Abstract
Teoretisk er den elektromyografisk (EMG) træthed grænse er den træningsintensitet en person kan opretholde det uendelige uden behovet for at rekruttere flere motoriske enheder, som er forbundet med en stigning i EMG amplitude. Selvom forskellige protokoller er blevet anvendt til at estimere EMG træthed tærskel de kræver flere besøg, som er upraktisk for et klinisk miljø. Her præsenterer vi en protokol til at estimere EMG træthed tærsklen for cyklus ergometri som kræver et enkelt besøg. Denne protokol er enkel, praktisk, og afsluttes inden for 15-20 min, derfor har potentialet til at blive oversat til et værktøj, som klinikere kan bruge i motion recept.
Introduction
Overflade elektromyografi (EMG) er en ikke-invasiv metode studere motorenhed rekruttering under isometrisk 1-3, isokinetisk 4-6, eller kontinuerlig 7-10 muskel handling. Amplituden af EMG signal repræsenterer muskel aktivering, som består af antallet af motoriske enheder aktiveres, afbrændingstakten af de motoriske enheder eller begge 11. Begrebet EMG træthed tærskel anvendes til at indikere den højeste arbejdsbyrde i hvilken en person kan udøve på ubestemt tid uden en stigning i EMG amplitude 8.
Det er vigtigt at kortvarigt diskussion oprindelsen af EMG træthed tærskel. Den oprindelige undersøgelse fra Vries et al. 12 involverede en protokol, der bestod af flere (normalt 3-4) diskontinuerlige arbejde anfald, hvor EMG amplitude blev plottet mod tid for hver arbejde kamp. Udgangseffekten blev derefter plottes versus hældning koefficienter fra EMG amplitude versus tid rela hæng, og derefter ekstrapoleret til nul hældning (y-skæringspunkt) 12. Forfatterne 12 oprindeligt kaldt denne protokol den fysiske arbejdskapacitet på tærsklen træthed (PWCFT). I en anden undersøgelse, de Vries et al. 13 anvendes ofte afbrudte anfald, men anvendes lineær regression for at finde den første effekt, der resulterede i en betydelig hældning for EMG amplitude versus tid forhold. Forfatterne 13 også kaldet protokollen den PWCFT, skaber en vis forvirring i litteraturen. I en efterfølgende artikel, de Vries et al. 14 ændret deres tidligere protokol 13 og udviklet en kontinuerlig inkrementel protokol. EMG amplitude blev plottet mod tiden for hver udgangseffekt og den PWCFT blev defineret som gennemsnittet af den højeste effekt, der resulterede ikke i nogen ændring i EMG amplitude over tid og den laveste effekt, der resulterede i en stigning i EMG amplitude over tid 14 .
ent "> Det skal bemærkes, at udtrykket PWC blev oprindeligt introduceret i slutningen af 1950'erne 15,16 og er synonymt med et væld af litteratur (fortid, nutid, og på tværs af forskellige lande) undersøgelse aerobe kapacitet ved en given belastning 17. Desuden begrebet bruges i det ergonomiske og industrielle litteratur, som fokuserer på dag-til-dag produktivitet arbejdstagere, der udfører gentagne handlinger under otte timer arbejdsdage som individer i en samlefabrik 18.Udtrykket EMG træthed tærskel blev oprindeligt anvendt af Matsumoto og kolleger 19, efter at de ændret Vries 12 protokol, hvor udgangseffekten versus hældning koefficienterne for EMG amplitude versus tid forholdet plottes og ekstrapoleres til det punkt nul hældning. For nylig, Guffey et al. 20 og Briscoe et al. 8 anvendes fremgangsmåden ifølge de Vries et al. 14 og terminologi Matsumoto et enl. 19 til operationelt definere EMG træthed tærskel. Bevæger sig fremad, anbefaler vi, at udtrykket EMG træthed tærskel anvendes. Således er EMG amplitude versus tid forholdet afbildet for hver effekt og derefter analyseret ved anvendelse af lineære regressionsanalyser (figur 1). For at estimere EMG træthed tærskel, den højeste effekt med en ikke-signifikant (p> 0,05) hældning og den laveste effekt med en signifikant (p <0,05) hældning er identificeret og derefter gennemsnittet beregnes 14. Denne protokol er enkel, praktisk og afsluttet inden for 15-20 min. Desuden kan den trinvise sats moduleres baseret på den enkeltes niveau af sædvanlige fysisk aktivitet, og derfor har potentielle anvendelsesmuligheder i kliniske indstillinger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle procedurer blev godkendt af University Institutional Review Board for mennesker.
