Současné možnosti využití povrchové elektromyografie pro potřeby funkční a zátěžové diagnostiky

Petr O. Novotný

FTVS UK, katedra sportů v přírodě
Úvod

Povrchová elektromyografie (dále SEMG – surface electromyography) umožňuje pomocí povrchových elektrod (monopolárních, bipolárních, multielektrod, tj. větší počet elektrod s minimální vzdáleností) registrovat elektrické projevy činnosti svalového aparátu. Zdrojem elektromyografického (dále EMG signálu) signálu je transmembránový proud na úrovni sarkolemy. Jedná se o elektrický ekvivalent změny iontové výměny na membráně při svalové kontrakci. Záznam se nazývá elektromyogram. Obvykle má podobu více či méně vyjádřeného interferenčního vzorce, který vzniká překrytím sumačních potenciálů většího počtu motorických jednotek. Nejedná se o prostou sumaci elektrického napětí v daném okamžiku, ale je výsledkem jejich interferencí v prostorovém vodiči – sval, kůže, elektrody (Rodová et al., 2001).

SEMG je využívána v neurologii, neurofyziologii, fyzioterapii, ortopedii, sportovní medicíně, biomechanice, ergonomii, zoologii a v dalších oborech (Clarys, 2000).
Faktory ovlivňující elektromyografický signál

Hodnota jednotlivých parametrů elektromyografického signálu je ovlivněna nejen fyziologickými faktory (počet detekovaných aktivovaných motorických jednotek, typ

a průměr svalových vláken, hloubka a umístění aktivních svalových vláken uvnitř svalu, množství tkáně mezi elektrodami a aktivními motorickými jednotkami, stabilita náboru, rychlost pálení apod.). Důležitý je ale i vliv faktorů metodického postupu detekce

a zpracování signálu (De Luca, 1993).

V oblasti detekce se jedná především o elektrodovou konfiguraci, která je dána velikostí, tvarem, lokalizací elektrod a jejich vzdáleností. Za optimální pro biomechanické aplikace

De Luca považuje: vzdálenost elektrod 10 mm, velikost elektrody – délka 10 mm, šířka

1 mm. Obvyklá lokalizace elektrod je ve střední linii svalu přes největší bříško svalu (případně mezi motorický bod a šlachu) s detekčním povrchem orientovaným kolmo k průběhu svalových vláken (De Luca, 1993).

Nejběžnější typ zpracování diferenciálně zesíleného elektromyografického signálu je frekvenční filtrace a případná rektifikace. Maximální frekvence frekvenčního pásma je dána hardwarově. Následné užití frekvenční filtrace slouží především k odstranění případných artefaktů v signálu. Pohybové artefakty vznikají zejména při pohybu kabelů u tzv. neaktivních elektrod, kde zesilovač není umístěn hned za elektrodou, se vyskytují v nízkém frekvenčním pásmu 0-20 Hz (úprava tzv. high pass filtrem 20 Hz, případně 10 Hz). Frekvence nad 500 Hz jsou často eliminovány použitím tzv. low pass filtrů. Důvodem je opět snížení podílu arteficiálního šumu, volba velikosti low pass filtru je dána individuálně dle šířky frekvenčního pásma elektromyografického signálu konkrétního svalu. Signál svalů získaný pomocí SEMG má obvykle maximální rozložení v pásmu 50-150 Hz, šířka frekvenčního spektra je odlišná u různých svalů (Zwieck, Konrad, 1994).

Rektifikace (usměrnění) je matematická úprava elektromyografického signálu, který osciluje nad a pod bazální linií, především signálu do absolutních hodnot.

Elektromyografický signál je obvykle kvantifikován dle následujících parametrů:

rms – efektivní hodnota signálu, průměrná amplituda (po zpracování signálu rektifikací), plocha pod křivkou plně usměrněného (full rectification) elektromyografického signálu získaná integrací, vzdálenost maximálních vrcholů (peak- to – peak, zkratka pk – pk), průměrná frekvence, střední frekvence a další hodnoty získané frekvenční analýzou, celkový výkon elektromyografického signálu (total power).
SEMG poskytuje snadný přístup k fyziologickým procesům, které přímo souvisejí se vznikem pohybu a produkováním síly (De Luca, 1993). Výhodou je neinvazivnost a relativně jednoduchý postup provedení detekce. K rizikům patří ovlivnění velikosti elektromyografického signálu v důsledku nerespektování technických požadavků v oblasti detekce a zpracování signálu. Na úrovni vyhodnocení signálu je největším problémem opomíjení vlivu dalších faktorů, které se na vzniku signálu podílejí, což může vést ke zjednodušenému výkladu a nesprávným závěrům.
Kineziologická SEMG

se zabývá především vyšetřením svalové funkce během selektovaného i komplexního pohybu, sleduje koordinaci činnosti svalů, pozoruje speciální vliv a efekt tréninkových metod, terapeutických prvků, vztah velikosti elektromyografického signálu k síle, únavě a vliv interakce zátěže či nástroje a svalové funkce (Clarys, 2000).

