Capitolo 3
Studio dell’ammiccamento
spontaneo e della mimica facciale
3.1 Obiettivo del lavoro
Come già detto, i pazienti con malattia di Parkinson possono presentare (con frequenza significativamente superiore alla popolazione di controllo) alcuni sintomi premotori. Appare ovvio, quindi, che specifiche valutazioni cliniche potrebbero essere caratterizzate da una sensibilità tale da cogliere (in soggetti a rischio) lievi sintomi o segni precoci, altrimenti inosservati in un esame di routine, accorciando in tal modo l'intervallo pre-diagnosi.
In questa direzione, l’obiettivo del presente lavoro è stato quello di studiare in soggetti sani e affetti da malattia di Parkinson l’ammiccamento spontaneo e analizzare le differenze fra i due gruppi riconducibili a una riduzione della mimica facciale, è stata analizzata l’attività muscolare dei muscoli peribuccali e frontali (coinvolti nella generazione dei comportamenti del volto) e messo a punto un sistema in grado di valutare il rate blinking (numero di ammiccamenti/min). Sono stati identificati parametri oggettivi e stabilito un protocollo sperimentale in grado di valutare il blinking e la mimica. Infine è stato analizzato statisticamente come queste valutazioni possono rappresentare metriche innovative che possono essere un aiuto per il medico nella fase di diagnosi precoce e di monitoraggio nel tempo della malattia stessa.
3.2 Materiali e metodi
Popolazione: 24 soggetti sani, età media 63±3 anni, 14 donne e 10 uomini; 24 soggetti malati, età media 69±6 anni, 8 donne e 16 uomini.
I pazienti indagati erano in uno stadio di malattia che copriva un range da 1 a 3 della scala di Hoehn e Yahr ed erano sottoposti a trattamento antiparkinsoniano con l-dopa e/o dopamino-agonisti di sintesi (range di l-dopa equivalent daily dose: 150 – 850 mg).
Nessun soggetto era fumatore, tutti riferivano un sonno ristoratore la notte precedente la valutazione, nessun soggetto aveva assunto nelle 24 ore precedenti la valutazione farmaci alteranti l’eccitabilità neuro muscolare o correlati ai sistemi neurotrasmettitoriali dopaminergici, nor-adrenergici o serotonergici, né sostanze stimolanti come caffeina o teofillina.
Valutazione: i soggetti sono seduti in posizione confortevole, in un ambiente tranquillo a bassa illuminazione.
L’attività elettrica prodotta dal blinking spontaneo è stata registrata durante lo svolgimento di tre compiti:1) visione statica 2) visione di un video, 3) lettura di un estratto.
La fase di visione statica della durata complessiva di 2:50 minuti circa consiste nella successione di sei immagini fisse (in Fig. 4 il set di immagini utilizzate), la visione è avvenuta da un monitor 20 pollici a distanza dal soggetto 1.60 metri circa.
La fase di visione di un video invece prevede la successione di clip estratte da film differenti: “Non ci resta che piangere” (durata clip: 2:08 min), “Amici miei” (durata clip: 46 sec.),“Trecento” (durata clip: 1:43 min), “Spiderman 2” (durata clip: 6 min) (in Appendice A l’elenco delle clip utilizzate).
Per la scelta delle scene si è fatto riferimento a uno studio condotto presso la Wesleyan University (Stati Uniti d’America) che riguarda le emozioni evocate dalla visione di film (“Eliciting Emotion with Film: Development of a Stimulus Set” Ellen Elizabeth Bartolini).
Si sono selezionate scene tratte da film italiani e non, di sicuro impatto emozionale, noti alla popolazione di età media presa in considerazione nel presente lavoro, in cui è possibile affermare che gli stati d’animo maggiormente suscitati sono: divertimento per le clip tratte da “Non ci resta che piangere” e “Amici miei”; eccitazione per la clip tratta da “Trecento”; tensione per la clip tratta da “Spiderman 2” .
