Communications libres IVB: Analyse spectrale

TRAITEMENTS INFORMA TISES DES P U M

175s

Communications libres IVB: Analyse spectrale

ANALYSE

SPECTRALE

DE L'EMG

A. BLINOWSKA INSERM U138, Facult~ de M~decine, 8, rue du G~n~ral-Sarrail, 94010 Cr~teil Cedex, France

Les m&hodes de traitement du signal EMG actuellement utilisdes, en routine comme en recherche, seront pr6sent6es; leur possibilit6s et leur limites soumises ~t une analyse critique. L'analyse d'un signal, et en particulier du signal 61ectromyographique, est une proc6dure interactive, qui s'effectue, selon l'information recherch6e, soit dans le domaine du temps soit dans le domaine de la fr6quence, les deux approches apportant des contributions compldmentaires. Pour mettre en 6vidence une caract6ristique particuli~re du signal, l'investigateur cherche ~ appliquer la technique de traitement la mieux adapt6e. Ainsi, pour un signal relativement s61ectif ou pauvre, o/1 les potentiels d'unit6s motrices individuels peuvent &re identifi6s, il est int6ressant d'analyser les formes des potentiels dans le domaine temporel, en les d6crivant par un ensemble de param~tres g6om6triques, tels que la dur6e, l'amplitude, le nombre de phases, etc. ; quant h la fr6quence de d6charge d'une unit6, elle peut 8tre d&ermin6e, pour ce type de signaux, par le comptage direct (techniques des seuils). Cette m6thode d'analyse peut atteindre un niveau tr~s 61ev6 de sophistication et d'efficacit6, surtout s i y sont associ6es des techniques de reconnaissance de forme. Un signal EMG plus complexe ne se prate plus h ce genre d'analyse. L'analyse spectrale, bien que moins directe, peut alors devenir le seul moyen d'acc6der ~ certaines informations contenues dans le signal. Tel est, en effet, le cas d'un signal EMG capt6 lors de contractions musculaires importantes et/ou au moyen d'61ectrodes ~ champ de recueil 6tendu. La forme des potentiels d'action individuels des unit6s motrices se traduit alors par le contenu en hautes fr6quences du spectre de puissance du signal, tandis que la partie basse fr6quence du spectre renseigne sur la fr6quence de d6charge et sur le mode de fonctionnement (ind6pendant ou corr616) de l'ensemble des unit6s motrices du muscle. La puissance globale du signal indique, quant helle, les modifications du nombre d'unit6s actives en fonction de la force de la contraction. Le renseignement recherch6 d6finit donc la partie du spectre ~ analyser, qui, h son tour, impose un protocole d'enregistrement (type d'61ectrodes, dur6e de l'6chantiUon, contr61e de la stationnarit6 de la contraction) ainsi que la fr6quence d'6chantillonnage et le filtre antirepliement. Sur le plan technique, ranalyse spectrale d'un signal peut &re abord6e soit de mani6re classique (calcul du spectre de puissance par l'interm6diaire de la transform6e de Fourier rapide), soit par une analyse autor6gressive. Dans le premier cas, la qualit6 du spectre d6pend fortement du hombre de segments analys6s, de la fen~tre spectrale utilis~e, de la dimension de la TFR; dans le deuxibme cas, de la technique d'6valuation des param&res du module autoregressif, dont les plus courantes sont celles de Levinson (corr61ation), de Morf (covariance) et de Burg. "k

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T R A I T E M E N T S I N F O R M A TISES D E S P U M

INTERET DE L'ANALYSE G. C A R R A U L T ,

DU SIGNAL INTERFERENTIEL

P. T O U L O U S E ,

EMG

R. L E B A R S et J . F . P I N E L

Laboratoire de traitement du signal, Laboratoire de Physiologie, Universit~ de Rennes L 35042 Rennes Cedex, France

