Problematika použití povrchové elektromyografie – poznámky k vybraným aspektům aplikace v léčebné rehabilitaci

Problems in Using Surface Electromyography – Remarks On Selected Aspects of Application in Therapeutic Rehabilitation

The article refers to a few basic recommendations for the use of surface electromyography in rehabilitation research and practice. It indicates difficulties associated with detection, processing, assessment and interpretation of electromyographic signal. This article is the reaction to articles published in journal the Rehabilitation and Physical Therapy (Rehabilitace a fyzikální lékařství in the Czech language).

Keywords:
surface electromyography, detection, processing, electromyographic signal assessment, standards

Autoři: D. Dupalová; Zaatar A. M. Z ¹
Působiště autorů: Katedra fyzioterapie, Fakulta tělesné kultury, Olomouc, vedoucí prof. MUDr. J. Opavský, CSc.
Vyšlo v časopise: Rehabil. fyz. Lék., 22, 2015, No. 1, pp. 26-30.
Kategorie: Původní práce

Souhrn

Článek poukazuje na některá základní doporučení pro aplikaci povrchové elektromyografie v rehabilitačním výzkumu a praxi. Upozorňuje na úskalí spojená se snímáním, zpracováním, hodnocením a interpretací elektromyografického signálu. Podnětem pro vznik tohoto článku jsou některé dříve publikované články v časopisu Rehabilitace a fyzikální lékařství.

Klíčová slova:
povrchová elektromyografie, snímání, zpracování, hodnocení elektromyografického signálu, standardy

ÚVOD

Povrchová elektromyografie je metoda relativně jednoduše použitelná, avšak pro její korektní interpretaci je nutné dodržení standardních postupů měření, zpracování i hodnocení. De Luca (2) uvedl: „To its detriment, elektromyography is too easy to use and consequently too easy to abuse“. Volně přeloženo: „Ke své škodě je elektromyografie příliš jednoduše použitelná a tedy i příliš snadno zneužitelná“. V následujícím textu poukazujeme na některé aspekty aplikace povrchové elektromyografie s důrazem na dodržení adekvátního metodického popisu (dle našeho názoru ne vždy dostatečně používaný v odborných pracích). Odkazujeme se zejména na doporučení navržených standardů pro aplikaci povrchové elektromyografie (5, 19), které vznikly jako výstupy projektu SENIAM (surface EMG for non-invasive assessment of muscles) v rámci evropské spolupráce programu BIOMED II (18).

Charakteristika přístrojového vybavení, včetně elektrod

Tato oblast patří z hlediska popisu k nejjednodušším, obvykle se nechybuje, pouze někdy část informací chybí. Standardně se specifikuje přístrojové vybavení (příp. další technické údaje a charakteristiky – vzorkovací frekvence, zisk zesilovače, vstupní odpor apod.) a využitý software. Za důležité považujeme uvedení charakteristik, které nemusí vyplývat z dříve uvedeného (počet použitých kanálů, způsob přenosu signálu apod.).

Specifikace elektrod

Je vhodné udat základní charakteristiky elektrod: značku elektrod, konfiguraci (obvykle se jedná o bipolární aplikaci), tvar (obvykle kruhové či obdélníkové), velikost vodivé plochy (ve velikosti panují různé názory). Hermens a spol. (6) doporučují maximální velikost vodivé plochy ve směru svalových vláken maximálně do 10 mm, materiál (různé druhy, nejčastěji Ag/AgCl). K nejpodstatnějším vlastnostem patří použitá vzdálenost mezi elektrodami (IED – inter-electrode distance). I zde, přes rozdíly v názorech (21), se v literatuře nejčastěji preferuje a doporučuje IED vzdálenost 20 mm (6, 11). Některé elektrody jsou konstruovány s fixní IED. Při aplikaci na relativně malé svaly by IED neměla přesáhnout jednu čtvrtinu délky svalových vláken. Tímto způsobem lze předejít nestabilním záznamům z důvodu vlivu umístění elektrody do blízkosti šlachy a ploténkové zóny (6).

Příprava kůže

Před nalepením elektrod je vhodné provést základní úpravu kožního krytu a v metodice tento způsob stručně popsat. V současnosti vzhledem k velikosti vstupní impedance EMG zesilovačů nedosahuje impedance mezi kůží a elektrodou kritických hodnot. Přesto příprava kůže je žádoucí pro zlepšení kontaktu mezi elektrodou a kůží, snížení impedance mezi elektrodou a kůží a pro umožnění lepší fixace elektrody. Správná příprava kůže zahrnuje v různých kombinacích: oholení (v případě výskytu ochlupení), šetrnou abrazi (brusným papírem) a očištění kůže (alkoholem – elektrodu aplikovat až po odpaření alkoholu nebo čistícím gelem). Některé zdroje (14) považují za dostatečné očištění mýdlovou vodou a následné osušení. Akceptovaná maximální kožní impedance je pod 10 kW (6, 11).