Kineziologickou analýzou sportovního pohybu se v současné době zabývá Kračmar (Kračmar, 2002), který vychází z poznatků vývojové kineziologie, fyzioterapie a léčebné rehabilitace. Principy, vytvořené Jandou, Lewitem, Vojtou a Vélem, v současnosti aktualizované a rozvíjené především Kolářem vysvětlují podstatu lidského pohybu. Kračmar (Kračmar, 2002) aplikuje výsledky výzkumů patologických stavů, motorických poruch

a insuficiencí, které iniciují současné trendy fyzioterapie a léčebné rehabilitace do oblasti rozboru a deskripce lokomoční pohybové činnosti zdravé populace.

Na podkladě srovnávání lokomočního pohybu ve vybraném sportovním odvětví (kanoistika, cyklistika,) s obecně platnými globálními lokomočními vzory s využitím metody SEMG dochází k obecným závěrům, aplikovatelným do dalších sportů.

Využití závěrů výzkumu je v současnosti ověřováno při výuce kanoistiky studentů UK FTVS v Praze.

Pro větší názornost jsou rozlišeny typy studií dle cíle sledování a způsobu vyhodnocení:

Sledování funkce svalů v čase

Jedná se obvykle o pozorování posloupnosti zapojení vybraných svalů v dané pohybové činnosti. Je pozorován začátek, průběh a konec aktivity. Studie řeší otázky použití konkrétních synergií za různých okolností (např. ve sportu, terapii, u zdravé populace

i u konkrétních patologických stavů), rychlosti reakce na daný podnět apod. K běžným patří pozorování stereotypu cyklických aktivit jako chůze (Winter, 1990, Zwieck, 1994), jízda na bicyklovém ergometru (Dietz, 1994) apod.

Zvláštním případem je sledování „timingu“ v souvislosti s nástupem síly. Mezi elektrickou aktivitou a mechanickou odpovědí dochází ke zpoždění. De Luka (De Luca, 1993) rozlišuje tzv. fyziologický charakter zpoždění, jehož příčinou je stavba a složení svalu a zpoždění na základě vedení a šíření elektrického potenciálu. Mezi faktory ovlivňující tzv. fyziologické zpoždění patří především: převaha typu vláken ve složení svalu, rychlost pálení motorické jednotky, viskoelastické vlastnosti svalu a šlachových tkání apod. (např. rychleji vyvine sílu – tzn. vykazuje menší zpoždění mezi elektromyografickým signálem a silou – sval s převahou rychlých /více glykolytických vláken/ při vyšší rychlosti pálení motorických jednotek).

Studie, jak uvádí Rodová et al. (Rodová et al.2001), sledují míru aktivace svalů hodnotící elektromyogram zejména pomocí kvantifikace amplitudy signálu (příp. spektrálního výkonu). Velikost amplitudy je odrazem nejen množství aktivovaných motorických jednotek

a synchronizace pálení. Značně je ovlivněna řadou vnitřních (prostorovou filtrací) a vnějších faktorů (elektrodovou konfigurací, lokalizací a orientací), které je nutno respektovat a ošetřit při návrhu experimentu.

EMG signál umožňuje zjistit, zda je sval aktivní, či nikoli, popř. míru svalové aktivity. Jsou pozorovány kontrakce volní i mimovolní, případně vyvolané elektrickou stimulací. Změna ve velikosti amplitudy je pozorována při hodnocení např. se vztahem k síle.

Při komparaci EMG signálu se silou je vztah pouze kvalitativní (tzn. z kvantitativního hlediska se nejedná o linearitu). Se zvyšující se rychlostí kontrakce a velikosti síly dochází ke zvýšení amplitudy EMG signálu. Nelze však přesně vyjádřit velikost změny, protože velikost výsledné síly je dána nejen silou detekovaného aktivního svalu, ale i velikostí pasivních sil (tření v kloubu, odporových sil vazů, kloubního pouzdra, kůže, stlačováním a protahováním interartikulárních svalů apod.), jak uvádějí např. Karas et al. (Karas et al., 1972).

De Luca (De Luca, 1993) shrnuje praktická doporučení pro aplikaci SEMG ve vztahu k silovým charakteristikám. Pro vyšetření je vhodná izometrická kontrakce s omezením silových příspěvků jiných svalů. Pro nezbytnost analýzy za anizometrických podmínek se doporučuje použít kontrakce s nejnižší rychlostí, u cyklických aktivit vybrat data z relativně „fixované“ části cyklu a výsledky stanovovat obezřetně. V interindividuálním srovnávání se používá metody tzv. normalization. Jedná se o stanovení amplitudy EMG signálu vyjádřeného procentem z velikosti amlitudy signálu dosaženého během maximální volní kontrakce (méně často z velikosti amplitudy při kontrakci vyvolané stimulací).