Une 6tude relative h l'analyse du signal 61ectromyographique (EMG) interf6rentiel est pr6sent6e. La premibre partie pr6cise les conditions d'observation du signal (muscles explor6s, types d'61ectrode, contr61e du niveau de force d6velopp6e), de son acquisition (filtrage, 6chantillonnage, quantification) et des pathologies neuro-musculaires explor6es. La deuxi~me partie est consacr6e h une br6ve pr6sentation des aspects m6thodologiques: - identification par modbles autor6gressifs (AR) et autor6gressifs h moyenne mobile (ARMA). Diff6rentes m6thodes d'identification ont 6t6 utilis6es en condition stationnaire: 6quations de Ule Yule (et 6quations modifi6es), maximum d'entropie, variable d'6tat, maximum de vraisemblance r6cursif (RML); - extraction de primitives (coefficients, p61es, z6ros, valeurs propres, etc.); interpr6tation ~ caract~re descriptif (analyse en composantes principales) et d6cisionnel (classification par des m6thodes non hi&archiques). La derni6re partie, qui fait l'objet d ' u n d6veloppement d6taill6, pr6sente les r6sultats obtenus. Leur discussion souligne les points suivants: filtrage du signal; - mod61e AR/modble A R M A ; - choix du muscle/pathologie neuromusculaire; - influence de la force de contraction; - 61ectrode aiguille/61ectrode de surface; dans une perspective d'aide au diagnostic. Les possibilit6s d'implantati0n et d'utilisation en temps r6el sont ensuite bri6vement r6sum6es. -

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IDENTIFICATION D'UN MODELE STATISTIQUE DE SIGNAL D'ELECTROMYOGRAPHIE DE SURFACE M.F. LUCAS Universit~ de Nantes, Laboratoire d ' A u t o m a t i q u e de I ' E N S M (UA C N R S n ° 823), 1, rue de la No~, 44072 Nantes Cedex, France

Le signal 61ectromyographique de surface enregistr6 lors de fortes contractions est un signal interf6rentiel dans lequel des contributions individuelles des unit6s motrices ne peuvent &re observ6es, et on est conduit h le d6crire ~t l'aide de quantit6s statistiques, temporelles ou spectrales. De plus il est possible, dans ces conditions, de le mod61iser par un processus gaussien-markovien. Dans le domaine clinique, des 6tudes essentiellement statistiques ont 6t6 faites, qui ont mis en 6vidence des diff6rences significatives entre des sujets sains et des sujets pathologiques, ~ partir de param~tres

T R A I T E M E N T S INFORMA TISL~S DES P U M

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(temporels ou spectraux) caract6risant le signal. Par ailleurs, essentiellement dans le domaine de l'ergonomie, des 6tudes de la fatigue musculaire locale ont permis d'observer des modifications progressives de tels param&res au cours du temps. Notre approche est une &ude dynamique du signal enregistr6 au cours d'une forte contraction isom6trique prolong~e,/t des fins d'aide au diagnostic. La technique retenue consiste ~ effectuer une mod61isation adaptative du signal EMG" les coefficients du module seront alors les param~tres descriptifs du signal, leur 6volution rendant compte de l'6volution de l'6tat du muscle au cours de l'effort. Le module utilis6 ne comporte pas de param~tres ayant une interpr6tation physiologique: il s'agit d'un module de comportement. L'hypoth~se gaussienne-markovienne permet de mod61iser le signal comme le r6sultat du filtrage d'un bruit blanc par un filtre lin6aire; nous montrons qu'un module A R M A du second ordre permet de bien d6crire le signal. Les param~tres du module sont estim6s par une m6thode d'identification adaptative (filtrage de Kalman 6tendu), et leur trajectoire est caract6ris6e par sa position et sa dynamique. Les premiers r6sultats obtenus permettent d'observer des trajectoires diff6rentes /l partir d'enregistrements effectu6s sur des muscles sains d'une part, sur des muscles atteints de troubles neurog6nes d'autre part.

