Comparisson of Spa-al Filters for HD-sEMG Single Motor Unit - PowerPoint PPT Presentation

Comparisson ¡of ¡Spa-al ¡Filters ¡for ¡ HD-­‑sEMG ¡Single ¡Motor ¡Unit ¡ Feedback ¡ Andrew ¡McNaught, ¡Corrado ¡Cescon, ¡Taian ¡ Vieira, ¡Lester ¡John, ¡Roberto ¡MerleI ¡ andrew.mcnaught@uct.ac.za ¡

Spa-al ¡Filters ¡ • Many ¡studies ¡in ¡the ¡past ¡aNempt ¡to ¡iden-fy ¡ the ¡best ¡spa-al ¡filter ¡for ¡sEMG ¡ – Disselhorst-­‑Klug ¡et. ¡al. ¡(1997) ¡ – Farina ¡et. ¡al. ¡(2004) ¡ • Main ¡conclusions: ¡ – Dependent ¡on ¡electrode ¡loca-on ¡ – Muscle ¡anatomy ¡

Single ¡MU ¡Feedback ¡from ¡sEMG ¡ ¡ • Real-­‑-me ¡sEMG ¡feedback ¡methods ¡ – fast ¡ – computa-onally ¡simple ¡ – amplitude ¡based ¡(simple) ¡ • Unknown ¡which ¡filter ¡is ¡best ¡in ¡terms ¡of ¡MU ¡ amplitude ¡

Ques-on? ¡ • Which ¡spa-al ¡filter ¡performs ¡best ¡at ¡highligh-ng ¡(enhancing ¡the ¡amplitude) ¡of ¡a ¡single ¡Motor ¡Unit ¡rela-ve ¡to ¡the ¡other ¡motor ¡units? ¡ ¡

Apparatus ¡

sEMG ¡Signal ¡Decomposi-on ¡ • Off-­‑line ¡decomposi-on: ¡Convolu-on ¡Kernel ¡ Compensa-on ¡(CKC) ¡Algorithm ¡of ¡Holobar ¡and ¡ Zazula ¡(2007) ¡ • Firing ¡paNerns ¡of ¡iden-fiable ¡MUs ¡used ¡to ¡ extract ¡MU ¡templates ¡ • Various ¡filters ¡applied ¡to ¡templates ¡

Spa-al ¡Filters ¡Inves-gated ¡

Highligh-ng ¡a ¡Single ¡MU ¡ mono LSD LDD TSD TDD BiTDD NDD IB 2 over IZ MU over amplitude mid (uV) region over end plate Time (s)

Selec-vity ¡Index ¡(SI) ¡ • SI ¡= ¡amplitude ¡ra-o ¡between ¡largest ¡(P MU1 ) ¡ and ¡second ¡largest ¡(P MU2 ) ¡MUs ¡ • SI ¡= ¡1 ¡– ¡P MU2 /P MU1 ¡ (P = peak amplitude) P MU1 LDD TSD SI = 0.82 SI = 0.16 P MU2

SI ¡Maps ¡for ¡a ¡single ¡subject ¡ mono LSD LDD TSD SI rows TDD BiTDD NDD IB 2 rows columns

Performance ¡Evalua-on ¡ • Performance ¡Indicators ¡(PI) ¡extracted ¡from ¡SI ¡ across ¡en-re ¡grid ¡ • PI 1 ¡= ¡number ¡of ¡channels ¡with ¡SI ¡> ¡70% ¡ – More ¡channels ¡= ¡beNer ¡performance ¡ • PI 2 ¡= ¡area ¡where ¡SI ¡> ¡70% ¡ – Larger ¡area ¡= ¡more ¡less ¡cri-cal ¡on ¡placement ¡

PI 1 ¡= ¡(n channels ¡> ¡70%) ¡/ ¡n channels ¡ mono LSD LDD TSD SI rows TDD BiTDD NDD IB 2 rows columns

PI 2 ¡= ¡(area ¡> ¡70%) ¡/ ¡area ¡ mono LSD LDD TSD SI rows TDD BiTDD NDD IB 2 rows columns

Results ¡ Performance Indicator (PI) 1 for all subjects at 2% MVC 1 max/ min 0.9 25%/ 0.8 75% data 0.7 mean 0.6 0.5 PI1 0.4 0.3 0.2 0.1 0 mono LSD LDD TSD TDD BiTDD NDD IB 2

Results ¡ Performance Indicator (PI) 1 for all subjects at 5% MVC 1 max/ min 0.9 25%/ 0.8 75% data 0.7 mean 0.6 0.5 PI1 0.4 0.3 0.2 0.1 0 mono LSD LDD TSD TDD BiTDD NDD IB 2

Results ¡ Performance Indicator (PI) 1 for all subjects at 10% MVC 1 max/ min 0.9 25%/ 0.8 75% data 0.7 mean 0.6 0.5 PI1 0.4 0.3 0.2 0.1 0 mono LSD LDD TSD TDD BiTDD NDD IB 2

Results ¡ • The ¡NDD ¡filter ¡seems ¡to ¡show ¡the ¡highest ¡performance ¡amongst ¡all ¡inves-gated ¡filters ¡ • LDD ¡shows ¡similarly ¡good ¡performance ¡ • one-­‑dimensional ¡filter ¡ • uses ¡3 ¡channels ¡as ¡opposed ¡to ¡5 ¡for ¡NDD ¡ • The ¡worst ¡performance ¡was ¡from ¡the ¡monopolar ¡signals ¡ • Further ¡sta-s-cal ¡analysis ¡needed ¡to ¡prove ¡significance ¡ ¡