Per verificare eventuali differenze fra controlli e pazienti riconducibili a una riduzione della mimica facciale nei malati di Parkinson, durante l’esecuzione dei tre compiti, è stata registrata l‘attività della muscolatura peribuccale e dei muscoli frontali. 1
La registrazione è stata effettuata con elettrodi di superficie in Ag/AgCl (Spes Medica 15x20 mm) applicati sul muscolo orbicolare dell’occhio destro (attivo sulla porzione media della palpebra inferiore, e riferimento sul foro sovraorbitario
1 L’elettromiografia (EMG) rappresenta il modo più oggettivo per misurare il comportamento del
volto.
La registrazione EMG facciale comporta l’applicazione di piccoli elettrodi di superficie su muscoli (o gruppi muscolari) implicati nella modificazione delle sembianze del volto (in questo lavoro sono stati scelti i muscoli peribuccali e frontali).
Gli elettrodi rivelano i potenziali d’azione muscolari aggregati dalle fibre muscolari sottostanti, e il segnale, opportunamente elaborato, viene considerato approssimativamente proporzionale alla forza della contrazione dei muscoli sottostanti.
L’elettromiografia facciale (EMG) rappresenta un metodo invasivo di misurazione del comportamento non verbale, tuttavia questa tecnica è in grado di rilevare anche i movimenti facciali minimi, non rilevabili dall’osservazione.
destro), e sui muscoli orbicolari della bocca, con impedenze cutanee inferiori a 5 kΩ.
L’elettrodo di terra è applicato al “nasion” (Fig.5)
Il segnale EMG è amplificato (banda passante 0.3-150 Hz) e registrato con un elettromiografo convenzionale (Ates), digitalizzato con frequenza di campionamento 1000 Hz e memorizzato in un computer per un’analisi successiva.
Fig. 4 Set di immagini utilizzate durante la fase di visione statica
Fig. 5 GND (terra); G1, G2 (canali di registrazione dell'ammiccamento e dell'attività dei muscoli frontali); H1, H2 (canali di registrazione dell'attività dei muscoli peribuccali)
Elaborazione dati: i segnali registrati dall’elettromiografo sono stati opportunamente convertiti per un’elaborazione successiva in ambiente Matlab. Per ogni segnale proveniente dal canale G (occhio destro) si è calcolata la densità spettrale di potenza, per verificare la banda di frequenze in cui si concentrava il segnale.
Ogni segnale è stato filtrato con un filtro passa basso di Butterworth del quarto ordine (frequenza di taglio 10 Hz), eliminando il rumore ad alta frequenza, il segnale è reso più regolare e interpretabile (Fig.6, Fig. 7, Fig.8).
Fig. 6 Filtraggio del segnale e calcolo dello Spettro in frequenza (VISIONE STATICA), canale G
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 -500 0 500 tempo (s) A m p ie z z a m ic ro
V Segnale registrato durante la visione statica
segnale originale segnale filtrato 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 5 10 15
x 105 densità spettrale di potenza - metodo DFT
frequenza (Hz) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 5 10 15
x 105 densità spettrale di potenza del segnale filtrato - metodo DFT
Fig. 7 Filtraggio del segnale e calcolo dello Spettro in frequenza (VISIONE VIDEO), canale G
Fig. 8 Filtraggio del segnale e calcolo dello Spettro in frequenza (LETTURA), canale G
Filtrato il segnale, sono stati trovati i suoi picchi locali, tutti i picchi con ampiezza superiore ad una soglia fissata (100 µV), sono stati contati come ammiccamenti
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -1000 0 1000 tempo (s) A m p ie z z a m ic ro
V Segnale registrato durante la visione video
segnale originale segnale filtrato 5 10 15 20 25 30 0 2 4 6
x 105 densità spettrale di potenza - metodo DFT
frequenza (Hz)
5 10 15 20 25 30
0 2 4
x 105 densità spettrale di potenza del segnale filtrato - metodo DFT
frequenza (Hz) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 -500 0 500 tempo (s) A m p ie z z a m ic ro
V Segnale registrato durante la lettura
segnale originale segnale filtrato 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6x 10
5 densità spettrale di potenza - metodo DFT
frequenza (Hz)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 2 4
x 105 densità spettrale di potenza del segnale filtrato - metodo DFT
(Fig.9, Fig.10, Fig.11), durante l’esecuzione di ciascun compito è stata inoltre calcolata l’ampiezza massima fra i picchi di ammiccamento.