1. Forberedelse af deltagerens Leg
- Har deltageren pænt rulle op deres shorts til den ønskede ben. Så tape shorts, så quadriceps femoris muskel gruppe er eksponeret og trække en linje omkring området deltageren har brug for at barbere.
- VIGTIGT: Have deltageren barbere deres ben før testen i stedet for den foregående dag, da dette sikrer, at der ikke er nogen skægstubbene, som kan interferere med EMG-signalet.
- Når deltageren er færdig barbering det ønskede område af benet, rense barberede område med sprit for at sikre, at der ikke er nogen rester af barbering gel (eller fløde), som kan interferere med EMG-signalet.
2. Måling af Leg for Placering af elektroder
- For at placere EMG elektrode på vastus lateralis musklen, får following målinger
- Har deltageren står lige overfor forskeren.
- Lokalisere den forreste spina iliaca superior (ASIS) og den laterale side af patella. Den ASIS er hoftebenet; palpere det ved at placere hånden på hver side af maven under navlen.
- Med et målebånd, måle afstanden mellem de to steder er identificeret ovenfor, og tager 2/3 af denne værdi på linien fra ASIS til den laterale side af patella. Bemærk: Yderligere oplysninger om placering af EMG elektroder kan findes på SENIAM (Surface elektromyografi for ikke-invasiv vurdering af muskler) URL: http://www.seniam.org/
3. Placering af EMG elektroder
- Efter placeringen af vastus lateralis er blevet identificeret, tage EMG elektroder (de fleste forskere bruger kommercielt tilgængelige engangs Ag-Ag Cl-elektroder) og sted i løbet af de vastus lateralis uden at fjerne den selvklæbende shield. Derefter med en pen markere det område, hvor gelen del af elektroden får kontakt med musklen. Sørg for, at interelectrode afstanden er 20 mm center-til-center.
- Brug et stykke sandpapir (60 grove) til forsigtigt at slibe disse to områder for at fjerne det overfladiske lag af huden. I løbet af denne tid, bede deltageren deres niveau af ubehag. Stop slibning, når deltageren angiver det område er varm.
- Rengør afslebne områder med et håndklæde, der er fugtet med sprit eller en spritserviet. Lad området på benet for at tørre før placere EMG-elektroder.
- Placer EMG elektroder på de steder, der blev afslebet (Figur 2). Pas på ikke at placere elektroderne på Iliotibial band (IT band). Spørg deltageren at kontrakten quadriceps femoris muskler for at palpere de vastus lateralis. Placer elektroderne på musklen for at sikre det ikke er på IT-båndet. Bemærk: Hvis elektroderne på it-båndet, EMG-signalet would blive dæmpet, når deltageren bliver bedt om at maksimalt kontrakt.
- Placer referenceelektrode (3. elektrode) på en Boney bindingssted såsom ASIS således ikke forstyrre bevægelse af de nedre lemmer under træningen Bout.
4. Kontrol af EMG Signal
- Forud for øvelsen test starter, skal du kontrollere interelectrode impedans.
Bemærk: Dette trin er kritisk, fordi hvis signalet har for meget støj, så de EMG data indsamlet under træningen test vil være ugyldig.- Har deltageren sidde i en stol og tilslut EMG fører til deres respektive elektroder fastgjort til deltagerens ben.
- På dette tidspunkt har deltageren slække på deres ben, der ikke har nogen spænding i musklen. Så efter ca. 30 sek af afslapning, har deltageren maksimalt kontrakt deres quadriceps femoris muskler i 5 sekunder og derefter gå tilbage til at være helt afslappet.
- Når der udføres opgaven enBove (trin 4.1.2), optage deltagere EMG-signalet på computeren.
- Sørg for, at interelectrode impedans er <2.000 ohm. Desuden, hvis et voltmeter er tilgængelig i laboratoriet, så tjek baseline støj og holde under 5 μV. Desuden indstille frekvensen prøveudtagning på 1.000 Hz.
5. Nedsættelse af Cycle Ergometer
- Efter kontrol af interelectrode impedans, har deltageren flytte fra stolen til den cyklus ergometer.
- Har deltageren stå ved siden af cyklen ergometer og hæve deres knæ, indtil låret er parallel med jorden. Så har deltageren hold denne stilling og juster sædehøjden til at matche den samme højde som deltagerens lår.
- Derefter har deltageren sidde på cyklen ergometer sæde og derefter pedal et par gange samtidig beder dem, hvis de er komfortable med sædehøjde. Hvis det er nødvendigt, justeres sædehøjden.
