Investigation of Dipole Sources in the Biceps Brachii as Upper Limb Position is Modified

Pour une personne ayant subi une amputation au niveau du bras, les prothèses myoélectriques modernes offrent la possibilité de reproduire plusieurs mouvements nécessaires dans la vie quotidienne. Pour ce faire, plusieurs signaux de contrôle sont toutefois nécessaires pour pouvoir en bénéficier pleinement. Dans la partie supérieure du bras, le biceps brachial (BB) est un muscle important où on trouve sur sa surface intérieure des divisions suggérant la présence de 3 compartiment dans le chef court (SH) et 3 dans le chef long (LH). Comme chacun d'eux est innervée par une branche nerveuse, il est possible que ces compartiments puissent être activés individuellement permettant ainsi d'obtenir jusqu'à six signaux de contrôle pour se servir d'une prothèse myoélectrique. Pour explorer cette possibilité, quelqu'un de notre groupe (NN) avait il y a 3 ans, fait des enregistrements de 10 signaux électromyographiques (EMG) obtenus au-dessus du biceps droit de jeunes sujets. Ces derniers, en position assise ou debout avec la main en différentes positions, avaient mis leur biceps en contraction isométrique et isotonique. Pour chaque position testée, la valeur quadratique moyenne (RMS) de chacun des 10 signaux obtenus lors d'une contraction a été calculée à leur moyenne obtenue à partir de 3 essais consécutifs. Avec une méthode de détection de crêtes parmi chaque ensemble de 10 valeurs RMS, ont a associé la présence de dipôles à l'intérieur du biceps. Pour vérifier comment les caractéristiques des dipôles identifiés permettaient de reproduire les résultats expérimentaux, des simulations ont été réalisées avec le logiciel COMSOL. Le bras a été modélisé par un cylindre à 4 couches concentriques représentant la peau, la couche de graisse, le tissu musculaire et l'os et la conductivité de ces tissus à 100 Hz a été utilisée dans les calculs de simulation et l'anisotropie du tissu musculaire a été prise en considération. Faisant l'hypothèse que les 6 compartiments à l'intérieur du biceps sont de surface égale et séparés par des parois verticales, la plupart des dipôles identifiés se sont retrouvés dans un de ces compartiments ou à la démarcation entre deux d'entre eux. Quelques dipôles se sont toutefois retrouvés à l'extérieur des contours du biceps. En position assise, les dipôles se sont retrouvés plus fréquemment dans les compartiments du chef court (SH) alors qu'en positon debout, ils étaient plus nombreux à se retrouver dans ceux du chef long (LH). Les changements dans la position de la main ne semblent pas induire un déplacement important de la position des dipôles.

Abstract

For an upper arm amputee person, modern myoelectric prostheses offer the possibility to produce many movements needed in a daily life. To do this, various control signals are needed to be able to fully take benefit from them. In the upper arm, the biceps brachii (BB) is an important muscle where in its inner surface, divisions suggest the presence of 3 compartment in its short head (SH) and 3 in its long head (LH). Since each of them is individually innervated by a nerve branch, there is a possibility that they could be activated independently to produce up to 6 control signals for operating a myoelectric prosthesis. To explore that possibility, three years ago, someone of our group (NN) collected 10 electromyographic (EMG) signals across the right biceps of 10 healthy young subjects. While either seated or standing up with the arm in different positions, they produced isometric and isotonic contractions of their biceps. For each tested position, the mean square (RMS) of each of the 10 signals obtained during a contraction was calculated a mean set was obtained from three consecutive contractions. With a peak detection method, the presence of dipoles within the biceps was associated to each mean set of 10 RMS values. To check how well the identified dipoles could reproduce the experimental data, simulations were done with COMSOL. In the software, the upper arm was modelled as a cylinder composed of 4 concentric layers representing the skin, the fat layer, muscular tissue and the bone and conductivity values of these tissues at 100 Hz was used in the simulations; anisotropy of muscle tissue was also considered. Assuming that the 6 compartments inside the biceps were of equal surface and separated by a vertical wall, most of the dipoles were found to be located within one compartment of the biceps or at the border of two adjacent ones. Some of the dipoles were found outside the biceps but in its vicinity. In the seated position, dipoles were more often located in a compartment of the short head (SH) while in the standing up position dipoles were most often in the long head (LH). Changes in hand position does not seem to significantly alter the dipole positions within each head. For the seating and standing up analyzed positions, it does not seem possible to individually activate a compartment.