Abstract
Teoretisk er den elektromyografiske (EMG) tretthet terskel treningsintensiteten en person kan holde på ubestemt tid uten behov for å rekruttere flere motoriske enheter som er forbundet med en økning i EMG amplitude. Selv om forskjellige protokoller er blitt brukt til å estimere EMG tretthetsgrensen de krever flere besøk som er upraktisk for en klinisk sammenheng. Her presenterer vi en protokoll for å anslå EMG tretthet terskelen for ergometersykkel som krever et enkelt besøk. Denne protokollen er enkel, praktisk, og ferdigstilt innen 15-20 min, derfor har potensial til å bli oversatt til et verktøy som klinikere kan bruke i trening resept.
Introduction
Overflateelektromyografi (EMG) er en ikke-invasiv tilnærming til å studere motorenheten rekruttering under isometrisk 1-3, isokinetisk 4-6, eller kontinuerlig 7-10 muskel handling. Amplituden til EMG-signalet representerer muskelaktivering som består av antall motoriske enheter aktivert, fyringshastigheten av motorenhetene, eller begge 11. Konseptet med EMG tretthet terskelen blir brukt til å indikere den høyeste arbeidsmengden som et individ kan utøve på ubestemt tid uten en økning i EMG amplitude 8.
Det er viktig å kort diskusjon opprinnelsen av EMG tretthet terskelen. Den opprinnelige studie av DeVries et al. 12 involverte en protokoll som besto av flere (vanligvis 3-4) diskontinuerlige arbeids anfall, der EMG amplitude ble plottet mot tid for hver arbeids bout. Utgangseffekten ble deretter plottet mot skråningen koeffisientene fra EMG amplitude versus tid rela holdet, og deretter ekstrapolert til null skråning (y-aksen) 12. Forfatterne 12 opprinnelig betegnet som protokollen den fysiske arbeidskapasiteten på tretthet terskel (PWCFT). I en annen studie, DeVries et al. 13 brukes diskontinuerlige arbeids anfall, men brukte lineær regresjon for å finne den første utgangseffekt som resulterte i en betydelig helling for EMG amplitude versus tid forholdet. Forfatterne 13 også betegnet som protokollen PWCFT, skape litt forvirring i litteraturen. I en senere artikkel, DeVries et al. 14 endret sin tidligere protokoll 13 og utviklet en kontinuerlig inkrementell protokollen. EMG amplitude ble plottet mot tiden for hver effekt og PWCFT ble definert som gjennomsnittet av den høyeste effekt som ga ingen endring i EMG amplitude over tid og det laveste strømforbruket som resulterte i en økning i EMG amplitude over tid 14 .
ent "> Det bør bemerkes at begrepet PWC ble opprinnelig introdusert i slutten av 1950-tallet 15,16 og er synonymt med en mengde litteratur (fortid, nåtid, og på tvers av ulike land) undersøke aerob kapasitet ved en gitt arbeidsbelastning 17. Videre begrepet brukes i ergonomisk og industriell litteratur som fokuserer på dag-til-dag produktiviteten til arbeidstakere som utfører repeterende aksjon under åtte timers arbeidsdager som individer i en monteringsfabrikk 18.Begrepet EMG tretthet terskelen ble opprinnelig brukt av Matsumoto og kolleger 19 etter de endret DeVries 12 protokoll hvor utgangseffekt mot skråningen koeffisientene til EMG amplitude versus tid forholdet er plottet og ekstrapolert til poenget med null skråningen. Mer nylig, Guffey et al. 20 og Briscoe et al. 8 anvendes fremgangsmåten til DeVries et al. 14 og terminologi Matsumoto et all. 19 til operativt definere EMG tretthet terskel. Fremover, anbefaler vi at begrepet EMG tretthet terskel brukes. Dermed er EMG amplitude mot tid forholdet plottet for hver effekt og deretter analysert ved hjelp av lineær regresjon (figur 1). For å estimere EMG tretthet terskelen, den høyeste utgangseffekt med en ikke-signifikant (p> 0,05) helling og den laveste utgangseffekt med en signifikant (p <0,05) helling er identifisert, og deretter gjennomsnittet beregnes 14. Denne protokollen er enkel, praktisk, og ferdigstilt innen 15-20 min. Videre kan inkrementell rente moduleres basert på den enkeltes nivå av vanlig fysisk aktivitet, og derfor har potensielle bruksområder i kliniske settinger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle prosedyrer ble vedtatt av Universitets Institutional Review Board for mennesker.