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EVALUATION

OBJECTIVE DE LA FATIGUE MUSCULAIRE C. D E L U C A et J. J A B R E

Neuromuscular Research Center, 620, Commonwealth Avenue, Boston, M A 02215, Etats-Unis

La possibilit6 d'estimer la capacit6 fonctionnelle d'un muscle ou d'un groupe musculaire est n6cessaire en r66ducation. Cette t~che peut ~tre r6alis6e en mesurant le changement du signal EMG durant une contraction musculaire soutenue. A cette fin, une m6thode de mesure objective du d6veloppement de la fatigue musculaire est n~cessaire. Une technique capable de mesurer la fr6quence spectrale du signal EMG avec des 61ectrodes de surface peut &re utilis6e pour d6montrer qne cette fr6quence diminue et que la vitesse de conduction de la fibre musculaire se ralentit en fonction de la dur6e de la contraction. Ces changements sont largement dus aux propri6t6s de contraction (recrutement et pulsation des unit6s motrices) et ~ celles de morphologie (type, dimensions et vascularisation) des fibres musculaires. Cette technique a d6j~ 6t6 utilis6e pour l'6valuation de la fatigue musculaire des muscles respiratoires et pour l'examen de la fonction des muscles paravert6braux chez des sujets avec et sans lombalgie. Cette pr6sentation discutera les m6thodes utilis6es et d6crira un appareil capable d'estimer automatiquement la fr6quence moyenne du signal EMG.

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TRAITEMENTS 1NFORMA TISI~S DES PUM

CONTRIBUTIONS RELATIVES DES COURTE ET LONGUE PORTIONS D U BICEPS B R A C I - I I A L A U X E F F O R T S D E F L E X I O N E T D E S U P I N A T I O N C. P E R O T , L. A N D R E et F. G O U B E L Division Biomdcanique et Instrumentation m~dicale (UA CNRS 858), Universitd de Technologic de Compikgne, BP 233, 60206 Compi~gne Cedex, France

Au sein d'un muscle bifonctionnel, l'ordre de recrutement des unit6s motrices semble d6pendant de la t~che motrice effectu6e. Ainsi, l'analyse d'activit6s 616mentaires d'unit6s motrices de la longue portion du biceps montre que certaines d'entre elles ne sont actives qu'en supination, d'autres qu'en flexion et que la majorit6 d'entre elles d6chargent dans les deux fonctions (Ter Haar Romeny et al., 1984). Nous avons 6tudi6 ce problSme en proc6dant h une analyse spectrale des EMG de surface recueiUis sur les deux chefs du biceps brachial. Un analyseur de spectre coupl6 h u n micro-ordinateur permet le calcul de la fr6quence moyenne (MPF) et de l'6nergie totale des spectres d ' E M G enregistr6s au cours d'efforts isom6triques-iso6nerg&iques de flexion ou de supination. Pour r6aliser ces efforts, le sujet doit maintenir l'6nergie d6velopp6e par l'un des chefs musculaires ~ 25% de l'6nergie de l'effort maximal de flexion. I1 appara~t globalement qu'en supination les valeurs de M P F sont le plus souvent plus importantes qu'en flexion. Sachant que des modifications de valeurs de M P F illustrent essentiellement des variations de l'allure des potentiels enregistr6s (De Luca, 1979), notamment si la distance entre 6mission et recueil de ces potentiels 6volue (effet filtre des tissus), il semble donc que les unit6s motrices pr6f&entiellement recrut6es en supination soient localis6es plut& en surface: il pourrait d'ailleurs s'agir d'unit6s motrices ~ seuil (Clamann, 1970). L'analyse des 6volutions d'6nergie totale sur le chef musculaire non asservi en 6nergie fait appara~tre que, dans les conditions fix~es (coude ~ 90 °, efforts sous-maximaux), la longue portion du biceps participe davantage que la courte portion aux efforts de supination tandis que les contributions relatives de ces deux chefs musculaires semblent 6quivalentes en flexion. Afin de confirmer cette diff6rence de participation des deux parties du biceps h l'effort de supination, un second type d'exp6rimentation est entrepris, permettant d'6tablir les relations entre diff6rents couples de supination et l'6nergie musculaire correspondante. Pour ce faire, le sujet dolt ici r6aliser les efforts isom6triques de supination en respectant une consigne de maintien de couple externe, les valeurs de couples variant de 5% ~ 100%0 de l'effort maximal volontaire. Les relations sont 6tablies pour diff6rentes positions de l'articulation du coude, comme cela a 6t6 fair pour l'activit6 globale du biceps travaillant en supination (Van Hoecke et al., 1978). La contribution relative des deux chefs musculaires peut ainsi &re discut6e en termes de niveaux d'excitation et de positions articulaires. Ter Haar Romeny B.M., Denier Van Der Gon J.J. & Gielen C.C.A. (1984) Exp. Neurol. 85, 631-650 De Luca C.J. (1979) IEEE Trans. Biomed. Eng. 26, 313-325 Clamann H.P. (1970) Neurology 20, 254-260 Van Hoecke J., Perot C. & Goubel F. (1978) J. Europ. J. Appl. PhysioL Occup. PhysioL 38, 83-91

