Artykuł metodologiczny

Określanie progu zmęczenia elektromiograficznego po teście wysiłkowym podczas jednej wizyty

DOI:

10.3791/52729

⸱

27 lipca 2015

 ,  ,  , 
1Physical Therapy Program and Integrative Physiology of Exercise Laboratory, Department of Health Care Sciences, Wayne State University, 2Sports Medicine and Physical Therapy, MEDSPORT, University of Michigan Health System, 3Department of Kinesiology, California State University, Fullerton

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten protokół opisuje elektromiograficzny próg zmęczenia, który rozdziela niemęczące i męczące obciążenia związane z ćwiczeniami. Informacje te można wykorzystać do opracowania bardziej zindywidualizowanego programu treningowego.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Teoretycznie, elektromiograficzny (EMG) próg zmęczenia to intensywność ćwiczeń, którą dana osoba może utrzymać w nieskończoność bez potrzeby rekrutacji większej liczby jednostek motorycznych, co wiąże się ze wzrostem amplitudy EMG. Chociaż do oszacowania progu zmęczenia EMG zastosowano różne protokoły, wymagają one wielu wizyt, co jest niepraktyczne w warunkach klinicznych. W niniejszej pracy przedstawiamy protokół szacowania progu zmęczenia EMG dla ergometrii rowerowej, który wymaga jednorazowej wizyty. Protokół ten jest prosty, wygodny i ukończony w ciągu 15-20 minut, dlatego może zostać przekształcony w narzędzie, które klinicyści mogą wykorzystać do zalecania ćwiczeń.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektromiografia powierzchniowa (EMG) to nieinwazyjne podejście do badania rekrutacji jednostek motorycznych podczas izometrycznej1-3, izokinetycznej4-6 lub ciągłej7-10 akcji mięśniowej. Amplituda sygnału EMG reprezentuje aktywację mięśni, na którą składa się liczba aktywowanych jednostek motorycznych, szybkość odpalania jednostek motorycznych lub obie te wartości11. Pojęcie progu zmęczenia EMG służy do wskazania najwyższego obciążenia pracą, w którym dana osoba może ćwiczyć w nieskończoność bez wzrostu amplitudy EMG8.

Ważne jest, aby krótko omówić pochodzenie progu zmęczenia EMG. Oryginalne badanie przeprowadzone przez deVries i wsp. 12 obejmowało protokół, który składał się z wielu (zwykle od 3 do 4) nieciągłych napadów pracy, w których amplituda EMG była wykreślana w funkcji czasu dla każdej serii pracy. Moc wyjściowa została następnie wykreślona w stosunku do współczynników nachylenia z zależności amplitudy EMG w funkcji czasu, a następnie ekstrapolowana do zerowego nachylenia (punkt przecięcia z osią y)12. Autorzy12 pierwotnie nazwali ten protokół fizyczną zdolnością roboczą przy progu zmęczenia (PWCFT). W innym badaniu deVries i wsp. 13 używało nieciągłych napadów pracy, ale użyło regresji liniowej, aby znaleźć pierwszą moc wyjściową, która spowodowała znaczne nachylenie zależności amplitudy EMG w funkcji czasu. Autorzy13 nazwali ten protokół również PWCFT, powodując pewne zamieszanie w literaturze. W kolejnym artykule deVries i wsp. 14 zmodyfikowało swój wcześniejszy protokół13 i opracowało ciągły protokół przyrostowy. Amplituda EMG została wykreślona w funkcji czasu dla każdej mocy wyjściowej, a PWCFT zdefiniowano jako średnią najwyższej mocy wyjściowej, która nie spowodowała zmiany amplitudy EMG w czasie i najniższej mocy wyjściowej, która spowodowała wzrost amplitudy EMG w czasie14.

Należy zauważyć, że termin PWC został pierwotnie wprowadzony pod koniec lat pięćdziesiątych15,16 i jest synonimem mnóstwa literatury (dawnej, obecnej i w różnych krajach) badającej wydolność tlenową przy danym obciążeniu17. Ponadto termin ten jest używany w literaturze ergonomicznej i przemysłowej, która koncentruje się na codziennej wydajności pracowników wykonujących powtarzalne czynności w ciągu 8-godzinnego dnia pracy, takich jak osoby w zakładzie montażowym18.