Nella tabella seguente sono elencati i parametri calcolati, sia sui pazienti che sui soggetti di controllo, durante la registrazione elettromiografica, relativi al blinking spontaneo:
PARAMETRI MISURATI SIMBOLO
Frequenza di ammiccamento durante la visione statica [blinks/min]
Rate_blink_statico Frequenza di ammiccamento durante la visione video
[blinks/min]
Rate_blink_video Frequenza di ammiccamento durante la lettura [blinks/min] Rate_blink_lettura Ampiezza massima fra i picchi di ammiccamento durante la
visione statica [µV]
Picco_max_statico Ampiezza massima fra i picchi di ammiccamento durante la
visione video [µV]
Picco_max_video Ampiezza massima fra i picchi di ammiccamento durante la
lettura [µV]
Picco_max_lettura
Fig. 9 Ammiccamenti durante la fase di visione statica
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 x 104 -200 -100 0 100 200 300 400 500 Visione statica
picchi sopra soglia segnale filtrato
Fig. 10 Ammiccamenti durante la fase di visione video
Fig. 11 Ammiccamenti durante la fase di lettura
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x 105 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 Visione video
picchi sopra soglia segnale filtrato 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 x 104 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 Lettura
picchi sopra soglia segnale filtrato
Trovato il numero di blink totali, durante l’esecuzione di ciascun compito, si è ricavata, tramite una proporzione, l’informazione di interesse: il rate blink (numero di blink in un minuto).
Il numero di ammiccamenti ricavato dall’interpretazione dei segnali elettromiografici è stato confermato anche dall’analisi di video di ripresa dei soggetti esaminati, effettuati in parallelo alla registrazione EMG, durante l’esecuzione dei tre compiti.
Il segnale relativo all’attività elettrica della muscolatura peribuccale (canale H), registrato durante l’esecuzione dei tre compiti, è stato anch’esso sottoposto ad analisi spettrale e filtrato (filtro passa basso del quarto ordine di Butterworth, frequenza di taglio: 60 Hz). Successivamente si è valutata la deviazione standard (in µVolt) del segnale, che rappresenta la variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare basale.
Allo stesso modo si è valutata l’attività muscolare media dei muscoli frontali (escludendo dal segnale proveniente dagli elettrodi posti sull’orbicolare dell’occhio, canale G, i picchi relativi agli ammiccamenti).
Fig. 12 Filtraggio del segnale e calcolo dello Spettro in frequenza (VISIONE STATICA), canale H
0 20 40 60 80 100 120 -100 0 100 tempo (s) A m p ie z z a m ic ro
V Segnale registrato durante la visione statica
segnale originale segnale filtrato 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10x 10
4 densità spettrale di potenza - metodo DFT
frequenza (Hz)
5 10 15 20 25 30 35
0 2 4
x 104 densità spettrale di potenza del segnale filtrato - metodo DFT
Fig. 13 Filtraggio del segnale e calcolo dello Spettro in frequenza (VISIONE VIDEO), canale H
Fig. 14 Filtraggio del segnale e calcolo dello Spettro in frequenza (LETTURA), canale H
0 100 200 300 400 500 600 700 -500 0 500 tempo (s) A m p ie z z a m ic ro
V Segnale registrato durante la visione video
segnale originale segnale filtrato 5 10 15 20 25 30 0 2 4 6 8
x 104 densità spettrale di potenza - metodo DFT
frequenza (Hz) 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15
x 104 densità spettrale di potenza del segnale filtrato - metodo DFT
frequenza (Hz) 0 20 40 60 80 100 120 -50 0 50 tempo (s) A m p ie z z a m ic ro
V Segnale registrato durante la lettura
segnale originale segnale filtrato 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2
x 104 densità spettrale di potenza - metodo DFT
frequenza (Hz)
2 4 6 8 10 12 14 16 18
0 1 2
x 104 densità spettrale di potenza del segnale filtrato - metodo DFT
Nella tabella seguente sono elencati i parametri calcolati, sia sui pazienti che sui soggetti di controllo, durante la registrazione elettromiografica, relativi alla mimica facciale:
PARAMETRI MISURATI SIMBOLO
Variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare basale dei muscoli peribuccali durante la visione statica [µV]
Std_bocca_statico
Variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare basale dei muscoli peribuccali durante la visione video [µV]
