Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, 1975, 38:321-324 () Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam - Printed in The Netherlands

TECHNICAL

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CONTRIBUTION

INFLUENCE DES PROPRIETES ELECTRIQUES DES ELECTRODESFILS DE PLATINE SUR LE SIGNAL MYOELECTRIQUE S. METRAL, B. MATON ET L. GOUGEROT Laboratoire de Biophysique, U.E.R. Broussais, Hdtel-Dieu, 45 Rue des Saints-Pbres, 75270 Paris Cedex 06 and Laboratoire de Physiologie du Travail du C N R S ( C H U Pitid-Salpdtridre), 91 Boulevard de l'H6pital, 75634 Paris Cedex 13 (France) (Accepted for publication: September 26, 1974)

L'utilisation de l'61ectromyographie de surface est limit6e b. la d6tection de l'activit6 61ectrique globale de muscles superficiels. Aussi, depuis quelques ann6es, les 61ectrodes-fils sont-elles couramment employ6es pour recueillir les activit6s myo61ectriques. Elles permettent d'une part la d6tection de l'activit6 globale de muscles profonds. D'autre part, utilis6es avec de faibles surfaces de d6tection, elles permettent l'6tude des modalit6s de recrutement des unit6s motrices pour un muscle donn6 (Maton et al. 1969) et ceci, m6me au tours de la contraction dynamique (Maton et Bouisset 1971). L'usage de cette m6thode n6cessite d priori de pouvoir appr6cier les d6formations, non seulement de ramplitude mais aussi de la forme des potentiels, introduites par l'enregistrement. II est doric tout particuli6rement n6cessaire de connaitre l'imp6dance des 61ectrodes de recueil. La m6thode du cercle point6 permet, de fa¢on simple et assez pr6cise, de mesurer ces imp6dances h diff6rentes fr6quences, de tracer le lieu d'imp6dance, et d'en d6duire un sch6ma 6quivalent pour ces 61ectrodes.

TECHNIQUE Les ills 61ectrodes utilis6s sont des fils de platine de 100/z de diam6tre affin6s 61ectrolytiquement jusqu'/l un diam6tre de pointe de 20/1 environ et enti6rement isol6s/l l'araldite. Le p61e de d6tection est lat6ral et pr6sente une surface de recueil comprise entre 30.000 et 80.000/~2. Ces 61ectrodes sont ensuite chlorur6es dans un bain de chlorure de platine (Maton et al. 1969). La technique du cercle point6, dont une m6thode a 6t6 d6crite par ailleurs (Gougerot 1951), permet de faire figurer directement sur l'6cran d'un oscilloscope cathodique repr6sentant le plan complexe, l'ensemble des points figuratifs du lieu d'imp6dance. Le principe consiste/l appliquer une tension sinusoidale de valeur V e t de fr6quence variable N = o~/2n aux bornes de l'imp6dance Z, en s6rie avec une r6sistance d'imposition R tr6s grande par rapport/1 Z et de mesurer la tension v aux bornes de l'imp6dance Z (Fig. 1). La tension complexe v e s t proportionnelle en module et en phase/t l'imp~dance Z. Cette tension est appliqu6e d'une part sur les plaques de deviation

>>.

Ei Fig. 1. Sch6ma du principe de mesure d'une imp6dance Z. V: G6n6rateur de tension sinusoidale. R: R6sistance ohmique (R ::~ Z). v: Tension complexe, proportionneUe en module et en phase ~ l'imp6dance Z.

