Scopo del corso è l'acquisizione di metodologie di studio e interpretazione del sistema neuromuscolare.
The aim of the course is the acquisition of techniques for the investigation of the neuromuscular system.
Il sistema neuromuscolare può essere investigato acquisendo ed elaborando diversi segnali (soprattutto bioelettrici, ma anche meccanici, ecografici,…) da cervello, muscoli e nervi, durante la loro attività, volontaria o stimolata. Lo studente acquisirà varie conoscenze relative ai diversi metodi per la misura, l’elaborazione e la simulazione di diversi segnali che sono stati proposti. Un ampio spettro di applicazioni sarà anche illustrato. Inoltre, lo studente apprenderà importanti competenze per la pianificazione e implementazione di un protocollo sperimentale, l’elaborazione dei dati acquisiti e l’interpretazione dei risultati.
The neuromuscular system can be investigated recording and processing different signals (often bioelectric signals, but also others concerning kinematics, kinetics, metabolism, or ultrasound images,…) from the brain, muscles and nerves, during their activity, which could be either voluntary or stimulated. The student will get knowledge on different methods for the acquisition, processing and simulation of different signals. A wide range of applications will be also discussed. Moreover, the student will gain important competences for the design and implementation of experimental protocols, the processing of the measured data and the interpretation of the results.
Per una proficua frequentazione del corso, si consiglia di aver acquisito le nozioni principali di corsi di base di Analisi Matematica, Fisica e Analisi dei Segnali.
Elements of mathematical analysis, physics and signal processing
1. Richiami di concetti di fisica, elettrotecnica, elettronica
2. Richiami di concetti di fisiologia neuromuscolare e di controllo motorio
3. Contrazione muscolare volontaria e stimolata
4. Il segnale elettromiografico (EMG): generazione, simulazione ed elaborazione
5. Valutazione della conduzione dei nervi motori: tecnica del collision block e stima del blocco di conduzione in nervi motori
6. Crosstalk: tecniche per la sua valutazione e riduzione
7. Riflessi muscolari
8. Applicazioni in ergonomia, sindrome del tunnel carpale, stima delle manifestazioni mioelettriche di fatica, controllo della postura, ostetricia, masticazione, studio dei crampi e controllo di protesi
9. Principal Component Analysis (PCA) e Independent Component Analysis (ICA): applicazione alla decomposizione del segnale EMG in contributi di singola unità motoria
10. Introduzione alla trasformata wavelet. Applicazione di tecniche per lo studio di segnali non stazionari e di metodi di classificazione.
11. Metodi avanzati di elaborazione del segnale multicanale: stima delle regioni attive e applicazione di tecniche di flusso ottico per la valutazione dell’anatomia muscolare.
12. Brain Computer Interface basata sul Motor Related Cortical Potential
Ai punti precedenti sarà dedicato un tempo indicativamente paritario, coprendo complessivamente circa l’80% del corso. Il tempo rimanente sarà dedicato al supporto alla preparazione di una tesina relativa a temi attinenti il corso che ogni studente sceglierà. Verrà illustrato come si svolge una ricerca bibliografica e come si prepara un rapporto scientifico. Inoltre, verrà fornito supporto per l’implementazione di algoritmi e l’elaborazione di segnali.
1. Summary of concepts of physics and electronics
2. Elements of physiology of the neuromuscular system and of the motor control
3. Voluntary and electrically stimulated muscle contraction
4. The electromyogram (EMG): generation, simulation and processing
5. Evaluation of conduction of the action potentials in motor nerves: collision block technique and the estimation of conduction block in motor nerves
6. Crosstalk: methods to estimate and reduce it
7. Reflexes
8. Applications in ergonomy, carpal tunnel syndrome, estimation of the myoelectric manifestations of fatigue, control of posture, obstetrics, mastication, muscle cramps and control of a prosthesis
9. Principal Component Analysis (PCA) and Independent Component Analysis (ICA): application to surface EMG decomposition
10. Introduction to wavelet transform. Applications of methods for the analysis of non-stationary signals and classification.
11. Advanced methods for the processing of multichannel surface EMG: estimation of active regions and application of optical flow techniques to study muscle anatomy
12. Brain Computer Interface based on the Motor Related Cortical Potential
To each of the topics listed above, it is provided approximately equal weight. During the course, support will be also given to the students for the preparation of a small report. Some lectures will be devoted to teaching how to make a good literature review and how to produce a good report. Moreover, support will be given for the implementation of algorithms and their application to signals.
Oltre alle lezioni in aula, ci saranno alcune esercitazioni in cui gli studenti (eventualmente divisi in gruppi di lavoro) svolgeranno attività inerenti la tesina: ricerca bibliografica sul tema selezionato, elaborazione di dati, eventuali discussioni di nuovi protocolli sperimentali.
In addition to the lessons, there will be some tutorials and exercises in which the students (possibly split into working groups) will train with activities concerning their report: preparation of a small review on the selected topic, data processing, possible discussion of new experimental protocols.
Verranno fornite le presentazioni su cui si basano le lezioni e alcuni articoli scientifici per approfondire. Un testo che copre buona parte dei temi discussi a lezione è il seguente: Merletti R, Parker PA (editors). Electromyography: Physiology, engineering and non invasive applications, IEEE Press / J Wiley, USA, 2004.
The slides presented during the lessons and some scientific papers will be given. A book covering most of the topics of the course is the following: Merletti R, Parker PA (editors). Electromyography: Physiology, engineering and non invasive applications, IEEE Press / J Wiley, USA, 2004.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Progetto di gruppo;
Exam: Written test; Group project;
...
L'esame consiste di una prova scritta della durata di un'ora e mezza, con domande sui temi del corso (senza la possibilità di consultare appunti, libri o altre fonti di informazione) e di una presentazione orale di un progetto di tesina, che prevede una ricerca bibliografica di un tema nella letteratura scientifica.
In particolare, l'esame accerterà le conoscenze acquisite dallo studente relative ai diversi metodi per la misura, l’elaborazione e la simulazione di diversi segnali che sono stati descritti durante il corso. Inoltre, sarà valutata la conoscenza delle varie applicazioni discusse a lezione. Sarà anche valutata la capacità di pianificare un protocollo sperimentale, elaborare i dati acquisiti e interpretare i risultati. Infine, la valutazione del progetto di tesina permetterà di testare la capacità dello studente di fare un aggiornamento continuo, tramite la consultazione di articoli scientifici recenti.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test; Group project;
A written test (of duration of one hour and a half) on the topics described during the lessons (without the possibility of having access to notes, books or other material) and an oral presentation of a review of a theme of interest in the recent literature.
Specifically, the written test will test the competences of the student on the different methods for the measurement, processing and simulation of different signals discussed during the lessons. Moreover, the knowledge of the various applications described in the course will be checked. Furthermore, the ability of designing an experimental protocol, processing data and interpreting results will be required.
Finally, the evaluation of the literature review will allow to test the ability of the student to do a continuous updating, through the consultation of recent scientific articles.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
