tipicamente va amplificato da un amplificatore differenziale a basso consumo energetico e successivamente filtrato.

Il segnale analogico in uscita dal filtro (che dovrebbe lasciare passare i segnali di frequenza compresa fra 0,5 e 500 Hz o più) può essere poi digitalizzato tramite un convertitore analogico-digitale USB (ad es. Arduino, a 10 bit, o interfaccia audio). I dati sono inviati in tempo reale a un PC tramite porta USB. Qui alcuni strumenti di elaborazione software possono essere applicati ai dati per la rappresentazione nel dominio del tempo e della frequenza del segnale dell’elettromiogramma corrispondente.

Il segnale EMG, una volta amplificato da un amplificatore di strumentazione e filtrato, può essere acquisito su un PC con un convertitore analogico-digitale (ad es. Arduino).

A differenza della misurazione del potenziale d’azione del singolo neurone, nell’elettromiografia il filtraggio delle frequenze è particolarmente importante – in pratica essenziale – e può essere effettuato a livello hardware oppure software, a seconda del setup utilizzato. Infatti, contrariamente a un elettrodo conduttivo, il sensore EMG isolato accoppia in modo capacitivo il segnale di contrazione muscolare dalla pelle all’elettronica del sensore, producendo dei veri e propri artefatti.

La qualità del segnale nel rilevamento conduttivo dipende dalla presenza di un elettrolita tra la pelle e l’elettrodo del sensore, che consiste in sudore (secco) o in una pasta elettrolitica (umida), che è dunque fondamentale usare nelle misurazioni elettromiografiche. Può essere facilmente realizzata da sé in modo super-economico sciogliendo e mescolando bene del sale da cucina fine in un gel trasparente per la pulizia delle mani, oppure acquistata su Internet, ad esempio qui.

Un esempio di posizionamento dei 3 elettrodi per l’elettromiografia a 1 canale. Puoi acquistare vari tipi di elettrodi su Internet, ad esempio qui.

L’elettromiografia (EMG), come abbiamo visto in precedenza, è la misurazione del potenziale elettrico derivante dagli effetti elettrochimici dovuti alle contrazioni muscolari. Questi segnali vengono trasmessi attraverso il tessuto umano alla superficie della pelle, dove possono essere misurati dagli elettrodi di superficie di un apparato elettromiografico. Le aree di applicazione di questi sensori sono le più varie, e comprendono esoscheletri, diagnostica e protesi mioelettriche della mano.

I segnali dell’elettromiogramma vengono spesso usati per valutare le lesioni muscolari. L’elettromiogramma è utilizzato anche per rilevare disturbi muscolari e anomalie muscolari causate da altre malattie del sistema, come la disfunzione nervosa. L’elettromiografia può essere usata pure per conoscere il disturbo neuro-muscolare e per diagnosticare le prestazioni muscolari. Gli elettromiogrammi sono inoltre ampiamente utilizzati nelle attrezzature per l’allenamento del biofeedback.

L’elettromiografo è usato anche per il controllo di dispositivi protesici, dove la forza applicata è predetta in modo proporzionale all’attività elettrica del muscolo. Diversi studi hanno infatti mostrato – e puoi eseguire tu stesso degli esperimenti a riguardo – che vi è una relazione monotonica fra le caratteristiche di un elettromiogramma e l’intensità della forza. Sebbene l’elettromiografia intramuscolare (con ago) permetta registrazioni più precise, vi è il rischio di infezioni, perciò noi useremo quella superficiale.

Controllo di una protesi effettuato tramite elettromiografia a due canali (e successiva rettifica e filtraggio del segnale).

L’elettromiografo indaga l’attività elettrica dei muscoli e l’interrelazione di muscoli e fibre nervose. I potenziali muscolari possono essere osservati e misurati su un oscilloscopio digitale USB. Posizionando gli elettrodi ad es. su un muscolo scheletrico possiamo monitorare l’attività elettrica del muscolo. I segnali elettromiografici sono registrabili in varie posizioni come ad es. il punto bicipite o tricipite. La gamma di frequenza dei picchi muscolari copre una larghezza di banda da DC a oltre 2 KHz.