horizontale d'un oscilloscope, d'autre part, apr6s d6phasage de n/2 sur les plaques verticales. Le spot d6crit alors un cercle de Lissajous. Sur la modulation de luminosit6, pr6alablement amen6e jusqu'~, rextinction quasi-compl6te du spot par une tension n6gative externe, est envoy6e une br6ve impulsion positive aux instants T = 2 nnRo. Le spot s'allume b. ces instants seulement et ses coordonn6es sont, dans ces conditions, proportionnelles/t celles de l'affixe de l'imp&lance de l'61ectrode pour la fr6quence utilis6e. On peut ainsi construire point par point le lieu d'imp6dance en fonction de la fr6quence. Les mesures sont pratiqu6es dans des conditions voisines de celles des enregistrements intra-musculaires : la pointe de l'61ectrode est plong6e dans une solution de CINa ~i 9% oet le courant de mesure est de l'ordre du microamp6re. La gamme des fr6quences 6tudi6es est comprise entre 0,5 et 5.000 c/sec. Les r6sultats ci-dessous portent sur 20 61ectrodes. RESULTATS I. Pour toutes les 61ectrodes 6tudi6es, le lieu d'imp6dance exp6rimental est un arc de cercle, centr6 au-dessous de l'axe des abscisses (Fig. 2). L'inversion de ce lieu d'imp6dance, le p61e d'inversion &ant rabscisse de r (extrapolation/t la fr6quence infinie du

s. METRAL et al.

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/

-Y ikr~ /

,oo

-' (kni

1/~

5~O 20" 15-

oSO

4.'~ ~

6,/

400

10-

8/'9

'°tSII ° /

~oo

'~s V

25

50, 10 z

~i

550O

#75 °

~oo

400

aoo

X (k~)

Fig. 2. Lieu d'imp&lance (Z) de l'ensemble ~lectrode 61ectrolyte et lieu d'admittance (l/z) d'une 61ectrode. Les points noirs repr6sentent diff6rentes valeurs de l'imp6dance correspondant aux fr6quences de mesure dont la valeur est not6e au-dessus de chacun d'eux. Les cercles blancs repr6sentent diff6rentes valeurs de l'admittance correspondant des fr6quences de mesure dont la valeur est not6e h c6t6 de chacun d'eux. Y : R6actance en k~. X : R6sistance en kl). En encart, en haut ~t droite de la figure, est repr6sent6 le mod61e 61ectrique 6quivalent/t r61ectrode (voir texte). lieu exp6rimental), est une droite de pente ct # 75 ° (entre 74 et 78 ~ selon les 61ectrodes). Un tel lieu d'imp&lance correspond au sch6ma de Philippson-Cole (Fig. 2 encart) dans lequel ~ est une capacite de polarisation shunt6e par une r6sistance ohmique p e t en s6rie avec une r6sistance r repr6sentant la r~sistance s~rie de l'61ectrolyte. ~ est variable avec la fr6quence et son imp&lance complexe peut 6tre repr6sent6e selon Fricke (1932) par: 1

~'' (jfLI)m ofl 7 esl une constante; m un nombre inf6rieur ~t 1 ; (o la pulsation : j = x/'--q le symbole imaginaire. En admettant ce circuit 6quivalent, on peut caleuler les valeurs de r, p, 7 et m. En effet : Les intersections de rarc de cercle repr6sentant le lieu d'imp6dance avec l'axe des abscisses ont pour valeurs respectives r et p + r. D'autre part, s i p et m sont suppos6s ind~pendants de la fr6quence, c o m m e dans le mod61e de Fricke (en r6alit6 m varie 16g6rement avec la fr6quence: voir Schwan 1963), le lieu d'admittance de l'61ectrode elle-m6me 1

1

/

Z-r

150 200

est une droite dont l'abscisse a l'origine est egale/l l/p et qui fait un angle ct =m'(n/2) avec l'axe des abscisses. L'angle ~ mesur6 6tant voisin de 7 5 , on obtient m - 5 / 6 . Les Valeurs obtenues ainsi pour les 20 61ectrodes sont: pour r: 6gales ou inf6rieures h 10.000 f~; pour p: de 0,2/~

g

t'o

I'5

X(k~)

