Electromyographie Cours 1 : bases techniques Cours 2 : EMG au repos Cours 3 : EMG lors de la contraction volontaire Anjali Nandedkar –
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Electromyographie Cours 1 : bases techniques Cours 2 : EMG au repos Cours 3 : EMG lors de la contraction volontaire Anjali Nandedkar – François Wang Lors de la contraction musculaire volontaire, l’EMG étudie la traduction électrique de l’activation des motoneurones spinaux Motoneurone spinal Axone moteur Terminaison axonale Fibre musculaire EMG Plaque motrice Force Le PUM précède de 30 à 100 ms le sommet du twitch L’unité motrice L’EMG par électrode aiguille évalue de façon indirecte la structure des unités motrices EMG PUMs de grande amplitude, de durée augmentée, pulsant à fréquence élevée et réduits en nombre Biopsie musculaire Groupement de fibres 2mV/D ; 10 ms/D EMG/biopsie électrophysiologique 1. Activité d’insertion = irritation des membranes musculaires Gain/sensibilité : 50 µV/D Durée du balayage : 100 ms Vitesse de balayage : 10 ms/D EMG de routine en 5 étapes 2. Activité spontanée Gain/sensibilité : 200 µV/D Durée du balayage : 100 ms Vitesse de balayage : 10 ms/D Types: Pointes positives Fibrillations DRC Myotonie Fasciculations …… EMG de routine en 5 étapes 3. PUM (bref temps de montée/son aigu) Gain/sensibilité : 200 µV/D Durée du balayage : 100 ms Vitesse de balayage : 10 ms/D Paramètres d’analyse: Amplitude Durée Morphologie ……. EMG de routine en 5 étapes 4. Tracé d’interférence Gain/sensibilité : 500 µV/D Durée du balayage : 500 ms Vitesse de balayage : 50 ms/D Paramètres d’analyse: Nombre de PUMs Ordre de recrutement Fréquence de décharge ……. EMG de routine en 5 étapes 5. Évaluation des résultats et décision de la suite de l’examen EMG quantifiée Autre muscle Conduction nerveuse ……. L’EMG de routine reste une évaluation subjective, visuelle et auditive, des signaux électriques musculaires EMG de routine en 5 étapes Evaluation objective 1. Enregistrer des signaux EMG suivant un protocole standard (20 PUMs, température, type d’aiguille) 2. Faire des mesures + calculs statistiques (moyennes) 3. Comparer les résultats à des valeurs de référence Problèmes 1. Ca prend du temps 2. Etablir ses propres valeurs de référence 3. Expertise, entrainement, matériel 4. Pas prévu par notre nomenclature EMG quantifiée (Buchthal, > 50 ans) • Anomalies infracliniques chez certains sujets inclus dans le groupe contrôle • Des patients sains (< 5%) peuvent avoir des paramètres hors des limites de la “normale” • Moyenne ± DS, méthode des percentiles : neurographie > EMG • Outliers Valeurs de référence plutôt que valeurs normales • Ne pas surinterpréter les données de l’EMG • Un tracé anormal muscle pathologique • Pour un paramètre EMG donné, 10% des valeurs individuelles pouvent être hors limites 2mV/D ; 10 ms/D Outliers (Stålberg) • Particulièrement utile : EMG de fibre unique, Macro-EMG, techniques quantifiées d’analyse des PUMs, analyse turn/amplitude des tracés d’interférence • Gain de temps : l’analyse est pathologique dès que la limite de 10% est franchie (ex. 3/20 PUMs hors limites) • Ne peut pas être utilisé dans un suivi EMG pour apprécier l’évolution des anomalies Outliers (Stålberg) # PUMs “Normal” Amplitude # PUMs Amplitude # PUMs Limites de la moyenne Amplitude