1. Klargjøring av Deltakerens Leg
- Har deltakeren pent brette opp shorts for ønsket etappe. Deretter tape shorts slik at quadriceps femoris muskelgruppe er utsatt for og trekke en linje rundt området deltakeren må barbere.
- VIKTIG: Har deltakeren barbere sine ben før testen heller enn gårsdagen da dette sikrer at det ikke er noen stubbles som kan forstyrre EMG-signalet.
- Når deltakeren er ferdig barbere den ønskede delen av beinet, rengjør barberte området med isopropanol for å sikre at det ikke er noen rester av barbering gel (eller fløte) som kan forstyrre EMG-signalet.
2. Måling av Leg for elektrodeplassering
- For å kunne plassere EMG elektroden på muskelen vastus lateralis, få following målinger
- Har deltakeren stå rett overfor forskeren.
- Finn anterior spina iliaca superior (ASIS) og den laterale siden av patella. Den ASIS er hoftebenet; palpate det ved å plassere en hånd på hver side av abdomen under navlen.
- Med et målebånd, måle avstanden mellom de to steder som er identifisert ovenfor og som tar 2/3 av verdien på linje fra ASIS til den laterale side av patella. Merk: Ytterligere informasjon angående plassering av EMG elektroder kan bli funnet på SENIAM (overflateelektromyografi for ikke-invasiv Vurdering av Muscles) URL: http://www.seniam.org/
3. Plassering av EMG elektroder
- Etter plasseringen av vastus lateralis har blitt identifisert, ta EMG elektroder (de fleste forskere bruker kommersielt tilgjengelige engangs Ag-Ag Cl elektroder) og sted over vastus lateralis uten å fjerne limet shield. Deretter med en penn markere område hvor gelen del av elektroden kommer i kontakt med muskelen. Kontroller at avstanden som er 20 mm senter til senter.
- Bruk et stykke sandpapir (60 grov) for å forsiktig slipe disse to områdene for å fjerne overflatelaget av huden. I løpet av denne tiden, spør deltakeren graden av ubehag. Stopp sliping når deltakeren angir området er varm.
- Rengjør belastede områder, med et håndkle som er fuktet med isopropanol eller en spritserviett. Tillat området på benet for å tørke før du plasserer EMG elektroder.
- Plasser EMG elektroder på nettstedene som ble avslipte (figur 2). Pass på å ikke plassere elektrodene på Iliotibial band (IT band). Spør deltakeren til kontrakt quadriceps femoris muskler for å palpere de vastus lateralis. Plasser elektrodene på muskelen å sikre at det ikke er på IT-båndet. MERK: Hvis elektrodene på IT band, EMG-signalet would dempes når deltakeren blir bedt om maksimalt gå kontrakt.
- Plassere referanseelektroden (3 rd elektrode) på en Mager festested som ASIS således ikke i konflikt med bevegelsen av de nedre lemmer under øvelsen anfall.
4. Kontrollere EMG Signal
- Før du starter øvelsen test, sjekk inter impedans.
Merk: Dette trinnet er viktig fordi hvis signalet har for mye støy så EMG data samlet inn under øvelsen testen vil være ugyldig.- Har deltakeren sitte i en stol og koble EMG fører til sine respektive elektroder festet til deltakeren ben.
