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 BiTDD LDD TSD TDD NDD IB2

• ver

IZ

• ver

mid region

• ver

end plate Time (s) MU amplitude (uV)

Selec-vity ¡Index ¡(SI) ¡

• SI ¡= ¡amplitude ¡ra-o ¡between ¡largest ¡(PMU1) ¡

and ¡second ¡largest ¡(PMU2) ¡MUs ¡

• SI ¡= ¡1 ¡– ¡PMU2/PMU1 ¡

(P = peak amplitude) PMU1 PMU2 SI = 0.82 SI = 0.16 LDD TSD

SI ¡Maps ¡for ¡a ¡single ¡subject ¡

mono IB2 BiTDD NDD TDD TSD LDD LSD rows columns SI rows

Performance ¡Evalua-on ¡

• Performance ¡Indicators ¡(PI) ¡extracted ¡from ¡SI ¡

across ¡en-re ¡grid ¡

• PI1 ¡= ¡number ¡of ¡channels ¡with ¡SI ¡> ¡70% ¡

– More ¡channels ¡= ¡beNer ¡performance ¡

• PI2 ¡= ¡area ¡where ¡SI ¡> ¡70% ¡

– Larger ¡area ¡= ¡more ¡less ¡cri-cal ¡on ¡placement ¡

PI1 ¡= ¡(nchannels ¡> ¡70%) ¡/ ¡nchannels

¡

mono IB2 BiTDD NDD TDD TSD LDD LSD rows columns SI rows

PI2 ¡= ¡(area ¡> ¡70%) ¡/ ¡area

¡

mono IB2 BiTDD NDD TDD TSD LDD LSD rows columns SI rows

Results ¡

mono LSD LDD TSD TDD BiTDD NDD IB2 0.8

PI1

0.7 0.6 0.5 0.3 0.2 0.1 Performance Indicator (PI) 1 for all subjects at 2% MVC 0.4 0.9 1 max/ min 25%/ 75% data mean

Results ¡

mono LSD LDD TSD TDD BiTDD NDD IB2 0.8

PI1

0.7 0.6 0.5 0.3 0.2 0.1 Performance Indicator (PI) 1 for all subjects at 5% MVC 0.4 0.9 1 max/ min 25%/ 75% data mean

Results ¡

mono LSD LDD TSD TDD BiTDD NDD IB2 0.8

PI1

0.7 0.6 0.5 0.3 0.2 0.1 Performance Indicator (PI) 1 for all subjects at 10% MVC 0.4 0.9 1 max/ min 25%/ 75% data mean

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 ¡McNaught1,2 ¡

– andrew.mcnaught@uct.ac.za ¡

• Corrado ¡Cescon2 ¡

– corrado.cescon@polito.it ¡

• Taian ¡Vieira2 ¡

– 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 ¡

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

MU ¡Template ¡Extrac-on ¡

motor unit template moving window averaging

…

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 ¡

TDD TSD

Two ¡Dimensional ¡Spa-al ¡Filters ¡

• Two ¡dimensional ¡(2D) ¡

– Work ¡in ¡both ¡direc-ons ¡ – More ¡isotropic ¡(uniform) ¡

BiTDD NDD IB2

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) ¡