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TRAITEMENTS INFORMATISES DES P U M

CARACTERISATION

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DE L'EMG UTERIN AU COURS DE LA GROSSESSE ET DE L'ACCOUCI'IEMENT J. D U C H E N E

et C. M A R Q U E

Division Biomdcanique et Instrumentation mgdicale (UA CNRS 858), Universit~ de Technologie de Compi~gne, BP 233, 60206 Compidgne Cedex, France

Le monitorage obst6trical actuellement utilis6 consiste essentiellement ~ surveiUer la fr6quence cardiaque feetale et les effets m6caniques de la contraction ut6rine. Pour mieux appr6cier la qualit6 de la contraction et son efficacit6 au niveau du col, il est apparu souhaitable d'associer/~ la mesure de variables m6caniques celle de l'activit6 61ectrique de l'ut&us extraite d'un signal EMG abdominal de surface. Cette activit6 a 6t6 tr~s rapidement caract6ris6e par une vitesse de variation lente, la limite sup6rieure du spectre de fr6quence se situant aux environs de 2 Hz (Sureau et aL, 1965). Les bandes de fr6quence utiles (0,2-2 Hz) ont 6t6 pr6cis6es par la suite (Valet al., 1979). Pour cette 6tude, l'activit6 est recueillie au moyen de paires d'61ectrodes Ag/AgC1, en diff6rentiel, dans le sens des fibres superficielles (longitudinales), en regard du corps ut6rin. Les premiers r6sultats sont h analyser en fonction des diverses situations rencontr6es, En fin de grossesse normale, l'activit6 est de faible amplitude, 6tablie dans le temps et de caract6ristique tr6s basse fr6quence. Au cours de l'accouchement normal, les phases t~repos~ et ~tactivit6~ sont bien marqu6es, les p6riodes d'activit6 se d6composant en trois phases (lente-rapide-lente). Par contre, lors de d6clenchement infructueux, la phase rapide n'existe pas dans le signal observ6. On peut penser qu6 s'il y a une activit6 locale, m~me intense, elle n'est pas propag6e. Enfin certaines contractions de fin de grossesse peuvent pr6senter un aspect identique ~t celles de l'accouchement normal, ce qui peut &re reli6 h u n risque d'accouchement pr6matur6. Ces observations, associ6es h la connaissance des processus de transformation du muscle ut&in (Garfield et aL, 1981) indiquent que la propagation ordonn6e de l'activit6 61ectrique ut&ine joue un r61e pr6pond&ant pour l'efficacit6 de la contraction. Cette propagation est 6tudi6e par la corr61ation observ6e entre deux activit6s capt6es par deux paires d'61ectrodes. La perspective h court terme de cette 6tude est de proposer, h partir des r6sultats obtenus, un compl6ment d'instrumentation pour le monitorage obst&rical. Sureau C., Chavinie J. & Cannon M. (1965) L'61ectrophysiologie ut6rine, Bull. Fdd. Gynecol. Obstet. 17, 79-140 Val N, Dubuisson B & Goubel F. (1979) Aide au diagnostic de l'accouchement par l'61ectromyogramme abdominal: s61ection de caract~res, ln: Reconnaissance de Forrnes et Intelligence Artificielle, volo 3, 42-48 Garfield R.E. & Hayashi R.H. (1981) Appearance of gap junctions in the myometrium of women during labor. Am. J. Obstet. GynecoL 140, 254 ~r

