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Abstract
{{ArtBy|
| autore= Enrico Maria Staderini
| autore2= Gianni Frisardi
}}
<br />
==Generalità==
[[File:Masseter muscle Fourier trasformer.jpg|thumb]]
Un segnale è per definizione niente altro che la rappresentazione grafica dell’andamento temporale di una grandezza fisica. Nel caso del sEMG tale grandezza è la differenza di potenziale generata dal muscolo nella sua contrazione e registrata sulla cute. La rappresentazione grafica di essa è l’elettromiogramma o tracciato elettromiografico o segnale elettromiografico o sEMG.
Quando si rivela e si registra un segnale EMG occorre tenere presenti due aspetti principali che influenzano la fedeltà della registrazione: il rapporto segnale-rumore e la distorsione. Il primo è definito come il rapporto tra l'energia del segnale utile (ovvero quello voluto) e l'energia del rumore. Quest'ultimo è costituito non solo dal rumore vero e proprio (che potremmo immaginare come il fruscio di fondo dei vecchi dischi a 78 giri), ma anche da qualsiasi altro segnale che semplicemente non sia voluto, ad esempio il segnale cardiaco o quello di altri muscoli o quello dovuto ad artefatti. La distorsione, invece, è una alterazione della forma del tracciato EMG utile che si manifesta matematicamente come una variazione non voluta delle componenti in frequenza del segnale EMG.
Il rapporto segnale-rumore e la distorsione sono due problemi che, alterando la rappresentazione del segnale registrato, possono alterare, modificare o nascondere l'informazione che il segnale EMG ci deve convogliare.
E' ormai ben noto che l'ampiezza del segnale EMG è di natura aleatoria e che può essere rappresentata da una distribuzione gaussiana. Il segnale EMG non è dunque perfettamente prevedibile a priori, nemmeno analizzando un tratto di tracciato immediatamente precedente a quello che si vuole predire. Ma questo è proprio ciò che ci si aspetta da un segnale che deve convogliare informazione secondo la teoria di Shannon.
L'ampiezza del segnale EMG di superficie dipende da molteplici fattori fisiopatologici e tecnici. Escludendo questi ultimi possiamo considerare segnali EMG che abbiano una escursione massima da 1.5 a 10 mV. Le frequenze presenti nel segnale EMG vanno da 0 a 500 Hz, ma la banda utile a fini diagnostici e clinici va da 50 a 150 Hz. Ovviamente i segnali utilizzabili in questa banda sono solo quelli che hanno un'intensità superiore a quella del rumore nella stessa banda.
===Caratteristiche del rumore nel segnale EMG===
====Rumore elettronico dell'amplificatore====
Una sorgente, ineliminabile, di rumore e quella presente intrinsecamente negli stessi circuiti elettronici di amplificazione e condizionamento del segnale EMG. Questo rumore ha frequenze che si estendono dalla continua (0 Hz) fino a decine di KHz. Per minimizzare questo rumore occorre utilizzare tecniche di progettazione degli amplificatori allo stato dell'arte e componenti elettronici di alta qualità.
''Rumore ambientale elettromagnetico''
Un'altra fonte di rumore altamente fastidiosa è quella dovuta al rumore ambientale. Questo origina da radiazioni elettromagnetiche (radio, televisione, telefoni cellulari, linee di distribuzione dell'energia elettrica, apparecchi elettrici ed elettronici, ecc.) che continuamente inondano il corpo umano quando si trova negli ambienti delle moderne città. La massima importanza viene rivestita dal cosiddetto rumore a 50 Hz (60 Hz nel continente americano ed in Giappone) causato dalla emissione elettromagnetica dei fili elettrici per la erogazione dell'energia elettrica. Il rumore a 50 Hz, detto anche "rumore di rete" o "alternata" o "hum", è particolarmente disturbante poiché raggiunge spesso livelli che sono da 100 a 1000 volte superiori a quelli del segnale EMG stesso. La lotta contro il rumore di rete viene condotta in vari modi quali: la progettazione di amplificatori appropriati per minimizzare la registrazione del rumore a 50 Hz, la adeguata pratica di posizionamento degli elettrodi, e, per finire, la registrazione eseguita in particolari camere schermate (gabbia di Faraday).
====Artefatti di movimento====
Ulteriori disturbi nella registrazione fedele di un segnale EMG possono derivare dagli artefatti di movimento. Ciò è di particolare interesse nella registrazione dell'EMG di superficie poiché è evidente che il movimento viene sicuramente dato dal muscolo sottostante alla cute dove sono applicati gli elettrodi. Si descrivono almeno due diverse tipologie di artefatti da movimento. Il primo e più ovvio è quello che deriva da una variazione della superficie di elettrodo affacciata alla cute. Questo avviene più facilmente per elettrodi grandi e rigidi piuttosto che con elettrodi piccoli e flessibili così da adattarsi meglio e più rapidamente alla variazione della curvatura della cute sul muscolo durante la contrazione di questo. Il secondo è dovuto al movimento dei cavetti che collegano gli elettrodi all'amplificatore. In questo secondo caso l'artefatto è essenzialmente dovuto a variazioni capacitive in ingresso all'amplificatore e ciò può essere abbastanza facilmente minimizzato con una adeguata progettazione degli stadi di ingresso dell'amplificatore. Questi artefatti hanno comunque uno spettro che si aggira tra 0 e 20 Hz; in una banda, cioè, che è esterna a quella utile per la registrazione dell'EMG e quindi possono eventualmente essere eliminati da appositi circuiti di filtraggio senza alterare troppo il segnale utile.
====Aleatorietà del segnale EMG====
L'ultima e meno scontata fonte di rumore nel segnale EMG è la natura quasi-aleatoria del segnale EMG stesso. Ciò avviene soprattutto nella regione da 0 a 20 Hz dello spettro ed è dovuta alla frequenza aleatoria della scarica delle unità motorie. Le unità motorie, peraltro, hanno una frequenza di attivazione proprio nella gamma da 0 a 20 Hz. La natura instabile di queste componenti del segnale dovrebbe farle considerare alla stregua di un rumore ed essere quindi cancellate con dei filtri. Cosa che viene normalmente fatta. Purtroppo, il lettore non esperto in teoria dei segnali può non capire fino in fondo il discorso appena fatto. La cancellazione di segnali nella banda da 0 a 20 Hz, quella nella quale sono presenti le frequenze di ripetizione delle unità motorie, sembrerebbe un controsenso che porterebbe alla cancellazione di qualsiasi contenuto informativo nel segnale.
Ma un esempio della vita comune ci potrebbe venire dall'ascolto di una musica rock a tutto volume proveniente dall'autoradio di una macchina vicina a noi, entrambi in attesa al semaforo. Ciò che riceviamo è solo un ritmico susseguirsi di tonfi di tamburo. Ma se il guidatore della macchina vicina abbassa il finestrino possiamo subito percepire la musica. Prima che il finestrino si abbassasse ricevevamo molto meglio il ritmo (a bassa frequenza) degli altri suoni (che andavano sempre allo stesso ritmo della musica ma che avevano un timbro, ovvero un contenuto di frequenze, più alto) i quali il ritmo stesso ci impediva di comprendere. Nel caso dell'esempio si è dovuto abbassare il finestrino (per far passare la musica) mentre nel caso dell'EMG si cancellerà il ritmo (per vedere meglio il segnale).
===Elettrodi===
Tutti sanno che la registrazione di segnali elettrici biologici parte dagli elettrodi, ma pochissimi si rendono conto della reale "necessità" di questi. Sembra che gli elettrodi siano qualcosa di connaturato alla registrazione e nessuno di fatto si pone il problema di capire cosa essi ci stiano a fare.
In realtà il problema è molto semplice. I circuiti elettronici di amplificazione e registrazione dei segnali EMG sono fatti essenzialmente di fili elettrici. Tali fili sono metallici ed in essi scorrono cariche elettriche abbastanza comuni e di un solo tipo: gli elettroni. Sicuramente tutti sanno che nei fili elettrici scorrono elettroni. Pochi però si pongono il dubbio di capire se per caso possano scorrere elettroni anche nel corpo umano. Sicuramente i potenziali cellulari, che sono alla base delle differenze di potenziali rilevabili sulla cute, fanno scorrere delle correnti elettriche, cioè dei flussi di cariche elettriche. Ma queste cariche, nei tessuti del corpo non possono essere elettroni. Nel corpo, infatti, è ben difficile trovare elettroni liberi di muoversi così come avviene in un reticolo metallico. Ma nel nostro corpo abbiamo altri portatori di carica elettrica: gli ioni. Gli ioni sono "pezzi" di molecole che hanno una carica elettrica netta diversa da zero. Essi sono molto diversi dagli elettroni: possono pesare decine e centinaia di migliaia di volte di più e possono avere una carica elettrica multipla di quella di un elettrone e anche di segno opposto. Purtroppo possono scorrere solo in un ambiente acquoso e certamente non in un filo elettrico. Allora la situazione è questa: abbiamo una corrente elettrica i cui portatori sono gli elettroni nei fili dell'amplificatore ed una corrente elettrica i cui portatori sono gli ioni nel corpo e nei tessuti. Come possiamo fare in modo che la carica elettrica possa scorrere in un circuito "misto" in questa maniera? Come possiamo fare in modo che i portatori si scambino la carica elettrica? E' proprio questa la importantissima cosa che avviene nell'elettrodo. Qui una reazione chimica scambia cariche elettriche tra elettroni e ioni. L'unica reazione chimica che fa questo è la reazione che va sotto il nome di ossidoriduzione. Ecco dunque lo scopo degli elettrodi: garantire un luogo dove possa avvenire una reazione di ossidoriduzione che "chiuda il circuito" e che consenta alle cariche elettriche di continuare a fluire dai tessuti del corpo all'amplificatore e viceversa facendo così in modo che i biopotenziali presenti sulla cute possano essere rivelati ed amplificati.
Per questo gli elettrodi sono così importanti e non banali pezzetti di filo da collegare alla cute.
