Identificazione di singole unità motorie in contrazioni isometriche volontarie mediante ultrasonografia 3D ad elevato frame rate = Identification of single motor units during isometric voluntary contractions using high frame rate 3D ultrasound

La contrazione del muscolo scheletrico è un complesso fenomeno elettromeccanico, controllato dal sistema nervoso attraverso il reclutamento delle unità motorie (UM). L’analisi delle funzionalità delle UM è fondamentale per la diagnosi di patologie neuromuscolari, nella ricerca neurofisiologica oltre che in applicazioni cliniche, come la riabilitazione e la medicina dello sport. Tradizionalmente, l'elettromiografia (EMG) è stata la tecnica di riferimento per investigare l’attivazione muscolare e le proprietà elettrofisiologiche delle UM. Più recentemente, tuttavia, è stata dimostrata la validità dell'ultrasonografia (US) per lo studio della risposta meccanica, ovvero il rapido spostamento tissutale che segue l'attivazione elettrica. In particolare, l’impiego di tecnologie US ad elevato frame rate ha permesso di ottenere la risoluzione temporale necessaria per l’imaging degli eventi meccanici associati alla contrazione delle UM, i quali si verificano su scale temporali molto brevi (<200 ms). L’US ad elevato frame rate, combinata con l’elettromiografia ad alta densità (HDsEMG), è stata applicata con successo per l’identificazione della regione di spostamento tissutale delle singole UM in video 2D della sezione trasversale del muscolo. Questo lavoro di tesi si propone di estendere la trattazione mediante l’utilizzo di una sonda matriciale 32x32 (frequenza centrale di 8 MHz) per imaging volumetrico, al fine di stimare il volume muscolare che comprende le fibre delle singole UM. L’acquisizione dei dati sperimentali è stata condotta su cinque soggetti, durante contrazioni isometriche volontarie a basso livello di forza del muscolo adduttore del mignolo. Le registrazioni sono state effettuate per una durata di 5 secondi, utilizzando una modalità di acquisizione che prevede l'attivazione simultanea di tutti i 1024 elementi in trasmissione, mentre sono state valutate due modalità di ricezione della sonda. La configurazione utilizzata ha permesso di ottenere un frame rate di 500 volumi al secondo. Su ciascun soggetto, a parità di set up sperimentale, sono state effettuate prove successive per valutare la capacità della metodologia proposta di identificare il volume associato alla stessa UM in prove differenti. A partire dai video ultrasonografici 3D sono state stimate le sequenze di velocità tissutale 3D (3D-TVS). Utilizzando gli instanti di attivazione delle singole UM, ottenuti della decomposizione dei segnali HDsEMG, si sono ottenute, mediante Spike Triggered Averaging delle 3D-TVS, le mappe 3D di attivazione per ciascuna UM (volume di UM). Si è riscontrato che il 46% delle UM decomposte dai segnali HDsEMG possono essere identificate con successo negli US, mostrando un volume coerente con l'architettura fusiforme del muscolo adduttore del mignolo. La ripetibilità longitudinale (tra le prove effettuate sullo stesso soggetto) è stata quantificata valutando la distanza tra i centroidi dei territori segmentati nelle fette trasversali del volume relativo alla stessa UM in ciascuna prova. I risultati hanno evidenziato che queste distanze tra centroidi risultano inferiori rispetto alle distanze tra territori casuali, che non rappresentano la stessa UM. Questo lavoro costituisce un punto di partenza nell’imaging volumetrico della risposta meccanica delle fibre di una UM in contrazioni volontarie, fornendo possibili vie per lo studio della neuromeccanica tridimensionale dell’attivazione muscolare.