Progettazione e Realizzazione di un Sistema per l’Acquisizione e l’Elaborazione di un Segnale Elettromiografico

 Per il lavoro di tesi ho sviluppato un sistema di acquisizione, 
visualizzazione e elaborazione di segnali elettromiografici. 
L'interfaccia è stata progettata per permettere una facile 
interazione: visualizzazione, elaborazione ed analisi dei dati sono 
tutti a portata di mouse tramite semplici comandi. Percorsi guidati 
(wizard) seguono l'utente durante la fase di preparazione 
dell'acquisizione dei segnali elettromiografici, rendendo facili 
operazioni quali la selezione dei muscoli, la durata e la frequenza 
dell'acquisizione, i guadagni di amplificazione e il corretto 
posizionamento degli elettrodi.  
Il lavoro  è stato articolato in due fasi successive: 
 ξ  Progettazione e realizzazione di un sistema di acquisizione di 
segnali biomedici (ECG,EEG,EMG) 
 ξ  Progettazione e realizzazione di un sistema di elaborazione e 
di analisi di un tracciato EMG 
La  progettazione e  realizzazione del un software di elaborazione e 
di analisi del segnale elettromiografico hanno richiesto lo studio 
approfondito del segnale, della sua sorgente biologica e delle varie 
patologie. 
Per comprendere meglio le problematiche relative l’acquisizione dei 
segnali biomedici è stato inoltre necessario approfondire anche la 
conoscenza delle procedure di utilizzo del MATlab con particolare 
interesse per l’applicativo Data Acquisition Toolbox, che consente di 
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 pilotare l’hardware di acquisizione, immagazzinare e gestire i dati 
acquisiti. Per la realizzazione di una interfaccia interattiva, poi, ho 
utilizzato un altro dei toolbox a disposizione con il Software Matlab 
l’applicativo GUIDE che consente la costruzione di interfacce 
grafiche.  
I software di acquisizione e di elaborazione sono stati realizzati sulla 
base dell’hardware e dei materiali messi a disposizione durante 
l’attività di tirocinio. 
L’obiettivo  finale è stato quello di acquisire conoscenze di base 
sulla progettazione e sulla realizzazione di un sistema di 
acquisizione/elaborazione, utilizzando risorse di tipo elettronico ed  
informatico. L’attività svolta ha condotto allo sviluppo di un prodotto 
finito per l’acquisizione, l’elaborazione e l’analisi di segnali 
elettromiografici.  
Il software in questione è stato infine testato su segnali reali al fine 
di verificarne il corretto funzionamento. 
 
 
 
 
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Il Sistema Neuromuscolare 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capitolo 1 
 
Il Sistema 
Neuromuscolare 
                  
 
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Il Sistema Neuromuscolare 
La forza e la velocità, due parametri prodotti dal muscolo 
scheletrico, sono alla base di qualsiasi movimento che l’uomo 
compie. Apparentemente questi due parametri sembrano molto 
dissimili tra loro ma in realtà, essendo prodotti dallo stesso sistema, 
la dinamica della contrazione muscolare è la stessa: è la 
dimensione del carico esterno a determinare con quale velocità e 
forza deve essere spostato il carico. 
Il sistema che produce forza e velocità è definito sistema 
neuromuscolare. Esso è composto dal sistema nervoso, definito 
anche sistema neurale, e dalla parte muscolare o sistema miogeno. 
La contrazione volontaria del muscolo ha origine in un’area ben 
definita del cervello, detta non a caso area motoria. L’impulso 
nervoso poi, attraverso il motoneurone posto nel midollo spinale, 
raggiunge il muscolo attraverso una sinapsi che si realizza con 
l’unità motoria.  
L’impulso raggiunge la sua unità funzionale (placca motrice) e 
attiva il muscolo, per la precisione le fibre innervate, generando 
quelle traslazioni di filamenti proteici (actina e miosina) che sono 
alla basse della contrazione stessa. Quando la fibra muscolare viene 
raggiunta da uno stimolo nervoso infatti, i filamenti di actina e 
miosina che fanno parte di unità a se stanti all’interno delle fibre 
muscolari dette sarcomeri, reagiscono formando il cosiddetto 
“cross-bridge” o ponte actomiosinico, per mezzo del quale i due 
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Il Sistema Neuromuscolare 
filamenti scorrono uno sull’altro accorciando i sarcomeri e quindi il 
muscolo. La contrazione muscolare poi, per mezzo dei tendini, 
viene trasmessa alle ossa e determina tutti quei movimenti 
volontari e non che permettono all’individuo di svolgere funzioni di 
vitale importanza quali la locomozione e il mantenimento della 
corretta postura. 
 
