Valoración de la coherencia espectral en registros de EMG para la detección de la neuropatía del pie diabético

Abstract

[ES] La diabetes mellitus tipo 2 es una enfermedad crónica que afecta a millones de personas en todo el mundo y una de sus complicaciones más graves es la neuropatía diabética. Esta afección se caracteriza por alteraciones en los nervios periféricos, afectando principalmente a la sensibilidad y función motora de las extremidades inferiores. Se trata, por ello, de uno de los principales factores contribuyentes al desarrollo del pie diabético, que implica la presencia de ulceraciones e infecciones, y en casos graves, puede derivar en amputaciones. Por tanto, la neuropatía diabética se trata de una enfermedad que se relaciona con una importante reducción en la calidad de vida de los pacientes y a un aumento en el riesgo de hospitalizaciones y discapacidades. Por este motivo, su diagnóstico precoz es crucial para mejorar los resultados clínicos y reducir las complicaciones asociadas. Sin embargo, el diagnóstico todavía es complejo, ya que implica no solo la medición de la masa y fuerza muscular, sino también del rendimiento físico. En este contexto se enmarca el presente trabajo final de máster, cuyo objetivo es investigar la utilidad de señales de electromiografía de superficie (sEMG) para tal fin. El estudio se centra en analizar la coherencia espectral entre los registros sEMG de cuatro grupos musculares: tibial anterior, gastrocnemio medio, extensor de los dedos y flexor de los dedos. La coherencia es una función espectral, bajo un principio estadístico, que describe la relación entre dos señales, permitiendo analizar la sincronización y coordinación entre diferentes grupos musculares durante la actividad motora. A través de este análisis, se busca evaluar el potencial de los parámetros derivados de la coherencia para desarrollar una herramienta diagnóstica que permita identificar la neuropatía diabética y valorar el riesgo de pie diabético. Para el estudio se emplea una base de datos de sEMG de los 4 músculos mencionados, adquiridas en el hospital general de Elche en colaboración con el Ci2B. La base de datos extraída está compuesta por: 34 pacientes diagnosticados con enfermedad diabetes mellitus, y que incluye pacientes con 3 grados de riesgo de sufrir pie diabético (Riesgo 0, 1 y 2); y 37 controles no diagnosticados de la enfermedad. Por su parte las señales de electromiografía analizadas se han obtenido con un protocolo pautado consistente en la realización de un ejercicio dinámico, y se ha empleado la herramienta Matlab para el acondicionamiento de las señales de sEMG y el cómputo de la función de coherencia y sus parámetros derivados.

[EN] Type 2 diabetes mellitus is a chronic disease that affects millions of people worldwide and one of its most serious complications is diabetic neuropathy. This condition is characterised by alterations in the peripheral nerves, mainly affecting the sensation and motor function of the lower limbs. It is therefore one of the main contributing factors to the development of diabetic foot, leading to ulcerations and infections, and in severe cases, can lead to amputations. Diabetic neuropathy is therefore a disease that is associated with a significant reduction in patients' quality of life and an increased risk of hospitalisation and disability. For this reason, early diagnosis is crucial to improve clinical outcomes and reduce associated complications. However, diagnosis is still complex, as it involves not only the measurement of muscle mass and strength, but also physical performance. This is the context for the present master's thesis, which aims to investigate the usefulness of surface electromyography (sEMG) signals for this purpose. The study focuses on analysing the spectral coherence between sEMG recordings of four muscle groups: tibialis anterior, medial gastrocnemius, extensor digitorum and flexor digitorum. Coherence is a spectral function, under a statistical principle, that describes the relationship between two signals, allowing the analysis of synchronisation and coordination between different muscle groups during motor activity. Through this analysis, we seek to evaluate the potential of the parameters derived from coherence to develop a diagnostic tool to identify diabetic neuropathy and assess the risk of diabetic foot. The study uses a sEMG database of the 4 muscles mentioned, acquired in the general hospital of Elche in collaboration with Ci2B. The extracted database is composed of 34 patients diagnosed with diabetes mellitus disease, and which includes patients with 3 degrees of risk of suffering diabetic foot (Risk 0, 1 and 2); and 37 controls not diagnosed with the disease. The electromyography signals analysed were obtained using a protocol consisting of performing a dynamic exercise, and the Matlab tool was used for the conditioning of the sEMG signals and the computation of the coherence function and its derived parameters.

[CA] La diabetis mellitus tipus 2 és una malaltia crònica que afecta milions de persones a tot el món i una de les seues complicacions més greus és la neuropatia diabètica. Esta afecció es caracteritza per alteracions en els nervis perifèrics, afectant principalment la sensibilitat i funció motora de les extremitats inferiors. Es tracta, per això, d'un dels principals factors contribuents al desenvolupament del peu diabètic, que implica la presència d'ulceracions i infeccions, i en casos greus, pot derivar en amputacions. Per tant, la neuropatia diabètica es tracta d'una malaltia que es relaciona amb una important reducció en la qualitat de vida dels pacients i a un augment en el risc d'hospitalitzacions i discapacitats. Per aquest motiu, el seu diagnòstic precoç és crucial per tal de millorar els resultats clínics i reduir les complicacions associades. No obstant això, el diagnòstic encara és complex, ja que implica no sols el mesurament de la massa i força muscular, sinó també del rendiment físic. En aquest context s'emmarca el present treball final de màster, l'objectiu del qual és investigar la utilitat de senyals d'electromiografia de superfície (sEMG) per a tal fi. L'estudi es centra en analitzar la coherència espectral entre els registres sEMG de quatre grups musculars: tibial anterior, gastrocnemi mitjà, extensor dels dits i flexor dels dits. La coherència és una funció espectral, sota un principi estadístic, que descriu la relació entre dos senyals, permetent analitzar la sincronització i coordinació entre diferents grups musculars durant l'activitat motora. A través d’aquest anàlisi, es busca avaluar el potencial dels paràmetres derivats de la coherència per a desenvolupar una ferramenta diagnòstica que permeta identificar la neuropatia diabètica i valorar el risc de peu diabètic. Per a l'estudi s'empra una base de dades de sEMG dels 4 músculs esmentats, adquirides a l'hospital general d'Elx en col·laboració amb el Ci2B. La base de dades extreta està composta per: 34 pacients diagnosticats amb malaltia diabetis mellitus, i que inclou pacients amb 3 graus de risc de patir peu diabètic (Risc 0, 1 i 2); i 37 controls no diagnosticats de la malaltia. Per la seua part els senyals d'electromiografia analitzades s'han obtingut amb un protocol pautat consistent en la realització d'un exercici dinàmic, i s'ha emprat la ferramenta Matlab per al condicionament dels senyals de sEMG i el còmput de la funció de coherència i els seus paràmetres derivats.