Scopo del corso è l'acquisizione di metodologie di studio e interpretazione del sistema neuromuscolare.

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.

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.

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. Meccanomiogramma (MMG)
8. Riflessi muscolari
9. 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
10. Principal Component Analysis (PCA) e Independent Component Analysis (ICA): applicazione alla decomposizione del segnale EMG in contributi di singola unità motoria
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.

Il corso si propone di presentare un approccio ingegneristico, qualitativo e quantitativo, alla analisi dei meccanismi fisiologici centrali (sistema nervoso centrale) e periferici (nervi, muscoli e sensori) che riguardano il controllo del motore "muscolo", la fatica muscolare, la strumentazione per l’indagine del sistema e per l’analisi delle sue alterazioni fisiologiche (allenamento, invecchiamento, permanenza in microgravità) e patologiche. Saranno inoltre discussi aspetti di ergonomia e prevenzione di patologie neuromuscolari di origine occupazionale, ostetrica, etc.

Programma
Richiami di elettrotecnica e di elettronica. Richiami di fisiologia del sistema neuromuscolare. Cellule e membrane eccitabili. Potenziali d’azione. Trasmissione della informazione. Il sistema nervoso: strutture centrali, spinali e periferiche. Loro modelli matematici. Il sistema muscolare: le unità motorie, le fibre muscolari, i tendini, i sensori di lunghezza, velocità, forza muscolare, posizione articolare. Strategie di controllo motorio. Modelli matematici del muscolo e del controllo motorio. Riflessi. Metodologie di analisi invasive e non invasive. Elettroneurografia, elettromiografia, stimolazione elettrica. Analisi del movimento. Applicazioni cliniche in ergonomia, medicina del lavoro, della riabilitazione, dello sport, dello spazio e in ostetricia.

Laboratori
Esercitazioni in aula sui modelli elettronici di membrana, circuiti di prelievo e condizionamento di segnali, algoritmi per l’estrazione di informazione, modelli di segnali nervosi e muscolari.
Esercitazioni di laboratorio sul prelievo di segnali muscolari e applicazioni di stimolazione elettrica presso il LISiN (www.lisin.polito.it).

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.

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.

Hermens H., Freriks B, Merletti R., Stegeman D., Blok J., Rau G., Disselhorst-Klug C., Hagg G., Raccomandazioni Europee per l’Elettromiografia di Superficie, Edizione italiana a cura di R. Merletti, Coop. Lib. Univ. Torinese (available from LISiN), 2000.

Cappello, A. Cappozzo, P. E. Di Prampero, Bioingegneria della postura e del movimento, Patron Editore, Quarto Inferiore (BO), 2003.

R. Merletti, P. Parker, Electromyography: physiology, engineering and non invasive applications, IEEE Press and J. Wiley, 2004.

L'esame può essere sostenuto tramite un orale approfondito sui temi trattati a lezione oppure con un breve orale in seguito alla preparazione di una tesina di carattere applicativo. Tale tesina prevede la ricerca di un tema nella letteratura scientifica e lo sviluppo, l’implementazione e la discussione di un metodo di elaborazione, mettendo in pratica le metodologie esposte nel corso.

L’esame è orale, dura 20-30 minuti, e consiste in 3-4 domande che includono un tema eventualmente sviluppato dallo studente (tesina).