Termin próg zmęczenia EMG był początkowo używany przez Matsumoto i współpracowników19 po tym, jak zmodyfikowali protokół deVries12, gdzie moc wyjściowa w funkcji współczynników nachylenia amplitudy EMG w stosunku do czasu jest wykreślana i ekstrapolowana do punktu zerowego nachylenia. Ostatnio Guffey i wsp. 20 oraz Briscoe i wsp.8 zastosowano metodę deVriesa i wsp.14 oraz terminologia Matsumoto i wsp. 19, aby operacyjnie określić próg zmęczenia EMG. Idąc dalej, zalecamy stosowanie terminu próg zmęczenia EMG. W ten sposób zależność amplitudy EMG w funkcji czasu jest wykreślana dla każdej mocy wyjściowej, a następnie analizowana za pomocą analiz regresji liniowej (ryc. 1). Aby oszacować próg zmęczenia EMG, identyfikuje się najwyższą moc wyjściową o nieznacznym (p >0,05) nachyleniu i najniższą moc wyjściową o znacznym (p <0,05) nachyleniu, a następnie oblicza się średnią14. Ten protokół jest prosty, wygodny i zakończony w ciągu 15-20 minut. Co więcej, tempo przyrostu może być modulowane w zależności od indywidualnego poziomu zwykłej aktywności fizycznej, a zatem ma potencjalne zastosowanie w warunkach klinicznych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wszystkie procedury zostały zatwierdzone przez Uniwersytecką Komisję Rewizyjną ds. Przedmiotów Ludzkich.

1. Przygotowanie nogi uczestnika

  1. Poproś uczestnika, aby starannie podwinął szorty na żądaną nogę. Następnie przyklej spodenki tak, aby grupa mięśni czworogłowych uda była odsłonięta i narysuj linię wokół obszaru, który uczestnik musi ogolić.
  2. WAŻNE: Poproś uczestnika, aby ogolił nogę przed badaniem, a nie poprzedniego dnia, ponieważ gwarantuje to, że nie ma zarostu, który mógłby zakłócać sygnał EMG.
  3. Gdy uczestnik skończy golić żądany obszar nogi, wyczyść ogolony obszar alkoholem, aby upewnić się, że nie ma resztek żelu (lub kremu) do golenia, które mogłyby zakłócać sygnał EMG.

2. Pomiar nogi do umieszczenia elektrody

  1. W celu umieszczenia elektrody EMG na mięśniu obszernym bocznym należy wykonać następujące pomiary
    1. Poproś uczestnika, aby stanął prosto przodem do badacza.
    2. Zlokalizuj przedni kręgosłup biodrowy górny (ASIS) i boczną stronę rzepki. ASIS to kość biodrowa; Dotykaj go, kładąc rękę po obu stronach brzucha poniżej pępka.
    3. Za pomocą taśmy mierniczej zmierz odległość między dwoma miejscami określonymi powyżej i weź 2/3 tej wartości na linii od ASIS do bocznej strony rzepki. Uwaga: Więcej informacji na temat umiejscowienia elektrod EMG można znaleźć pod adresem URL SENIAM (Elektromiografia powierzchniowa do nieinwazyjnej oceny mięśni): http://www.seniam.org/

3. Rozmieszczenie elektrod EMG

  1. Po zidentyfikowaniu lokalizacji mięśnia obszernego bocznego należy pobrać elektrody EMG (większość badaczy używa dostępnych na rynku jednorazowych elektrod Ag-Ag Cl) i umieścić je na obszernym boku bez zdejmowania osłony adhezyjnej. Następnie długopisem zaznacz obszar, w którym żelowa część elektrody styka się z mięśniem. Upewnij się, że odległość między elektrodami wynosi 20 mm od środka do środka.
  2. Użyj kawałka papieru ściernego (60 grubości), aby delikatnie zetrzeć te dwa obszary, aby usunąć powierzchowną warstwę skóry. W tym czasie zapytaj uczestnika o poziom dyskomfortu. Przestań ścierać, gdy uczestnik wskaże, że obszar jest ciepły.
  3. Oczyść starte miejsca ręcznikiem, który jest zwilżony alkoholem lub wacikiem nasączonym alkoholem. Poczekaj, aż obszar na nodze wyschnie przed umieszczeniem elektrod EMG.
  4. Umieść elektrody EMG w miejscach, które zostały przetarte (ryc. 2). Uważaj, aby nie umieszczać elektrod na paśmie biodrowo-piszczelowym (pasmo IT). Poproś uczestnika o skurczenie mięśnia czworogłowego uda w celu zbadania palpacyjnie mięśnia obszernego bocznego. Umieść elektrody na mięśniu, aby upewnić się, że nie znajduje się on na paśmie IT. Uwaga: Jeśli elektrody znajdują się na paśmie IT, sygnał EMG zostanie stłumiony, gdy uczestnik zostanie poproszony o maksymalne skurczenie.
  5. Umieść elektrodę odniesienia (3. elektroda) w miejscu mocowania kości, takim jak ASIS, aby nie zakłócać ruchu kończyn dolnych podczas ćwiczeń.