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T R A I T E M E N T S INFORMA TISI~S DES P U M

APPORT

DE L'ANAL¥SE SPECTRALE DU SIGNAL EMG A L'ETUDE DE LA CINETIQUE DU LACTATE MUSCULAIRE

J. D U C H E N E ,

D. G A M E T ,

C. G A R A P O N - B A R

et F. G O U B E L

Division Biom~canique et Instrumentation m~dicale (UA CNRS 858), Universitd de Technologie de Compibgne, BP 233, 60206 Compibgne Cedex, France

De nombreux travaux utilisant l'analyse spectrale du signal EMG montrent que le maintien jusqu'h dpuisement d'une contraction volontaire entra[ne des modifications des param&res spectraux dont les plus reprdsentatifs sont l'dnergie totale (ET) et la frdquence moyenne (MPF). L'augmentation de I'ET et la chute de la M P F traduisent un dtat de fatigue musculaire (Kadefors et al., 1968 ; De Luca, 1984). L'6volution de la M P F peut &re notamment attribude ~ une rdduction de la vitesse de conduction des potentiels d'action le long de la fibre musculaire par suite d'une accumulation d'acide lactique au sein du muscle fatigud (Mortimer et al., 1970). Nous nous sommes proposd d'&udier l'dvolution du signal EMG au cours de diff6rents exercices entra~nant les cin&iques variables dans la production ou l'61imination d'acide lactique. Pour vingt sujets, quatre types d'6preuves ~t une frdquence de p6dalage de 60 tours/min sont rdalisds sur ergocycle: (a) une 6preuve incrdmentale: augmentation de la puissance d6veloppde par le sujet par incrdment de 10 W toutes les vingt sec jusqu'~t un dtat d'dpuisement; (b) une dpreuve dite <> de trois min ~ une puissance impos6e de 90% de la puissance maximale a&obie (PMA) suivie d'une r6cup6ration active h 40% de la P M A ; (c) une sdrie d'dpreuves rectangulaires de courte dur6e r6alis6e h diff6rents niveaux de puissance; (d) une dpreuve de quinze min rdalisde h des niveaux de puissances situds entre 60 et 70% de la PMA. Au cours de chacune des dpreuves les EMG de surface des muscles vastus lateralis et soleus sont enregistrds. Le traitement du signal consiste en une analyse spectrale des signaux EMG h l'aide d ' u n analyseur de spectre HP 35821 A e t d'un micro-ordinateur Apple II sur des p&iodes de 16 sec. De plus la production musculaire de lactate est estim6e h partir de l'analyse d'dchantillons sanguins recueillis au lobe de l'oreille. Les rdsultats obtenus montrent essentiellement que dans la situation (a) l'augmentation d'dnergie totale n'est pas toujours associde ~t une chute de M P F analogue h celle obtenue lors d'une 6preuve de fatigue; (b) la chute de M P F qui est observ6e dans l'exercice ~ 90% de la P M A est suivie d'un retour rapide ~ sa valeur initiale lors de la rdcupdration active; (c) il n'appara3t pas syst6matiquement de relation entre la M P F et le niveau de puissance de l'exercice; (d) l'augmentation de I'ET est associde ~t une augmentation de la MPF. L'ensemble des rdsultats est discutd en fonction des modifications des param~tres susceptibles d'influencer le contenu frdquentiel du signal E M G : production et/ou 61imination du lactate musculai1'e, recrutement d'unitds motrices de diffdrents types, tempdrature intramusculaire ainsi que forme des bouffdes d ' E M G au cours de l'effort rdalisd. Kadefors R., Kaiser E. & Petersen I. (1968) Electromyography 8, 39-74 De Luca C.J. (1984) CRC Biomed. Eng. 11, 251-279 Mortimer J.T., Magnusson R. & Petersen I. (1970) Am. J. Physiol. 219, 1324-1329