Come realizzare un semplice elettromiografo

Il principio alla base di un elettromiografo è piuttosto semplice: gli impulsi nervosi sono segnali elettrici nell’ordine dei millivolt e puoi leggere questi millivolt attraverso la pelle usando degli elettrodi (ne hai bisogno di almeno 3). Sarà necessario creare un circuito per elaborare il segnale in ingresso dagli elettrodi. Tipicamente, questo circuito riceve un input dagli elettrodi, amplifica il segnale e applica alcuni filtri, dopodiché lo invia come uscita analogica a un convertitore analogico-digitale (ADC).

Come accennavamo, sono necessari tre elettrodi per ottenere un segnale:

  • Un elettrodo di riferimento, Vrif, va da qualche parte vicino al muscolo che stai misurando, ma non su un muscolo, quindi se stai misurando il bicipite, puoi metterlo sulla parte posteriore del gomito. In generale, va posizionato su una parte ossea del tuo corpo vicino al gruppo muscolare.
  • Un elettrodo va al centro del muscolo. Fletti per vedere il tuo muscolo e attaccalo nel mezzo.
  • Un elettrodo va all’estremità del muscolo, quindi per il bicipite, appena sopra l’interno del gomito.

Come posizionare gli elettrodi per misurare il segnale del muscolo bicipite.

I sistemi per l’elettromiografia (EMG) rimangono costosi e per lo più il loro acquisto è fuori dalla portata del moderno hobbyista. Tuttavia, con l’avvento di microcontrollori e circuiti integrati sempre più potenti e sempre più potenti, i circuiti e i sensori EMG fai-da-te- hanno trovato la loro strada in protesi, robotica e altri sistemi di controllo. Oggi è possibile realizzare un sensore muscolare / circuito EMG da usare per uso didattico o per controllare videogiochi, bracci robotici, esoscheletri, etc.

I tuoi muscoli generano segnali elettrici molto piccoli che possono essere monitorati con l’hardware corretto. Solitamente si tratta di elettronica complessa, con vari livelli di amplificazione, filtro passa-basso / alto, filtro notch, elaborazione del segnale complessa e apprendimento automatico. Per applicazioni di robotica come protesi o esoscheletro, invece, sono necessari stadi aggiuntivi di rettifica e di smoothing  del segnale al fine di ottenere il segnale di uscita in forma di inviluppo.

I singoli stadi di un elettromiografo non sono così complicati: ad esempio, puoi realizzare un filtro passa-alto attivo per eliminare qualsiasi offset in CC e rumore a bassa frequenza. Per fare questo, avrai bisogno di due resistenze da 150 kOhm e di un condensatore da 0,01μF. Ma la complessità dell’elettronica di solito limita i dilettanti a sperimentarla. Questo super semplice sensore muscolare richiede solo 3 componenti per funzionare: un amplificatore per strumentazione (IA), un condensatore e un diodo. Un’alternativa ancora più semplice è illustrata nel ns. articolo Come realizzare un amplificatore di strumentazione, che trovi qui.

L’amplificatore di strumentazione INA128 (sopra) e lo schema dell’elettromiografo (sotto).

Il super semplice sensore muscolare EMG descritto qui contribuirà a rendere più facile per le persone giocare con l’elettromiografia. Utilizza infatti un circuito EMG a 3 pezzi ultra semplice, costituito da un amplificatore di strumentazione INA128 (IA), un condensatore e un diodo raddrizzatore per eseguire la rettifica del segnale a mezza onda (che sostanzialmente rimuove tutto il segnale di tensione negativa in modo da non danneggiare il tuo pin analogico sul microcontoller Arduino).