Std_bocca_video Variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare
basale dei muscoli peribuccali durante la lettura [µV]
Std_bocca_lettura Variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare
basale dei muscoli peribuccali durante la visione delle clip tratte da “Non ci resta che piangere” e “Amici miei” (DIVERIMENTO) [µV]
Std_bocca_div
Variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare basale dei muscoli peribuccali durante la visione della clip tratta da “Trecento” (ECCITAZIONE) [µV]
Std_bocca_ecc
Variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare basale dei muscoli peribuccali durante la visione della clip tratta da “Spiderman 2” (TENSIONE) [µV]
Std_bocca_ten
Variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare basale dei muscoli frontali durante la visione statica [µV]
Std_fronte_statico Variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare
basale dei muscoli frontali durante la visione video [µV]
Std_fronte_video Variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare
basale dei muscoli frontali durante la visione lettura [µV]
Std_fronte_lettura Variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare
basale dei muscoli frontali durante la visione delle clip tratte da “Non ci resta che piangere” e “Amici miei” (DIVERIMENTO) [µV]
Std_fronte_div
Variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare basale dei muscoli frontali durante la visione della clip tratta da “Trecento” (ECCITAZIONE) [µV]
Std_fronte_ecc
Variabilità media del segnale rispetto all’attività muscolare basale dei muscoli frontali durante la visione della clip tratta da “Spiderman 2” (TENSIONE) [µV]
Fig. 15 Attività elettrica dei muscoli peribuccali
Fig. 16 Attività elettrica dei muscoli peribuccali durante la visione delle clip selezionate, partendo da sinistra "Non ci resta che piangere" + "Amici miei" (DIVERTIMENTO); "Trecento" (ECCITAZIONE); "Spiderman 2" (TENSIONE) 0 50 100 150 200 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
Segnale filtrato registrato durante la visione statica
Tempo[s] A m p ie z z a [m ic ro V o lt ] 0 200 400 600 800 1000 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
Segnale filtrato registrato durante la visione video
Tempo[s] A m p ie z z a [m ic ro V o lt ] 0 50 100 150 200 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
Segnale filtrato registrato durante la lettura
Tempo[s] A m p ie z z a [m ic ro V o lt ] 0 50 100 150 200 250 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
Attività dei muscoli della bocca(VIDEO DIVERTIMENTO)
Tempo[s] A m p ie z z a [m ic ro V o lt ] 0 50 100 150 200 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
Attività dei muscoli della bocca (VIDEO ECCITAZIONE)
Tempo[s] A m p ie z z a [m ic ro V o lt ] 0 100 200 300 400 500 600 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
Attività dei muscoli della bocca(VIDEO TENSIONE)
Tempo[s] A m p ie z z a [m ic ro V o lt ]
Fig. 17 Attività elettrica dei muscoli della fronte (Escludo i picchi di ammiccamento)
Fig. 18 Attività elettrica dei muscoli frontali durante la visione delle clip selezionate, partendo da sinistra "Non ci resta che piangere" + "Amici miei" (DIVERTIMENTO); "Trecento" (ECCITAZIONE); "Spiderman 2" (TENSIONE) (Escludo i picchi di ammiccamento)
In Appendice B parte del codice Matlab utilizzato.
0 50 100 150 200 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30
Attività dei muscoli della fronte durante la visione statica
Tempo[s] A m p ie z z a [m ic ro V o lt ] 0 200 400 600 800 1000 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30
Attività dei muscoli della fronte durante la visione video
Tempo[s] A m p ie z z a [m ic ro V o lt ] 0 50 100 150 200 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
Attività dei muscoli della fronte durante la lettura
Tempo[s] A m p ie z z a [m ic ro V o lt ] 0 50 100 150 200 250 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Attività dei muscoli della fronte (VIDEO DIVERTIMENTO)
Tempo[s] A m p ie z z a [m ic ro V o lt ] 0 50 100 150 200 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Attività dei muscoli della fronte ( VIDEO ECCITAZIONE)
Tempo[s] A m p ie z z a [m ic ro V o lt ] 0 100 200 300 400 500 600 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30
Attività dei muscoli della fronte (VIDEO TENSIONE)
Tempo[s] A m p ie z z a [m ic ro V o lt ]