1.1 Fisiologia dei muscoli 
I muscoli sono organi dotati di proprietà contrattile, sono cioè 
capaci di diminuire la loro lunghezza sotto l'influenza di uno stimolo, 
che giunge loro attraverso le vie nervose, e quindi di determinare 
un movimento più o meno complesso. Tutte le funzioni fisiche del 
nostro corpo implicano un’attività muscolare. Tali funzioni 
comprendono i movimenti scheletrici, la contrazione del cuore, la 
contrazione dei vasi sanguigni, la peristalsi intestinale, e molte 
altre. Circa il 40-50% del peso totale dell'uomo (30-40% nella 
donna) è dovuto alla presenza del muscolo scheletrico, tessuto 
deputato ad almeno tre fondamentali funzioni.  
Movimento: volontario o automatico di parti del corpo e/o dell'intero 
organismo. 
Postura: mantenimento della posizione del corpo nello spazio.  
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Il Sistema Neuromuscolare 
Produzione di calore: necessario al mantenimento stabile della 
temperatura corporea.  
Vi sono tre diversi tipi di muscolatura responsabili di queste 
attività:  
- la muscolatura scheletrica permette all’organismo di muovere 
parti di organi rispetto ad altre e di effettuare spostamenti nello 
spazio (locomozione) e serve al trasporto dei gas respiratori. 
- la muscolatura cardiaca serve per la circolazione sanguigna, 
mentre 
- la muscolatura liscia provvede alla motilità di determinati organi 
interni e dei vasi ematici. Questi tipi di tessuto muscolare si 
distinguono per numerose caratteristiche funzionali di notevole 
importanza.  
In ogni organismo vivente la locomozione, ovvero la capacità di 
movimento, si basa o sull’iterazione tra proteine contrattili che 
richiedono il consumo di ATP, come miosine, con altre proteine, ad 
esempio l’actina, oppure sulla polimerizzazione e sulla 
depolimerizzazione di astina e di tubolina. 
 
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Il Sistema Neuromuscolare 
 
Figura 1 – Struttura e funzione dei muscoli 
 
La funzione della contrazione in un muscolo è resa possibile dalla 
contrazione di ciascuno degli elementi che lo compongono. La più 
piccola unità di contrazione è, all’interno della singola fibra 
muscolare, il sarcomero, che contraendosi determina la contrazione 
di tutte le miofibrille della cellula. Le miofibrille, a loro volta, sono 
responsabili della contrazione della fibra muscolare, che segue la 
cosiddetta “legge del tutto o nulla”: cioè si contrae in modo 
completo oppure non si contrae affatto. Nell’insieme, tutte le fibre 
che si contraggono determinano la contrazione del muscolo, 
osservabile direttamente. La possibilità di contrarre uno stesso 
muscolo con intensità diverse dipende dal fatto che le diverse fibre 
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Il Sistema Neuromuscolare 
che lo compongono sono raggruppate in unità motorie; in altri 
termini, le fibre di una stessa unità sono innervate dalle 
terminazioni provenienti da uno stesso motoneurone e, quindi, 
rispondono contemporaneamente e allo stesso modo soltanto agli 
stimoli provenienti da questo. In una contrazione poco intensa, solo 
determinate fibre muscolari vengono sollecitate.  
L’intensità della contrazione aumenta all’aumentare della velocità 
degli impulsi nervosi inviati attraverso le placche motrici. Quando 
gli stimoli nervosi giungono a grande velocità e per un periodo di 
tempo prolungato, si verifica lo stato di tetania, ovvero di massima 
contrazione, che può essere anche causato da particolari patologie 
(come l’infezione da Clostridium tetani). 
Il tessuto muscolare può essere suddiviso in tessuto muscolare 
striato e liscio sulla base del comportamento mostrato dai suoi 
componenti cellulari nei confronti della luce passante.  
La maggiore o minore “trasparenza” riflette l’organizzazione 
spaziale degli elementi contrattili, presenti nella cellula in esame. 
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Il Sistema Neuromuscolare 
 
Figura 2 a,b – Schema tra neurone e fibre muscolari 
 
Il tessuto muscolare striato è caratterizzato dalla presenza di bande 
trasversali chiare e scure. Esistono due tipi di tessuto muscolare 
striato: scheletrico e cardiaco.  
Il tessuto muscolare striato scheletrico è volontario, cioè è 
condizionato e regolato dagli impulsi nervosi, che pervengono 
attraverso i nervi al muscolo e presiede ai movimenti dell’organismo 
nell’ambiente. Questo tessuto è innervato da neuroni 
(motoneuroni), il cui soma (vedi par. successivo) è alloggiato nel 
SNC. 
Il tessuto muscolare striato cardiaco si contrae invece 
autonomamente, cioè non solo al di fuori di qualsiasi stimolo 
volontario, ma anche di ogni stimolazione proveniente dal sistema 
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Il Sistema Neuromuscolare 
nervoso vegetativo che lo innerva e che esercita la sola funzione di 
regolarne la frequenza delle contrazioni.  
 