L’amplificatore di strumentazione amplifica gli ingressi differenziali e sottrae il segnale di modo comune (cioè prende due segnali e sottrae ciò che è comune in entrambi), il che provoca la soppressione parziale del rumore presente su entrambi i canali. Inoltre, usa un’impedenza reattiva dei condensatori collegata ai pin di guadagno IA, che imposta un guadagno dipendente dalla frequenza variabile, amplificando così solo le frequenze più alte e creando un effetto simile a un filtro passa-alto. L’impedenza dei condensatori (che è inversamente proporzionale all’amplificazione IA) viene calcolata tramite l’equazione

Impedenza = 1 / (2 ∗ pigreco ∗ FrequenzaCapacitanza)

Un apparato per elettromiografia dilettantistica in commercio, del costo di oltre 200 euro, mentre quello qui proposto può essere realizzato con circa un decimo di tale spesa.

Il sensore richiede 3 elettrodi, uno negativo, uno positivo e una terra, con il positivo e il negativo posti uno accanto all’altro e separati da uno spazio di 1 cm. Le posizioni esatte degli elettrodi possono essere determinate mediante tentativi ed errori, con gli elettrodi positivo e negativo posizionati sopra il muscolo che si desidera monitorare e l’elettrodo di massa posizionato su un’area ossea con attivazione muscolare minima o assente. Gli elettrodi utilizzati sono elettrodi di diametro 30 mm, riutilizzabili, autoadesivi e di lunga durata, spesso presenti nelle applicazioni EMG e di stimolazione neuromuscolare.

Per vedere il segnale EMG, puoi usare un oscilloscopio o un pin analogico di una scheda Arduino. Sarà inoltre necessario collegare 3 elettrodi e alimentare l’IA con + 5V e -5V, in pratica puoi generare la tensione negativo con il circuito mostrato qui sotto che usa un integrato 555 (NON usare alimentatori stabilizzati o l’USB del PC come alimentazione!). Se vedi solo rumore (a 50 Hz in Italia), il tuo ambiente potrebbe avere un ronzio eccessivo della rete elettrica. Anche per questo (ma non solo, come ora vedremo) ti sconsiglio di usare l’alimentazione dai dispositivi che la prelevano dalla rete domestica.

Un esempio di circuito utilizzabile per creare un’alimentazione duale.

ATTENZIONE. Quando si usano elettrodi posti sul corpo umano, è altamente raccomandabile usare soltanto batterie per alimentare il circuito. Infatti, alimentarlo con la corrente alternata di rete, sia pure a bassa tensione e rettificata, può essere pericoloso senza un appropriato isolamento (il cuore può andare in fibrillazione!). Questo circuito è progettato per essere semplicissimo per consentire alle persone di sperimentare facilmente l’elettromiografia, pertanto non include un adeguato isolamento. Perciò, usa solo pile oppure batterie al litio per alimentare il circuito descritto in questo articolo.

L’importanza del filtraggio e della scelta dei sensori

L’elettrodo converte la corrente ionica dai muscoli nella corrente elettrica da misurare e durante il processo vengono prodotti due tipi di rumori del trasduttore: un potenziale DC viene generato a causa della differenza nell’impedenza tra la superficie dell’elettrodo e la pelle e una tensione alternata (AC) viene generata a causa delle fluttuazioni di questa impedenza tra la pelle e l’elettrodo. Per ridurlo, viene di solito usato un elettrodo superficiale di argento cloruro (AgCl).

Un sensore per elettromiografia, chiamato “Myoware”, compatibile con Arduino e contenente già l’amplificatore.

I segnali EMG di superficie sono compresi nell’intervallo +/- 500 microvolt (ovvero +/- 0,5 mV) e le gamme di contenuto di frequenza sono da 6 Hz a 600 Hz mentre l’intervallo di frequenza dominante va da 20 Hz a 150 Hz. Due tipi di rumori sono contenuti in questo segnale: il rumore ambientale ad alta e bassa frequenza che proviene dai dispositivi elettromagnetici, che ha una vasta gamma di componenti di frequenza, tuttavia quella a 50 o 60 Hz è la componente di frequenza dominante.

