De la chaine d’acquisition aux paramètres EMG exploitables

Dans la chaine d’acquisition et de traitement de signaux EMG, quatre différentes étapes sont nécessaires avant l’obtention finale de paramètres cliniquement interprétables : la configuration des électrodes, le conditionnement, l’acquisition et le traitement (Figure 22).

Figure 22. Chaine de mesure et de traitement du signal EMG (d’après Dalleau et Allard, 2009).

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1. CONFIGURATION DES ELECTRODES

Une électrode est constituée par un ou plusieurs éléments conducteurs, isolés sur une surface plus ou moins grande. La partie non isolée, en contact avec la peau ou le muscle, constitue la surface de détection, appelée pôle de détection de l’électrode. Les électrodes utilisées pour l’EMG de surface sont dites cutanées, et permettent la détection d’une activité interférentielle, appelée activité globale ou de surface. Si l’on résume les facteurs extrinsèques, la valeur moyenne de l’EMG est dépendante de : a) la taille des électrodes, (b) la distance entre les électrodes et (c) la qualité du contact entre la peau et l’électrode (isolation muscle-électrode).

(a) Taille et fixation des électrodes

La taille des électrodes conditionne directement le volume musculaire enregistré et donc l’amplitude EMG. Plus les électrodes sont petites, plus la spécificité du placement est grande. La fixation des électrodes est primordiale pour l’étude du mouvement, de légers déplacements de l’électrode par rapport à la peau pouvant se traduire par des signaux parasites, dits artefacts de mouvement. La fixation peut être réalisée à l’aide de bandes adhésives ou élastiques, procédés simples et rapides mais ne garantissant pas entièrement la stabilité des électrodes pendant l’étude du mouvement.

(b) Distance entre les électrodes

La distance entre les électrodes déterminera le volume de muscle détecté. De grandes distances entre les électrodes augmentent le volume du muscle enregistré, augmentant ainsi le risque d’inclure dans l’enregistrement des muscles non désirés dans l’analyse, phénomène appelé diaphonie ou cross-talk. Ce phénomène est d’une importance particulière lors de la quantification de la cocontraction pouvant induire à des interprétations erronées (De Luca, 1997 ; Basmajian et Blumenstein, 1980). De petites distances inter-électrodes permettent donc de réduire le risque de diaphonie par un prélèvement d’EMG localisé, surtout lors de l’étude de coactivations musculaires (Basmajian et Blumenstein, 1980). Ces investigateurs, ainsi que Blanc (Blanc et Dimanico, 2010), ayant répétés des expériences de placement d’électrodes, chez les enfants et adolescents, ont validé les meilleurs sites pour l’EMG exprimés en pourcentage de la distance entre repères osseux permettant de limiter la diaphonie. Les électrodes sont donc placées sur des zones dites de diaphonie minimale, avec une taille et une distance inter-électrode les plus réduites possible.

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(c) Isolation muscle-électrode

Avec les électrodes de surface, l’isolation entre le muscle et les électrodes doit être réduite au minimum. Si l’on applique une différence de potentiel constante aux extrémités d’un conducteur, celui-ci est le siège d’un courant électrique continu, c.à.d d’un déplacement d’électrons de l’extrémité chargée positivement (anode) à celle chargée négativement (cathode). Ce conducteur oppose au déplacement d’électrons une résistance R, appelée impédance, qui dépend de sa composition ionique, de sa longueur et de sa section. La distorsion du signal électrique entraînée par les électrodes est fonction de leur impédance. Pour un signal de fréquence donnée, l’impédance est d’autant plus élevée que la surface de détection est faible.

L’obtention d’une résistance électrodes-tissu de valeur convenable est essentiellement subordonnée, en ce qui concerne les électrodes de surface, à une préparation préalable de la peau. En effet la couche cornée, ainsi que les différentes sécrétions cutanées qui s’y accumulent, rendent la peau isolante. Il existe de multiples moyens pour diminuer la résistance de la peau. Par exemple, elle peut être frottée avec du papier de verre fin, une pierre ponce, ou encore avec un tampon imprégné d’un mélange dégraissant (éther, alcool, acétone) jusqu’à l’apparition d’une légère rubéfaction. Un résultat équivalent est obtenu en employant des pâtes contenant un mélange abrasif.

2. CONDITIONNEMENT DU SIGNAL

Le principal conditionnement du signal est son amplification. Le conditionnement est la façon dont on va modifier le signal afin d’assurer sa transmission sans altérer l’information qu’il contient. Les différences de potentiels enregistrables en EMG de surface sont de l’ordre du microvolt ou, tout au plus de quelques millivolts, faibles amplitudes du même ordre que les signaux électromagnétiques parasites que l’on trouve dans l’environnement d’enregistrement. Ces signaux peuvent provenir des sources d’alimentation, d’appareils électriques voisins, des luminaires etc. Ce bruit électronique sera particulièrement perturbant lorsque le signal parcourra des fils électriques. Un enregistrement correct requiert donc l’amplification préalable des signaux réalisé au moyen d’amplificateurs différentiels dont les caractéristiques principales sont a) l’impédance d’entrée, b) le gain, c) le bruit de fond et d) la bande passante.

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(a) Impédance d’entrée

En théorie, pour que le signal à enregistrer ne subisse pas de distorsion d’amplitude, il faut que l’impédance d’entrée du récepteur (entrée de l’amplificateur) soit supérieure ou égale à 1a fois celle du générateur (tissu musculo-cutané) et à celle des électrodes. Or, lorsque la peau est bien décapée, en EMG de surface, la résistance électrodes-tissu, mesurée en courant continu, est de l’ordre de quelques kilo-ohms. Le rapport entre les impédances du générateur et du récepteur est ainsi respecté (Bouisset et Maton, 1995).