Dobrý kontakt je předpokladem pro získání kvalitního záznamu elektromyografického signálu. Hermens a spol. (6) uvádějí ovlivnění zejména amplitudových charakteristik (menší počet a velikost artefaktů, nižší riziko odlišných podmínek kontaktu pod elektrodami, zlepšení poměru elekromyografického signálu k šumu – signal/noise ratio).

Lokalizace elektrod na svalu

Za zcela zásadní lze považovat lokalizaci elektrod a orientaci ke svalovým vláknům. Vhodné umístění (1), zajištění dobrého kontaktu a fixace elektrod umožní získat kvalitní elektromyografický signál. Umístěním (lokalizací) elektrod je obvykle definován geometrický střed snímače (není-li to specifikováno jinak) a je doporučován obvykle na střed bříška svalu (z hlediska transverzálního) ve směru svalových vláken. Přestože v literatuře lze nalézt různé variace (21), Hermens a spol. (6) doporučují umístění do poloviční vzdálenosti mezi distální ploténkovou zónu a distální šlachu svalu. Prakticky však umístění elektrody do blízkosti motorického bodu/ploténkové zóny nelze vyloučit bez přesného zjištění např. elektrostimulací (11). Na interindividuální variabilitu inervačních zón u některých svalů poukazují Rainoldi a spol. (17), Piccoli a spol. (15).

Přesný popis lokalizace elektrod je nutný pro reprodukovatelnost experimentu. Vhodný je popis lokalizace elektrod (1, 3, 7) vzhledem k anatomickým orientačním bodům (kostěným strukturám, k liniím procházejícími kostěnými výběžky apod.) a příp. pořízení fotodokumentace. Při opakované aplikaci elektrod v delším časovém horizontu je přesný popis nezbytný a žádoucí je nalepování elektrod jedním examinátorem.

K hlavním faktorům negativně ovlivňujícím získaní stabilního elektromyografického signálu patří umístění elektrod do blízkosti: motorických bodů, šlach a jiných svalů. Výskyt okolních aktivních svalů zvyšuje riziko ovlivnění signály z okolních svalů (tzv. crosstalk).

Dobrá fixace elektrod a kabelů minimalizuje riziko posunu elektrod po kůži, „tahání“ kabelů za elektrody během dynamického pohybu. Dynamický pohyb v plném rozsahu může způsobit změnu IED během pohybu a také změnu zdroje elektromyografického signálu. V důsledku pohybu svalových vláken pod elektrodou může dojít k vyšší variabilitě intenzity signálu (změna zdroje signálu). Vzniká tak riziko desinterpretace změn v signálu, které však nemají původ ve změně aktivace svalů, ale jsou zapříčiněny změnou umístění elektrody vzhledem ke svalovým vláknům.

Referenční elektroda (1) je umísťována na elektricky neaktivní tkáň jako je např. šlacha nebo kostěný výstupek (zápěstí, proc. spinosus C7, tibie, sternum apod.).

Sledovaný pohybový úkol

Vždy by měla být definována výchozí poloha pacienta (sed, leh, stoj apod.), pozice sledovaných segmentů a instrukce k pohybu. Jsou definovány doporučené výchozí polohy pro jednotlivé svaly, které umožňují optimální umístění elektrod (1). Při snímání pohybu za izometrických podmínek je situace jednodušší, stačí popsat pozici segmentů, polohy těla, případně velikost vyvinuté síly. Testování maximální volní izometrické kontrakce je také jedním ze způsobů získávání referenční hodnoty pro normalizaci signálu (viz níže). Za anizometrických podmínek je žádoucí definovat rozsah pohybu a délku trvání pohybu (příp. úhlovou rychlost, typ kontrakce apod.).

ZPRACOVÁNÍ A HODNOCENÍ VZHLEDEM K SLEDOVANÉMU POHYBU A DESIGNU EXPERIMENTU

Frekvenční filtrace

Obvykle je používána frekvenční filtrace (11) s horní propustí 10-20 Hz a dolní propustí 400-500 Hz. Cílem je odstranit signál, který nemá původ v aktivaci svalu, ale vzniká např. jako pohybový artefakt. K dále používaným frekvenčním filtrům patří síťový filtr k odstranění signálu o frekvenci 50 Hz, příp. jiné (EKG signál, u svalů v blízkosti). Některé studie (16) upozorňují i na efektivní možnost použití vyšších frekvenčních filtrů s horní propustí a odstranění významné části frekvenčního spektra zejména při sledování vztahu k svalové síle.