Se nessuno avesse ancora inventato un elettrodo, si potrebbe pensare di farlo come segue. Intanto sembrerebbe opportuno farlo in due pezzi: una parte metallica per il collegamento con il filo elettrico che va all’amplificatore ed una parte salina, attaccata alla precedente, in grado di partecipare alla reazione di ossidoriduzione. Inoltre potrebbe essere importante che la resistenza dell’elettrodo fosse la più piccola possibile per evitare che si abbia sull’elettrodo una eccessiva caduta di tensione e quindi si misuri un valore inutilmente più piccolo sul tracciato. Così si dovrebbe scegliere un metallo a bassa resistività (e adeguata tollerabilità dermatologica) come l’argento (non l’oro perché troppo costoso). Per quanto riguarda la parte salina ovviamente si sceglierà a questo punto un sale d’argento. Quale? Siccome l’elettrodo va messo sulla pelle che è in diretta comunicazione con i liquidi extracellulari del derma ricchi di cloro, si sceglierà ad esempio il sale cloruro d’argento. E allora l’elettrodo sarà fatto così: una placchetta d’argento metallico ricoperta da una patina di cloruro d’argento nella zona che deve andare a contatto con la pelle. Per concludere potremmo prevedere una spugnetta imbevuta di una soluzione di cloruro d’argento in acqua per garantire l’opportuna mobilità degli ioni. Sarebbe bene che il tutto fosse al riparo dalla luce. Questa infatti scinde i sali d’argento. E così abbiamo “inventato” un bell’elettrodo. Ma come funziona?
La reazione di ossidoriduzione che avviene tra l’elettrodo e la pelle è la seguente:
<math>Ag+Cl\Leftrightarrow AgCl+e^-</math>
e sembra funzionare tutto bene. In particolare, essendo la reazione reversibile, si ha la possibilità di uno scorrimento della corrente in ambedue le direzioni con la stessa reazione di ossidoriduzione. L’elettrodo si dice reversibile. Ma che succede se la corrente dovesse scorrere sempre in una sola direzione come si ha proprio in una misura elettromiografica di lunga durata? In questo caso l’elettrodo potrebbe “consumarsi” nel senso che lo strato di cloruro potrebbe passare tutto in soluzione e l’argento metallico entrare direttamente in contatto con la pelle. Allora l’elettrodo si dice esauribile. Un elettrodo argento/argento-cloruro è un elettrodo reversibile ed esauribile. L’esaurimento dell’elettrodo non è una cosa positiva. Per fare una misura con l’amplificatore ci vogliono almeno due elettrodi. Ognuno di essi “vedrà” probabilmente una concentrazione diversa di ioni cloro nella zona dove è stato posto. Questo farà sì che ogni elettrodo genererà un proprio potenziale di semicella (equazione di Nerst) diverso dall’altro. Tale potenziale è anche noto con il nome di potenziale di giunzione liquida. Essendo i due potenziali diversi, essi non si annulleranno a vicenda e quindi si misurerà il valore del potenziale muscolare sommato alla differenza dei potenziali di semicella degli elettrodi. Il potenziale elettrico muscolare ha valori ben inferiori al millivolt mentre il potenziale di giunzione liquida ha valori dell’ordine del volt. Questo fatto rende la misura un po’ complicata e pur tuttavia si può convivere con questo fenomeno e ottenere delle buone registrazioni. Questo almeno fino a quando l’elettrodo è in buono stato! Quando il cloruro si è consumato tutto, infatti, il potenziale di semicella diventa impredicibile ed erratico dipendendo da altri ioni presenti nella zona oltre che dalle impurità presenti nell’argento. Ben difficilmente l’amplificatore elettromiografico potrà ora compensare ed ovviare a questo effetto. A questo punto si dice che l’elettrodo si è polarizzato e può essere gettato nella spazzatura senza rimpianti.
Sarebbe bello allora inventare un elettrodo inesauribile. Uno lo potremmo fare con una placchetta di platino metallico. Il platino catalizza l’elettrolisi dell’acqua (ci troviamo ovviamente in un ambiente acquoso) e abbiamo questa reazione:
<math>e^-+H_2O\rightarrow OH^- +\frac{1}{2} H_2</math>
Stavolta si tratta però di una reazione non reversibile e quindi invertendo il senso della corrente deve avvenire una reazione diversa:
<math>H_2O\rightarrow2H^++\frac{1}{2}O_2+2e^-</math>
Abbiamo così un elettrodo inesauribile (il platino catalizza la reazione, ma non ne prende parte chimicamente e quindi non si consuma), ma irreversibile. La produzione di gas nella reazione di elettrolisi non è affatto comoda (il gas tende ad isolare l’elettrodo dalla pelle) e dunque questo tipo di elettrodo non è particolarmente utile.
Per quanto esistano almeno altri due o tre tipi di elettrodi per elettromiografia, quello Ag/AgCl è il più usato ed è ormai in vendita a meno di 1000 lire l’uno.
Storicamente si ricorda un elettrodo divertente: era l’elettrodo “spray-on” sviluppato dalla NASA per il monitoraggio dell’elettrocardiogramma dei primi astronauti. Lo spray-on era realizzato spruzzando grafite colloidale (polvere di carbone) sulla pelle che ne risultava praticamente verniciata. La grafite (conduttiva) creava un contatto intimo con la pelle e sulla “macchia nera” si poteva semplicemente appoggiare un normale filo metallico. Oggi l’elettrodo spray-on non è quasi più utilizzato.
==Caratteristiche elettriche degli amplificatori==
La progettazione dell'amplificatore è la parte più critica dei dispositivi elettronici che vengono usati per registrare il segnale EMG. La fedeltà del segnale EMG rilevato dagli elettrodi e dall'amplificatore influenza tutte le successive fasi di elaborazione e presentazione e nulla può essere fatto per ripristinare un segnale acquisito in maniera sbagliata e distorta. Una serie di caratteristiche sono importanti a questo fine; sono spesso reclamizzate dalle Case costruttrici della strumentazione, ma molto più raramente comprese dagli utilizzatori.
===Amplificazione differenziale e CMRR===
[[File:Opamppinouts.png|thumb|Operational amplifier symbol. The inverting and non-inverting inputs are distinguished by "−" and "+" placed in the amplifier triangle. V<sub>s+</sub> and V<sub>s−</sub> are the power-supply voltages; they are often omitted from the diagram for simplicity but must be present in the actual circuit.]]
Come detto precedentemente il problema del rumore a 50 Hz è potenzialmente un inconveniente piuttosto difficile da eliminare. La tecnica universalmente adottata per affrontarlo parte dal concetto che tale rumore dovrebbe essere lo stesso in tutti i punti del corpo mentre diverso deve essere il segnale bioelettrico da acquisire negli stessi punti. Quindi viene usato un amplificatore differenziale. Questo può essere pensato come costituito da due amplificatori uguali i cui segnali di uscita vengono sottratti l'uno dall'altro da un opportuno modulo di sottrazione. Se il segnale disturbante è uguale ai due ingressi allora esso sarà cancellato all'uscita dal sottrattore mentre il segnale utile, diverso ai due ingressi, sarà amplificato in maniera "cosiddetta" differenziale. Il segnale disturbante uguale ai due ingressi si chiama anche segnale di "modo comune". Ogni segnale generato lontano dal corpo ha grandi possibilità di essere visto come un segnale di modo comune mentre tutti i segnali generati vicino al corpo o dentro di esso saranno segnali "differenziali". Quindi il rumore generato per induzione elettromagnetica dalle linee di erogazione dell'energia elettrica a 50 Hz sarà attivamente cancellato dalla registrazione finale del segnale EMG. Ovviamente questa spiegazione richiede la disponibilità di sottrattori altamente accurati poiché bisogna ricordare che il segnale di modo comune può anche essere migliaia di volte più grande del segnale differenziale. In pratica una sottrazione perfetta non può mai essere ottenuta, ma solo approssimata con livelli di qualità più o meno elevati. L'accuratezza con la quale il sottrattore effettua la differenza dei segnali provenienti dai due ingressi può essere espressa numericamente mediante il parametro CMRR dell'amplificatore. Il CMRR è il "rapporto di reiezione di modo comune" e rappresenta il rapporto tra l'amplificazione del segnale differenziale e l'amplificazione del segnale di modo comune (molto bassa e tendente a zero a causa del sottrattore). Pertanto un sottrattore perfetto, e ideale, avrà un CMRR pari a infinito. Praticamente si hanno valori di CMRR che vanno da 90 e 120 dB (la misura viene espressa in dB come 20 volte il logaritmo in base dieci del rapporto detto sopra).<ref>Wang Yang. [https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1846/1/012034/pdf A New Type of Right-leg-drive Circuit ECG Amplifier Using New Operational] Amplifier.Journal of Physics: Conference Series '''1846''' (2021) 012034 doi:10.1088/1742-6596/1846/1/012034
</ref><ref>Bruce B. Winter; John G. Webster. [https://ieeexplore.ieee.org/document/4121504/authors#authors Driven-right-leg circuit design]. Journals & Magazines IEEE Transactions on Biomedic..Volume: BME-30 Issue: 1</ref>
Per quanto possa sembrare strano ci sono almeno tre ragioni per le quali non è sensato avere un CMRR molto alto: la prima è che amplificatori ad altissimo CMRR tendono a costare in maniera esagerata; la seconda è che tali amplificatori sono sempre meno stabili e affidabili nel lungo periodo all'aumentare del valore di CMRR e la terza è che i segnali di modo comune non sono proprio necessariamente di modo comune in senso assoluto potendo avere piccole variazioni di fase o di ampiezza che vanificano il migliore CMRR. Inoltre alterazioni o asimmetricità degli elettrodi possono avere effetti drammatici nell'abbassare il CMRR complessivo di un amplificatore peraltro, in sé, di buona qualità.
====Impedenza di ingresso====
L'impedenza di un circuito nel quale scorrono correnti alternate (non aventi cioè sempre lo stesso verso e la stessa intensità nel tempo) è l'equivalente della resistenza per circuiti in corrente continua. La differenza sta nel fatto che l'impedenza varia al variare della frequenza delle correnti e quindi si ottiene in generale un effetto di filtraggio per cui certi segnali ad una certa frequenza possono essere registrati con valori di intensità maggiori o minori a seconda della impedenza dei circuiti (tipicamente elettrodi e cavetterie) nei quali sono transitati.