Figura 3 – Filamenti di astina e miosina 
Il tessuto muscolare liscio è caratterizzato dall’assenza di striatura 
ed è innervato da neuroni del sistema nervoso vegetativo, per cui si 
contrae indipendentemente dal controllo volontario. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Il Sistema Neuromuscolare 
1.2  Il Neurone : la cellula nervosa 
 
Il neurone è la cellula nobile del Sistema Nervoso, specificamente 
capace di ricevere, memorizzare e trasmettere informazioni. I nervi 
sono costituiti da fasci di assoni (neuriti o cilindrassi), ciascuno dei 
quali origina da un singolo neurone. Un impulso nervoso è definito 
sensitivo od afferente, quando da un recettore periferico si porta al 
Sistema Nervoso Centrale (conduzione centripeta) e motorio od 
efferente, quando da centri nervosi superiori si porta all'organo 
efferente (conduzione centrifuga).  
 
Figura 4 – Descrizione dettagliata dei componenti di un neurone 
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Il Sistema Neuromuscolare 
Il neurone si compone d'un corpo o soma, dal quale si irradiano 
numerosi prolungamenti di lunghezza diversa, detti dendriti ed un 
prolungamento unico particolare, l’assone (neurite o cilindrasse).  
Da un punto di vista funzionale, i dendriti veicolano l'impulso 
nervoso al corpo cellulare, mentre l'assone trasmette l'impulso che 
gli proviene dal soma. 
Una singola fibra nervosa è costituita da un assone circondato da 
due involucri, la guaina mielinica (costituita da strati alternati di 
lipidi e proteine) e il neurilemma che costituiscono il risultato 
dell'attività delle cellule di Schwann. La zona di confine tra due 
cellule di Schwann contigue è detta Nodo di Ranvier. In 
corrispondenza di tali nodi gli assoni sono nudi, cioè direttamente 
esposti al liquido interstiziale circostante.  
Tale situazione particolare riveste una notevole importanza 
funzionale per quanto attiene alla conduzione dell'impulso nervoso. 
La membrana cellulare controlla un delicato equilibrio elettrico e di 
concentrazione degli ioni intra ed extracellulari Na
+
, K
+
, Cl
-
, A
-
 (ioni 
organici). In condizioni di riposo la membrana è poco permeabile 
agli ioni Na
+
, impermeabile agli ioni A
-
, abbastanza permeabile agli 
ioni K
+
 e opera un meccanismo di trasporto attivo degli ioni Na
+
 
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Il Sistema Neuromuscolare 
(consumo energetico metabolico) dall'interno della cellula verso 
l'esterno.  
In questa situazione si misura a cavallo della membrana un 
potenziale di -70 / -90 mV con l'interno negativo rispetto 
all'esterno. 
 
Figura 5 – Potenziale di membrana 
 
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Il Sistema Neuromuscolare 
All'arrivo dello stimolo elettrico si ha una depolarizzazione della 
membrana e in caso che il potenziale superi i -55 mV circa, si ha la 
nascita del potenziale di azione (pda), con l'interno positivo rispetto 
all'esterno, che si propaga lungo la fibra interessando le zone 
vicine. Lo scatenarsi del pda è dovuto al notevole aumento della 
permeabilità della membrana agli ioni Na
+
 che entrano in quantità 
nella cellula, cambiando segno al potenziale di membrana. Dopo 
circa 1 msec la permeabilità agli ioni Na
+
 ridiventa bassa e la 
membrana si ripolarizza ritornando alla condizione di riposo ed è 
quindi con un succedersi di depolarizzazioni e ripolarizzazioni che il 
pda si propaga lungo la fibra autosostenendosi. 
Nel caso delle fibre nervose amieliniche, ogni porzione del 
plasmalemma deve subire il processo di depolarizzazione, perchè il 
potenziale di azione possa essere trasmesso lungo tutta la loro 
estensione. Invece, nel caso delle fibre nervose mieliniche la guaina 
mielinica funge da isolante impedendo, ove sia presente, gli scambi 
ionici tra fibra ed ambiente extracellulare. Tuttavia, a livello dei 
Nodi di Ranvier il plasmalemma delle fibre, essendo privo della 
guaina mielinica, resta a diretto contatto con l'ambiente 
extracellulare. Pertanto, solo in corrispondenza di tali nodi gli 
scambi ionici possono avere luogo e l'impulso nervoso è trasmesso 
lungo le singole fibre da nodo a nodo (conduzione saltatoria), 
anziché lungo l'intera fibra come nel caso delle fibre amieliniche. 
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