Metodologia para a análise de disfunções neuromusculares em indivíduos com diabetes Mellitus baseada em técnicas de eletromiografia de superfície de alta densidade

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2023.O Diabetes Mellitus (DM) é uma doença crônica que afeta cerca de 9,3% da população mundial e pode causar diversas complicações, incluindo a Neuropatia Diabética Periférica (NDP). A NDP compromete os nervos sensoriais e motores e leva à perda de força muscular nos membros inferiores, resultando em uma redução na qualidade de vida e um maior risco de complicações. No entanto, a detecção precoce dessas alterações neuromusculares é um desafio devido à falta de métodos não invasivos e acessíveis na prática clínica. Nesta, foi desenvolvida uma metodologia utilizando a Eletromiografia de Superfície de Alta Densidade (HD-sEMG) em conjunto com técnicas de processamento de sinais, como a análise de componentes independentes (ICA), com o objetivo de decompor as unidades motoras dos sinais de sinais HD-sEMG. Essa abordagem foi utilizada como uma alternativa não invasiva para avaliar as alterações na Unidade Motora (UM) em indivíduos saudáveis ??(Controle) e com diferentes estágios de NDP (Ausente, Moderado e Severo). Três estudos foram realizados para investigar o padrão de ativação muscular, o comportamento da UM em diferentes estágios de gravidade do NDP e as propriedades da UM em diferentes níveis de intensidade de contração. Os sinais de HD-sEMG foram registrados no músculo Tibial Anterior (TA) durante contrações isométricas de flexão dorsal do pé. No primeiro estudo, foram analisados ??os sinais de HD-sEMG de indivíduos saudáveis ??(Controle), e indivíduos com diabetes mellitus tipo 2 (DM2) sem e com NDP. As interferências dos sinais HD-sEMG calculadas foram de raiz quadrada média normalizada (RMS), frequência mediana normalizada (MDF), coeficiente de variação (CoV) e entropia modificada (EM). O RMS aumentou significativamente (p = 0,001) com o tempo apenas para o grupo com NDP, enquanto o MDF aumentou significativamente (p < 0,01) com o tempo para os grupos Controle com e sem NDP. Além disso, o EM foi significativamente menor (p = 0,005) e o CoV foi significativamente maior (p = 0,003) para o grupo com NDP do que para o grupo Controle. Esses resultados sugerem uma redução no número de UMs recrutadas por indivíduos com NDP. No segundo estudo foi investigado o comportamento da UM em adultos saudáveis ??(Controle) e indivíduos com DM2 apresentando NDP em diferentes atualizações de gravidade da doença (Ausente, Moderado, Severo). Os sinais HD-sEMG foram decompostos, utilizando técnicas de análises de componentes independentes (ICA) forneceram estimativas de frequência de disparo (FD), velocidade de condução da UM (VCUM) e área do território da UM (ATUM). Como resultado, o grupo Ausente apresentou Contração Isométrica Voluntária Máxima (CIVM) reduzida em relação ao grupo Controle. Os grupos com diabetes apresentaram ATUM significativamente maior em comparação ao grupo Controle (p < 0,01), e o grupo Severo apresentou FD significativamente menor em comparação com o grupo Controle e Ausente (p < 0,01). Além disso, o grupo Severo apresentou coeficiente de variação da força (CoVForça) significativamente maior em comparação com os grupos Controle e Moderado. No terceiro estudo foi investigado qual o nível de força de contração isométrica de flexão dorsal do pé (baixo - 10%, 30%, média - 50% ou alta - 70%) que os indivíduos com NDP com diferentes estágios de gravidade da doença ( Ausente, Moderado e Severo) apresentam alterações mais pronunciadas nas propriedades de descarga dá UM no músculo TA. Os sinais HD-sEMG também foram decompostos utilizando técnicas de ICA, fornecendo estimativas de FD, VCUM, ATUM, Coeficiente de variação entre picos (COVISI), valor RMS do potencial de ação das UM (RMSUM), área do potencial de ação dá UM (AreaUM), amplitude pico a pico do potencial de ação dá UM (APPUM), frequência média do potencial de ação das UM (MNFUM) e COVForça. Os resultados revelaram que durante os testes de baixa e intensidade média, o grupo Severo apresentou redução na VCUM e FD, enquanto o grupo Moderado apresentou aumento no valor RMSUM. Esses resultados sugerem que o NDP afeta as propriedades do músculo TA, principalmente em níveis de baixa e média intensidade de contração muscular. Concluindo, esta tese de doutorado apresenta o desenvolvimento de uma metodologia utilizando o HD-sEMG como uma ferramenta sensível e não invasiva para avaliar alterações nas UMs em