Svalová únava se objeví během déletrvající či opakované kontrakce, jestliže svalová tkáň nemůže metabolicky zásobit kontraktilní elementy z důvodu ischemie (nedostatek kyslíku) nebo lokálního vyčerpání některého metabolického substrátu (Zwieck, 1994). Příčinou je především vyčerpání kreatinfosfátu a rezerv (ATP) a hromadění katabolitů, které ovlivňují pH a tím i účinnost enzymů. K částečnému omezení krevního toku dochází při izometrické kontrakci ve všech svalech již při velikosti intenzity 30 %MVC (maximální volní kontrakce).

Pro únavu svalu je typickým znakem spektrální změna elektromyografického signálu. Ta může být kvantifikována některou z charakteristik frekvenčního spektra (medián, průměr, modus) nebo může být vypočtena jako poměr nízkého a vysokého frekvenčního pásma či plocha integrovaného signálu korespondující s poklesem mediánu frekvence. De Luca

(De Luca, 1993) preferuje k hodnocení únavy medián frekvence, který považuje za méně ovlivnitelný šumem a více citlivý na biochemické a fyziologické změny. Posun frekvenčního spektra elektromyografického signálu je podmíněn zejména změnou MUAP (sumační akční potenciál motorické jednotky) a rychlosti pálení motorické jednotky.

Vztahem mezi únavou a změnou amplitudy EMG signálu se zabývá Vollestad (Vollestad,1999). Vzhledem k únavě rozlišuje úroveň cvičení na intenzivní a submaximální. Během intenzivního cvičení zdůrazňuje pokles síly i amplitudy v důsledku akumulace K iontů v intersticiu. Při cvičení na submaximální úrovni je elektrolytická rovnováha méně porušena a pokles síly je připisován vlivu tzv. neelektrických faktorů souvisejících s uvolněním Ca 2 iontu a vazbou na troponin.

Závěr

SEMG je vhodným prostředkem pro kineziologickou analýzu lidského pohybu. Z hlediska funkční a zátěžové diagnostiky ji lze použít při měření reakce na daný podnět, resp.

pro sledování: velikosti aktivace svalů, funkce svalů v čase a únavy svalu. Při sledování komplexních pohybových projevů je výhodnější se zaměřit na časovou souvztažnost aktivací jednotlivých svalových skupin. Sledování cyklických, lokomočních pohybových projevů je běžné (Zwieck, Kollmitzer, 1994).

V souvislosti s nástupem svalové síly je nutné mít na zřeteli zpoždění mezi elektrickou aktivitou a nástupem mechanické odpovědi. Fyziologické zpoždění je ovlivněno faktory jako stavba a složení svalu, převažující typ vláken, rychlost motorické jednotky, elastické vlastnosti svalů a vazů. Dosažení konkrétní aktivace u rychlé akce sledujeme již po 0.2 sec. Při porovnávání nástupu aktivace více svalů vzájemně je za hranici rozlišitelnosti považována jednotka 0.1 sec. Tato hodnota vychází z času, který je v řádu ovlivnitelném šířením potenciálu ve svalu od místa inervace a který je ovlivnitelný již samotnou vzdáleností elektrod od inervační zóny. Stanovení pořadí nástupů aktivace jednotlivých svalů rozlišením pod hranicí 0.1 sec není proto možné.

Vyšetřování svalových aktivit metodou povrchové elektromyografie je pomocnou metodou při našem výzkumu lokomočního charakteru práce svalových skupin při jízdě na kanoi ve vodním slalomu. Cílem výzkumu je dokázat charakter práce sledovatelných svalových skupin v režimu lokomočním v protikladu k běžné fázické práci. Předpokládáme, že při jízdě na kanoi dochází k práci zajišťujících svalových skupin v režimu lokomočního vzoru.

Úkoly: dokázat pomocí SEMG vyšetřování synergii funkčních antagonistů, dále dokázat charakter práce vybraných svalů jako funkční jednotky.

DE LUCA, CJ. The use of Surface Electromyography in Biomechanics. The international Society for Biomechanics (online). 1993. Dostupné na internetu: http://www.delsys.com/

Berlin - Olmoniya poytaxti. Federal maʼmuriy birlik - Yerga tenglashtirilgan. Shpre daryosi Xafeldaryosiga quyiladigan yerda. Shim. va Boltik dengizlariga chiqiladigan kanal lar boʻyida. Maydoni qariyb 890 km.

práce FTVS UK. Praha, 1992

disertační práce. FTVS UK. PRAHA, 1981

VOLLESTAD, NK. Fatigue mechanism vary and have different implications for

EMG. J. Clin. Neurophysiol., 1999, 110 Suppl. 1, p. S249

York: John Wiley & Sons, 1990, p.277

EMGs des M.soleus beim Gehen. EMG Meeting 94 – Beilage. Berlin, 1994

ZWIECK, EB., KONRAD, P EMG Fibel. EMG Meeting 94 – Beilage. Berlin, 1994.

Mgr. Petr O. Novotný

UK FTVS Praha, KSP

José Martího 31