Rektifikace a vyhlazení (obr. 1)

Signál je dále zpracován rektifikací. Jedná se o matematickou úpravu elektromyografického signálu − převedení negativních hodnot amplitudy signálu do pozitivních a umožnění tak výpočtu např. průměrné hodnoty amplitudy (11). Při vyhlazení (smoothing) elektromyografického signálu pomocí algoritmů např. RMS (root mean square) nebo ARV (average rectified value –ARV) je třeba vhodně zvolit velikost posuvného okna dle charakteru sledovaného pohybu (11). Při hodnocení elektromyografického signálu nám softwarové vybavení měřicích systémů nabízí širokou škálu možností, nezajistí však správnou aplikaci.

Obr. 1. Aktivace m. vastus medialis a m. vastus lateralis při maximální izometrické kontrakci (5 s) v 75° flexi kolenního kloubu u zdravého jedince vsedě. Použité metody: Izokinetická dynamometrie přístroj IsoMed 2000 a povrchová elektromyografie přístroj NORAXON – MYOSYSTEM 1400a (vzorkovací frekvence 1000 Hz, frekvenční pásmo 10-500 Hz další specifikace viz http://www.noraxon.com/docs/1400a/6-myosystem-1400a-v10.pdf?sfvrsn=0). Ukázka hodnocení pomocí parametru RMS (viz text), vyhlazení: velikost posuvného okna 25 ms (vlevo), velikost posuvného okna 250 ms (vpravo).

Častou chybou je opomenutí nutnosti normalizace u porovnávání amplitudových hodnot elektromyografického signálu více svalů intraindividuálně, případně shodného svalu interindividuálně (5). Normalizace umožní „relativizaci“ hodnot, jedná se o poměrové vyjádření amplitudových hodnot elektromyografické aktivity sledovaného pohybu k přesně definované referenční hodnotě (např. maximální volní izometrické kontrakci aj.).

Při zpracování elektromyografického signálu je třeba uvést délku trvání zpracovávaného úseku signálu. Způsob určení začátku a konce sledovaného úseku.

Ke standardně využívaným hodnoceným parametrům patří RMS (druhá odmocnina střední hodnoty kvadrátu), průměrná hodnota amplitudy, plocha pod křivkou; hodnoty získané (po např. FFT – Fast Fourier Transformations, rychlé Fourierově transformaci) při analýze frekvenčního spektra (průměrná frekvence, medián frekvence, total power spektrum). Při zpracování signálu je třeba respektovat typ svalové kontrakce. Zejména při aplikaci spektrální analýzy nesplňují dynamické kontrakce požadavek na stacionaritu signálu (v průběhu času nejsou konstantní charakteristiky elektromyografického signálu).

Pro vyhodnocení pořadí zapojení svalů (timing) (obr. 2) je nutné znát velikost „klidové“ svalové aktivity (11). Existuje více způsobů určení začátku aktivace svalu. Za vlastní aktivaci svalu je považován nárůst klidové hodnoty amplitudy o přesně definovanou velikost, která se dle různých autorů liší (10, 19, 22).

Obr. 2. Ilustrativní ukázka aktivace vybraných svalů dolních končetin při maximálním vertikálním skoku. Vyšetřované svaly: L – svaly na levé dolní končetině, P − svaly na pravé dolní končetině, VM − m. vastus medialis, RF − m. rectus femoris, BF − m. biceps femoris, ST − m. semitendinosus. Začátek aktivace byl hodnocen softwarově pomocí programu MyoResearch XP Master Version 1.03.05. Začátek aktivity (dosažení 10% hodnoty maximálního peaku amplitudy během prováděného pohybu + hodnota klidové aktivity) je označen pro každý sval značkou.

Interpretace hodnocení

Výsledky lze hodnotit z hlediska kvantitativního a kvalitativního.

Obvyklá interpretace je vyjádření se především k amplitudovým parametrům signálu ve smyslu, zda je sval elektricky aktivní či nikoli, zda je aktivní více či méně. Z hlediska časového je hodnocen timing (pořadí zapojení svalů či jeden sval a jeho zapojení v porovnání s nějakou referenční křivkou – normou, druhou stranou, před a po intervenci apod.). Obvykle se jedná o hodnocení dynamických cyklických aktivit jako např. chůze. Změna posunu nástupu a průběhu aktivace je pak obvykle interpretována jako: zpožděná, předčasná, prolongovaná, prolongovaná s předčasným nástupem, zkrácená, nebo s odlišným fázovým průběhem (11). Z frekvenčních parametrů lze usuzovat zejména na přítomnost svalové únavy.

