Desarrollo de herramientas para la caracterización de la señal mioeléctrica de los músculos respiratorios para la valoración de la fatiga muscular

Abstract

[ES] Las medidas rutinarias de la función respiratoria han contribuido a la evaluación efectiva de las condiciones normales en sujetos sanos, así como al diagnóstico efectivo de pacientes con enfermedades respiratorias crónicas que involucran vías respiratorias comprometidas y otras estructuras del pulmón. La espirometría es la prueba de función pulmonar más comúnmente adoptada en la práctica clínica, y proporciona información sobre la resistencia de las vías respiratorias y la capacidad pulmonar basada en medidas de volumen y cambios en el flujo aéreo. Además, el volumen respiratorio junto con las mediciones de la presión respiratoria reflejan la carga respiratoria muscular en el sistema respiratorio, lo que a su vez permite evaluar la función respiratoria muscular. La electromiografía (EMG) de los músculos respiratorios proporciona una medida más objetiva de la función respiratoria muscular.

La electromiografía del músculo diafragma registra la actividad eléctrica del músculo inspiratorio primario del cuerpo y proporciona una medida sustituta del impulso respiratorio neural. Por otra parte, la actividad muscular esternocleidomastoidea ha demostrado potencial en el diagnóstico y la evaluación de pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica. Estudios previos apuntan la posibilidad de registrar de forma no-invasiva la actividad EMG de los músculos respiratorios utilizando electrodos de superficie (sEMG). En general, el registro de sEMG se realiza en una configuración bipolar mediante la colocación de dos electrodos en el músculo en estudio y luego obtener la diferencia entre las señales registradas. La configuración bipolar también tiene un efecto de filtrado espacial asociado que, además del efecto de filtrado de paso bajo del conductor de volumen de los tejidos, conduce a un suavizado de la señal sEMG. Por lo tanto, el uso de una configuración bipolar para la evaluación de un músculo interno específico como el diafragma es limitado, ya que da como resultado una resolución espacial deficiente. Además, el registro sEMG está contaminado por una serie de interferencias fisiológicas: actividad EMG de otros músculos adyacentes, la actividad electrocardiográfica (ECG), y artefactos de movimiento. El problema reside en que estas interferencias se superponen con el EMG de los músculos respiratorios en el dominio espectral, en consecuencia, no se puede eliminar mediante filtros convencionales porque implicaría la pérdida de información muscular respiratoria. Desde el punto de vista del procesamiento de señales, el ECG en las señales sEMG se puede suprimir mediante la aplicación de sustracción, filtrado adaptativo o técnicas basadas en entropía. No obstante, además del alto costo computacional de los algoritmos utilizados, el rendimiento de estas técnicas puede verse reducido cuando el sujeto tiene una frecuencia cardíaca alta o cuando hay cambios en la morfología del ECG, limitando su uso en aplicaciones en tiempo real.

Como alternativa se propone el uso de electrodos anulares concéntricos (CRE). Los CRE son un tipo de electrodos laplacianos de superficie que estiman directamente la segunda derivada espacial de los potenciales en la superficie del cuerpo, actuando como un filtro que asigna más peso a los dipolos bioeléctricos más cercanos al electrodo, proporcionando más detalles para distinguir múltiples fuentes dipolo bioeléctricas. Los CRE reducen la información mutua presente en las señales bipolares captadas por los electrodos de disco y alivian los problemas de orientación relacionados.

En el presente trabajo fin de grado se propone el desarrollo de una herramienta software para la caracterización de registros mioeléctricos bipolares del músculo diafragmático y esternocleidomastoideo obtenidos con electrodos de disco convencionales y con electrodos CRE durante una prueba de carga con el objetivo de detectar la fatiga de los músculos resp

[EN] Routine measurements of respiratory function have contributed to the effective evaluation of normal conditions in healthy subjects, as well as the effective diagnosis of patients with chronic respiratory diseases involving compromised airways and other structures of the lung. Spirometry is the most commonly adopted pulmonary function test in clinical practice, and provides information on airway resistance and lung capacity based on measurements of volume and changes in air flow. Furthermore, the respiratory volume together with the respiratory pressure measurements reflect the muscular respiratory load in the respiratory system, and allows to evaluate the muscular respiratory function. The electromyography (EMG) of the respiratory muscles provides a more objective measure of muscle respiratory function.