In particolare, per evitare attenuazioni e distorsioni non volute, occorre che l'impedenza della cute e dell'elettrodo sia la più piccola possibile e, contemporaneamente, che l'impedenza di ingresso dell'amplificatore sia la più alta in modo che la corrente richiesta al generatore biologico che scorre nei circuiti esterni, sia minore. I circuiti elettronici moderni consentono di realizzare amplificatori con impedenze di ingresso che possono arrivare fino anche a 10<sup>12</sup> ohms con capacità di ingresso dell'ordine di alcuni picofarads. Considerando che la tensione dovuta al segnale EMG di superficie è dell'ordine di 10 mV, con una impedenza di 10<sup>12</sup> ohms si ha una corrente piccolissima negli elettrodi e nell'amplificatore pari a circa qualche migliaio di elettroni (!) al secondo. Ma non è solo il valore assoluto della corrente di ingresso nell'amplificatore ciò che conta: molto importante è anche il bilanciamento delle correnti in tutti i circuiti degli elettrodi. Questo richiede non solo una accurata progettazione degli amplificatori, ma anche una accurata metodica di effettuazione della misura.
====Progettazione ed utilizzo di "elettrodi attivi"====
La richiesta di una impedenza di ingresso degli amplificatori assai elevata introduce un problema noto come accoppiamento capacitivo agli ingressi.
Infatti, con una altissima impedenza di ingresso non può più nemmeno essere trascurata la capacità, piccolissima, tra i cavetti degli elettrodi ed i fili elettrici della rete di distribuzione della energia elettrica. La soluzione a questo consiste nel diminuire la lunghezza dei cavetti degli elettrodi ovvero di avvicinare il più possibile l'amplificatore agli elettrodi. Tanto vicino da incorporarlo nell'elettrodo stesso così da ottenere un "elettrodo attivo". Il segnale già preamplificato viene quindi inviato allo strumento su cavetti a bassa impedenza assolutamente immuni al problema detto sopra.
====Filtraggi====
Ma anche con le considerazioni dette sopra ed i metodi più scrupolosi, il segnale EMG di superficie può essere ancora contaminato da segnali non voluti che possono essere eliminati con varie tecniche di filtraggio. Queste si basano su circuiti (o programmi software nel caso di filtri digitali) che lasciano passare in maniera quasi immodificata i segnali utili ed attenuano fortemente i segnali di rumore o comunque non voluti. Per il segnale EMG di superficie i filtri possono lasciar passare segnali nella banda da 20 a 500 Hz con una attenuazione fuori banda che discende di 12 dB/ottava cioè di 12 dB per ogni raddoppio o dimezzamento della frequenza a partire da quelle limite minima e massima.
''Stabilità degli elettrodi''
Per stabilità degli elettrodi si deve intendere la stabilità meccanica, elettrica ed elettrochimica. Della stabilità meccanica si è già detto. Le stabilità elettrica ed elettrochimica hanno a che fare con l'andamento della reazione di ossidoriduzione che avviene nell'elettrodo al contatto con la cute e con le caratteristiche elettriche di questa. Normalmente si possono avere problemi dovuti a variazioni abnormi dello stato di idratazione dell'elettrodo come la essiccazione o la troppa umidità ad esempio dovuta al sudore. <ref>J.V. Basmajian and C.J. De Luca, ''Muscles Alive. Their Functions Revealed by Electromyography'', fifth edition (Williams and Wilkins, Baltimore, 1985).</ref>
===Geometria e posizionamento degli elettrodi===
Nella storia delle registrazioni elettromiografiche la forma e la disposizione della superficie dell'elettrodo non ha mai ricevuto una grande attenzione. Questo probabilmente perché si dava maggiore risalto ad una valutazione qualitativa del segnale e, peraltro, tale impostazione si è mantenuta anche per le metodiche approssimate che sono state utilizzate. Ad oggi ancora lo studio del segnale EMG di superficie non ha raggiunto una reputazione "quantitativa" stabile. Ciò è ancor più curioso se si considera che un altro particolare "segnale EMG di superficie", quello del muscolo cardiaco o elettrocardiogramma ECG, è ormai assestato come esame di indiscusso interesse clinico.
Peraltro la elaborazione del segnale con mezzi informatici pone oggi importanti problemi per una quantificazione o almeno una oggettivazione della misura elettromiografica.
====Distanza tra gli elettrodi====
La distanza tra gli elettrodi influenza grandemente la banda, l'ampiezza e la fase del segnale EMG. Questo significa che la distanza tra gli elettrodi influenza, anche grandemente, la forma del segnale e quindi ne produce una sorta di distorsione. Il fatto che influenzi anche la fase ci dice che da questo dipendono anche le misure di tempo (ritardi, latenze, periodi) che dal segnale EMG possono venir estrapolati in riferimento a eventi esterni di stimolazione. In ultima analisi la distanza tra gli elettrodi, per quanto poco valutata in pratica, è un parametro fondamentale per poter effettuare misure EMG quantitative, cioè riproducibili e quindi confrontabili.<ref>A C MettingVanRijn 1, A Peper, C A Grimbergen. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/7934255/ Amplifiers for bioelectric events: a design with a minimal number of parts.] Med Biol Eng Comput1994 May;32(3):305-10. doi: 10.1007/BF02512527.<br /></ref>
E' chiaro dunque che sarebbe assai preferibile che l'insieme degli elettrodi fosse montato su un supporto rigido in modo che la disposizione degli elettrodi non possa variare in montaggi successivi sullo stesso soggetto o su soggetti diversi (in condizioni anatomiche confrontabili). La distanza tra gli elettrodi dipende anche dalla grandezza di questi e dal fatto di dover fare misure su piccoli muscoli senza essere disturbati da segnali EMG provenienti da muscoli vicini. Spesso una distanza minima di 1 cm viene considerata adeguata, ma ci sono applicazioni dove la distanza è ancora minore.<ref>E M Spinelli 1, N H Martínez, M A Mayosky. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10612904/ A transconductance driven-right-leg circuit] . IEEE Trans Biomed Eng1999 Dec;46(12):1466-70. doi: 10.1109/10.804574.<br /></ref>
Piccole distanze in genere non vengono usate poiché si ritiene che i segnali possano essere alterati dalle condizioni locali. Il sudore è considerato in questi casi un pericolo perché tende a "cortocircuitare" gli elettrodi sulla pelle. La cosa è controversa e dall'autore non viene ritenuta valida. Infatti al di là della cute, all'interno, esiste un "cortocircuito" naturale costituito dai fluidi extracellulari del sottocutaneo e del derma. Un "cortocircuito" esterno, avente per lo più una impedenza analoga a quella dell'interno, non dovrebbe quindi alterare la misura. Si contesta che in questo modo sarebbe inutile costruire amplificatori ad altissima impedenza di ingresso. Ma il "cortocircuito" avverrebbe tra gli elettrodi, non tra i fili che dall'elettrodo vanno all'amplificatore, e l'alta impedenza di questo continua ad avere la sua rilevanza per contrastare la stessa impedenza di elettrodo. Si contesta anche che non sarebbe possibile, per lo stesso motivo, effettuare misure EMG in acqua, mentre l'autore ha regolarmente realizzato sistemi elettromiografici radiotrasmittenti da nuotatori. Peraltro nessuno ha mai messo in discussione misure di biopotenziali, ad esempio ECG, effettuati in ambienti "umidi" come ad esempio l'ECG intraesofageo o addirittura le misure invasive di biopotenziali.<ref>Palla´s-Areny R, Webster JG. AC amplifiers. In: ''Analog signal processing''. (Wiley, New York, 1999:97–109).</ref>
====Grandezza e forma degli elettrodi====
E' sicuro che tanto più grande è la grandezza dell'elettrodo, tanto maggiore è il livello del segnale registrato e minore il rumore ottenuto. Ma un grande elettrodo ha poi lo svantaggio di acquisire segnali da muscoli diversi o da parti del muscolo che non sono di interesse; in particolare si perde in selettività spaziale. Allora ci vorrebbe un elettrodo che prendesse il maggior numero di fibre muscolari da una parte ristretta e con basso rumore. E' evidente che queste richieste sono in conflitto e occorre qualche compromesso.
Alla convenzionale forma circolare si stanno oggi affiancando altre conformazioni come quella ad array o a barra con vantaggi e svantaggi relativi. La forma "giusta" rimane comunque un raggiungimento per tentativi più o meno euristici e dipendenti dall'operatore.
====Localizzazione e posizionamento degli elettrodi====
Gli elettrodi dovrebbero essere posizionati tra un punto motorio di innervazione del muscolo ed il tendine o tra due punti motori e orientati sulla linea longitudinale mediana del ventre muscolare. Così l'asse longitudinale degli elettrodi dovrebbe essere allineato in parallelo con la lunghezza delle fibre muscolari.
Gli elettrodi non devono essere messi in prossimità del tendine. In tali punti le fibre muscolari sono fini e scarse ed inoltre si corre il rischio di "ricevere" segnali EMG di altri muscoli (ad es. agonisti).
Ugualmente gli elettrodi non devono essere posti sul punto motorio, anche se questo è un preconcetto difficile da abbattere. Il punto motorio è quel punto sul muscolo (e la equivalente sua proiezione sulla cute) dove l'iniezione di una minima corrente provoca una ben definita contrazione del muscolo stesso. Di solito, ma non sempre, questo punto corrisponde a quella parte del muscolo dove c'è l'innervazione e si ha quindi la più alta densità di neuroni.
Ma dal punto di vista della stabilità del segnale, la misura con due elettrodi in prossimità del punto motorio è la peggiore situazione nella quale ci si possa mettere. Da tale regione, infatti, i potenziali elettrici di attivazione delle fibre muscolari di propagano prossimalmente e distalmente e le relative fasi positive e negative si sommano o si sottraggono sugli elettrodi fornendo un segnale molto distorto e anche costituito da picchi secchi ed improvvisi a causa dell'aleatoria situazione. La stabilità è qui particolarmente compromessa poiché è evidente come piccoli spostamenti dell'elettrodo causeranno variazioni enormi del tracciato e delle sue caratteristiche in frequenza e fase.