La frequenza della linea di rete a 50 o 60 Hz e le sue armoniche si sovrappongono alla gamma di frequenza EMG. Le loro ampiezze possono superare in modo significativo il segnale EMG. Possiamo filtrare la frequenza di rete a 50 Hz e le sue armoniche via software. Il rumore proveniente dalle radiazioni elettromagnetiche ad alta frequenza dovute a telefoni cellulari, WLAN, TV e componenti elettronici può essere filtrato da un filtro passa-basso analogico con una frequenza di taglio di 1,0 kHz.

Andamento qualitativo dello spettro in frequenza della linea elettrica e delle sue armoniche rispetto a quello di un tipico segnale elettromiografico.

Usa inoltre cavi BNC per collegare l’uscita del segnale degli amplificatori di strumentazione alle prese di ingresso dell’interfaccia analogico/digitale (1 cavo per canale). Per gli esperimenti iniziali suggeriamo di usare una frequenza di campionamento relativamente alta, ad es. 1-10 kHz (corrispondenti a a 0,1-1 ms di distanza temporale fra un campionamento e l’altro, cosa facilmente impostabile ad es. in uno sketch di Arduino), e nel caso di ridurla – purché la forma del segnale non cambi – per avere file più piccoli.

Il filtraggio serve anche a eliminare gli artefatti da movimento. Nella misurazione di biosegnali, gli artefatti a bassa frequenza (cioè gli artefatti da movimento) sono in prevalenza nell’intervallo 0–20 Hz. I movimenti relativi del muscolo verso il sensore EMG generano questi artefatti, ad es. all’inizio e alla fine di una contrazione. Nei sensori EMG capacitivi, le variazioni della pressione di contatto cambiano la capacità tra la sorgente del segnale e l’elettrodo di rilevamento (cioè la capacità di accoppiamento).

Ciò porta ad asimmetrie nella misurazione differenziale del sensore EMG e quindi a artefatti di movimento, che possono anche derivare da movimenti del cavo che collega l’elettrodo all’amplificatore. La figura “a” qui sotto mostra un tipico artefatto nel dominio del tempo, mentre la figura “b” mostra il corrispondente qualitativo nel dominio della frequenza. Il design flessibile dei gruppi di sensori riduce gli artefatti da movimento, perché questi si adattano all’anatomia umana dell’avambraccio.

Numerose pubblicazioni hanno suggerito frequenze di taglio ottimali per il filtro passa-banda per sensori EMG conduttivi. Lo spettro di potenza significativo dei segnali EMG varia da circa 20 a 500 Hz. Il rumore a bassa frequenza, come artefatti da movimento, si verifica prevalentemente nell’intervallo 0–20 Hz. La frequenza di taglio raccomandata fC per il filtro passa-alto per attenuare questi artefatti a bassa frequenza è compresa tra 5 e 30 Hz per i sensori EMG conduttivi. Si consiglia poi un filtro passa-basso con fC a 400–500 Hz per filtrare il rumore ad alta frequenza mantenendo la potenza del segnale.

Rispetto al principio di misurazione conduttiva, il principio di misurazione capacitiva presenta requisiti diversi e uno sforzo maggiore per l’elettronica del sensore e per l’elaborazione del segnale. L’impedenza dello strato superficiale della pelle diminuisce con il tempo agli elettrodi asciutti e pertanto richiede regolazioni del livello di guadagno quando si sfrutta l’intero intervallo operativo. I sensori conduttivi hanno spesso parti metalliche sporgenti, che possono causare segni di pressione.

Diagramma a blocchi di un altro semplice apparato elettromiografico fai-da-te.

Per tutti questi motivi, suggeriamo sensori elettromiografici isolati. Hanno un’alta qualità del segnale immediatamente dopo l’applicazione del sensore. Inoltre, non sono necessarie regolazioni del livello di guadagno a causa dell’indipendenza dal sudore. I segni di pressione, infine, vengono evitati poiché sono stati progettati da tempo sensori flessibili: ad esempio i sensori “tessili”, che possono anche venire facilmente autocostruiti, sono particolarmente comodi per la pelle.

