Tesis
Plataforma para avaliação neuromuscular baseada na eletromiografia de alta densidade com aplicações em indivíduos com diabetes mellitus
Author
Favretto, Mateus André
Institutions
Abstract
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2017. O Diabetes Mellitus (DM) é uma doença crônica que atinge milhões de pessoas no mundo. Dentre as muitas complicações causadas por esta condição está a Neuropatia Diabética Periférica (NDP), que afeta os nervos sensoriais e motores. Os sintomas clínicos de disfunções motoras consistem na perda da força muscular dos músculos distais localizados nos membros inferiores, afetando principalmente músculos com maior proporção de fibras do tipo I como o Tibial Anterior (TA). O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma plataforma formada por um dinamômetro portátil e um eletromiógrafo de superfície de alta densidade (HD-sEMG) para verificação de ocorrência de disfunções neuromusculares em pacientes diabéticos, por meio de uma avaliação do músculo TA. A motivação deste projeto encontra-se na necessidade do desenvolvimento de novos métodos para avaliação do sistema motor de forma rápida, não invasiva e de menor custo, viabilizando o prognóstico de NDP. O hardware desenvolvido para aquisição de sinais de HD-sEMG possui 32 canais de entrada, conversor A/D de 24 bit; o que resulta em uma resolução de 296 nV, frequência de amostragem programável, de até 2 kHz, ganho selecionável, ruído de entrada menor que 4,3 µVRMS e comunicação via USB. O dinamômetro, é formado por uma estrutura metálica no formato de uma mesa, o qual permite a avaliação da força exercida pelo músculo TA durante contração isométrica de flexão dorsal do pé. Durante o estágio de calibração do dinamômetro, este apresentou um erro máximo de não linearidade de 0,45%. A plataforma foi aplicada em indivíduos saudáveis, para avaliação do seu correto funcionamento e análise da metodologia proposta. Foi realizado um estudo piloto em grupos de indivíduos saudáveis (n=8) e grupos de indivíduos com DM tipo 2, sem NDP e com NDP (n=21). Os seguintes parâmetros foram verificados para quantificar as disfunções motoras ocasionadas pela NDP: força de flexão dorsal do pé em contração isométrica, velocidade de condução da fibra muscular, alterações referentes ao grau de homogeneidade dos mapas topográficos e valores médios de valor médio quadrático (RMS) e frequência mediana (MDF). Os resultados do estudo piloto demonstraram diferença significativa (p < 0,05) entre os grupos para os parâmetros analisados. Portanto, ao final do trabalho, concluiu-se que a plataforma desenvolvida unida a metodologia proposta demonstra ser uma ferramenta promissora para análise de disfunções motoras em indivíduos diabéticos e também para a avaliação de outras patologias. Abstract : Diabetes Mellitus (DM) is a chronic disease that affects millions of people in the world. Among the many complications caused by this condition is Diabetic Peripheral Neuropathy (DPN), that affects sensory and motor nerves. The clinical symptoms of motor dysfunctions are the loss of muscle strength of the distal muscles located in lower limbs, mainly affecting muscles with a higher proportion of type I fibers, such as the Tibialis Anterior (TA). The objective of this work is the development of a portable dynamometer and a High-Density Surface Electromyograph (HD-sEMG) to verify the occurrence of neuromuscular dysfunctions in patients with diabetes, through the evaluation of the TA muscle. The motivation of this project lies in the necessity of the development of new methods to evaluate the motor system in a fast, non-invasive and low-cost way, enabling the prognosis of DPN. The hardware developed for the HD-sEMG signal acquisition has 32 input channels, A/D converters of 24 bit, resulting in 296 nV of resolution, adjustable sampling frequency up to 2 kHz, selectable gain, input noise less than 4,3 µVRMS and USB communication. The dynamometer is composed of a metal structure in a table format, that allows the evaluation of the TA muscle strength during isometric contraction of dorsiflexion movement of the foot. During the calibration stage of the dynamometer, it presented a maximum nonlinearity error of 0.45%. The platform was applied in healthy subjects, in order to evaluate its correct functionality and analyze the proposed methodology. A pilot study was performed in groups of healthy individuals (n=8) and individuals with type 2 DM, with and without DPN (n=21). The following parameters were verified to quantify motor dysfunctions caused by DPN: dorsiflexion strength in isometric contractions, muscle fiber conduction velocity, changes related to the degree of homogeneity of topographic maps and mean values of Root Mean Square (RMS) and Median Frequency (MDF). The results of the pilot study showed significant differences between groups for the parameters analyzed (p < 0,05). Therefore, the platform developed along with the methodology presented in this work proved to be a promising tool for the analysis of motor dysfunctions in individuals with diabetes and also for the evaluation of other pathologies.