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/t3L( Université de Montréal Activité EMG au niveau du membre supérieur: étude

/t3L( Université de Montréal Activité EMG au niveau du membre supérieur: étude à l’aide d’un fantôme Par David Filion Institut de génie biomédical Faculté de médecine Mémoire présenté à la faculté des études supérieures en vue de l’obtention du grade de maîtrise ès sciences appliquées (M.Sc.A) en génie biomédical 30 août, 2006 ©, David Filion, 2006 J) LI C n Université 1h de Montréal Direction des bibliothèques AVIS L’auteur a autorisé l’Université de Montréal à reproduire et diffuser, en totalité ou en partie, par quelque moyen que ce soit et sur quelque support que ce soit, et exclusivement à des fins non lucratives d’enseignement et de recherche, des copies de ce mémoire ou de cette thèse. L’auteur et les coauteurs le cas échéant conservent la propriété du droit d’auteur et des droits moraux qui protègent ce document. Ni la thèse ou le mémoire, ni des extraits substantiels de ce document, ne doivent être imprimés ou autrement reproduits sans l’autorisation de l’auteur. Afin de se conformer à la Loi canadienne sur la protection des renseignements personnels, quelques formulaires secondaires, coordonnées ou signatures intégrées au texte ont pu être enlevés de ce document. Bien que cela ait pu affecter la pagination, il n’y a aucun contenu manquant. NOTICE The author of this thesis or dissertation has granted a nonexciusive license allowing Université de Montréal to reproduce and publish the document, in part or in whole, and in any format, solely for noncommercial educational and research purposes. Ihe author and co-authors if applicable retain copyright ownership and moral rights in this document. Neither the whole thesis or dissertation, nor substantial extracts from it, may be printed or otherwise reproduced without the author’s permission. In compliance with the Canadian Privacy Act some supporting forms, contact information or signatures may have been removed from the document. While this may affect the document page count, it does not represent any loss of content from the document. Université de Montréal Faculté des études supérieures Ce mémoire intitulé Activité EMG au niveau du membre supérieur: étude à l’aide d’un fantôme Présenté par: David Filion a été évalué par un jury composé des personnes suivantes: Robert A. LeBlanc président-rapporteur Pierre A. Mathieu Directeur de recherche Alain Vinet Membre du jury 111 Résumé En électromyographie (EMG), il existe peu de modèles mathématiques permettant soit de simuler l’activité musculaire pouvant être captée à la surface d’un membre (modèles directs) ou, à partir de signaux réels captés en surface, en expliquer l’origine (modèles inverses) à l’aide de représentations dipolaires. 11 s’en suit que très peu de montages expérimentaux ont été développés pour valider ces modèles. C’est pour pallier à ce manque qu’un montage expérimental représentant le membre supérieur humain a été élaboré. Il s’agit essentiellement d’un bassin rempli d’une solution saline autour duquel sont placées 16 électrodes d’enregistrement. Pour simuler l’activité musculaire, 2 électrodes collées à une tige isolante forment un dipôle qui est placé à un endroit précis dans le milieu conducteur. Jusqu’à trois sources de courant ont été utilisées simultanément pour tenter de rendre le montage plus réaliste. À l’aide de ce montage, des signaux ont été acquis dans des conditions différentes en vue d’établir la validité d’un modèle de l’activité EMG applicable au niveau du bras. Deux séries d’acquisitions ont été réalisées. Dans un premier temps, une seule source a été utilisée dans le bassin et les données vont servir à vérifier la sensibilité du modèle. Dans un second temps, de deux à trois dipôles ont été activés pour simuler des situations plus complexes. Ces acquisitions faites à iv l’aide du montage expérimental ont permis de faire une validation préliminaire d’un modèle mathématique permettant d’expliquer une distribution de potentiel à partir de la position radiale et angulaire de dipôles de différentes tensions placés dans un milieu conducteur circulaire Parallèlement au travail sur le bassin, un prototype d’une matrice d’électrode a été développé pour permettre l’acquisition de signaux EMG au niveau du bras de sujets humains, comprenant 16 colonnes de 3 électrodes uniformément distribué autour d’un support élastique, cette nouvelle matrice résout différents problèmes rencontrés avec un ancien brassard d’électrodes. Mots clés : Électromyographie, fantôme, brassard, matrice d’acquisition V Abstract In electromyography (EMG), few mathematical models are available to either represent the surface muscular activity (direct models) of a limb or, with real signal recorded from the surface of a