Stručný komentář k vybraným článkům (4, 8)

Z dříve uvedeného vyplývá, že sledování elektromyografického signálu při dynamických aktivitách, a to zejména při opakování v delším časovém horizontu, klade vyšší nároky na zabezpečení standardního provedení pohybu. V této souvislosti je nutné zdůraznit zejména zásady dodržení shodné výchozí pozice prováděného pohybu a identického umístění elektrod. V předložené práci (4) by bylo vhodné definovat použitou pozici sedu, přesněji popsat prováděný pohyb - lateroflexe krční páteře a elevace lopatek. Elektromyografický signál bude ovlivněn rychlostí, resp. zrychlením pohybu, intenzitou svalové kontrakce (jakou instrukci dostali pacienti?). K vlastnímu zpracování a hodnocení dat by bylo vhodné uvést použitý frekvenční rozsah (dáno zvolenými či přednastavenými frekvenčními filtry – opět se uplatní vliv i na amplitudové parametry); jak byl identifikován začátek a konec svalové kontrakce (příp. jaká byla délka trvání pohybu), u měření s opakovanou aplikací elektrod v delším časovém úseku zvážit normalizaci signálu a uvést přesně hodnotící parametr (např. průměrná hodnota amplitudy, RMS apod.).

V příspěvku autorek Jelínková, Šormová (8) oceňuji přesné definování umístění elektrod pro jednotlivé svaly. Vycházejí z doporučení literatury, přesto je nutné v interpretaci jistou zdrženlivost, a to zejména u svalů hlouběji uložených. Práce by zasloužila jasnější popis způsobu zpracování dat a upřesnění hodnotícího parametru.

ZÁVĚR

Co by nemělo v popisu metody SEMG chybět? Jedná se zejména o tyto informace:

Vyšetřované svaly: název, strana (příp. anatomické detaily).
Povrchové elektrody: velikost, typ, umístění na svalu, vzdálenost od anatomických struktur, vzdálenost mezi elektrodami, příprava kůže, umístění referenční elektrody.
Sledovaný pohyb: přesný popis počáteční pozice těla, polohy sledovaného segmentu, sledovaný pohyb (příp. typ kontrakce, rozsah pohybu, intenzita svalové kontrakce, instrukce k pohybu, počet opakování apod.).
Přístrojové vybavení: název, specifikace.
Způsob zpracování naměřených dat (včetně definování časového úseku zpracovaného záznamu) a hodnotící parametr: volba s ohledem na sledovanou aktivitu.

Použití metody s respektováním doporučených standardních postupů a limitů této metody může vést k přínosným nálezům, dokumentující míru svalové aktivace, timing svalů či svalovou únavu. Přestože nepostihujeme celou šíři problematiky, pokusili jsme se nastínit některá základní doporučení. Relativně jednoduše aplikovatelná metoda bez znalosti hlubších souvislostí vede kritického čtenáře k odmítání získaných výsledků, respektive celé metody.

Adresa pro korespondenci:

Mgr. Dagmar Dupalová, Ph.D.

Katedra fyzioterapie FTK UP

Tř. Míru 115

771 40 Olomouc

e-mail: dagmar.dupalova@upol.cz

Zdroje

1. Anonymus SENIAM. Project – Sensor placement, 2005. http://www.seniam.org.

2. De luca, c. j.: The use of electromyography in biomechanics. Journal of Applied Biomechanics, 1997, 13, s. 135-163.

3. de Sèze, M. P., Cazalets J. R.: Anatomical optimization of skin electrode placement to record electromyographic activity of erector spinae muscles. Surg. Radiol. Anat., 30, 2008, s. 137-143.

4. Hagovská, M., Takáč, P., Petrovičová, J. Sledovanie dynamiky klinického obrazu u chronického cervikobrachiálneho syndrómu pomocou princípov McKenzieho konceptu. Rehabilitace a fyzikální lékařství, 20, 2013, 4, s. 196-203.

5. Halaki, M., Ginn, K.: Normalization of EMG signals: To normalize or not to normalize and what to normalize to? In Computational Intelligence in Electromyography Analysis - A Perspective on Current Applications and Future Challenges (Ed. G. R. Naik), 2012, s. 175-194. http://www.intechopen.com/books/computational-intelligence-in-electromyography-analysis-a-perspective-on-current-applications-and-future-challenges/normalization-of-emg-signals-to-normalize-or-not-to-normalize-and-what-to-normalize-to.-

6. Hermens, H. J., Freriks, B., Disselhorst-Klug, C., Rau, G.: Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. Journal of Electromyography and Kinesiology, 10, 2000, s. 361-374. www.elsevier.com/locate/jelekin.

