Gait analysis is the systematic study of human locomotion. A central part of gait analysis is represented by surface electromyography (sEMG). The walking control is played by lower limb muscles, and in particular by lower limb muscular co-contraction. Muscular co-contraction is the concomitant recruitment of antagonist muscles crossing a joint. In healthy subjects, co-contraction occurs to achieve a homogeneous pressure on joint surface, preserving articular stability. In pathological individuals, the assessment of co-contraction appeared to have a key role for discriminating dysfunction conditions of the central nervous system. Different methodologies for muscular co-contraction assessment were developed. A co-contraction index (CI) based on the area computation under the curve of rectified EMG signal from antagonist muscles was developed. It provides an overall numerical index that could not be suitable to characterize dynamic task. To overcome this limitation, muscular co-contraction was assessed by overlapping linear envelopes or temporal interval where muscles superimposed. Thus, a gold standard for identifying muscle co-contraction is not available yet. The aim of the study is to perform an EMG-based analysis of muscular co-contraction by proposing a new and reliable techniques for leg-muscle co-contraction assessment in time-frequency domain and by providing normative co-contraction data during heathy adult and child walking. The proposed method, based on Wavelet transform (WT), is named CO-contraction DEtection algorithm (CODE). A further application of WT analysis is the extraction and assessment of fetal heart sounds, from fetal phonocardiography signal. In the present study, also a reference data on lower-limb-muscle co contraction was provided by means of Statistical Gait Analysis, a technique able to provide a statistical characterization of gait, by averaging spatial-temporal and sEMG-based parameters over hundreds of strides during walking.

L'analisi del cammino è definita come lo studio sistematico della locomozione umana. Una parte centrale dell'analisi del cammino è rappresentata dall'elettromiografia di superficie (sEMG). Un ruolo centrale nel controllo del cammino è svolto dai muscoli degli arti inferiori, e in particolare dalla co-contrazione muscolare degli arti inferiori. La co-contrazione muscolare è definita come il reclutamento concomitante di muscoli antagonisti che afferiscono a un determinato giunto. In soggetti sani, la co-contrazione esercita una pressione omogenea sulla superficie articolare, preservandone la stabilità articolare. In individui patologici, la co-contrazione sembra avere un ruolo chiave nello sviluppo di strategie di compensazione durante la riabilitazione motoria. Per la quantificazione dell'attività di co contrazione dei muscoli degli arti inferiori, diverse metodologie basate su sEMG sono state sviluppate ma uno standard per identificare la co-contrazione muscolare non è ancora disponibile. Dunque, obiettivo è l'analisi della co contrazione dei muscoli delle gambe nel dominio tempo-frequenza durante il cammino e la determinazione di dati normativi durante il cammino sano adulto e pediatrico. L'analisi mediante trasformata Wavelet (WT) è uno strumento appropriato per sviluppare un nuovo approccio per la valutazione della co-contrazione muscolare nel dominio tempo frequenza. Il metodo proposto è denominato CODE: CO-contraction DEtection. Un'ulteriore applicazione dell'analisi WT è l'estrazione e la valutazione dei suoni cardiaci fetali, dal segnale fonocardiografico fetale. Per ottenere dati di riferimento sulla co-contrazione dei muscoli dell’arto inferiore durante il cammino adulto e pediatrico è stata utilizzata la Statistical Gait Analysis (SGA), tecnica recente in grado di fornire una caratterizzazione statistica del cammino, calcolando i parametri spaziali-temporali mediante l’analisi di centinaia di passi di uno stesso soggetto durante il cammino.

Advanced Techniques for EMG-based Assessment of Muscular Co-Contraction During Walking

STRAZZA, ANNACHIARA
2019-03-13

Abstract

L'analisi del cammino è definita come lo studio sistematico della locomozione umana. Una parte centrale dell'analisi del cammino è rappresentata dall'elettromiografia di superficie (sEMG). Un ruolo centrale nel controllo del cammino è svolto dai muscoli degli arti inferiori, e in particolare dalla co-contrazione muscolare degli arti inferiori. La co-contrazione muscolare è definita come il reclutamento concomitante di muscoli antagonisti che afferiscono a un determinato giunto. In soggetti sani, la co-contrazione esercita una pressione omogenea sulla superficie articolare, preservandone la stabilità articolare. In individui patologici, la co-contrazione sembra avere un ruolo chiave nello sviluppo di strategie di compensazione durante la riabilitazione motoria. Per la quantificazione dell'attività di co contrazione dei muscoli degli arti inferiori, diverse metodologie basate su sEMG sono state sviluppate ma uno standard per identificare la co-contrazione muscolare non è ancora disponibile. Dunque, obiettivo è l'analisi della co contrazione dei muscoli delle gambe nel dominio tempo-frequenza durante il cammino e la determinazione di dati normativi durante il cammino sano adulto e pediatrico. L'analisi mediante trasformata Wavelet (WT) è uno strumento appropriato per sviluppare un nuovo approccio per la valutazione della co-contrazione muscolare nel dominio tempo frequenza. Il metodo proposto è denominato CODE: CO-contraction DEtection. Un'ulteriore applicazione dell'analisi WT è l'estrazione e la valutazione dei suoni cardiaci fetali, dal segnale fonocardiografico fetale. Per ottenere dati di riferimento sulla co-contrazione dei muscoli dell’arto inferiore durante il cammino adulto e pediatrico è stata utilizzata la Statistical Gait Analysis (SGA), tecnica recente in grado di fornire una caratterizzazione statistica del cammino, calcolando i parametri spaziali-temporali mediante l’analisi di centinaia di passi di uno stesso soggetto durante il cammino.
Gait analysis is the systematic study of human locomotion. A central part of gait analysis is represented by surface electromyography (sEMG). The walking control is played by lower limb muscles, and in particular by lower limb muscular co-contraction. Muscular co-contraction is the concomitant recruitment of antagonist muscles crossing a joint. In healthy subjects, co-contraction occurs to achieve a homogeneous pressure on joint surface, preserving articular stability. In pathological individuals, the assessment of co-contraction appeared to have a key role for discriminating dysfunction conditions of the central nervous system. Different methodologies for muscular co-contraction assessment were developed. A co-contraction index (CI) based on the area computation under the curve of rectified EMG signal from antagonist muscles was developed. It provides an overall numerical index that could not be suitable to characterize dynamic task. To overcome this limitation, muscular co-contraction was assessed by overlapping linear envelopes or temporal interval where muscles superimposed. Thus, a gold standard for identifying muscle co-contraction is not available yet. The aim of the study is to perform an EMG-based analysis of muscular co-contraction by proposing a new and reliable techniques for leg-muscle co-contraction assessment in time-frequency domain and by providing normative co-contraction data during heathy adult and child walking. The proposed method, based on Wavelet transform (WT), is named CO-contraction DEtection algorithm (CODE). A further application of WT analysis is the extraction and assessment of fetal heart sounds, from fetal phonocardiography signal. In the present study, also a reference data on lower-limb-muscle co contraction was provided by means of Statistical Gait Analysis, a technique able to provide a statistical characterization of gait, by averaging spatial-temporal and sEMG-based parameters over hundreds of strides during walking.
Time-frequency analysis; biomedical signal; statistical gait analysis
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