- På dette punktet har deltakeren slappe av sine ben, som ikke har noen spenning i muskelen. Så etter ca 30 sek av velvære, har deltakeren maksimalt kontrakt sine quadriceps femoris muskler i 5 sek og deretter gå tilbake til å være helt avslappet.
- Når du utfører oppgaven enBove (trinn 4.1.2), registrerer deltakerne EMG-signalet på datamaskinen.
- Sørg for at inter impedansen er <2000 ohm. Videre, hvis et voltmeter er tilgjengelig i laboratoriet, så sjekk baseline støy og holde under 5 uV. I tillegg stiller samplingsfrekvens på 1000 Hz.
5. Sette opp en ergometersykkel
- Etter å sjekke inter impedans, har deltakeren flytte fra stolen til ergometersykkel.
- Har deltakeren stå ved siden av ergometersykkel og heve deres kneet til låret er parallelt med bakken. Deretter har deltakeren holde denne posisjonen og justere setehøyden å matche samme høyde som deltakerens låret.
- Deretter har deltakeren sitte på ergometersykkel sete og deretter pedal et par ganger mens han ber dem om de er komfortable med setehøyden. Om nødvendig, justere setehøyden.
- Sikre that deltakerens beina er nær full forlengelse med en liten bøy (~ 5 °) i knærne i løpet av hver pedal revolusjon.
- Før du starter testen, har deltakeren bære en polar pulsklokke slik at pulsen kan dokumenteres gjennom hele øvelsen test.
6. Utføre EMG Fatigue Threshold Protocol
- Har deltakeren begynner å sykle og gradvis øke tråkkfrekvensen til 70 omdreininger / min. Deretter øker strømforbruket på ergometersykkel til 50 W.
- Har deltakeren syklus på effekt i ca 2-3 min.
Merk: Dette er en lav intensitet trening og vil fungere som oppvarming. - Etter oppvarmingsperioden, øke strømproduksjonen med 25 W hvert 2 min før deltakeren er ikke lenger i stand til å opprettholde 70 omdreininger / min cadence eller ber om at testen skal stoppes.
Merk: Det bør bemerkes at i løpet av treningstesten, blir EMG signal registreres for 10sec epoker i løpet av hvert 2 min scenen for sec 10-20, 30-40, 50-60, 70-80, 90-100 og 110-120 21. De fleste EMG systemer vil ha en mulighet til å stille inn automatisk opptak på ønsket intervall. Således, for hver fase bør det være seks datafiler. - Når inkrementell test er avsluttet, har deltakeren utføre en kule ned på 50 W. Sjekk at lengden på nedkjølings korresponderer med å ha deltakerens puls tilbake til verdien under oppvarmingsfasen. Overvåk dette ved å sjekke deltakerens puls bruker polar pulsklokke.
- Når nedkjølingen er fullført, fjerner du EMG fører og har deltakeren gå av ergometersykkel og gå tilbake til stolen. Deretter forsiktig fjerne EMG elektroder og tørk de områdene med et rent håndkle fuktet med isopropanol eller en spritserviett.
7. Behandling av EMG Signal
- Etter at testen er fullført, process rå EMG datafilene som ble samlet i løpet av treningstesten, slik at dataene kan brukes til å bestemme EMG tretthet terskelen.
- Utføre behandlingen av EMG-signalet med enten programvaren som brukes til å samle inn EMG-signalet eller tilpasset skrevet programvare ved hjelp av ulike plattformer som MATLAB eller LabVIEW.
- Filter de innsamlede EMG signaler ved hjelp av et band-pass filter. Bruk en innstilling på 10 til 500 Hz. Merk: Dette endrer frekvensen til signalet, slik at lavfrekvente artefakter som følge av bevegelse av EMG ledningene (<10 Hz) og høyfrekvente gjenstander fra omgivelsene (> 500 Hz), blir fjernet. Bruk et hakk filter på 60 Hz hvis det er noen forstyrrelser fra strømforsyningen til datamaskinen eller EMG-systemet.