Limites des valeurs individuelles Outliers (Stålberg) CASA, 2001 Muscle Durée moyenne : 9.4 ms pour 1IO, 11.4 ms pour Tib Ant Amplitude moyenne : 752 µV pour 1IO, 436 µV pour Biceps Fréquence de décharge plus élevée pour les muscles oculaires Age Sujets âgés ont des signaux plus amples Type d’aiguille Aiguille monopolaire => potentiels plus polyphasiques et plus grands en amplitude . Filtres, Temperature (amplitude), ….. Facteurs physiologiques et biologiques CASA, 2001 • Idéalement, chaque laboratoire devrait constituer ses propres valeurs de référence • Utilisation des valeurs de référence publées par d’autres => - technique absolument identique - vérifier la validité de ces normes chez quelques sujets sains Valeurs de référence CASA, 2001 EMG implique la détection et l’enregistrement de potentiels de très faible amplitude dans un environnement riche en bruit parasite • Bruit “thermique” des composants électroniques : résistances, transistors…. • Interférences liées à des radiations électromagnétiques externes : transmissions TV et radio, champs électromagnétiques des lignes électriques Pour simplifier, bruit”thermique” + interférences = BRUIT Electromyographe Electrodes Fils & Câbles Pré-amplificateur (analogique) Amplificateur (analogique) Filtres Digitalisation du signal (échantillonnage) Représentation graphique et sonore Electromyographe moderne Traitement numérique du signal (filtres digitaux) et analyses Imprimante Sauvegarde des données ….. Echantillonnage Signal analogique DS Temps Voltage (ms) (µV) ------------------------ TNS Analyse 0.0 0 0.5 0 1.0 3 1.5 5 2.0 10 2.5 40 3.0 19 3.5 2 4.0 -22 …. Electromyographe moderne • Les SIGNAUX et le BRUIT sont affectés par toutes les composantes de l’électromyographe et toutes les étapes du traitement du signal • Il faut atténuer le BRUIT sans distorsion du SIGNAL • Il faut donc augmenter le rapport SIGNAL/BRUIT Rapport signal/bruit PUM capté par aiguille concentrique est plus ample et plus bref que par électrode de surface Électrodes d’enregistrement (Guihéneuc) 150 µm Cannule (référence) 15° Canule métallique (0,45 mm de diamètre) Fil platine, nickel-chrome, acier inox Surface elliptique d’enregistrement (active) (0,15 mm de diamètre) Électrode aiguille concentrique + électrode terre Le territoire d’enregistrement est hémisphérique (Spike) Amplificateur Active Référence Terre Signal EMG 2 mm Unité motrice Électrode aiguille concentrique Spike (pointu et son aigu) Le territoire d’enregistrement est sphérique (PUM) Amplificateur Active Référence Terre Unité motrice Électrode aiguille concentrique Signal EMG Début et fin du potentiel (faible amplitude et son grave) Électrode aiguille concentrique Électrode aiguille concentrique (Guihéneuc) • VRU : volume de recueil utile (2 mm de diamètre) • 20-50 UM • 20-30 fm/UM Électrode aiguille concentrique (Guihéneuc) • Plus fines • Moins douloureuses • Souvent utilisées pour la face et les extrémités • Plus petite surface d’enregistrement (0,02 mm2) donne des signaux de plus grande amplitude • Pas de normes disponibles Électrode aiguille concentrique « faciale » Z Z = Impedance + V - • Source de tension avec une impédance en série • L’impédance représente la “qualité” du contact entre la surface d’enregistrement et les générateurs électrophysiologiques • L’impédance