4. Sprawdzanie sygnału EMG

  1. Przed rozpoczęciem testu wysiłkowego należy sprawdzić impedancję międzyelektrodową.
    Uwaga: Ten krok ma kluczowe znaczenie, ponieważ jeśli sygnał ma zbyt duży szum, dane EMG zebrane podczas testu wysiłkowego będą nieważne.
    1. Poproś uczestnika, aby usiadł na krześle i podłączył przewody EMG do odpowiednich elektrod przymocowanych do nogi uczestnika.
    2. W tym momencie poproś uczestnika, aby rozluźnił nogę, nie odczuwając napięcia w mięśniach. Następnie, po około 30 sekundach relaksacji, niech uczestnik maksymalnie napnie mięśnie czworogłowe uda przez 5 sekund, a następnie wróci do całkowitego rozluźnienia.
    3. Wykonując powyższe zadanie (krok 4.1.2), nagraj sygnał EMG uczestników na komputerze.
    4. Upewnij się, że impedancja międzyelektrodowa wynosi <2,000 omów. Ponadto, jeśli woltomierz jest dostępny w laboratorium, sprawdź szum linii bazowej i utrzymuj go poniżej 5 μV. Ponadto ustaw częstotliwość próbkowania na 1 000 Hz.

5. Ustawianie ergometru rowerowego

  1. Po sprawdzeniu impedancji międzyelektrodowej poproś uczestnika, aby przesiadł się z krzesła na ergometr rowerowy.
  2. Poproś uczestnika, aby stanął obok ergometru rowerowego i podniósł kolano, aż udo będzie równoległe do podłoża. Następnie poproś uczestnika, aby utrzymał tę pozycję i dostosował wysokość siedziska tak, aby odpowiadała tej samej wysokości, co udo uczestnika.
  3. Następnie poproś uczestnika, aby usiadł na siodełku ergometru rowerowego, a następnie pedałował kilka razy, pytając go, czy czuje się komfortowo z wysokością siedzenia. W razie potrzeby wyreguluj wysokość siedziska.
  4. Upewnij się, że nogi uczestnika są prawie w pełnym wyprostowaniu z lekkim zgięciem (~5°) w kolanach podczas każdego obrotu pedału.
  5. Przed rozpoczęciem testu poproś uczestnika o założenie polarnego czujnika tętna, aby można było dokumentować tętno przez cały czas trwania testu wysiłkowego.

6. Wykonywanie protokołu progu zmęczenia EMG

  1. Poproś uczestnika, aby zaczął jeździć na rowerze i stopniowo zwiększał kadencję do 70 obrotów/min. Następnie zwiększ moc wyjściową na ergometrze rowerowym do 50 W.
  2. Niech uczestnik będzie pracował z tą mocą wyjściową przez około 2-3 minuty
    Uwaga: Jest to ćwiczenie o niskiej intensywności i posłuży jako rozgrzewka.
  3. Po okresie rozgrzewki zwiększaj moc wyjściową o 25 W co 2 minuty, aż uczestnik nie będzie już w stanie utrzymać kadencji 70 obrotów/min lub poprosi o przerwanie testu.
    Uwaga: Należy zauważyć, że podczas próby wysiłkowej sygnał EMG jest rejestrowany przez 10 sekund epok podczas każdego 2-minutowego etapu przez sekundy 10–20, 30–40, 50–60, 70–80, 90–100 i 110-12021. Większość systemów EMG będzie miała opcję ustawienia automatycznego nagrywania w żądanych odstępach czasu. W związku z tym dla każdego etapu powinno być 6 plików danych.
  4. Po zakończeniu testu przyrostowego poproś uczestnika, aby wykonał schładzanie przy 50 W. Sprawdź, czy długość schładzania odpowiada temu, czy tętno uczestnika powróciło do wartości podczas fazy rozgrzewki. Monitoruj to, sprawdzając tętno uczestnika za pomocą czujnika tętna Polar.
  5. Po zakończeniu schładzania odłącz odprowadzenia EMG i poproś uczestnika, aby zszedł z ergometru rowerowego i wrócił na krzesło. Następnie ostrożnie wyjmij elektrody EMG i przetrzyj obszary czystym ręcznikiem zwilżonym alkoholem lub wacikiem nasączonym alkoholem.

