Abstract
Teoretiskt är det elektromyografisk (EMG) trötthetströskel träningsintensitet en individ kan hålla på obestämd tid utan att behöva rekrytera fler motoriska enheter som är associerade med en ökning av EMG amplituden. Även om olika protokoll har använts för att uppskatta utmattningsgränsen EMG de kräver flera besök som är opraktiskt för en klinisk miljö. Här presenterar vi ett protokoll för att uppskatta EMG trötthetströskel för cykel ergometri som kräver ett enda besök. Detta protokoll är enkelt, bekvämt och avslutas inom 15-20 minuter, därför har potential att översättas till ett verktyg som kliniker kan använda i motion recept.
Introduction
Surface elektromyografi (EMG) är en icke-invasiv metod för att studera motorenhet rekrytering under isometrisk 1-3, isokinetiskt 4-6, eller kontinuerlig 7-10 muskelaktivitet. Amplituden av EMG-signalen representerar muskelaktivering som består av det antal motoriska enheter aktiverad eldhastighet av motorenheterna, eller båda 11. Begreppet utmattningsgränsen EMG används för att indikera den högsta arbetsbelastningen i vilken en individ kan utöva på obestämd tid utan en ökning av EMG amplituden 8.
Det är viktigt att kort diskussion ursprunget av utmattningsgränsen EMG. Den ursprungliga studien av et al. DeVries 12 involverade ett protokoll som bestod av flera (vanligen 3 till 4) diskontinuerliga arbets anfall, där EMG amplituden avsattes mot tiden för varje arbets matchen. Uteffekten därefter avsattes mot lutningen koefficienterna från EMG amplituden kontra tid rela lande, och extrapoleras därefter till noll lutning (y-axeln) 12. Författarna 12 ursprungligen kallas att protokollet fysisk arbetsförmåga vid utmattningsgränsen (PWCFT). I en annan studie, deVries et al. 13 används diskontinuerliga arbets anfall, men används linjär regression för att hitta den första uteffekt som resulterade i en betydande lutning för EMG amplituden som funktion av tiden relation. Författarna 13 kallas också att protokollet PWCFT, skapar viss förvirring i litteraturen. I en efterföljande artikel deVries et al. 14 ändrat sin tidigare protokoll 13 och utvecklat en kontinuerlig stegvis protokoll. EMG amplituden avsattes mot tiden för varje effekt och PWCFT definierades som genomsnittet av den högsta effekt som resulterade inte i någon förändring i EMG amplitud över tid och lägsta effekt som resulterade i en ökning av EMG amplitud över tiden 14 .
ENT "> Det bör noteras att termen PWC introducerades ursprungligen i slutet av 1950-talet 15,16 och är synonymt med en uppsjö av litteratur (dåtid, nutid och mellan olika länder) undersöka aerob kapacitet vid en given arbetsbelastning 17. Dessutom, termen används i den ergonomiska och industri litteratur som fokuserar på dag-till-dag produktivitet arbetstagare som utför repetitiva åtgärder under 8 timmars arbetsdag som individer i en monteringsanläggning 18.Termen EMG trötthetströskel ursprungligen användes av Matsumoto och kollegor 19 efter att de ändrade deVries 12 protokoll där uteffekten kontra lutningskoefficienterna i EMG amplituden som funktion av tiden relation plottas och extrapoleras till den punkt noll lutning. På senare tid, Guffey et al. 20 och al. Briscoe et 8 använt metoden för deVries et al. 14 och terminologi Matsumoto et all. 19 till operativt definiera trötthetströskel EMG. Framåt, rekommenderar vi att termen EMG trötthetströskel användas. Således är EMG amplitud mot tid förhållandet plottas för varje uteffekt och analyserades sedan med användning av linjära regressionsanalyser (fig 1). För att uppskatta EMG trötthetströskel, den högsta uteffekten med en icke-signifikant (p> 0,05) lutning och den lägsta uteffekten med en signifikant (p <0,05) lutning identifieras och sedan genomsnittet beräknas 14. Detta protokoll är enkelt, bekvämt och avslutas inom 15-20 minuter. Dessutom kan den inkrementella hastighet moduleras baserat på individens nivå av vanliga fysisk aktivitet, och har därför potentiella tillämpningar i kliniska inställningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla förfaranden godkändes av University Institutional Review Board for Human ämnen.
1. Beredning av deltagarens Leg
- Har deltagaren prydligt kavla upp sina shorts för den önskade benet. Sedan tejpa shorts så att quadriceps femoris muskelgrupp exponeras och dra en linje runt området deltagaren behöver raka.
- VIKTIGT: Ha deltagaren raka benet före provningen snarare än föregående dag eftersom det säkerställer att det inte finns några stubb som kan störa EMG-signalen.
- När deltagaren har avslutat rakning det önskade området av benet, rengör det rakade området med tvättsprit för att se till att det inte finns några rester av rakgelen (eller grädde), som kan interferera med EMG-signalen.
2. Mätning av Ben för elektrodplacering
- För att placera EMG elektroden på musculus vastus lateralis, göra following mätningar
- Har deltagaren stå rakt mot forskare.
- Lokalisera den främre spina iliaca överlägsen (ASIS) och den laterala sidan av knäskålen. Den ASIS är höftbenet; palpera den genom att placera handen på vardera sidan av buken nedanför naveln.
- Med ett måttband, mäta avståndet mellan de två platser som nämns ovan och ta 2/3 av detta värde på linjen från ASIS till den laterala sidan av knäskålen. Obs: Ytterligare information om placering av EMG elektroder kan hittas på SENIAM (Surface elektromyografi för icke-invasiv Bedömning av muskler) URL: http://www.seniam.org/
3. Placering av EMG elektroder
- När du har kartlagt vastus lateralis, ta EMG elektroder (de flesta forskare använder kommersiellt tillgängliga engångs Ag-Ag Cl elektroder) och placera över vastus lateralis utan att ta bort klister shield. Sedan med en penna markera det område där geldelen av elektroden kommer i kontakt med muskeln. Se till att interelektrodavståndet är 20 mm från centrum till centrum.
- Använd en bit sandpapper (60 grov) för att försiktigt slipa dessa två områden för att ta bort ytliga lagret av huden. Under denna tid, be deltagaren deras nivå av obehag. