Contribution to the Study of the Direct and Inverse Problem in Electromyography (EMG)

On dispose maintenant de prothèses myoélectriques du membre supérieur pouvant produire plusieurs mouvements utilisés dans les activités de la vie quotidienne. Pour les activer, la présence de 6 compartiments anatomiques dans le biceps brachial pourrait être exploitée. Pour aider à vérifier si ces compartiments ont pu être activés lors de contractions accomplies par des sujets normaux, l'utilisation d'un modèle direct et inverse pourrait être très utile. Pour initier le développement de ces modèles, des données provenant d'expériences où, un contenant cylindrique, encerclé de 16 électrodes et rempli d'une solution saline a été utilisé. Dsns ce bassin, jusqu'à 3 dipôles avaient été introduits à des positions connues. Pour poursuivre la validation du modèle inverse, on a simulé des signaux associés à 3 regroupements de 5000 fibres musculaires placées à des positions connues à l'intérieur d'un bassin cylindrique virtuel. Finalement, les signaux EMG recueillis au-dessus du biceps de sujets normaux lors d'expériences visant à activer individuellement ou en groupe les 6 compartiments du biceps ont été analysés. On a identifié 3 zones d'activité: une dans le chef court et 2 dans le chef long du muscle. Dans le chef court, l'intensité du dipôle a été similaire dans les 6 conditions testées tandis que sa position était variable. Dans le chef long, la position des deux zones actives est moins variable mais leur intensité très variable. Alors que les 3 zones d'activité peuvent être considérées comme étant situées dans divers compartiments du biceps, on a trouvé que leur position lorsque reportée sur une illustration générique d'une coupe transversale de l'avant-bras, l'une des zones était localisée au niveau de la couche de graisse et celle de la peau. Il semble donc possible d'identifier dans le biceps des zones d'activité associables à ses compartiments. Toutefois étant donné que certaines de ces zones pourraient se situer en dehors du muscle, la présence des couches de gras et de la peau doivent être introduites pour un modèle plus réaliste du bras lors d'études portant sur le problème direct et inverse en EMG.

Abstract

In the context of improving the control of upper arm myoelectric prostheses capable of producing various useful movements for daily life activities, the presence of up to 6 anatomical compartments within the biceps brachii can be exploited to increase the number of potential control sites. To help identify where activity could occurs within the biceps during different contractions accomplished by normal subjects, a direct and an inverse model could be very useful. To develop such models, we started with the reproduction of previously collected data obtained with 16 equally spaced electrodes circling a tank filled with a saline solution. Up to 3 dipoles were placed at known positions within the tank. To further test the inverse model, simulated data obtained from the activity of 3 groups of 5000 closely packed single fibers placed at known positions within a virtual tank similar to the real one were analyzed. Finally, EMG signals collected over the biceps brachii during experiments aimed at activating individually or in groups the 6 compartments of the biceps where analyzed in 6 conditions. Three zones of activity were found: one in the short head of the muscle and 2 in its long head. In the short head, the dipole intensity was similar in the 6 conditions tested while its position was variable. In the long head, the position of the two active zones was less variable but their intensity was quite variable. While those 3 zones of activity could be considered to be located in 3 of the 6 muscle's compartments, when their position was overlaid on a generic cross-section image of the upper arm, one of the zones was outside the muscle tissue. It thus appears possible within the biceps, to identify active zones associable to the muscle's compartments. However, considering that some of the detected positions could be over the fat and skin layers, those layers should be introduced for a more realistic upper arm model when studying the EMG direct and inverse problem.