7. HOF, A. L., Elzinga H., Grimmius, W., Halbertsma, J. P. K.: Speed dependence of averaged EMG profiles in walking. Gait & Posture, 16, 2002, s. 78-86.

8. JElínková, I., Šormová, M.: Aktivita svalů trupu a krku při napřímení cerviko-thorakálního úseku páteře provokované zevní rotací paže. Rehabilitace a fyzikální lékařství, 20, 2013, 4, s. 215-220.

9. KASMAN, G., WOLF, S.: Surface EMG made easy: A Beginner’s Guide for Rehabilitation Clinicians. Published by Noraxon USA, Inc. Scottsdale, Arizona, 2002.

10. KLYNE, D. M., KEAYS, S. L., BULLOCK-SAXTON, J. E., NEWCOMBE, P. A.: The effect of anterior cruciate ligament rupture on the timing and amplitude of gastrocnemius muscle activation: a study of alterations in EMG measures and their relationship to knee joint stability. J. Electromyogr Kinesiol., 22, 2012, 3, s. 446-455.

11. KONRAD, P. The ABC of EMG A practical introduction to kinesiological electromyography, Version 1.4 March 2006 http://www.noraxon.com/docs/education/abc-of-emg.pdf.

12. Merletti, R., Parker, P. A.: Electromyography: Physiology, engineering, and non-invasive applications, 2004, John Wiley & Sons, s. 494. http://books.google.cz/books?hl=en&lr=&id=SQthgVMil3YC&oi=fnd&pg=PA107&dq=Detection+and+Conditioning+of+the+Surface+EMG+Signal&ots=ooIrHvJ-j-&sig=1IpuQoP8yIiDYdYtPXqbZt_M0xo&redir_esc=y#v=onepage&q=Detection%20and%20Conditioning%20of%20the%20Surface%20EMG%20Signal&f=false

13. Mesin, L., Merletti, R., Rainoldi, A.: Surface EMG: the issue of electrode location. J. . Kinesiol., 19, 2009, 5, s. 719-26.

14. NORAXON MyoSystem 1200 - Operation and Technical Manual (2011). http://www.noraxon.com/docs/myosystem-downloads/p-0308-rev-b-myosystem-1200-manual.pdf?sfvrsn=0.

15. Piccoli, B., Rainoldi, M., Heitz, A., Wüthrich, C., Boccia, M., Tomasoni, G., Spirolazzi, E., Egloff, C., Barbero, M.: Innervation zone locations in 43 superficial muscles: Toward a standardization of electrode positioning. Muscle Nerve, 49, 2014, s. 413-421.

16. Potvin, J. R., Brown, S. H. M.: Less is more: high pass filtering, to remove up to 99% of the surface EMG signal power, improves EMG-based biceps brachii muscle force estimates. Journal of Electromyography and Kinesiology, 14, 2004, s. 389-399. www.elsevier.com/locate/jelekin.

17. Rainoldi, A., Melchiorri, G., Caruso, I.: A method for positioning electrodes during surface EMG recordings in lower limb muscles. Journal of Neuroscience Methods, 134, 2004, 1, s. 37-43.

18. SENIAM 8. European Recommendations for Surface ElectroMyoGraphy Results of the SENIAM project. http://www.seniam.org/pdf/contents8.PDF.

19. Silva, L., Marta, S., Vaz, J., Fernandes, O., Castro, M. A, Pezarat-Correia, P.: Trunk muscle activation during golf swing: Baseline and threshold. J. Electromyogr. Kinesiol., 23, 2013, 5, s. 1174-1182.

20. STEGEMAN, D. F., HERMENS, H. J.: Standards for surface electromyography: the European project „surface EMG for non-invasive assessment of muscles (SENIAM). http://www.med.uni-jena.de/motorik/pdf/stegeman.pdf.

21. SWINNEN, E., Baeyens, J. P., Meeusen, R., Kerckhofs, E.: Methodology of electromyographic analysis of the trunk muscles during walking in healthy subjects: A literature review. Journal of Electromyography and Kinesiology, 22, 2012, 1, s. 1-12.

22. Szucs, K. A., Borstad, J. D.: Gender differences between muscle activation and onset timing of the four subdivisions of trapezius during humerothoracic elevation. Hum. Mov. Sci., 32, 2013, 6, s. 1288-1298.