7. Przetwarzanie sygnału EMG

  1. Po zakończeniu testu przetwórz surowe pliki danych EMG, które zostały zebrane podczas testu wysiłkowego, aby dane można było wykorzystać do określenia progu zmęczenia EMG.
    1. Wykonaj przetwarzanie sygnału EMG za pomocą oprogramowania używanego do zbierania sygnału EMG lub niestandardowego oprogramowania napisanego przy użyciu różnych platform, takich jak MATLAB lub LabVIEW.
    2. Przefiltruj zebrane sygnały EMG za pomocą filtra pasmowo-przepustowego. Użyj ustawienia od 10 do 500 Hz. Uwaga: Zmienia to częstotliwość sygnału tak, że artefakty o niskiej częstotliwości spowodowane ruchem przewodów EMG (<10 Hz) oraz artefakty o wysokiej częstotliwości z otoczenia (>500 Hz) są usuwane. Użyj filtra wycinającego o częstotliwości 60 Hz, jeśli występują jakiekolwiek zakłócenia z zasilania komputera lub systemu EMG.
    3. Po przefiltrowaniu sygnału określ amplitudę sygnału, obliczając wartość średniej kwadratowej sygnału: podnieś każdy z punktów danych do kwadratu, zsumuj je, podziel przez liczbę punktów danych, a następnie weź pierwiastek kwadratowy z otrzymanej wartości. Wykonaj te obliczenia za pomocą wyżej wymienionego oprogramowania.

8. Określanie progu zmęczenia EMG dla każdego uczestnika

  1. Wykonaj następujące kroki dla każdego uczestnika.
    1. Po przetworzeniu sygnału EMG należy użyć programu statystycznego (np.: GraphPad Prism) i oznaczyć pierwszą kolumnę "Czas", a kolejne kolumny mocami wyjściowymi użytymi do badania.
    2. Dla każdej mocy wyjściowej wprowadź odpowiednią wartość amplitudy EMG dla każdego 20-sekundowego interwału.
    3. Dla każdej mocy wyjściowej przeanalizuj zależność czasu (oś x) w funkcji amplitudy EMG (oś y) z regresją liniową, aby określić, czy nachylenie linii regresji różni się znacząco (p <0,05) od zera.
    4. Po przeprowadzeniu analiz regresji liniowej dla wszystkich mocy wyjściowych należy zidentyfikować najwyższą moc wyjściową o nieznacznym (p >0,05) nachyleniu.
    5. Następnie zidentyfikuj najniższą moc wyjściową ze znacznym (p <0,05) nachyleniem.
    6. Po zidentyfikowaniu tych dwóch mocy wyjściowych dodaj je i podziel przez 2; wynikowa moc wyjściowa to szacowany próg zmęczenia EMG.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Jak pokazano na rysunku 1, dla pojedynczego uczestnika, każda moc wyjściowa, która jest zakończona, ma sześć punktów danych, które reprezentują amplitudę EMG dla mięśnia obszernego bocznego. Dlatego w tym przykładzie najwyższa moc wyjściowa ze znacznym (p >0,05) nachyleniem wynosi 200 watów, podczas gdy najniższa moc wyjściowa ze znacznym (p <0,05) nachyleniem wynosi 225 W. Dlatego dla tego uczestnika próg zmęczenia EMG wynosi 213 W. Po określeniu progu zmęczenia EMG dla każdego u...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przedstawiamy tutaj metodę określania zmęczenia nerwowo-mięśniowego mięśni czworogłowych uda do ćwiczeń dynamicznych. Metoda ta zapewnia proste i nieinwazyjne podejście do korzystania z powierzchniowego EMG. Co więcej, wszechstronność tej metody polega na tym, że naukowcy mogą dostosować ją do innych trybów ćwiczeń, takich jak bieżnia20.

Teoretycznie, dla intensywności równej lub niższej od progu zmęczenia EMG, uczestnik powinien być w stanie utrzymać ćwiczenie w nieskończoność...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten projekt został częściowo sfinansowany przez fundusze start-upowe z Wayne State University dla M.H. Maleka.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Ergometr rowerowy 839 E Monark Monark Exercise AB839 E
Monitor pracy sercaPolarPolar H1
LaptopDell Inspironróżni siękażdy laptop z gniazdami USB powinien działać.
Wzmacniacze EMGBioPac Systems, Inc.100B100C to najnowsza wersja jednorazowych
elektrod EMGfirmy BioPac Systems, Inc.EL-500
Home Depot9 cali x 11 cali 60 Grit antypoślizgowy uchwyt Zaawansowany papier ścierny (3-pak)
Papier ścierny