E' inoltre sconsigliabile porre gli elettrodi agli estremi del muscolo (uno sull'origine ed uno sulla inserzione). In questo caso si pone sotto rilevazione un volume di tessuti troppo elevato ed è facile avere segnali di muscoli non di interesse.
====Orientazione rispetto alle fibre muscolari====
Appare dunque chiaro che l'asse longitudinale della configurazione di elettrodi debba essere parallelo alle fibre muscolari. In questo modo la maggior parte delle fibre presenti in quell'area saranno registrate insieme con le caratteristiche spettrali del segnale. Questo è importante poiché l'indipendenza dello spettro del segnale da qualsiasi fattore trigonometrico eviterà una stima erronea della velocità di conduzione. Per motivo analogo saranno più valide e ripetibili le eventuali misure di ritardo, periodo, latenze, ecc.
===Il "misterioso" elettrodo di riferimento===
Il guaio principale dell'elettrodo di riferimento è che nella stragrande parte delle apparecchiature elettromiografiche esso viene chiamato "ground" o "terra". Esso viene quindi percepito dall'operatore, solitamente ignaro di aspetti elettronici o bioelettrici, come un qualcosa che ha a che fare con la sicurezza del paziente o con la lotta ai disturbi indotti (ad es. il rumore a 50 Hz che sarebbe in questo modo "disperso" verso "terra" come si farebbe con un elettrodomestico). Ciò è assolutamente falso e generatore di grandi insuccessi e perdite di tempo.
E' stata già spiegata la necessità e l'importanza di usare un amplificatore differenziale per la registrazione dei segnali bioelettrici. Si è detto al proposito che un amplificatore differenziale è di fatto costituito da due amplificatori che amplificano il potenziale in due punti e poi se ne fa la differenza istante per istante. Bene ogni amplificatore avrà due elettrodi tra i quali misurerà la differenza di potenziale. Considereremo un elettrodo da porre in prossimità del muscolo temporale destro del paziente in figura 1 ed un altro elettrodo da porre in una qualsiasi altra parte del cranio. Si avrà dunque una registrazione della differenza di potenziale tra il muscolo e l'elettrodo di riferimento. Se useremo un secondo amplificatore del quale disporremo gli elettrodi tra un'altra zona del muscolo e lo stesso elettrodo di riferimento oppure un altro riferimento posizionato sul drago dell'orecchio come in figura 1, avremo un'altra registrazione della differenza di potenziale tra l'altra zona e precisamente tra il massetere ed il drago. La differenza tra le due (cioè la differenza delle due differenze di potenziale) sarà la differenza di potenziale tra le due zone del muscolo! Sembra uno scioglilingua ma facciamo due calcoli per chiarire meglio il concetto.
Sia <math>V_a</math> la differenza di potenziale elettrico tra l’elettrodo <math>A</math> e l’elettrodo di riferimento <math>C</math>; per l’altro elettrodo si abbia di conseguenza <math>V_b</math>. Il valore <math>V_a</math> sarà dato dalla somma di due componenti: il valore della differenza di potenziale biologico in quella zona (<math>V_{ac}</math>) più il segnale di modo comune, ad esempio quello a 50 Hz (<math>V_n</math>). In modo equivalente sarà per <math>V_b</math>. In formule:
<math>V_a=V_{ac}+V_n</math>
<math>V_b=V_{bc}+V_n</math>
Sappiamo che l’amplificatore differenziale amplifica la differenza degli ingressi e quindi l’uscita <math>V_o</math> dell’amplificatore differenziale, dopo una amplificazione di 1 volta (per semplificare), sarà:
<math>V_o=V_a-V_b=V_{ac}-V_n-(V_{bc}-V_n)</math>
quindi, sviluppando l’algebra dei segni e semplificando:
<math>V_o=V_a-V_b=V_{ac}-V_{bc}</math>
Stessa identica procedura per il muscolo massetere(D,E,R)
E questa è proprio la differenza di potenziale tra le due zone del muscolo sotto gli elettrodi A e B. Come si vede dalla formula il segnale di modo comune è sparito nella formula finale, cioè poteva essere qualsiasi, sempre supponendo che la tensione di modo comune tra uno qualsiasi dei due elettrodi A o B e l’elettrodo di riferimento sia uguale a quella dell’altro.
[[File:Riferimento 2.jpg|left|thumb|'''Figura 1:''' Posizionamento degli elettrodi con riferimento alla trattazione del testo]]
Infatti, proprio a causa della differenza tra i segnali dei due amplificatori dell'amplificatore differenziale, non è necessario porre il terzo elettrodo proprio sulla gamba. Potrebbe stare ovunque. Non a caso spesso tale elettrodo si chiama per l'appunto elettrodo "indifferente". Perché può essere "indifferentemente" posto in qualsiasi punto della superficie del corpo. Esso è anche "ground" o "terra" o "riferimento", ma inteso come riferimento dell'amplificatore differenziale. E' più una questione di tipo tecnico elettronico che bioelettrico. Nella registrazione elettrocardiografica ECG l'elettrodo indifferente è l'elettrodo "di gamba destra".<ref>M J Burke 1, D T Gleeson. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10721622/ A micropower dry-electrode ECG preamplifier] . IEEE Trans Biomed Eng. 2000 Feb;47(2):155-62. doi: 10.1109/10.821734.<br /></ref>
Di fatto l'elettrodo indifferente deve essere piazzato in punto lontano dal luogo della registrazione. Una zona dove possa essere ben collegato con un contatto a bassa impedenza, magari in un punto sopra una prominenza ossea (in elettroencefalografia si usa il processo mastoideo). Deve possibilmente essere, per lo stesso motivo, un elettrodo grande.
Da ricordare è il fatto che non è un elettrodo di "terra" in senso da elettricista. Spesso viene anche identificato come "isolated ground" per dire che è una "terra" o riferimento dell'amplificatore e non la connessione di terra di sicurezza o di schermatura della macchina o delle macchine presenti nel luogo di registrazione. Peraltro se così fosse si metterebbe a rischio di folgorazione il paziente che deve sempre e comunque rimanere isolato da tutto affinché, se proprio deve succedere un guaio, si salvi comunque, come un piccione sul filo dell'alta tensione.
====Sicurezza elettrica degli apparati====
Un guasto di una apparecchiatura alimentata da energia elettrica che abbia un contatto diretto galvanico con la cute del paziente può mettere a rischio la salute di quest'ultimo poiché una corrente elettrica potenzialmente pericolosa potrebbe scorrere nel soggetto che, per giunta, non può in genere difendersi.
Questo problema è di solito inesistente in apparecchi alimentati a batterie a bassa tensione (da 3 a 15 V), ma diventa importante in apparecchi a tensione di rete. Per quanto una sicurezza assoluta non possa essere raggiunta per tutti i casi possibili, normalmente si ritiene adeguato un isolamento, dei circuiti collegati al paziente (alimentati a bassa tensione) da quelli restanti dell'apparecchiatura, effettuato da un accoppiamento magnetico (trasformatore di isolamento) o ottico (optoaccoppiatore o fotoaccoppiatore). Il trasformatore di isolamento è in genere il modo più semplice dal punto di vista tecnico, ma è anche quello che può costituire la maggior parte dei problemi quanto a fedeltà delle registrazioni. In entrambi i casi un isolamento del paziente dal resto del circuito minimizza anche il rumore a 50 Hz indotto.
I livelli di sicurezza delle apparecchiature per EMG sono normati da apposite norme armonizzate a livello europeo che vengono usate per valutare la qualità degli strumenti. Un grado "minimo" di sicurezza deve comunque essere presente nelle apparecchiature secondo varie direttive europee. Solo se questo grado minimo di sicurezza è raggiunto, l'apparecchiatura può essere munita del marchio di conformità europea (CE) che ne consente la circolazione commerciale nell'ambito di tutti gli Stati dell'Unione Europea.
===Elaborazione del segnale EMG===
Per parecchio tempo la forma più comune di elaborazione del segnale EMG è stata quella di farne l’integrale della forma rettificata. Questa viene ottenuta rettificando il segnale, cioè facendo diventare positive, con opportuni circuiti elettronici, le deflessioni negative del tracciato. Successivamente il segnale così ottenuto viene integrato, cioè viene fatto passare in un circuito passa basso che fornisce in uscita un segnale estremamente più morbido poiché media istante per istante tutti i picchi del segnale originale rettificato.
Questo tipo di elaborazione fu particolarmente popolare poiché era facile ad essere implementato con semplici circuiti elettronici ben prima dell’avvento dei calcolatori e dell’elaborazione informatica dei dati.
Oggi, più appropriatamente, soprattutto grazie all’uso di elaborazioni digitali dei segnali, viene usato il valore quadratico medio (root mean square o rms) del segnale.<ref>E M Spinelli 1, N H Martinez, M A Mayosky. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11410389/ A single supply biopotential amplifier.] Med Eng Phys. 2001 Apr;23(3):235-8. doi: 10.1016/s1350-4533(01)00040-6.<br /></ref> In questo caso ogni valore del segnale viene posto al quadrato e poi mediato nel tempo. Anche in questo caso i valori negativi del segnale divengono positivi per il fatto che il quadrato di un valore negativo fornisce un valore positivo. Un altro tipo di elaborazione è quella che fornisce il valore medio rettificato. Questa e la rettificazione integrata sono misure indicative approssimativamente dell’area sottesa al segnale EMG, ma non hanno un preciso significato fisico o, tanto meno, fisiologico o clinico. Il valore rms, invece, è una misura della potenza del segnale e quindi ha un significato clinico più interessante. Per questo è oggi sempre più utilizzato.
Oltre a queste misure relative alla ampiezza del segnale, occorre ricordare le misure relative ai tempi di insorgenza dei vari segnali EMG. Tali tempi possono essere correlati con uno stimolo meccanico o elettrico esterno, come avviene nello studio dei riflessi, ovvero con movimenti, forze esercitate o applicate con l’esterno da uno o più segmenti scheletrici. Tali misure rivestono interesse nello studio della biomeccanica.