A causa dello strato isolante, l’elettrodo di rilevamento flessibile non ha alcun collegamento conduttivo con la pelle. Questo sensore è un costrutto multistrato fatto di tessuti, pellicole o un circuito flessibile. L’area del sensore è schermata con uno schermo di modo comune per aumentare il rapporto di rifiuto di modo comune e per proteggere dal rumore ambientale. Un piccolo riferimento conduttivo in tessuto collega l’elettronica del sensore al potenziale elettrico del corpo. Questo riferimento mantiene il potenziale di modo comune dell’amplificatore di ingresso del sensore nel range operativo.

Esempio di installazione di un sistema capacitivo di misurazione EMG per il controllo di una protesi mioelettrica dell’arto superiore.

Come registrare i potenziali d’azione di un muscolo

In questo esperimento, registreremo l’attività di gruppo di migliaia di fibre muscolari all’interno del muscolo bicipite. Ecco la procedura seguire per eseguire l’esperienza:

  1. Rimuovi il supporto adesivo dagli elettrodi per muscoli grandi e posiziona questi elettrodi di superficie vicini l’uno all’altro sul muscolo bicipite.
  2. Collega i cavi del tuo elettromiografo (i 2 cavi rossi, ovvero con il polo positivo) ai due elettrodi di superficie sul bicipite.
  3. Posizionare l’elettrodo di riferimento (nero, ovvero la terra) in qualsiasi punto del corpo. Nella figura lo mostriamo attaccato a un braccialetto di metallo vicino al polso. Puoi anche usare un altro elettrodo di superficie posizionato in qualsiasi punto del dorso della mano, oppure se hai degli anelli metallici sulle dita, puoi agganciare l’elettrodo di riferimento al tuo anello.
  4. Accendi l’elettromiografo e registra i cambiamenti nell’attività elettrica del tuo muscolo. Noti una differenza quando fletti i muscoli?
  5. Prendi qualcosa di pesante. Vedi e senti la differenza?
  6. Prova a trasformare il segnale in qualcosa di udibile e potrai letteralmente “ascoltare” il potenziale di azione. “Whoosh” è il suono di molti potenziali d’azione che si verificano nei muscoli mentre i muscoli si contraggono. Stai ascoltando la conversazione tra cervello e muscoli!

Un esempio di elettromiogramma di un muscolo umano in azione.

Ora hai registrato attraverso la pelle e contemporaneamente da diverse fibre muscolari. Tieni presente che stai eseguendo registrazioni extracellulari e di diverse fibre. In cosa differirebbero le registrazioni se avessi registrato proprio accanto a una di quelle cellule? O dentro la cellula? Vedresti lo stesso numero e tipo di picchi (spike)? Come cambierebbe l’ampiezza? Pensa a un modo per testarlo o confrontarlo con i muscoli degli invertebrati, possibilmente utilizzando il tuo elettromiografo.

Cosa causa i picchi che hai visto? Nello specifico, cosa succede quando il picco è positivo? Cosa succede quando il picco è negativo? E che aspetto ha l’affaticamento muscolare, come potresti misurarlo e cosa lo causa? Diverse persone hanno diversi tassi di affaticamento? E cosa accade in muscoli diversi? C’è qualcosa che potresti mangiare o bere che pensi possa influenzare ciò? Pensi di poter registrare l’attività dei neuroni sensoriali con questo stesso apparato e una configurazione simile?

Per vedere bene il segnale elettromiografico stringi qualcosa e usa del gel conduttivo, come quello che puoi trovare ad es. qui.

L’ampiezza del segnale EMG nel tempo è un buon indicatore della forza muscolare, quindi un semplice serraggio muscolare combinato con una soglia media mobile, può essere utilizzato come pulsante di accesso virtuale. Immagina di stringere il bicipite e la TV si accende, oppure fai un pugno e una mano robotica si chiude. Potresti anche combinare più sensori per un maggiore controllo, ad es. uno su ciascun bicipite per controllare a sinistra ed a destra di un’auto telecomandata o un robot.