- Sikre that deltagerens ben er næsten fuld forlængelse med en let bøjning (~ 5 °) i knæ under hver pedal omdrejning.
- Før du starter testen, har deltageren bære en polær pulsmåler, så pulsen kan dokumenteres hele øvelsen test.
6. Udførelse af EMG Træthed Threshold Protocol
- Har deltageren begynde at cykle og gradvist øge deres kadence til 70 omdrejninger / min. Derefter øger udgangseffekten på cyklen ergometer til 50 W.
- Har deltageren cyklus ved denne effekt i ca. 2-3 min.
Bemærk: Dette er en lav intensitet motion og vil tjene som opvarmning. - Efter den varme-up perioden, øge effekt med 25 W hver 2 min, indtil deltageren er ikke længere i stand til at opretholde den 70 omdrejninger / min kadence eller anmoder om, at testen stoppes.
Bemærk: Det skal bemærkes, at der under udøvelsen prøvningen måles EMG-signalet registreres i 10sec epoker Under hver 2 min fase for sec 10-20, 30-40, 50-60, 70-80, 90-100 og 110-120 21. De fleste EMG systemer vil have en mulighed for at indstille den automatiske optagelse på det ønskede interval. For hvert trin bør der være 6 datafiler. - Når den trinvise test har konkluderet, har deltageren udføre en cool ned på 50 W. Kontrollér, at længden af den kølige ned svarer til at have deltagerens puls vende tilbage til den værdi, under opvarmningsfasen. Overvåge dette ved at kontrollere deltagernes puls ved hjælp af den polære pulsmåler.
- Når den kølige ned er færdig, skal du fjerne EMG fører og har deltageren trin fra cyklus ergometer og vende tilbage til stolen. Fjern derefter forsigtigt EMG elektroder og tørre områder med et rent håndklæde fugtet med sprit eller en spritserviet.
7. Behandling af EMG Signal
- Efter prøven er afsluttet, proCESS de rå EMG datafiler, der blev indsamlet under udøvelsen testen, så data kan bruges til at bestemme EMG træthed tærskel.
- Udfør behandling af EMG-signalet med enten software, der bruges til at indsamle de EMG-signalet eller sædvane skriftlig software ved hjælp af forskellige platforme, såsom Matlab eller LabVIEW.
- Filtrere indsamlede EMG signaler under anvendelse et band-pass filter. Brug en indstilling på 10 til 500 Hz. Bemærk: Dette ændrer frekvensen af signalet, således at lavfrekvente artefakter på grund af bevægelse af EMG ledninger (<10 Hz) og højfrekvente artefakter fra miljøet (> 500 Hz), fjernes. Brug et hak filter på 60 Hz, hvis der er nogen indblanding fra strømforsyningen til computeren eller EMG-system.
- Når signalet er filtreret, fastlægge signal amplitude ved at beregne geometriske middelværdi af signalet: Square hver af datapunkter, opsummere dem, dividere med antallet af datapunkter, derefter tage kvadratroden af den resulterende værdi. Udfør disse beregninger ved hjælp af førnævnte software.
8. Bestemmelse af EMG Træthed Threshold for hver deltager
- Udfør følgende trin for hver deltager.
- Når EMG-signalet er blevet behandlet; bruge et statistisk program (f.eks GraphPad Prism) og mærke den første kolonne "Time" og de efterfølgende kolonner med magt udgange anvendes til prøven.
- For hver effekt, fylde-i den tilsvarende EMG amplitude for hver 20 sek interval.
- For hver effekt, analysere tid (x-aksen) vs EMG amplitude (y-akse) forhold med lineær regression for at bestemme, om hældningen på regressionslinien er signifikant (p <0,05) forskellig fra nul.
- Efter udførelse af lineære regressionsanalyser for alle effektudtag, identificere den højeste effekt med en ikke-signifikant (p> 0,05) hældning.
- Derefter identificere ler skyldig udgangseffekt med en signifikant (p <0,05) hældning.
- Når disse to power udgange er blevet identificeret, tilføje dem og dividere med 2; den resulterende effekt er det anslåede EMG træthed tærskel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Som vist i figur 1, for en enkelt deltager, hver udgangseffekt, der er fuldført har seks datapunkter, der repræsenterer EMG amplitude for vastus lateralis musklen. Derfor, i dette eksempel, den højeste effekt med en ikke-signifikant (p> 0,05) hældningen er 200 watt, mens den laveste effekt med en signifikant (p <0,05) hældningen er 225 W. Derfor for denne deltager EMG træthed grænse er 213 W. Når EMG træthed tærsklen bestemmes for hver deltager så Empiriske statistikker kan udføres.