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| autore= Enrico Maria Staderini
| autore2= Gianni Frisardi
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<br />
==Generalità==
[[File:Masseter muscle Fourier trasformer.jpg|thumb]]
Un segnale è per definizione niente altro che la rappresentazione grafica dell’andamento temporale di una grandezza fisica. Nel caso del sEMG tale grandezza è la differenza di potenziale generata dal muscolo nella sua contrazione e registrata sulla cute. La rappresentazione grafica di essa è l’elettromiogramma o tracciato elettromiografico o segnale elettromiografico o sEMG.
Quando si rivela e si registra un segnale EMG occorre tenere presenti due aspetti principali che influenzano la fedeltà della registrazione: il rapporto segnale-rumore e la distorsione. Il primo è definito come il rapporto tra l'energia del segnale utile (ovvero quello voluto) e l'energia del rumore. Quest'ultimo è costituito non solo dal rumore vero e proprio (che potremmo immaginare come il fruscio di fondo dei vecchi dischi a 78 giri), ma anche da qualsiasi altro segnale che semplicemente non sia voluto, ad esempio il segnale cardiaco o quello di altri muscoli o quello dovuto ad artefatti. La distorsione, invece, è una alterazione della forma del tracciato EMG utile che si manifesta matematicamente come una variazione non voluta delle componenti in frequenza del segnale EMG.
Il rapporto segnale-rumore e la distorsione sono due problemi che, alterando la rappresentazione del segnale registrato, possono alterare, modificare o nascondere l'informazione che il segnale EMG ci deve convogliare.
E' ormai ben noto che l'ampiezza del segnale EMG è di natura aleatoria e che può essere rappresentata da una distribuzione gaussiana. Il segnale EMG non è dunque perfettamente prevedibile a priori, nemmeno analizzando un tratto di tracciato immediatamente precedente a quello che si vuole predire. Ma questo è proprio ciò che ci si aspetta da un segnale che deve convogliare informazione secondo la teoria di Shannon.
L'ampiezza del segnale EMG di superficie dipende da molteplici fattori fisiopatologici e tecnici. Escludendo questi ultimi possiamo considerare segnali EMG che abbiano una escursione massima da 1.5 a 10 mV. Le frequenze presenti nel segnale EMG vanno da 0 a 500 Hz, ma la banda utile a fini diagnostici e clinici va da 50 a 150 Hz. Ovviamente i segnali utilizzabili in questa banda sono solo quelli che hanno un'intensità superiore a quella del rumore nella stessa banda.
===Caratteristiche del rumore nel segnale EMG===
====Rumore elettronico dell'amplificatore====
Una sorgente, ineliminabile, di rumore e quella presente intrinsecamente negli stessi circuiti elettronici di amplificazione e condizionamento del segnale EMG. Questo rumore ha frequenze che si estendono dalla continua (0 Hz) fino a decine di KHz. Per minimizzare questo rumore occorre utilizzare tecniche di progettazione degli amplificatori allo stato dell'arte e componenti elettronici di alta qualità.
''Rumore ambientale elettromagnetico''
Un'altra fonte di rumore altamente fastidiosa è quella dovuta al rumore ambientale. Questo origina da radiazioni elettromagnetiche (radio, televisione, telefoni cellulari, linee di distribuzione dell'energia elettrica, apparecchi elettrici ed elettronici, ecc.) che continuamente inondano il corpo umano quando si trova negli ambienti delle moderne città. La massima importanza viene rivestita dal cosiddetto rumore a 50 Hz (60 Hz nel continente americano ed in Giappone) causato dalla emissione elettromagnetica dei fili elettrici per la erogazione dell'energia elettrica. Il rumore a 50 Hz, detto anche "rumore di rete" o "alternata" o "hum", è particolarmente disturbante poiché raggiunge spesso livelli che sono da 100 a 1000 volte superiori a quelli del segnale EMG stesso. La lotta contro il rumore di rete viene condotta in vari modi quali: la progettazione di amplificatori appropriati per minimizzare la registrazione del rumore a 50 Hz, la adeguata pratica di posizionamento degli elettrodi, e, per finire, la registrazione eseguita in particolari camere schermate (gabbia di Faraday).
====Artefatti di movimento====
Ulteriori disturbi nella registrazione fedele di un segnale EMG possono derivare dagli artefatti di movimento. Ciò è di particolare interesse nella registrazione dell'EMG di superficie poiché è evidente che il movimento viene sicuramente dato dal muscolo sottostante alla cute dove sono applicati gli elettrodi. Si descrivono almeno due diverse tipologie di artefatti da movimento. Il primo e più ovvio è quello che deriva da una variazione della superficie di elettrodo affacciata alla cute. Questo avviene più facilmente per elettrodi grandi e rigidi piuttosto che con elettrodi piccoli e flessibili così da adattarsi meglio e più rapidamente alla variazione della curvatura della cute sul muscolo durante la contrazione di questo. Il secondo è dovuto al movimento dei cavetti che collegano gli elettrodi all'amplificatore. In questo secondo caso l'artefatto è essenzialmente dovuto a variazioni capacitive in ingresso all'amplificatore e ciò può essere abbastanza facilmente minimizzato con una adeguata progettazione degli stadi di ingresso dell'amplificatore. Questi artefatti hanno comunque uno spettro che si aggira tra 0 e 20 Hz; in una banda, cioè, che è esterna a quella utile per la registrazione dell'EMG e quindi possono eventualmente essere eliminati da appositi circuiti di filtraggio senza alterare troppo il segnale utile.
====Aleatorietà del segnale EMG====
L'ultima e meno scontata fonte di rumore nel segnale EMG è la natura quasi-aleatoria del segnale EMG stesso. Ciò avviene soprattutto nella regione da 0 a 20 Hz dello spettro ed è dovuta alla frequenza aleatoria della scarica delle unità motorie. Le unità motorie, peraltro, hanno una frequenza di attivazione proprio nella gamma da 0 a 20 Hz. La natura instabile di queste componenti del segnale dovrebbe farle considerare alla stregua di un rumore ed essere quindi cancellate con dei filtri. Cosa che viene normalmente fatta. Purtroppo, il lettore non esperto in teoria dei segnali può non capire fino in fondo il discorso appena fatto. La cancellazione di segnali nella banda da 0 a 20 Hz, quella nella quale sono presenti le frequenze di ripetizione delle unità motorie, sembrerebbe un controsenso che porterebbe alla cancellazione di qualsiasi contenuto informativo nel segnale.
Ma un esempio della vita comune ci potrebbe venire dall'ascolto di una musica rock a tutto volume proveniente dall'autoradio di una macchina vicina a noi, entrambi in attesa al semaforo. Ciò che riceviamo è solo un ritmico susseguirsi di tonfi di tamburo. Ma se il guidatore della macchina vicina abbassa il finestrino possiamo subito percepire la musica. Prima che il finestrino si abbassasse ricevevamo molto meglio il ritmo (a bassa frequenza) degli altri suoni (che andavano sempre allo stesso ritmo della musica ma che avevano un timbro, ovvero un contenuto di frequenze, più alto) i quali il ritmo stesso ci impediva di comprendere. Nel caso dell'esempio si è dovuto abbassare il finestrino (per far passare la musica) mentre nel caso dell'EMG si cancellerà il ritmo (per vedere meglio il segnale).
===Elettrodi===
Tutti sanno che la registrazione di segnali elettrici biologici parte dagli elettrodi, ma pochissimi si rendono conto della reale "necessità" di questi. Sembra che gli elettrodi siano qualcosa di connaturato alla registrazione e nessuno di fatto si pone il problema di capire cosa essi ci stiano a fare.
In realtà il problema è molto semplice. I circuiti elettronici di amplificazione e registrazione dei segnali EMG sono fatti essenzialmente di fili elettrici. Tali fili sono metallici ed in essi scorrono cariche elettriche abbastanza comuni e di un solo tipo: gli elettroni. Sicuramente tutti sanno che nei fili elettrici scorrono elettroni. Pochi però si pongono il dubbio di capire se per caso possano scorrere elettroni anche nel corpo umano. Sicuramente i potenziali cellulari, che sono alla base delle differenze di potenziali rilevabili sulla cute, fanno scorrere delle correnti elettriche, cioè dei flussi di cariche elettriche. Ma queste cariche, nei tessuti del corpo non possono essere elettroni. Nel corpo, infatti, è ben difficile trovare elettroni liberi di muoversi così come avviene in un reticolo metallico. Ma nel nostro corpo abbiamo altri portatori di carica elettrica: gli ioni. Gli ioni sono "pezzi" di molecole che hanno una carica elettrica netta diversa da zero. Essi sono molto diversi dagli elettroni: possono pesare decine e centinaia di migliaia di volte di più e possono avere una carica elettrica multipla di quella di un elettrone e anche di segno opposto. Purtroppo possono scorrere solo in un ambiente acquoso e certamente non in un filo elettrico. Allora la situazione è questa: abbiamo una corrente elettrica i cui portatori sono gli elettroni nei fili dell'amplificatore ed una corrente elettrica i cui portatori sono gli ioni nel corpo e nei tessuti. Come possiamo fare in modo che la carica elettrica possa scorrere in un circuito "misto" in questa maniera? Come possiamo fare in modo che i portatori si scambino la carica elettrica? E' proprio questa la importantissima cosa che avviene nell'elettrodo. Qui una reazione chimica scambia cariche elettriche tra elettroni e ioni. L'unica reazione chimica che fa questo è la reazione che va sotto il nome di ossidoriduzione. Ecco dunque lo scopo degli elettrodi: garantire un luogo dove possa avvenire una reazione di ossidoriduzione che "chiuda il circuito" e che consenta alle cariche elettriche di continuare a fluire dai tessuti del corpo all'amplificatore e viceversa facendo così in modo che i biopotenziali presenti sulla cute possano essere rivelati ed amplificati.
Per questo gli elettrodi sono così importanti e non banali pezzetti di filo da collegare alla cute.