Conclusion ¡ • Certain ¡spa-al ¡filters ¡have ¡the ¡ability ¡to ¡highlight ¡different ¡single ¡MUs ¡over ¡certain ¡regions ¡of ¡the ¡muscle ¡ • There ¡seems ¡to ¡be ¡a ¡spa-al ¡filter ¡that ¡is ¡beNer ¡suited ¡for ¡enhancement ¡of ¡the ¡amplitude ¡of ¡a ¡single ¡MU ¡from ¡other ¡MUs ¡contribu-ng ¡to ¡the ¡sEMG ¡signal ¡

Acknowledgements ¡ • University ¡of ¡Cape ¡Town, ¡South ¡Africa ¡ • Na-onal ¡Research ¡Founda-on ¡of ¡South ¡ Africa ¡ • Medical ¡Research ¡Council ¡of ¡South ¡Africa ¡ • Laboratory ¡for ¡Engineering ¡of ¡the ¡ Neuromuscular ¡System ¡(LISiN) ¡ • Politecnico ¡di ¡Torino, ¡Italy ¡

References ¡ • Disselhorst-­‑Klug ¡C, ¡et ¡al. ¡Improvement ¡of ¡Spa-al ¡ Resolu-on ¡in ¡Surface-­‑EMG: ¡A ¡Theore-cal ¡and ¡ Experimental ¡Comparison ¡of ¡Different ¡Spa-al ¡Filters. ¡IEEE ¡ Trans. ¡Biomed. ¡Eng. ¡44, ¡567-­‑574. ¡1997 ¡ • Farina ¡D, ¡et ¡al. ¡Comparison ¡of ¡spa-al ¡filter ¡selec-vity ¡in ¡ surface ¡myoelectric ¡signal ¡detec-on: ¡influence ¡of ¡the ¡ volume ¡conductor ¡model. ¡Med. ¡Biol. ¡Eng. ¡Comput. ¡42, ¡ 114-­‑120. ¡2004 ¡ • Holobar ¡A, ¡Zazula ¡D. ¡Mul-channel ¡blind ¡source ¡ separa-on ¡using ¡convolu-on ¡kernel ¡compensa-on. ¡IEEE ¡ Trans. ¡Sig. ¡Process. ¡55, ¡4487-­‑4496. ¡2007 ¡

Contact ¡Details ¡ • Andrew ¡McNaught 1,2 ¡ – andrew.mcnaught@uct.ac.za ¡ • Corrado ¡Cescon 2 ¡ – corrado.cescon@polito.it ¡ • Taian ¡Vieira 2 ¡ – taian.vieira@polito.it ¡ 1 ¡Medical ¡Imaging ¡Research ¡Unit ¡(MIRU), ¡Faculty ¡of ¡Health ¡ Sciences, ¡University ¡of ¡Cape ¡Town, ¡South ¡Africa ¡ ¡ 2 ¡Laboratory ¡for ¡Engineering ¡of ¡the ¡Neuromuscular ¡System ¡ (LISiN), ¡Dept. ¡of ¡Electronics, ¡Politecnico ¡di ¡Torino, ¡Torino, ¡Italy ¡

MU ¡Template ¡Extrac-on ¡ feedback EMG signal (uV) Time (s) 1 st averaging window firing patterns of identified MUs windows of 30ms centered at each MU firing 20ms

MU ¡Template ¡Extrac-on ¡ moving window averaging … motor unit template averaged windows 20ms

Linear ¡Spa-al ¡Filters ¡ • Linear ¡(LSD ¡+ ¡LDD) ¡ – Highlight ¡signal ¡differences ¡along ¡direc-on ¡of ¡the ¡ muscle ¡fibres ¡ • MUAP ¡propaga-on ¡+ ¡Conduc-on ¡velocity ¡ monopolar LSD LDD

Transversal ¡Spa-al ¡Filters ¡ • Transversal ¡ – Highlight ¡signal ¡differences ¡between ¡muscle ¡fibres ¡ • Different ¡MUAPs ¡ TSD TDD

Two ¡Dimensional ¡Spa-al ¡Filters ¡ • Two ¡dimensional ¡(2D) ¡ – Work ¡in ¡both ¡direc-ons ¡ – More ¡isotropic ¡(uniform) ¡ BiTDD NDD IB 2

Tes-ng ¡Protocol ¡ • Twelve ¡healthy ¡male ¡volunteers ¡ – age: ¡26.75 ¡ ± ¡3.96 ¡years ¡(mean ¡ ± ¡S.D.) ¡ ¡ ¡ – height: ¡1.8 ¡ ± ¡0.07 ¡m ¡ – weight: ¡76.17 ¡ ± ¡10.32 ¡kg ¡ ¡ • Isometric ¡contrac-ons ¡of ¡abductor ¡pollicis ¡ brevis ¡(APB) ¡muscle ¡ • 1%, ¡2%, ¡5%, ¡10% ¡and ¡20% ¡of ¡the ¡maximum ¡ voluntary ¡contrac-on ¡(MVC) ¡

Apparatus ¡ • Load ¡cell ¡ • 64-­‑channel ¡dry ¡electrode ¡grid ¡ – 1 ¡mm ¡silver ¡electrodes ¡ – 2.5 ¡mm ¡interelectrode ¡distance ¡(IED) ¡ • Monopolar ¡sEMG ¡ • Mul-channel ¡EMG ¡amplifier ¡(EMG-­‑USB, ¡OT ¡ BioeleNronica) ¡