limb, explain the ongin of the signal (inverse models) using dipolar models. Therefore few experimental apparatus have been developed to validate these models. For this reason, it was decided to create an experimental setting that represents the upper human arm. The phantom consists of a tank fihled with saline solution surrounded by 16 recording electrodes. To simulate the muscular activity, two electrodes are glued to an insulated stick to form a dipole. This dipole is then inserted in a precise location within the conductive solution. b make the settings more complex, up to 3 sources have been used in the phantom. To eventually validate the parameters of an EMG mathematical model usable for the arm, signals have been recorded using this setting under various conditions. Two series of signal have been recorded. First, data where collected using only one dipole. These results will be used to verify the sensitivity of the models. Second, two or three dipoles are used to simulate complex situations. With these results, we were able to partially validate a mathematical model that can explain the potential distribution from radial and angular positions of dipoles with multiple amplitudes placed in a circular conductor environment. vi Simultaneously with the work performed with the phantom tank and to further investigate EMG activity signais of the human arm, a prototype of an electrode array was also developed to resolve the flaws associated with a previous model. The iatest prototype is 16 x 3 array of electrodes evenly distributed on a elastic band. Keywords: Electromyography, phantom, armband, electrode array. vii Table des matières Résumé iii Abstract y Table des matières vii Liste des figures ix Liste des tableaux xii Liste des abréviations xiii Remerciements xiv CHAPITRE I : INTRODUCTION 1 CHAPITRE II : REVUE DE LA LITTÉRATURE 5 2.1 Introduction 5 2.2 Protocoles expérimentaux 5 2.2.1 fantômes 5 2.2.2Dipôles 9 2.3 Électrodes 11 2.4 Signaux 17 2.4.1 EMG de sujets humains 17 2.4.2 Analyse de signaux 20 CHAPITRE III : MÉTHODOLOGIE 26 3.1 Matériel 26 3.2 Traitement des signaux 31 3.3 Protocoles 33 CHAPITRE IV: RÉSULTATS 38 4.1 Premier objectif: développer un montage expérimental simulant le membre supérieur 3$ 4.1.1 Essais àundipôle 38 4.1.2 Essais à dipôles multiples 44 4.2 Second objectif: prototype de matrice d’acquisition 55 vu’ CHAPITRE V: DISCUSSION .61 5.1 Retour sur le premier objectif 61 5.2 Difficultés et limites du montage expérimental 72 5.3 Retour sur le deuxième objectif 74 CHAPITRE VI: CONCLUSION 76 Références 80 Annexe A : Exemple d’un modèle mathématique Annexe B — Exemple de signaux EMG captés au niveau du membre supérieur de trois sujets iv Annexe C — Source dipolaire vii ix Liste des figures figure 2.1 Dipôle utilisé par Leahy et al. [37] en EEG 10 figure 2.2 Brassard d’électrode 3 x $ 13 figure 2.3 Matrice d’électrode flexible développée par Lapatki et al. (2004) 14 figure 2.4 formes des matrices d’électrodes utilisées par différents auteurs 16 figure 3.1 Photo du montage 27 Figure 3.2 Schéma du circuit alimentant un dipôle 29 figure 3.3 Dipôle servant de source de courant 30 figure 3.4 Numérotation des électrodes autour du bassin 30 figure 3.5 Comparaison d’un signal non corrigé et corrigé (pour tenir compte du DC) 32 figure 3.6 Déplacements possibles d’un dipôle dans le bassin 33 Figure 3.7 Dipôles très rapprochés à fréquences distinctes 36 figure 4.1 Tension enregistrée aux électrodes 4, 5 et 6 lors d’une variation de la hauteur du dipôle dans le bassin 39 figure 4.2 Version agrandie des tensions enregistrées aux électrodes 4 et 6 de la fig 4.1 40 figure 4.3 Tension enregistrée à l’électrode la plus proche du dipôle en fonction de la distance entre le dipôle et l’électrode 41 figure 4.4 Tension enregistrée aux électrodes d’acquisition lors d’un déplacement angulaire d’un dipôle 42 figure 4.5 Tension enregistrée à l’électrode principale (électrode 5) lors d’une variation de la tension relative d’entrée dudipôle 43 X figure 4.6 Tension enregistrée aux électrodes voisines (#1 à 4 et 6 à 9) de l’électrode principale (#5) lors d’une variation de la tension relative d’entrée du dipôle 43 figure 4.7 Tension enregistrée à l’ensemble des électrodes en fonction de la fréquence du signal (32 et 45 Hz) du signal émis par le dipôle 45 Figure 4.8 Tensions enregistrées à l’électrode 5 et à l’électrode 4 en fonction de la distance entre un dipôle fixe près de l’électrode principale et d’un dipôle s’éloignant de façon radiale du bord vers le centre du bassin 46 figure 4.9 Tension aux électrodes lors d’un déplacement angulaire d’un dipôle mobile (m) par rapport à deux dipôles fixes 47 figure 4.10 Tension aux électrodes lors d’un déplacement angulaire d’un dipôle mobile (m) par rapport à deux dipôles uploads/Litterature/ filion-david-2006-memoire.pdf