Se nessuno avesse ancora inventato un elettrodo, si potrebbe pensare di farlo come segue. Intanto sembrerebbe opportuno farlo in due pezzi: una parte metallica per il collegamento con il filo elettrico che va all’amplificatore ed una parte salina, attaccata alla precedente, in grado di partecipare alla reazione di ossidoriduzione. Inoltre potrebbe essere importante che la resistenza dell’elettrodo fosse la più piccola possibile per evitare che si abbia sull’elettrodo una eccessiva caduta di tensione e quindi si misuri un valore inutilmente più piccolo sul tracciato. Così si dovrebbe scegliere un metallo a bassa resistività (e adeguata tollerabilità dermatologica) come l’argento (non l’oro perché troppo costoso). Per quanto riguarda la parte salina ovviamente si sceglierà a questo punto un sale d’argento. Quale? Siccome l’elettrodo va messo sulla pelle che è in diretta comunicazione con i liquidi extracellulari del derma ricchi di cloro, si sceglierà ad esempio il sale cloruro d’argento. E allora l’elettrodo sarà fatto così: una placchetta d’argento metallico ricoperta da una patina di cloruro d’argento nella zona che deve andare a contatto con la pelle. Per concludere potremmo prevedere una spugnetta imbevuta di una soluzione di cloruro d’argento in acqua per garantire l’opportuna mobilità degli ioni. Sarebbe bene che il tutto fosse al riparo dalla luce. Questa infatti scinde i sali d’argento. E così abbiamo “inventato” un bell’elettrodo. Ma come funziona?
La reazione di ossidoriduzione che avviene tra l’elettrodo e la pelle è la seguente:
<math>Ag+Cl\Leftrightarrow AgCl+e^-</math>
e sembra funzionare tutto bene. In particolare, essendo la reazione reversibile, si ha la possibilità di uno scorrimento della corrente in ambedue le direzioni con la stessa reazione di ossidoriduzione. L’elettrodo si dice reversibile. Ma che succede se la corrente dovesse scorrere sempre in una sola direzione come si ha proprio in una misura elettromiografica di lunga durata? In questo caso l’elettrodo potrebbe “consumarsi” nel senso che lo strato di cloruro potrebbe passare tutto in soluzione e l’argento metallico entrare direttamente in contatto con la pelle. Allora l’elettrodo si dice esauribile. Un elettrodo argento/argento-cloruro è un elettrodo reversibile ed esauribile. L’esaurimento dell’elettrodo non è una cosa positiva. Per fare una misura con l’amplificatore ci vogliono almeno due elettrodi. Ognuno di essi “vedrà” probabilmente una concentrazione diversa di ioni cloro nella zona dove è stato posto. Questo farà sì che ogni elettrodo genererà un proprio potenziale di semicella (equazione di Nerst) diverso dall’altro. Tale potenziale è anche noto con il nome di potenziale di giunzione liquida. Essendo i due potenziali diversi, essi non si annulleranno a vicenda e quindi si misurerà il valore del potenziale muscolare sommato alla differenza dei potenziali di semicella degli elettrodi. Il potenziale elettrico muscolare ha valori ben inferiori al millivolt mentre il potenziale di giunzione liquida ha valori dell’ordine del volt. Questo fatto rende la misura un po’ complicata e pur tuttavia si può convivere con questo fenomeno e ottenere delle buone registrazioni. Questo almeno fino a quando l’elettrodo è in buono stato! Quando il cloruro si è consumato tutto, infatti, il potenziale di semicella diventa impredicibile ed erratico dipendendo da altri ioni presenti nella zona oltre che dalle impurità presenti nell’argento. Ben difficilmente l’amplificatore elettromiografico potrà ora compensare ed ovviare a questo effetto. A questo punto si dice che l’elettrodo si è polarizzato e può essere gettato nella spazzatura senza rimpianti.
Sarebbe bello allora inventare un elettrodo inesauribile. Uno lo potremmo fare con una placchetta di platino metallico. Il platino catalizza l’elettrolisi dell’acqua (ci troviamo ovviamente in un ambiente acquoso) e abbiamo questa reazione:
<math>e^-+H_2O\rightarrow OH^- +\frac{1}{2} H_2</math>
Stavolta si tratta però di una reazione non reversibile e quindi invertendo il senso della corrente deve avvenire una reazione diversa:
<math>H_2O\rightarrow2H^++\frac{1}{2}O_2+2e^-</math>
Abbiamo così un elettrodo inesauribile (il platino catalizza la reazione, ma non ne prende parte chimicamente e quindi non si consuma), ma irreversibile. La produzione di gas nella reazione di elettrolisi non è affatto comoda (il gas tende ad isolare l’elettrodo dalla pelle) e dunque questo tipo di elettrodo non è particolarmente utile.
Per quanto esistano almeno altri due o tre tipi di elettrodi per elettromiografia, quello Ag/AgCl è il più usato ed è ormai in vendita a meno di 1000 lire l’uno.
Storicamente si ricorda un elettrodo divertente: era l’elettrodo “spray-on” sviluppato dalla NASA per il monitoraggio dell’elettrocardiogramma dei primi astronauti. Lo spray-on era realizzato spruzzando grafite colloidale (polvere di carbone) sulla pelle che ne risultava praticamente verniciata. La grafite (conduttiva) creava un contatto intimo con la pelle e sulla “macchia nera” si poteva semplicemente appoggiare un normale filo metallico. Oggi l’elettrodo spray-on non è quasi più utilizzato.
==Caratteristiche elettriche degli amplificatori==
La progettazione dell'amplificatore è la parte più critica dei dispositivi elettronici che vengono usati per registrare il segnale EMG. La fedeltà del segnale EMG rilevato dagli elettrodi e dall'amplificatore influenza tutte le successive fasi di elaborazione e presentazione e nulla può essere fatto per ripristinare un segnale acquisito in maniera sbagliata e distorta. Una serie di caratteristiche sono importanti a questo fine; sono spesso reclamizzate dalle Case costruttrici della strumentazione, ma molto più raramente comprese dagli utilizzatori.
===Amplificazione differenziale e CMRR===
[[File:Opamppinouts.png|thumb|Operational amplifier symbol. The inverting and non-inverting inputs are distinguished by "−" and "+" placed in the amplifier triangle. V<sub>s+</sub> and V<sub>s−</sub> are the power-supply voltages; they are often omitted from the diagram for simplicity but must be present in the actual circuit.]]
Come detto precedentemente il problema del rumore a 50 Hz è potenzialmente un inconveniente piuttosto difficile da eliminare. La tecnica universalmente adottata per affrontarlo parte dal concetto che tale rumore dovrebbe essere lo stesso in tutti i punti del corpo mentre diverso deve essere il segnale bioelettrico da acquisire negli stessi punti. Quindi viene usato un amplificatore differenziale. Questo può essere pensato come costituito da due amplificatori uguali i cui segnali di uscita vengono sottratti l'uno dall'altro da un opportuno modulo di sottrazione. Se il segnale disturbante è uguale ai due ingressi allora esso sarà cancellato all'uscita dal sottrattore mentre il segnale utile, diverso ai due ingressi, sarà amplificato in maniera "cosiddetta" differenziale. Il segnale disturbante uguale ai due ingressi si chiama anche segnale di "modo comune". Ogni segnale generato lontano dal corpo ha grandi possibilità di essere visto come un segnale di modo comune mentre tutti i segnali generati vicino al corpo o dentro di esso saranno segnali "differenziali". Quindi il rumore generato per induzione elettromagnetica dalle linee di erogazione dell'energia elettrica a 50 Hz sarà attivamente cancellato dalla registrazione finale del segnale EMG. Ovviamente questa spiegazione richiede la disponibilità di sottrattori altamente accurati poiché bisogna ricordare che il segnale di modo comune può anche essere migliaia di volte più grande del segnale differenziale. In pratica una sottrazione perfetta non può mai essere ottenuta, ma solo approssimata con livelli di qualità più o meno elevati. L'accuratezza con la quale il sottrattore effettua la differenza dei segnali provenienti dai due ingressi può essere espressa numericamente mediante il parametro CMRR dell'amplificatore. Il CMRR è il "rapporto di reiezione di modo comune" e rappresenta il rapporto tra l'amplificazione del segnale differenziale e l'amplificazione del segnale di modo comune (molto bassa e tendente a zero a causa del sottrattore). Pertanto un sottrattore perfetto, e ideale, avrà un CMRR pari a infinito. Praticamente si hanno valori di CMRR che vanno da 90 e 120 dB (la misura viene espressa in dB come 20 volte il logaritmo in base dieci del rapporto detto sopra).<ref>Wang Yang. [https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1846/1/012034/pdf A New Type of Right-leg-drive Circuit ECG Amplifier Using New Operational] Amplifier.Journal of Physics: Conference Series '''1846''' (2021) 012034 doi:10.1088/1742-6596/1846/1/012034
</ref><ref>Bruce B. Winter; John G. Webster. [https://ieeexplore.ieee.org/document/4121504/authors#authors Driven-right-leg circuit design]. Journals & Magazines IEEE Transactions on Biomedic..Volume: BME-30 Issue: 1</ref>
Per quanto possa sembrare strano ci sono almeno tre ragioni per le quali non è sensato avere un CMRR molto alto: la prima è che amplificatori ad altissimo CMRR tendono a costare in maniera esagerata; la seconda è che tali amplificatori sono sempre meno stabili e affidabili nel lungo periodo all'aumentare del valore di CMRR e la terza è che i segnali di modo comune non sono proprio necessariamente di modo comune in senso assoluto potendo avere piccole variazioni di fase o di ampiezza che vanificano il migliore CMRR. Inoltre alterazioni o asimmetricità degli elettrodi possono avere effetti drammatici nell'abbassare il CMRR complessivo di un amplificatore peraltro, in sé, di buona qualità.
====Impedenza di ingresso====
L'impedenza di un circuito nel quale scorrono correnti alternate (non aventi cioè sempre lo stesso verso e la stessa intensità nel tempo) è l'equivalente della resistenza per circuiti in corrente continua. La differenza sta nel fatto che l'impedenza varia al variare della frequenza delle correnti e quindi si ottiene in generale un effetto di filtraggio per cui certi segnali ad una certa frequenza possono essere registrati con valori di intensità maggiori o minori a seconda della impedenza dei circuiti (tipicamente elettrodi e cavetterie) nei quali sono transitati.