Diaphragm muscle electromyography records the electrical activity of the body's primary inspiratory muscle and provides a surrogate measurement of the neural respiratory drive. Furthermore, sternocleidomastoid muscle activity has shown potential in the diagnosis and evaluation of patients with chronic obstructive pulmonary disease. Previous studies have shown the possibility of non-invasively recording the EMG activity of the respiratory muscles using surface electrodes (sEMG). In general, sEMG recording is performed in a bipolar configuration by placing two electrodes on the muscle of interest and then obtaining the difference between the recorded signals. The bipolar configuration also has an associated spatial filtering effect which, in addition to the low-pass filtering effect of the tissue volume conductor, leads to smoothing of the sEMG signal. Therefore, the use of a bipolar configuration for the evaluation of a specific internal muscle such as the diaphragm is limited, as it results in poor spatial resolution. Furthermore, the sEMG record is contaminated by a series of physiological interferences: EMG activity of other adjacent muscles, electrocardiographic (ECG) activity, and motion artifacts. The problem is that these interferences overlap with the EMG of the respiratory muscles in the spectral domain, in addition, it cannot be eliminated by means of conventional filters because it would imply the loss of respiratory muscle information. From a signal processing point of view, the ECG in sEMG signals can be suppressed by applying subtraction, adaptive filtering, or entropy-based techniques. However, in addition to the high computational cost of the algorithms used, the performance of these techniques may be reduced when the subject has a high heart rate or when there are changes in the ECG morphology, limiting their use in real-time applications.

As an alternative, the use of concentric annular electrodes (CRE) is proposed. CREs are a type of Laplacian surface electrodes that directly estimate the second spatial derivative of potentials on the body's surface, acting as a filter that assigns more weight to the bioelectric dipoles closest to the electrode, providing more detail to distinguish multiple sources. bioelectric dipole. CREs reduce the mutual information present in bipolar signals picked up by disk electrodes and alleviate related orientation problems.

In the present thesis, it is proposed the development of a software tool for the characterization of bipolar myoelectric records of the diaphragmatic and sternocleidomastoid muscle obtained with conventional disk electrodes and with CRE electrodes during a load test with the objective of detecting fatigue in respiratory muscles.

In order to accomplish this objective, the records obtained in 34 subjects during the performance of a respiratory load test will be analyzed. After the elimination of the artifacts present in these, temporal, spectral and non-linearity parameters will be computed over complete signal sections (with basal and contractile activity) and the evolution of these parameters will be analyzed during the load test, identifying trends t

[CA] Les mesures rutinàries de la funció respiratòria han contribuït a l'avaluació efectiva de les condicions normals en subjectes sans, així com a la diagnosi efectiva de pacients amb malalties respiratòries cròniques. L'ús de tècniques no-invasives per a la quantificació de la funció respiratòria mitjançant l'ús d'elèctrodes de superfície (SEMG) mostra ser una prometedora alternativa enfront d'altres tècniques a causa de la facilitat d'aplicació i de la major objectivitat en els registres. El registre de senyal EMG implica l'ús d'elèctrodes bipolars causa que, en aquesta configuració, produeix un senyal suavitzada de l'EMG. No obstant això, a causa de l'efecte de gargotejat a causa de les diferents conductivitats del conductor de volum, els elèctrodes convencionals de disc comunament utilitzats per al registre dels músculs respiratoris capten, no només el senyal d'interès, sinó un senyal contaminat per l'activitat EMG d'altres músculs adjacents i l'activitat electrocardiogràfica (ECG). Per això, s'està investigant l'ús d'elèctrodes anulars concèntrics (CRE) en configuració bipolar com a alternativa, ja que redueixen la informació mútua present en els senyals bipolars captades pels elèctrodes de disc i alleugen els problemes d'orientació relacionats. Estudis previs han demostrat la viabilitat d'ús dels CRE per a registres d'EMG dels músculs respiratoris [1]. En aquest context, al present projecte es proposa el desenvolupament d'eines virtuals per al tractament d'EMG amb la finalitat de contrastar les diferències entre els registres realitzats mitjançant elèctrodes convencionals de disc i els CRE, així com la capacitat d'aquests per a la detecció de fatiga muscular en el sistema respiratori. Amb això es pretén aportar a l'estudi de viabilitat dels CRE i a el desenvolupament d'una millor i més fiable tècnica i la seva possible aplicació a la diagnosi de malalties respiratòries.