Figur 1: Repræsentative resultater for en enkelt deltager. Lineær regression blev udført for EMG amplitude versus tid forholdet for hver effekt. Den effekt angivet ved den røde pil (200 W) er denhøjeste udgangseffekt med en ikke-signifikant (p> 0,05) hældning, mens udgangseffekten angivet af den grønne pil (225 W) er den laveste effekt med en signifikant (p <0,05) hældning. Gennemsnittet af disse to power output lig 213 W, hvilket er EMG FT.
Figur 2:. Afbildning af elektroden ordning for vastus lateralis musklen Derudover har vi givet en visuel af, hvor EMG elektroder placeret for rectus femoris og vastus medialis muskler. Specifikke anvisninger for EMG elektroder placeret, kan findes på følgende websted: http://www.seniam.org.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi her præsenterer en metode til bestemmelse af neuromuskulær træthed i quadriceps femoris muskler til dynamisk øvelse. Denne fremgangsmåde tilvejebringer en enkel og ikke-invasiv metode til ved hjælp af overflade EMG. Desuden alsidigheden ved denne metode er, at forskerne kan tilpasse det til andre transportformer motion som løbebånd 20.
Teoretisk, for intensiteter på eller under EMG træthed tærsklen deltageren skal kunne opretholde øvelsen workbout ubestemt tid 12,13. Briscoe et al. 8 valideret EMG træthed tærskel for cyklus ergometri. På separate lejligheder hver deltager udøves på 70%, 100%, og 130% af deres EMG træthed tærskel. Forfatterne fandt, at for 70% og 100% af EMG træthed tærskel deltagerne ikke har øget EMG amplitude under øvelsen arbejdsbyrde 8. Til arbejdsbyrden ved 130% af EMG træthed tærskel dog udstillet deltagerne ensignifikant stigning i EMG amplitude 8. Briscoe et al. 8 konkluderede, at EMG træthed tærsklen for cyklus ergometri var en gyldig protokol til at bestemme neuromuskulær træthed under kontinuerlig træning.
Med hensyn til kritiske trin i protokollen og fejlfinding overveje følgende. Hvis der er for meget støj i EMG-signalet, når du udfører trin 4.1.2 derefter først kontrollere forbindelsen mellem EMG elektroder og enheden optager signalet. Ofte kan de EMG ledningerne ikke tilsluttes korrekt til EMG elektroden. For det andet, at de områder, hvor elektroderne er placeret behov være fri for enhver hår og føles glat at røre ved i stedet for rå (dvs. barbering skægstubbene). Derfor sikre, at al håret grundigt fjernes på steder, hvor EMG elektroden vil blive placeret. Det er også vigtigt at rense området, når slibning er afsluttet. Igen er målet at have en ren og glat overflade. Tredje, the midterste område af EMG elektroden bør ikke være tørt og i givet fald anvende konduktans gel (såsom dem der anvendes til ultralyd) som et supplement. Sørg for at bruge gelen sparsomt, fordi overskydende gel kan forstyrre klæbeevne af EMG elektrode. Kombinationen af disse elementer er fælles syndere, der øger støjen i EMG-signalet og således forurener dataene.
Selvom EMG FT-protokollen er alsidig der er potentielle begrænsninger for dens anvendelse i et klinisk miljø. For eksempel kan visse kliniske populationer ikke tåle prøvningsprotokol. Det vil sige, mens stigningen i arbejdsbyrden kan ændres (dvs. 5 W i stedet for 25 W pr etape) patienter med svær respiratorisk og / eller hjerte-sygdomme kan tidligt træthed i de indledende faser af testen. En anden potentiel begrænsning er, at quadriceps femoris muskler er alle aktiveret under cyklus ergometri; imidlertid er EMG signal, der optages fra kun en afdisse muskler. Til dato har ingen studier bestemt den EMG FT tværs af de tre overfladiske quadriceps femoris muskler for cyklus ergometri at identificere, om der er forskelle mellem muskler.
Sammenfattende metoden til estimering af EMG træthed tærskel fra en enkelt trinvis øvelse test er et nyttigt redskab til vurdering af neuromuskulær træthed under dynamisk øvelse. Desuden denne test giver en objektiv metode til at bestemme for effekten af forskellige interventioner, der dæmper muskeltræthed.
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).