In particolare, per evitare attenuazioni e distorsioni non volute, occorre che l'impedenza della cute e dell'elettrodo sia la più piccola possibile e, contemporaneamente, che l'impedenza di ingresso dell'amplificatore sia la più alta in modo che la corrente richiesta al generatore biologico che scorre nei circuiti esterni, sia minore. I circuiti elettronici moderni consentono di realizzare amplificatori con impedenze di ingresso che possono arrivare fino anche a 10<sup>12</sup> ohms con capacità di ingresso dell'ordine di alcuni picofarads. Considerando che la tensione dovuta al segnale EMG di superficie è dell'ordine di 10 mV, con una impedenza di 10<sup>12</sup> ohms si ha una corrente piccolissima negli elettrodi e nell'amplificatore pari a circa qualche migliaio di elettroni (!) al secondo. Ma non è solo il valore assoluto della corrente di ingresso nell'amplificatore ciò che conta: molto importante è anche il bilanciamento delle correnti in tutti i circuiti degli elettrodi. Questo richiede non solo una accurata progettazione degli amplificatori, ma anche una accurata metodica di effettuazione della misura.
====Progettazione ed utilizzo di "elettrodi attivi"====
La richiesta di una impedenza di ingresso degli amplificatori assai elevata introduce un problema noto come accoppiamento capacitivo agli ingressi.
Infatti, con una altissima impedenza di ingresso non può più nemmeno essere trascurata la capacità, piccolissima, tra i cavetti degli elettrodi ed i fili elettrici della rete di distribuzione della energia elettrica. La soluzione a questo consiste nel diminuire la lunghezza dei cavetti degli elettrodi ovvero di avvicinare il più possibile l'amplificatore agli elettrodi. Tanto vicino da incorporarlo nell'elettrodo stesso così da ottenere un "elettrodo attivo". Il segnale già preamplificato viene quindi inviato allo strumento su cavetti a bassa impedenza assolutamente immuni al problema detto sopra.
====Filtraggi====
Ma anche con le considerazioni dette sopra ed i metodi più scrupolosi, il segnale EMG di superficie può essere ancora contaminato da segnali non voluti che possono essere eliminati con varie tecniche di filtraggio. Queste si basano su circuiti (o programmi software nel caso di filtri digitali) che lasciano passare in maniera quasi immodificata i segnali utili ed attenuano fortemente i segnali di rumore o comunque non voluti. Per il segnale EMG di superficie i filtri possono lasciar passare segnali nella banda da 20 a 500 Hz con una attenuazione fuori banda che discende di 12 dB/ottava cioè di 12 dB per ogni raddoppio o dimezzamento della frequenza a partire da quelle limite minima e massima.
''Stabilità degli elettrodi''
Per stabilità degli elettrodi si deve intendere la stabilità meccanica, elettrica ed elettrochimica. Della stabilità meccanica si è già detto. Le stabilità elettrica ed elettrochimica hanno a che fare con l'andamento della reazione di ossidoriduzione che avviene nell'elettrodo al contatto con la cute e con le caratteristiche elettriche di questa. Normalmente si possono avere problemi dovuti a variazioni abnormi dello stato di idratazione dell'elettrodo come la essiccazione o la troppa umidità ad esempio dovuta al sudore. <ref>J.V. Basmajian and C.J. De Luca, ''Muscles Alive. Their Functions Revealed by Electromyography'', fifth edition (Williams and Wilkins, Baltimore, 1985).</ref>
===Geometria e posizionamento degli elettrodi===
Nella storia delle registrazioni elettromiografiche la forma e la disposizione della superficie dell'elettrodo non ha mai ricevuto una grande attenzione. Questo probabilmente perché si dava maggiore risalto ad una valutazione qualitativa del segnale e, peraltro, tale impostazione si è mantenuta anche per le metodiche approssimate che sono state utilizzate. Ad oggi ancora lo studio del segnale EMG di superficie non ha raggiunto una reputazione "quantitativa" stabile. Ciò è ancor più curioso se si considera che un altro particolare "segnale EMG di superficie", quello del muscolo cardiaco o elettrocardiogramma ECG, è ormai assestato come esame di indiscusso interesse clinico.
Peraltro la elaborazione del segnale con mezzi informatici pone oggi importanti problemi per una quantificazione o almeno una oggettivazione della misura elettromiografica.
====Distanza tra gli elettrodi====
La distanza tra gli elettrodi influenza grandemente la banda, l'ampiezza e la fase del segnale EMG. Questo significa che la distanza tra gli elettrodi influenza, anche grandemente, la forma del segnale e quindi ne produce una sorta di distorsione. Il fatto che influenzi anche la fase ci dice che da questo dipendono anche le misure di tempo (ritardi, latenze, periodi) che dal segnale EMG possono venir estrapolati in riferimento a eventi esterni di stimolazione. In ultima analisi la distanza tra gli elettrodi, per quanto poco valutata in pratica, è un parametro fondamentale per poter effettuare misure EMG quantitative, cioè riproducibili e quindi confrontabili.<ref>A C MettingVanRijn 1, A Peper, C A Grimbergen. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/7934255/ Amplifiers for bioelectric events: a design with a minimal number of parts.] Med Biol Eng Comput1994 May;32(3):305-10. doi: 10.1007/BF02512527.<br /></ref>
E' chiaro dunque che sarebbe assai preferibile che l'insieme degli elettrodi fosse montato su un supporto rigido in modo che la disposizione degli elettrodi non possa variare in montaggi successivi sullo stesso soggetto o su soggetti diversi (in condizioni anatomiche confrontabili). La distanza tra gli elettrodi dipende anche dalla grandezza di questi e dal fatto di dover fare misure su piccoli muscoli senza essere disturbati da segnali EMG provenienti da muscoli vicini. Spesso una distanza minima di 1 cm viene considerata adeguata, ma ci sono applicazioni dove la distanza è ancora minore.<ref>E M Spinelli 1, N H Martínez, M A Mayosky. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10612904/ A transconductance driven-right-leg circuit] . IEEE Trans Biomed Eng1999 Dec;46(12):1466-70. doi: 10.1109/10.804574.<br /></ref>
Piccole distanze in genere non vengono usate poiché si ritiene che i segnali possano essere alterati dalle condizioni locali. Il sudore è considerato in questi casi un pericolo perché tende a "cortocircuitare" gli elettrodi sulla pelle. La cosa è controversa e dall'autore non viene ritenuta valida. Infatti al di là della cute, all'interno, esiste un "cortocircuito" naturale costituito dai fluidi extracellulari del sottocutaneo e del derma. Un "cortocircuito" esterno, avente per lo più una impedenza analoga a quella dell'interno, non dovrebbe quindi alterare la misura. Si contesta che in questo modo sarebbe inutile costruire amplificatori ad altissima impedenza di ingresso. Ma il "cortocircuito" avverrebbe tra gli elettrodi, non tra i fili che dall'elettrodo vanno all'amplificatore, e l'alta impedenza di questo continua ad avere la sua rilevanza per contrastare la stessa impedenza di elettrodo. Si contesta anche che non sarebbe possibile, per lo stesso motivo, effettuare misure EMG in acqua, mentre l'autore ha regolarmente realizzato sistemi elettromiografici radiotrasmittenti da nuotatori. Peraltro nessuno ha mai messo in discussione misure di biopotenziali, ad esempio ECG, effettuati in ambienti "umidi" come ad esempio l'ECG intraesofageo o addirittura le misure invasive di biopotenziali.<ref>Palla´s-Areny R, Webster JG. AC amplifiers. In: ''Analog signal processing''. (Wiley, New York, 1999:97–109).</ref>
====Grandezza e forma degli elettrodi====
E' sicuro che tanto più grande è la grandezza dell'elettrodo, tanto maggiore è il livello del segnale registrato e minore il rumore ottenuto. Ma un grande elettrodo ha poi lo svantaggio di acquisire segnali da muscoli diversi o da parti del muscolo che non sono di interesse; in particolare si perde in selettività spaziale. Allora ci vorrebbe un elettrodo che prendesse il maggior numero di fibre muscolari da una parte ristretta e con basso rumore. E' evidente che queste richieste sono in conflitto e occorre qualche compromesso.
Alla convenzionale forma circolare si stanno oggi affiancando altre conformazioni come quella ad array o a barra con vantaggi e svantaggi relativi. La forma "giusta" rimane comunque un raggiungimento per tentativi più o meno euristici e dipendenti dall'operatore.
====Localizzazione e posizionamento degli elettrodi====
Gli elettrodi dovrebbero essere posizionati tra un punto motorio di innervazione del muscolo ed il tendine o tra due punti motori e orientati sulla linea longitudinale mediana del ventre muscolare. Così l'asse longitudinale degli elettrodi dovrebbe essere allineato in parallelo con la lunghezza delle fibre muscolari.
Gli elettrodi non devono essere messi in prossimità del tendine. In tali punti le fibre muscolari sono fini e scarse ed inoltre si corre il rischio di "ricevere" segnali EMG di altri muscoli (ad es. agonisti).
Ugualmente gli elettrodi non devono essere posti sul punto motorio, anche se questo è un preconcetto difficile da abbattere. Il punto motorio è quel punto sul muscolo (e la equivalente sua proiezione sulla cute) dove l'iniezione di una minima corrente provoca una ben definita contrazione del muscolo stesso. Di solito, ma non sempre, questo punto corrisponde a quella parte del muscolo dove c'è l'innervazione e si ha quindi la più alta densità di neuroni.
Ma dal punto di vista della stabilità del segnale, la misura con due elettrodi in prossimità del punto motorio è la peggiore situazione nella quale ci si possa mettere. Da tale regione, infatti, i potenziali elettrici di attivazione delle fibre muscolari di propagano prossimalmente e distalmente e le relative fasi positive e negative si sommano o si sottraggono sugli elettrodi fornendo un segnale molto distorto e anche costituito da picchi secchi ed improvvisi a causa dell'aleatoria situazione. La stabilità è qui particolarmente compromessa poiché è evidente come piccoli spostamenti dell'elettrodo causeranno variazioni enormi del tracciato e delle sue caratteristiche in frequenza e fase.