doit être basse pour avoir un bon rapport SIGNAL/BRUIT • une impédance élevée donne plus de BRUIT Modèle électrique d’une aiguille Amplificateur Active Signal EMG Référence Terre L’active et la référence étant en contact avec les fluides biologiques, l’impédance est faible => bon rapport SIGNAL/BRUIT Unité motrice Électrode aiguille concentrique Amplificateur Active Signal EMG Référence Terre Impédance - faible pour l’active Unité motrice - élevée pour la référence (électrode de surface cutanée) Le déséquilibre d’impédance donne plus de BRUIT Électrode aiguille monopolaire EXTRA INTRA Aiguille concentrique défectueuse • Des fils métalliques connectent l’électrode aiguille au système d’amplification • Un câble est un ensemble de fils, 3 en EMG : Active, Référence, Terre • Chaque fil se comporte comme une antenne pour les radiations électromagnétiques • Plus le fil ou câble est long et plus il captera du BRUIT • Les câbles blindés captent moins de BRUIT Fils et câbles • Lampes à incandescence plutôt que fluorescentes • Débrancher les équipements électriques non nécessaires • Eloigner les émetteurs radio et TV • Tenir éloigner les câbles des prises de secteur et des ordinateurs • Trouver la meilleure place dans le local • Utiliser une cage de Faraday • Utiliser un amplificateur différentiel (cf plus loin) • Référence et active dans un même câble (aiguille concentrique >< aiguille monopolaire) Réduire les interférences • Conducteur cassé ou connection endommagée • Survient progressivement • Pas visible (enveloppe plastique) • BRUIT inhabituel en fonction de la position du câble • REMPLACER Câble défectueux Entrée - Faible signal EMG - BRUIT élevé Faible rapport SIGNAL/BRUIT Amplificateur Amplificateur Sortie - Fort signal EMG - Faible BRUIT Rapport SIGNAL/BRUIT élevé Amplification de la différence entre l’active et la référence 50 µV Sortie = 0.5 V Active VA VR = 0 Terre Référence 2000 µV VA – VR = 0 Active Sortie = 0 V VA 2000 µV VR Référence Amplificateur différentiel Terre 50 µV Gain différentiel = 0.5 V / 50 µV = 10,000 Sortie = 0.5 V Active VA VR = 0 Terre Référence 2000 µV Gain commun = 2000 µV / 2000 µV = 1 Active Sortie = 2000 µV VA 2000 µV VR Terre Référence “common mode rejection ratio (CMRR)” > 90-100 db Amplificateur différentiel Signal Filtres Signal BRUIT • Types : analogique (circuit de résistances et de capacités), digital (algorithme de l’ordinateur) • Filtres affectent le signal et le BRUIT - utiliser les réglages standards - comprendre les effets d’un réglage non-standard Filtres Freq = 200 Hz VIN Filtre VOUT Filtre VOUT = 0 Freq = 50 Hz VIN VOUT / VIN 1 0 Fréquence (Hz) 100 (cutoff) Filtre passe-haut ou filtre basse fréquence Freq = 500 Hz VIN Filtre VOUT = 0 Freq = 100 Hz VIN Filtre VOUT VOUT / VIN 1 0 Fréquence (Hz) 200 Filtre passe-bas ou filtre haute fréquence Bases fréquences 20 µV 20 ms Hautes fréquences 20 µV 5 ms Signal filtré 20 µV 20 ms Fréquences du BRUIT Basse fréquence Hautes fréquence Fréquences du signal EMG Parfois une bonne solution pour étudier l’activité de repos aux SI fL = 10 Hz fL = 100 Hz 50 µV 100 ms Augmentation du filtre passe-haut Augmentation du filtre passe-haut : 0, 200, 1000 et 2000 Hz fH = 10,000 Hz 3000 Hz Risetime = 260 µs 340 µs 1000 Hz 500 µs 500 Hz 700 µs Réduction du filtre passe-bas Fréquence = fN VIN