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Hendrix, C. R., et al. Comparison of critical force to EMG fatigue thresholds during isometric leg extension. Medicine and science in sports and exercise. 41, 956-964 (2009).
  2. Herda, T. J., et al. Quantifying the effects of electrode distance from the innervation zone on the electromyographic amplitude versus torque relationships. Physiological measurement. 34, 315-324 (2013).
  3. Ryan, E. D., et al. Inter-individual variability among the mechanomyographic and electromyographic amplitude and mean power frequency responses during isometric ramp muscle actions. Electromyography and clinical neurophysiology. 47, 161-173 (2007).
  4. Beck, T. W., et al. The influence of electrode placement over the innervation zone on electromyographic amplitude and mean power frequency versus isokinetic torque relationships. Journal of neuroscience. 162, 72-83 (2007).
  5. Beck, T. W., Stock, M. S., DeFreitas, J. M. Time-frequency analysis of surface electromyographic signals during fatiguing isokinetic muscle actions. Journal of strength and conditioning research / National Strength, & Conditioning Association. 26, 1904-1914 (2012).
  6. Evetovich, T. K., et al. Mean power frequency and amplitude of the mechanomyographic signal during maximal eccentric isokinetic muscle actions. Electromyography and clinical neurophysiology. 39, 123-127 (1999).
  7. Blaesser, R. J., Couls, L. M., Lee, C. F., Zuniga, J. M., Malek, M. H. Comparing EMG amplitude patterns of responses during dynamic exercise: polynomial versus log-transformed regression. Scandinavian journal of medicine, & science in sports. In press, (2015).
  8. Briscoe, M. J., Forgach, M. S., Trifan, E., Malek, M. H. Validating the EMGFT from a single incremental cycling testing. International journal of sports medicine. 35, 566-570 (2014).
  9. Zuniga, J. M., et al. Neuromuscular and metabolic comparisons between ramp and step incremental cycle ergometer tests. Muscle. 47, 555-560 (2013).
  10. Mastalerz, A., Gwarek, L., Sadowski, J., Szczepanski, T. The influence of the run intensity on bioelectrical activity of selected human leg muscles. Acta of bioengineering and biomechanics / Wroclaw University of Technology. 14, 101-107 (2012).
  11. Basmajian, J. V., De Luca, C. J. Muscles alive, their functions revealed by electromyography. , 5th edn, Williams, & Wilkins. (1985).
  12. Vries, H. A., Moritani, T., Nagata, A., Magnussen, K. The relation between critical power and neuromuscular fatigue as estimated from electromyographic data. Ergonomics. 25, 783-791 (1982).
  13. Vries, H. A., et al. A method for estimating physical working capacity at the fatigue threshold (PWCFT). Ergonomics. 30, 1195-1204 (1987).
  14. Vries, H. A., et al. Factors affecting the estimation of physical working capacity at the fatigue threshold. Ergonomics. 33, 25-33 (1990).
  15. Astrand, I. The physical work capacity of workers 50-64 years old. Acta physiologica Scandinavica. 42, 73-86 (1958).
  16. Hettinger, T., Birkhead, N. C., Horvath, S. M., Issekutz, B., Rodahl, K. Assessment of physical work capacity. Journal of Applied Physiology. 16, 153-156 (1961).
  17. Smith, J. L. International encyclopedia of ergonomics and human factors. Karwowsk, W. , CRC/Taylor, & Francis. (2006).
  18. Kenny, G. P., Yardley, J. E., Martineau, L., Jay, O. Physical work capacity in older adults: implications for the aging worker. American journal of industrial medicine. 51, 610-625 (2008).
  19. Matsumoto, T., Ito, K., Moritani, T. The relationship between anaerobic threshold and electromyographic fatigue threshold in college women. European journal of applied physiology. 63, 1-5 (1991).
  20. Guffey, D. R., Gervasi, B. J., Maes, A. A., Malek, M. H. Estimating electromygraphic and heart rate fatigue threshold from a single treadmill test. Muscle. 46, 577-581 (2012).
  21. Camic, C. L., et al. The influence of the muscle fiber pennation angle and innervation zone on the identification of neuromuscular fatigue during cycle ergometry. Journal of electromyography and kinesiology : official journal of the International Society of Electrophysiological Kinesiology. 21, 33-40 (2011).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Powierzchniowe EMGergometria cykloergometrycznainkrementalny test wysi kowyamplituda EMGmoc wyj ciowazm czenie mi nipreskrypcja wiczezm czenie nerwowo mi niowetest jednowizytowy

Powiązane artykuły