E' inoltre sconsigliabile porre gli elettrodi agli estremi del muscolo (uno sull'origine ed uno sulla inserzione). In questo caso si pone sotto rilevazione un volume di tessuti troppo elevato ed è facile avere segnali di muscoli non di interesse.
====Orientazione rispetto alle fibre muscolari====
Appare dunque chiaro che l'asse longitudinale della configurazione di elettrodi debba essere parallelo alle fibre muscolari. In questo modo la maggior parte delle fibre presenti in quell'area saranno registrate insieme con le caratteristiche spettrali del segnale. Questo è importante poiché l'indipendenza dello spettro del segnale da qualsiasi fattore trigonometrico eviterà una stima erronea della velocità di conduzione. Per motivo analogo saranno più valide e ripetibili le eventuali misure di ritardo, periodo, latenze, ecc.
===Il "misterioso" elettrodo di riferimento===
Il guaio principale dell'elettrodo di riferimento è che nella stragrande parte delle apparecchiature elettromiografiche esso viene chiamato "ground" o "terra". Esso viene quindi percepito dall'operatore, solitamente ignaro di aspetti elettronici o bioelettrici, come un qualcosa che ha a che fare con la sicurezza del paziente o con la lotta ai disturbi indotti (ad es. il rumore a 50 Hz che sarebbe in questo modo "disperso" verso "terra" come si farebbe con un elettrodomestico). Ciò è assolutamente falso e generatore di grandi insuccessi e perdite di tempo.
E' stata già spiegata la necessità e l'importanza di usare un amplificatore differenziale per la registrazione dei segnali bioelettrici. Si è detto al proposito che un amplificatore differenziale è di fatto costituito da due amplificatori che amplificano il potenziale in due punti e poi se ne fa la differenza istante per istante. Bene ogni amplificatore avrà due elettrodi tra i quali misurerà la differenza di potenziale. Considereremo un elettrodo da porre in prossimità del muscolo temporale destro del paziente in figura 1 ed un altro elettrodo da porre in una qualsiasi altra parte del cranio. Si avrà dunque una registrazione della differenza di potenziale tra il muscolo e l'elettrodo di riferimento. Se useremo un secondo amplificatore del quale disporremo gli elettrodi tra un'altra zona del muscolo e lo stesso elettrodo di riferimento oppure un altro riferimento posizionato sul drago dell'orecchio come in figura 1, avremo un'altra registrazione della differenza di potenziale tra l'altra zona e precisamente tra il massetere ed il drago. La differenza tra le due (cioè la differenza delle due differenze di potenziale) sarà la differenza di potenziale tra le due zone del muscolo! Sembra uno scioglilingua ma facciamo due calcoli per chiarire meglio il concetto.
Sia <math>V_a</math> la differenza di potenziale elettrico tra l’elettrodo <math>A</math> e l’elettrodo di riferimento <math>C</math>; per l’altro elettrodo si abbia di conseguenza <math>V_b</math>. Il valore <math>V_a</math> sarà dato dalla somma di due componenti: il valore della differenza di potenziale biologico in quella zona (<math>V_{ac}</math>) più il segnale di modo comune, ad esempio quello a 50 Hz (<math>V_n</math>). In modo equivalente sarà per <math>V_b</math>. In formule:
<math>V_a=V_{ac}+V_n</math>
<math>V_b=V_{bc}+V_n</math>
Sappiamo che l’amplificatore differenziale amplifica la differenza degli ingressi e quindi l’uscita <math>V_o</math> dell’amplificatore differenziale, dopo una amplificazione di 1 volta (per semplificare), sarà:
<math>V_o=V_a-V_b=V_{ac}-V_n-(V_{bc}-V_n)</math>
quindi, sviluppando l’algebra dei segni e semplificando:
<math>V_o=V_a-V_b=V_{ac}-V_{bc}</math>
Stessa identica procedura per il muscolo massetere(D,E,R)
E questa è proprio la differenza di potenziale tra le due zone del muscolo sotto gli elettrodi A e B. Come si vede dalla formula il segnale di modo comune è sparito nella formula finale, cioè poteva essere qualsiasi, sempre supponendo che la tensione di modo comune tra uno qualsiasi dei due elettrodi A o B e l’elettrodo di riferimento sia uguale a quella dell’altro.
[[File:Riferimento 2.jpg|left|thumb|'''Figura 1:''' Posizionamento degli elettrodi con riferimento alla trattazione del testo]]
Infatti, proprio a causa della differenza tra i segnali dei due amplificatori dell'amplificatore differenziale, non è necessario porre il terzo elettrodo proprio sulla gamba. Potrebbe stare ovunque. Non a caso spesso tale elettrodo si chiama per l'appunto elettrodo "indifferente". Perché può essere "indifferentemente" posto in qualsiasi punto della superficie del corpo. Esso è anche "ground" o "terra" o "riferimento", ma inteso come riferimento dell'amplificatore differenziale. E' più una questione di tipo tecnico elettronico che bioelettrico. Nella registrazione elettrocardiografica ECG l'elettrodo indifferente è l'elettrodo "di gamba destra".<ref>M J Burke 1, D T Gleeson. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10721622/ A micropower dry-electrode ECG preamplifier] . IEEE Trans Biomed Eng. 2000 Feb;47(2):155-62. doi: 10.1109/10.821734.<br /></ref>
Di fatto l'elettrodo indifferente deve essere piazzato in punto lontano dal luogo della registrazione. Una zona dove possa essere ben collegato con un contatto a bassa impedenza, magari in un punto sopra una prominenza ossea (in elettroencefalografia si usa il processo mastoideo). Deve possibilmente essere, per lo stesso motivo, un elettrodo grande.
Da ricordare è il fatto che non è un elettrodo di "terra" in senso da elettricista. Spesso viene anche identificato come "isolated ground" per dire che è una "terra" o riferimento dell'amplificatore e non la connessione di terra di sicurezza o di schermatura della macchina o delle macchine presenti nel luogo di registrazione. Peraltro se così fosse si metterebbe a rischio di folgorazione il paziente che deve sempre e comunque rimanere isolato da tutto affinché, se proprio deve succedere un guaio, si salvi comunque, come un piccione sul filo dell'alta tensione.
====Sicurezza elettrica degli apparati====
Un guasto di una apparecchiatura alimentata da energia elettrica che abbia un contatto diretto galvanico con la cute del paziente può mettere a rischio la salute di quest'ultimo poiché una corrente elettrica potenzialmente pericolosa potrebbe scorrere nel soggetto che, per giunta, non può in genere difendersi.
Questo problema è di solito inesistente in apparecchi alimentati a batterie a bassa tensione (da 3 a 15 V), ma diventa importante in apparecchi a tensione di rete. Per quanto una sicurezza assoluta non possa essere raggiunta per tutti i casi possibili, normalmente si ritiene adeguato un isolamento, dei circuiti collegati al paziente (alimentati a bassa tensione) da quelli restanti dell'apparecchiatura, effettuato da un accoppiamento magnetico (trasformatore di isolamento) o ottico (optoaccoppiatore o fotoaccoppiatore). Il trasformatore di isolamento è in genere il modo più semplice dal punto di vista tecnico, ma è anche quello che può costituire la maggior parte dei problemi quanto a fedeltà delle registrazioni. In entrambi i casi un isolamento del paziente dal resto del circuito minimizza anche il rumore a 50 Hz indotto.
I livelli di sicurezza delle apparecchiature per EMG sono normati da apposite norme armonizzate a livello europeo che vengono usate per valutare la qualità degli strumenti. Un grado "minimo" di sicurezza deve comunque essere presente nelle apparecchiature secondo varie direttive europee. Solo se questo grado minimo di sicurezza è raggiunto, l'apparecchiatura può essere munita del marchio di conformità europea (CE) che ne consente la circolazione commerciale nell'ambito di tutti gli Stati dell'Unione Europea.
===Elaborazione del segnale EMG===
Per parecchio tempo la forma più comune di elaborazione del segnale EMG è stata quella di farne l’integrale della forma rettificata. Questa viene ottenuta rettificando il segnale, cioè facendo diventare positive, con opportuni circuiti elettronici, le deflessioni negative del tracciato. Successivamente il segnale così ottenuto viene integrato, cioè viene fatto passare in un circuito passa basso che fornisce in uscita un segnale estremamente più morbido poiché media istante per istante tutti i picchi del segnale originale rettificato.
Questo tipo di elaborazione fu particolarmente popolare poiché era facile ad essere implementato con semplici circuiti elettronici ben prima dell’avvento dei calcolatori e dell’elaborazione informatica dei dati.
Oggi, più appropriatamente, soprattutto grazie all’uso di elaborazioni digitali dei segnali, viene usato il valore quadratico medio (root mean square o rms) del segnale.<ref>E M Spinelli 1, N H Martinez, M A Mayosky. [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11410389/ A single supply biopotential amplifier.] Med Eng Phys. 2001 Apr;23(3):235-8. doi: 10.1016/s1350-4533(01)00040-6.<br /></ref> In questo caso ogni valore del segnale viene posto al quadrato e poi mediato nel tempo. Anche in questo caso i valori negativi del segnale divengono positivi per il fatto che il quadrato di un valore negativo fornisce un valore positivo. Un altro tipo di elaborazione è quella che fornisce il valore medio rettificato. Questa e la rettificazione integrata sono misure indicative approssimativamente dell’area sottesa al segnale EMG, ma non hanno un preciso significato fisico o, tanto meno, fisiologico o clinico. Il valore rms, invece, è una misura della potenza del segnale e quindi ha un significato clinico più interessante. Per questo è oggi sempre più utilizzato.
Oltre a queste misure relative alla ampiezza del segnale, occorre ricordare le misure relative ai tempi di insorgenza dei vari segnali EMG. Tali tempi possono essere correlati con uno stimolo meccanico o elettrico esterno, come avviene nello studio dei riflessi, ovvero con movimenti, forze esercitate o applicate con l’esterno da uno o più segmenti scheletrici. Tali misure rivestono interesse nello studio della biomeccanica.
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