Analysis of forearm muscles activity by means of new protocols of multichannel EMG signal recording and processing

Abstract

Los movimientos voluntarios del cuerpo son controlados por el sistema nervioso central y periférico a través de la contracción de los músculos esqueléticos. La contracción se inicia al liberarse un neurotransmisor sobre la unión neuromuscular, iniciando la propagación de un biopotencial sobre la membrana de las fibras musculares que se desplaza hacia los tendones: el Potencial de Acción de la Unidad Motora (MUAP). La señal electromiográfica de superficie registra la activación continua de dichos potenciales sobre la superficie de la piel y constituye una valiosa herramienta para la investigación, diagnóstico y seguimiento clínico de trastornos musculares, así como para la identificación de la intención movimiento tanto en términos de dirección como de potencia. En el estudio de las enfermedades del sistema neuromuscular es necesario analizar el nivel de actividad, la capacidad de producción de fuerza, la activación muscular conjunta y la predisposición a la fatiga muscular, todos ellos asociados con factores fisiológicos que determinan la resultante contracción mioeléctrica. Además, el uso de matrices de electrodos facilita la investigación de las propiedades periféricas de las unidades motoras activas, las características anatómicas del músculo y los cambios espaciales en su activación, ocasionados por el tipo de tarea motora o la potencia de la misma. El objetivo principal de esta tesis es el diseño e implementación de protocolos experimentales y algoritmos de procesado para extraer información fiable de señales sEMG multicanal en 1 y 2 dimensiones del espacio. Dicha información ha sido interpretada y relacionada con dos patologías específicas de la extremidad superior: Epicondilitis Lateral y Lesión de Esfuerzo Repetitivo. También fue utilizada para identificar la dirección de movimiento y la fuerza asociada a la contracción muscular, cuyos patrones podrían ser de utilidad en aplicaciones donde la señal electromiográfica se utilice para controlar interfaces hombre-máquina como es el caso de terapia física basada en robots, entornos virtuales de rehabilitación o realimentación de la actividad muscular. En resumen, las aportaciones más relevantes de esta tesis son: * La definición de protocolos experimentales orientados al registro de señales sEMG en una región óptima del músculo. * Definición de índices asociados a la co-activación de diferentes músculos * Identificación de señales artefactuadas en registros multicanal * Selección de los canales mas relevantes para el análisis  Extracción de un conjunto de características que permita una alta exactitud en la identificación de tareas motoras Los protocolos experimentales y los índices propuestos permitieron establecer que diversos desequilibrios entre músculos extrínsecos del antebrazo podrían desempeñar un papel clave en la fisiopatología de la epicondilitis lateral. Los resultados fueron consistentes en diferentes ejercicios y pueden definir un marco de evaluación para el seguimiento y evaluación de pacientes en programas de rehabilitación motora. Por otra parte, se encontró que las características asociadas con la distribución espacial de los MUAPs mejoran la exactitud en la identificación de la intención de movimiento. Lo que es más, las características extraídas de registros sEMG de alta densidad son más robustas que las extraídas de señales bipolares simples, no sólo por la redundancia de contacto implicada en HD-EMG, sino también porque permite monitorizar las regiones del músculo donde la amplitud de la señal es máxima y que varían con el tipo de ejercicio, permitiendo así una mejor estimación de la activación muscular mediante el análisis de los canales mas relevantes.

Voluntary movements are achieved by the contraction of skeletal muscles controlled by the Central and Peripheral Nervous system. The contraction is initiated by the release of a neurotransmitter that promotes a reaction in the walls of the muscular fiber, producing a biopotential known as Motor Unit Action Potential (MUAP) that travels from the neuromuscular junction to the tendons. The surface electromyographic signal records the continuous activation of such potentials over the surface of the skin and constitutes a valuable tool for the diagnosis, monitoring and clinical research of muscular disorders as well as to infer motion intention not only regarding the direction of the movement but also its power. In the study of diseases of the neuromuscular system it is necessary to analyze the level of activity, the capacity of production of strength, the load-sharing between muscles and the probably predisposition to muscular fatigue, all of them associated with physiological factors determining the resultant muscular contraction. Moreover, the use of electrode arrays facilitate the investigation of the peripheral properties of the active Motor Units, the anatomical characteristics of the muscle and the spatial changes induced in their activation of as product of type of movement or power of the contraction.The main objective of this thesis was the design and implementation of experimental protocols, and algorithms to extract information from multichannel sEMG signals in 1 and 2 dimensions of the space. Such information was interpreted and related to pathological events associated to two upper-limb conditions: Lateral Epicondylitis and Repetitive Strain Injury. It was also used to identify the direction of movement and contraction strength which could be useful in applications concerning the use of biofeedback from EMG like in robotic- aided therapies and computer-based rehabilitation training.In summary, the most relevant contributions are:§The definition of experimental protocols intended to find optimal regions for the recording of sEMG signals. §The definition of indices associated to the co- activation of different muscles. §The detection of low-quality signals in multichannel sEMG recordings.§ The selection of the most relevant EMG channels for the analysis§The extraction of a set of features that led to high classification accuracy in the identification of tasks.The experimental protocols and the proposed indices allowed establishing that imbalances between extrinsic muscles of the forearm could play a key role in the pathophysiology of lateral epicondylalgia. Results were consistent in different types of motor task and may define an assessment framework for the monitoring and evaluation of patients during rehabilitation programs.On the other hand, it was found that features associated with the spatial distribution of the MUAPs improve the accuracy of the identification of motion intention. What is more, features extracted from high density EMG recordings are more robust not only because it implies contact redundancy but also because it allows the tracking of (task changing) skin surface areas where EMG amplitude is maximal and a better estimation of muscle activity by the proper selection of the most significant channels.