Fig. 3. Lieu d'imp&lance d'une ~lectrode pour des frequences de mesure comprises entre 25 et 5000 c/sec. Les points noirs repr~sentent !es valeurs de l'imp~dance correspondant /i diff~rentes valeurs de la fr~quence de mesure not~es ~ droite de chacun d'eux. Y : R~actance en kL'l. X : R~sistance en kfl. quelques Mf~; pour 7: comprises entre 10 7 et 5.10 -:s Farads. (sec)~ - 1. Cette variabilit6 correspond ~t la variabilit6 de la surface lat6rate de d6tection des 61ectrodes. II. Toutefois, pour des fr6quences comprises entre 25 et 5000 c/sec, l'arc de cercle du lieu d'imp&lance peut ~tre confondu avec sa tangente au point d'intersection avec l'axe des abscisses. Le lieu d'imp6dance exp6rimental est alors une droite inclin6e (en moyenne) de 75 ° sur raxe des abscisses. Le module 6quivalent se r6duit h la r6sistance r, en s6rie avec la capacit6 7 (Fig: 3). DISCUSSION Dans la mesure off l'influence des cfibles de liaison entre les 61ectrodes-fils et les entr+es des amplificateurs peut ~tre n6glig6e (ills courts et non blind6s), rensemble 61ectrodeentr6e de l'amplificateur peut ~tre repr6sent6 selon la Fig. 4. L'examen de cette figure montre que ce syst~me est 6quivalent un filtre "passe-haut" d o n t on peut calculer les caract6ristiques. En effet, la tension V, ~ rentr6e de l'amplificateur est

Fig. 4. Sch6ma 6quivalent d'une chalne de mesure. E: G6n6rateur de potentiel bio61ectrique. Z: Imp&lance de r61ectrode-fil. R , : Imp6dance d'entr6e de l'amplificateur. V, : Diff6rence de potentiel mesur6e.

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INFLUENCE DES ELECTRODES-FILS SUR L'EMG telle que : V. E

R. R.+Z

R, r+R.+z

off V. est la tension d'utilisation: R. la r6sistance "d'utilisation" (r6sistance d'entr6e de I'amplificateur) ; et Z l'imp6dance de l'61ectrode (y compris la r6sistance s6rie du g6n6rateur : Z=r+z). Si I'on n6glige la r6sistance s6rie r devant R , (environ 10 kfl devant 1 h 100 M~), on peut 6crire : V.

R~

E

R. + z

1 avec z = p + - -

~0~o) ~

On en tire:

Vu = Ru E R~+p

1+ p R.

5 "+ ~ P _ _ _ +Pup K~+p

(1)

En conclusion, les semi-micro61ectrodes m6talliques n'entralnent pas de distorsion sensible des signaux myo61ectriques dans la mesure off il est tenu compte des diff6rentes conditions ci-dessus. La m6thode du eercle point6, en permettant une mesure facile et rapide des propri6t6s ~lectriques de ees 61ectrodes, s'avere d~s lots un instrument precieux pour la d&ermination des caract6ristiques n6cessaires de la chaine de mesure en fonction du type d'~lectrodes utilis6es. Toutefois, il faut remarquer qu'en kin~siologie ou en m~decine sportive, ces 61ectrodes sont g~n6ralement connect6es aux entrees des amplificateurs ~ l'aide de ills de longueur assez importante. Si l'on emploie alors des cfibles de transmission ~ faible bruit, afin d'6viter notamment les art6facts de mouvements, leur capacit6 de jonction 6tant sup~rieure /l 100 pF au m/:tre, ils forment avec l'entr6e de l'amplificateur un filtre passe-bas non n6gligeable et l'ensemble du syst~me de d&ection doit &re reconsid6r6. ANNEXE

La constante de temps du syst~me devient alors : z

=[

Pup L R u + p ' 7 ] t~m

F

d6pend, pour une 61ectrode donn~e, de la r&istance d'entr~e de l'amplificateur. On trouve ainsi pour les ~lectrodes &udi~es : siR.=

1 M f l : 6 msec ~