(b) Gain et bruit de fond

Le gain d’un amplificateur est le rapport entre le signal de sortie et le signal d’entrée. Il est ordinairement compris entre 500 et 5000, réglable par pas. Plus le gain est élevé, plus le bruit de fond augmente. Lorsqu’on augmente le gain d’un amplificateur, on voit en effet apparaître, en l’absence de tout signal d’entrée et lorsque les entrées sont court-circuitées, un signal de sortie appelé bruit de fond. Il s’agit d’un bruit blanc, c.à.d. qu’il contient toutes les fréquences comprises dans la bande passante ; il trouve son origine essentiellement dans l’agitation thermique des électrons des composants électroniques.

(c) Différentialité

Comme son nom l’indique, c’est la caractéristique fondamentale d’un amplificateur différentiel. Il s’agit d’amplificateurs à entrée symétrique, dont le signal de sortie, toujours symétrique, traduit à un coefficient près (le gain) la différence algébrique entre les signaux d’entrée.

(d) Bande passante

La bande passante des amplificateurs correspond à la gamme des fréquences susceptibles d’être transmises. En pratique cette bande doit être adaptée ou adaptable à la nature des signaux que l’on enregistre, ainsi qu’à leur utilisation. Pour l’EMG de surface, la bande passante peut être sans inconvénient limitée à 1000 Hz, mais elle doit, autant que possible, comprendre également les fréquences basses de l’ordre de 2 à 20 Hz. Une telle bande passante permet de s’affranchir d’éventuels signaux parasites, émis par la radio ou la télévision (Bouisset et Maton, 1995). Si l’on élève la limite supérieure et inférieure, par exemple pour l’enregistrement du potentiel d’unité motrice ou de fibre musculaire, il est possible d’effectuer un filtrage ‘passe-haut’ du signal qui permet d’éliminer les rayonnements électromagnétiques du courant d’alimentation des appareils.

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3. ACQUISITION DU SIGNAL

Le signal EMG conditionné peut ensuite être enregistré en vu d’un traitement postérieur. L’électronique numérique permet d’enregistrer le signal sur des supports informatiques, ce qui sous-entend au préalable deux phases : une d’échantillonnage et une de quantification du signal. L’échantillonnage consiste à lire de manière périodique la valeur que prend le signal EMG au cours du temps. Cette régularité est définie par une fréquence d’échantillonnage, Fe

exprimée en Hertz. Cette fréquence correspond à la période d’échantillonnage qui sépare deux valeurs lues. Ainsi si le signal est lu à une fréquence de 1000 Hz, le temps séparant deux échantillons sera de 0,001 s, soit 1 ms.

La quantification est l’étape qui consiste à transformer les valeurs du signal en données numériques. C’est la conversion analogique-numérique. Le signal EMG avant d’être enregistré est un signal de type analogique, c.à.d. qu’il s’inscrit dans une gamme continue de mesures comme par exemple de 0 à 1 V : le signal peut y prendre toutes les valeurs réelles entre 0 et 1. Ainsi, si on devait représenter ces valeurs en fonction du temps sur une figure, on tracerait un trait plein. Par contre les valeurs sur un ordinateur sont quantifiées par niveaux, c.a.d. que les données numériques ne peuvent pas prendre toutes les valeurs réelles comme c’était le cas des données analogiques. La quantification est fonction du nombre de bits de la carte de conversion analogique-numérique.

4. TRAITEMENT ET ANALYSE DU SIGNAL EMG

En biomécanique, l’usage de l’EMG de surface peut être rapporté à trois manifestations principales: comme indicateur de l’activation musculaire, de sa relation avec la force produite par le muscle et des processus de fatigue qui interviennent dans le muscle (De Luca, 1997). Cependant, afin de pouvoir utiliser le signal EMG comme indicateur de ces phénomènes, un certain nombre d’opérations est nécessaire pour extraire des indices permettant son estimation indirecte :

- Redressement. Compte tenu du caractère aléatoire du signal EMG autour de zéro, l’EMG

brut (Figure 23A) présente une valeur moyenne nulle. Sa moyenne ne représente donc pas le niveau de recrutement. Une solution est alors de réaliser un redressement qui consiste à calculer la valeur absolue à chaque instant du signal EMG recueilli (Figure 23B). Ainsi les

54 valeurs négatives deviennent toutes positives et on peut alors calculer la valeur moyenne de l’EMG.

- Filtrage. Le filtrage est généralement utilisé pour éliminer les parasites dans un signal. En

électromyographie, il est aussi appliqué sur l’EMG redressé afin de lisser le signal et de mettre en évidence l’enveloppe linéaire (Figure 23C). L’enveloppe linéaire est en quelque sorte la courbe qui délimite les amplitudes de l’EMG redressé. En utilisant un filtre avec une fréquence de coupure basse, on élimine les variations rapides du signal. Sur l’EMG filtré on peut relever des indices tels que sa valeur moyenne et sa valeur maximale. Le filtrage est utile à une visualisation des phases d’activation des muscles impliqués dans un mouvement (De Luca, 1997). Cependant, comme le signal EMG est dépouillé de ses hautes fréquences, il n’est pas conseillé d’utiliser cette technique pour détecter le début temporel exact de l’activation musculaire.