- Når signalet er filtrert, bestemme signal amplitude ved å beregne kvadratisk middelverdi av signalet: Square hver av de datapunkter, oppsummere dem, dele på antall datapunkter, og deretter ta kvadratroten av den resulterende verdien. Utfør disse beregninger med den nevnte programvaren.
8. Fastsettelse av EMG Fatigue Terskel for hver deltaker
- Utfør følgende trinn for hver deltaker.
- Etter at EMG-signalet er blitt behandlet; bruke et statistikkprogram (f.eks: GraphPad Prism), og merker den første kolonnen "Time" og de påfølgende kolonner med effekter som brukes for testen.
- For hver effekt, fylle i tilsvarende EMG amplitude verdi for hver 20 sek intervall.
- For hver effekt, analysere tids (x-aksen) vs EMG amplitude (y-aksen) forhold med lineær regresjon for å bestemme om helningen av regresjonslinjen er signifikant (p <0,05) forskjellig fra null.
- Etter å ha utført den lineære regresjonsanalyser for alle strømutganger, identifisere det høyeste strømforbruket med en ikke-signifikant (p> 0,05) skråningen.
- Deretter identifisere lowest utgangseffekt med en signifikant (p <0,05) skråning.
- Når disse to strømutganger har blitt identifisert, legge dem og dividere med 2; den resulterende effekt er estimert EMG tretthet terskel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Som vist i figur 1, for en enkelt deltaker har hver utgangseffekt som er utført seks datapunkter som representerer amplituden for EMG muskelen vastus lateralis. Derfor, i dette eksempelet, er den høyeste utgangseffekt med en ikke-signifikant (p> 0,05) skråning 200 watt, mens den laveste utgangseffekt med en signifikant (p <0,05) skråning er 225 W. Derfor, for denne deltaker EMG tretthet terskel er 213 W. Når EMG tretthet terskel fastsettes for hver deltaker så resultater i statistikk kan utføres.
Figur 1: Representative resultater for en enkelt deltaker. Lineær regresjon ble utført for EMG amplitude mot tid forholdet for hver utgangseffekt. Utgangseffekten angis av den røde pilen (200 W) erhøyeste utgangseffekt med en ikke-signifikant (p> 0,05) skråning, mens utgangseffekten er angitt etter den grønne pilen (225 W) er den laveste utgangseffekt med en signifikant (p <0,05) skråning. Gjennomsnittet av disse to strømutganger lik 213 W, som er den EMG FT.
Figur 2:. Visning av elektroden ordning for vastus lateralis muskelen I tillegg har vi gitt en visuell av hvor EMG elektroder plassert for rectus femoris og vastus medialis muskler. Spesifikke retninger for EMG elektroder plassert finner du på følgende nettside: http://www.seniam.org.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi her presentere en metode for å bestemme nevromuskulær tretthet i quadriceps femoris muskler for dynamisk trening. Denne metoden gir en grei og ikke-invasiv tilnærming til bruk av overflate EMG. Videre er allsidigheten med denne metoden at forskere kan tilpasse den til andre moduser av trening som tredemølle 20.
Teoretisk sett for intensiteter på eller under EMG tretthet terskelen deltakeren skal kunne opprettholde øvelsen workbout ubestemt tid 12,13. Briscoe et al. 8 validert EMG tretthet terskelen for ergometersykkel. På separate anledninger hver deltaker utøves på 70%, 100%, og 130% av sin EMG tretthet terskel. Forfatterne fant at for 70% og 100% av EMG tretthet terskel deltakerne ikke har økt EMG amplitude under øvelsen arbeidsmengde 8. For arbeidsmengden ved 130% av EMG tretthet terskel, men oppviste en deltakeresignifikant økning i EMG amplitude 8. Briscoe et al. 8 konkluderte med at EMG tretthet terskelen for ergometersykkel var en gyldig protokoll for å fastslå nevromuskulær tretthet under kontinuerlig trening.