VIN Fréquence fN Notch Filter ( fN ) Notch Filter ( fN ) VOUT VOUT VOUT / VIN 1 0 fN Filtre Notch (50 Hz) Fréquence (Hz) Réglages standards - Basse fréquence 10 – 20 Hz - Haute fréquence 10 kHz Ligne de base instable (SI ou activités de repos) - Basse fréquence 100 – 200 Hz Jiggle (stabilité des PUMs) - Basse fréquence 500 – 2000 Hz Analysie quantifiée des PUMs - Basse fréquence 3 –10 Hz Réglages standards et non-standards • Echantillonnage • Tous les échantillons sont reliés entre eux pour construire le signal EMG digitalisé • Permet de sauver les traces et d’y retourner ultérieurement, de les geler sur l’écran, de faire des mesures automatiques et des analyses complexes Digitalisation Intervalle d’échantillonnage Taux d’échantillonnage = 1 / intervalle d’échantillonnage Digitalisation Analog Digital Digitalisation Intervalle d’échantillonnage doublé => aliasing Théorème de Nyquist Fréquence d’échantillonnage > 2 X la plus haute fréquence à mesurer Ingénieurs Fréquence d’échantillonnage > 3- 4 X la plus haute fréquence à mesurer Attention !!!! • Enregistrement EMG de haute qualité => fréquence d’échantillonnage > 2-3 X 10 KHz (filtre passe-bas) • L’échantillonnage ne dépend plus du hardware, mais du logiciel EMG. Fréquence d’échantillonnage Potentiels manquants Amplitude réduite Morphologie déformée Aliasing PUM normal, pas d’aliasing PUM normal, aliasing PUM anormal, pas d’aliasing Technologie ou pathologie 1. Filtre passe-bas 10 kHz. 2. PUM normal (risetime < 500 µs) 3. Balayage 1 seconde (100 ms/division) 4. Si l’amplitude du PUM reste constante => pas d’aliasing Aliasing ou pas ? 1. Nombre de bits = N 10 16 2. Nombre de pas = 2N 1024 65536 3. Gamme d’amplification = A 100 mV 100 mV 4. Résolution = A/2N 100 µV 1.5 µV Résolution Trigger d’amplitude Trigger d’amplitude + ligne de retard Réglage du niveau du trigger Réglage du niveau du trigger Analyse de PUM Trigger-fenêtre Trigger d’amplitude et ligne de retard PUM moyenné Signal moyenné Signal déclenché par le trigger n 10 25 Le BRUIT diminue avec la racine carrée de n 50 100 202 5 ms/div, 10 µV/div Le moyennage et faible rapport SIGNAL/BRUIT Amplitude #1 82 µV #2 -1 µV #3 0 µV Moyenne 27 µV Médiane 0 µV La médiane n’est pas affectée par un spike sporadique de grande taille Valeur moyenne ou médiane Permet d’évaluer l’amplitude Sensibilité Gain µV/division Gain / sensibilité Gain = 100 µV/div Amplitude = 3 divisions Amplitude = 3 x 100 = 300 µV Permet d’évaluer la durée Durée du balayage = 100 ms Vitesse de balayage = 10 ms/div Durée du balayage (ms) Vitesse de balayage (ms/div) = Durée du balayage/nombre de div Balayage Largeur du PUM = 1,5 div Durée du PUM = 1.5 x 10 = 15 ms 1 2 3 4 IDI Fréquence de décharge (Hz ) = 1 / intervalle inter-décharge (secondes) = 1000 / intervalle inter-décarge (ms) Durée de balayage = 500 ms Vitesse de balayage = 50 ms/div Intervalle inter-décharge = 2div = 100 ms Fréquence de décharge = 10 Hz Fréquence de décharge 1 2 3 4 5 6 Durée de balayage = 100 ms. => 7 décharges Durée de balayage = 1000 ms => 70 décharges Fréquence de décharge Fréquence = 70 Hz 7 IDI = 100 ms IDI > 100 ms Fréquence = 10 Hz Fréquence < 10 Hz Fréquence de décharge (balayage = 100 ms, mode raster) IDI < 100 ms Fréquence > 10 Hz Fréquence 30-40 Hz Fréquence de décharge (balayage = 100 ms, mode raster)