indivíduos com NDP. Os resultados obtidos demonstram que a metodologia desenvolvida pode ser uma alternativa viável para detecção precoce e monitoramento das alterações neuromusculares relacionadas ao NDP, proporcionando uma abordagem promissora para a prática clínica.Abstract: Diabetes Mellitus (DM) is a chronic disease that affects about 9.3% of the world's population and can cause several complications, including Diabetic Peripheral Neuropathy (DPN). DPN compromises sensory and motor nerves and leads to loss of muscle force in the lower limbs, resulting in a reduced quality of life and an increased risk of complications. However, the early detection of these neuromuscular alterations is a challenge due to the lack of non-invasive and accessible methods in clinical practice. In this thesis, a methodology was developed using High-Density Surface Electromyography (HD-sEMG) in conjunction with signal processing techniques, such as independent component analysis (ICA), with the aim of decomposing the motor units of HD-sEMG. This approach was used as a non-invasive alternative to assess alterations in the Motor Unit (MU) in healthy individuals (Control) and with different stages of DPN (Absent, Moderate, and Severe). Three studies were carried out to investigate the pattern of muscle activation, the behavior of the MU at different stages of DPN severity, and the properties of the MU at different levels of contraction intensity. HD-sEMG signals were recorded in the Tibialis Anterior (TA) muscle during isometric contraction of ankle dorsiflexion. In the first study, the HD-sEMG signals of healthy individuals (Control) and those with type 2 diabetes mellitus (DM2) with and without DPN were analyzed. The parameters of the calculated HD-sEMG signals were normalized root mean square (RMS), normalized median frequency (MDF), coefficient of variation (CoV), and modified entropy (ME). RMS increased significantly (p = 0.001) with time only for the DPN group, while MDF significantly decreased (p < 0.01) with time for the Control groups with and without DPN. Furthermore, ME was significantly lower (p = 0.005) and CoV was significantly higher (p = 0.003) for the DPN group than for the Control group. These results suggest a reduction in the number of MUs recruited by individuals with DPN. In the second study, the MU behavior was investigated in healthy adults (Control) and individuals with DM2 with DPN in different stages of disease severity (Absent, Moderate, Severe). The HD-sEMG signals were decomposed using independent component analysis (ICA) techniques providing estimates of the discharge rate (DR), MU conduction velocity (MUCV), and MU territory area (MUTA). As a result, the Absent group presented Maximal Voluntary Isometric Contraction (MVIC) reduced in relation to the Control group. The groups with diabetes had significantly higher MUTA compared to the Control group (p < 0.01), and the Severe group had significantly lower DR compared to the Control and Absent groups (p < 0.01). In addition, the Severe group presented a significantly higher coefficient of variation of force (CoVForce) compared to the Control and Moderate groups. In the third study, the level of isometric contraction force in ankle dorsiflexion (low - 10%, 30%, medium - 50%, or high - 70%) was investigated in individuals with DPN at different stages of disease severity (Absent, Moderate and Severe), show more pronounced alterations in the MU discharge properties in the TA muscle. The HD-sEMG signals were also decomposed using ICA techniques, providing estimates of DR, MUCV, MUTA, Coefficient of variation between peaks (COVISI), MU action potential RMS value (RMSMU), MU action potential area (AreaMU), MU action potential peak-to-peak amplitude (APPMU), mean MU action potential frequency (MNFMU) and COVForce. The results revealed that during the low and medium-intensity tests, the Severe group presented a reduction in the MUCV and DR, while the Moderate group presented an increase in the RMSMU value. These results suggest that DPN affects the MU properties of the TA muscle, mainly at low and medium-intensity levels of muscle contraction. In conclusion, this doctoral thesis presents the development of a methodology using HD-sEMG as a sensitive and non-invasive tool to assess changes in MUs in individuals with DPN. The results show that the developed methodology can be a viable alternative for the early detection and monitoring of neuromuscular alterations related to DPN, providing a promising approach for clinical practice