Med hensyn til kritiske trinn i protokollen og feilsøking vurdere følgende. Hvis det er for mye støy i EMG-signalet når du utfører trinn 4.1.2 da først sjekke forbindelsen mellom EMG elektroder og enheten opptaket signalet. Ofte kan EMG fører ikke koblet riktig til EMG elektroder. Sekund, til de områdene hvor elektrodene er plassert behovet være fri for hår og føler glatt å ta på stedet for grovt (dvs. barbering stubbles). Derfor må du sjekke at alt håret vaskes grundig bort på steder der EMG elektroder skal plasseres. Dessuten er det viktig å rense området når slipe er fullført. Igjen, er målet å ha en ren og glatt overflate. Tredje, the midtområdet i EMG elektroden ikke bør være tørr og i så fall bruke konduktans gel (slik som de som brukes for ultralyd) som et supplement. Sørg for å bruke gel sparsomt, fordi overflødig gel kan forstyrre klebrighet EMG elektroder. Samlet utgjør disse elementene er vanlige syndebukkene som øker støyen i EMG-signalet og dermed forurensende dataene.
Selv om EMG FT-protokollen er allsidig det er potensielle begrensninger i sin søknad i en klinisk setting. For eksempel kan visse kliniske populasjoner ikke tolerere testprotokollen. Det vil si, mens økningen i arbeidsmengden kan endres (dvs. 5 W i stedet for 25 W per trinn) pasienter med alvorlige respiratoriske og / eller kardiale sykdommer kan for tidlig tretthet i de innledende stadier av testen. En annen potensiell begrensning er at quadriceps femoris muskler er alle aktivert på ergometersykkel; imidlertid er EMG-signalet blir tatt opp fra bare en avdisse musklene. Hittil har ingen studier bestemt EMG FT over de tre overfladiske quadriceps femoris muskler for ergometersykkel for å finne ut om det er forskjeller mellom muskler.
Oppsummert omfatter fremgangsmåten for estimering av EMG tretthet terskelen fra en enkel trinnvis treningstest er et nyttig verktøy for å vurdere nevromuskulær tretthet under dynamisk trening. Dessuten gir denne testen en objektiv metode for å bestemme over effekten av ulike tiltak som demper muskeltretthet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 839 E Monark cycle ergometer | Monark Exercise AB | 839 E | |
| Heart rate monitor | Polar | Polar H1 | |
| Laptop | Dell Inspiron | varies | any laptop computer with USB slots should work. |
| EMG amplifiers | BioPac Systems, Inc. | 100B | 100C are the latest version |
| Disposable EMG electrodes | BioPac Systems, Inc. | EL-500 | |
| Sandpaper | Home Depot | 9 inch x 11 inch 60 Grit course no-slip grip Advanced Sandpaper (3-Pack) |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zuniga, J. M., et al. Neuromuscular and metabolic comparisons between ramp and step incremental cycle ergometer tests. Muscle. 47, 555-560 (2013).
- 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).
- Basmajian, J. V., De Luca, C. J. Muscles alive, their functions revealed by electromyography. , 5th edn, Williams, & Wilkins. (1985).
- 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).
- Vries, H. A., et al. A method for estimating physical working capacity at the fatigue threshold (PWCFT). Ergonomics. 30, 1195-1204 (1987).
- Vries, H. A., et al. Factors affecting the estimation of physical working capacity at the fatigue threshold. Ergonomics. 33, 25-33 (1990).
- Astrand, I. The physical work capacity of workers 50-64 years old. Acta physiologica Scandinavica. 42, 73-86 (1958).
- Hettinger, T., Birkhead, N. C., Horvath, S. M., Issekutz, B., Rodahl, K.
- Smith, J. L. International encyclopedia of ergonomics and human factors. Karwowsk, W. , CRC/Taylor, & Francis. (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
