Analisi dei segnali da elettrodi elettromiografici indossabili: studio delle principali tecniche di denoising

The integration of sensors capable of monitoring muscle activity in wearable devices represents a promising perspective and is increasingly investigated by recent studies. This activity can be easily monitored using conductive electrodes that allow the acquisition of electromyographic signals (EMG). These conductive electrodes can vary in nature depending on the desired application. In the specific case of wearable devices, the main requirement is the ability to acquire signals for long periods of time, outside specialized facilities, and with minimal invasiveness for the patient. For this reason, unlike "wet" electrodes based on electrolytic gel placed between the electrode and the skin, which are predominantly used and well-validated in clinical practice, "dry" electrodes without this gel are more commonly employed for this application. While the absence of this element is positive for ensuring easier wearability, absence of allergies, and therefore better comfort, it also poses challenges related to signal integrity and acquisition performance. These challenges are primarily linked to increased contact impedance and interference, with the most significant issues arising from motion artifacts and power line interferences. The interference originated from the coupling of the power line (50 or 60 Hz) with the electrodes, represents one of the major issues, as it is located at useful EMG signal frequencies, mostly between 50 and 200 Hz, unlike other disturbances (e.g., low-frequency motion artifacts). Often, it is necessary to filter the signal to reduce the interference and allow for a better analysis of the data. Due to this overlap in frequencies between interference and useful signal, the simplest approach is to apply notch filters (band elimination) to the power line frequency and its harmonics of interest (multiples of the power line frequency); however, this can lead to information loss. In this context, the objectives of the thesis are to effectively filter disturbed electromyographic signals and compare possible alternatives to traditional denoising, specifically for DRY-EMG electrodes, to determine if these techniques can provide more efficient noise reduction while limiting information loss. After providing an overview of the techniques identified in the literature for EMG filtering, the paper reports an experimental example in which various methods were applied to signals derived from a prototype of an orthosis integrated with an array of eight channels for electromyography, where power line interference made the EMG very disturbed before filtering. These techniques were compared using quantitative parameters such as RMS value, spectral mean, and frequency content of the filtered signal, to analyze the advantages and disadvantages of the various proposed methods. The application of these methods and the comparison of parameters extracted from the filtered signals with the chosen techniques showed that, for this specific dataset, the choice of traditional filtering methods remains preferable to the new techniques.

L’integrazione di sensori in grado di monitorare l’attività muscolare in dispositivi indossabili rappresenta una prospettiva promettente e sempre più investigata da recenti studi. Tale attività può infatti essere semplicemente monitorata attraverso l’uso di elettrodi conduttivi che permettano l’acquisizione dei cosiddetti segnali elettromiografici (EMG). Questi elettrodi conduttivi possono essere di varia natura, in base all’applicazione desiderata. Nel caso specifico dei dispositivi indossabili il principale requisito risulta la possibilità di acquisire segnali per lunghi periodi di tempo, all’esterno di strutture specializzate e con la minima invasività per il paziente. Per questo motivo, a differenza degli elettrodi “wet” basati su gel elettrolitico interposto tra elettrodo e cute prevalentemente utilizzati e ben validati nella pratica clinica, per questa applicazione trovano un maggiore impiego elettrodi “dry” ovvero privi di tale gel. Se da un lato l’assenza di questo elemento risulta essere positiva per garantire una più semplice indossabilità, un’assenza di allergie e quindi un migliore comfort, dall’altro essa provoca delle problematiche relative all’integrità del segnale e quindi alle performance dell’acquisizione. Tali sfide sono principalmente legate all’aumento dell’impedenza di contatto e delle interferenze; tra le quali, le maggiori sono causate dagli artefatti da movimento e dall’interferenza di rete. Il disturbo dovuto alla rete, nato dall’accoppiamento della linea di alimentazione (50 o 60 Hz) con gli elettrodi, rappresenta una delle maggiori criticità, essendo situato, a differenza di altri disturbi (e.g. artefatti da movimento in basse frequenze), a frequenze utili del segnale EMG comprese per la maggior parte tra i 50 e i 200 Hz. Molto spesso è necessario, quindi, eseguire un filtraggio del segnale in grado di limitare il disturbo per permettere un migliore studio dei dati. A causa di questa sovrapposizione di frequenze tra disturbo e segnale utile, il più semplice approccio è l’applicazione di filtri notch (elimina banda) alla frequenza di rete e alle armoniche di interesse (multipli della frequenza della power line); tuttavia, questo può comportare perdita di informazione. In questo contesto, gli obbiettivi della tesi sono filtrare efficacemente i segnali elettromiografici disturbati e comparare le possibili alternative al denoising tradizionale, nel caso specifico degli elettrodi DRY-EMG, per stabilire se queste tecniche sono in grado di fornire una pulizia dai disturbi più efficiente, limitando allo stesso tempo la perdita di informazione. Dopo aver fornito una panoramica sulle tecniche individuate nella letteratura utili per il filtraggio di EMG, l’elaborato riporta un esempio sperimentale in cui i vari metodi sono stati applicati a dei segnali derivanti dal prototipo di una ortosi integrata con una matrice di elettrodi ad otto canali per l’elettromiografia, in cui l’interferenza da power line, prima del filtraggio, rendeva l’EMG molto disturbato. Tali tecniche sono state confrontate sfruttando come parametri quantitativi il valore RMS, la media dello spettro e il contenuto in frequenza del segnale filtrato, in modo da analizzare vantaggi e svantaggi dei vari metodi proposti. L’applicazione di questi metodi e la comparazione dei parametri estrapolati dai segnali filtrati con le tecniche scelte ha mostrato come, per questo caso specifico di dati, la scelta di metodi tradizionali per il filtraggio resti ancora preferibile alle nuove tecniche.