Neuroengineering Contributions in Parkinsonic Tremor Characterization Using Accelerometry and Surface Electromyography

Abstract

A Doen ca de Parkinson (DP) est a associada a uma perda de neur onios produtores de dopamina no sistema nigroestriatal. Por consequ^encia, a organiza c~ao temporal da actividade motora cortical durante a contrac c~ao muscular e planeamento e execu c~ao de movimento vai ser afectada. Dist urbios no sistema dopamin ergico podem levar a manifesta c~ao de sintomas motores tais como movimentos oscilat orios involunt arios (tremor), bradicinesia, rigidez muscular e instabilidade postural e tamb em d e ces cognitivos. O tremor na DP pode ocorrer numa posi c~ao de repouso ou de postura, ou em ambas as situa c~oes. Os tremores de repouso e postural podem sobrep^or-se na frequ^encia. V arios estudos t^em evidenciado que o tremor de repouso se manisfesta no intervalo de 4 a 6 Hz. Por outro lado, o tremor postural revelase tipicamente na gama de 5 a 12 Hz, o que torna dif cil distinguir ambos os tipos de tremor em termos da distribui c~ao de frequ^encias. Este estudo apresenta uma an alise comportamental quantitativa dos tremores de repouso e postural na DP associada a um estudo de imagem por resson^ancia magn etica functional (fMRI em ingl^es). O objectivo e implementar algoritmos que consigam caracterizar a frequ^encia e amplitude do tremor na DP manifestado quando e realizada uma tarefa em que a posi c~ao do bra co do participante alterna entre o repouso e a postura. Para avaliar e quanti car o tremor durante a realiza c~ao da tarefa foram adquiridos simultaneamente sinais de acelerometria e electromiogra a de superf cie (sEMG). Estas duas t ecnicas t^em sido frequentemente utilizadas para detectar e quanti car o tremor na DP. A tarefa foi realizada seis vezes em cada sess~ao sendo que em tr^es delas foi adicionado um peso a cada pulso do participante. Este estudo preliminar incluiu tr^es doentes parkins onicos idiop aticos. Na an alise o -line, os sinais de acelerometria e sEMG foram ltrados removendo assim os artefactos introduzidos pelo pulso de radiofrequ^encias e pelos gradientes de campo magn etico aplicados durante a acquisi c~ao das imagens funcionais. De seguida, procedeu-se a inspec c~ao do espectro de frequ^encias por forma a avaliar as altera c~oes a n vel de amplitude e frequ^encia ao longo da realiza c~ao da tarefa. Foram calculados par^ametros tais como picos de pot^encia e xiii frequ^encia correspondente e pot^encia total do espectro para cada um dos segmentos da tarefa (em repouso e na postura). O envelope do sinal foi tamb em avaliado e a area abaixo do envelope foi determinada para cada segmento da tarefa. Foram tamb em determinados os intervalos em que h a tremor para cada sinal, sendo essa informa c~ao utilizada numa an alise multi-estudos que aplica o Modelo Linear Geral (GLM, em ingl^es). Foi ainda realizada uma an alise adicional com o objectivo de perceber quais as bandas de frequ^encia que mais contribuem para a pot^encia do sinal. As gamas de frequ^encia podem tamb em ser correlacionadas com as altera c~oes observadas no sinal BOLD (Blood Oxygen Level Dependent). Os resultados con rmaram que a manuten c~ao dos bra cos numa posi c~ao postural origina um aumento consider avel da amplitude do tremor, comparando com a posi c~ao de repouso. Os gr a cos da frequ^encia em fun c~ao da amplitude mostraram picos distintos no intervalo de frequ^encias de 5 a 12 Hz. Nomeadamente, num dos doentes foram identi cados picos de pot^encia pr oximos de 5 Hz nos segmentos de postura. Foram ainda identi cados segundos picos perto de 10 Hz. Estes ultimos est~ao ausentes nos gr a cos dos segmentos de postura para os outros dois doentes. O estudo de uma popula c~ao maior e homog enea vai esclarecer que tipo de tremor, postural ou reemergente, d a origem aos picos identi cados, sendo que ambos os tremores podem co-existir na mesma gama de frequ^encias. Aumentar o n umero de participantes vai permitir estudar o efeito da introdu c~ao de um peso durante a tarefa, o que se veri cou que n~ao resultar em altera c~oes consider aveis na amplitude do tremor. A metodologia de processamento de sinal desenvolvida ao longo desta tese teve como objectivo analisar sinais de acelerometria e electromiogra a de superf cie adquiridos dentro de um scanner de resson^ancia magn etica. Foram ainda calculados par^ametros que possibilitam a distin c~ao dos tremores de repouso e postural. Adicionalmente, a obten c~ao simult^anea de imagens funcionais pode revelar informa c~ao acerca das regi~oes do c erebro que s~ao activadas quando diferentes tarefas concebidas para modular o tremor s~ao executadas. Combinar a informa c~ao fornecida pelas tr^es t ecnicas, acelerometria, sEMG e fMRI pode ser determinante na caracteriza c~ao e separa c~ao dos tremores da DP e tamb em na identi ca c~ao dos circuitos cerebrais que os desencadeiam. Palavras-chave: Doen ca de Parkinson, Tremor, Acelerometria, Electromiogra a de Superf cie, Imagem por Resson^ancia Magn etica Funcional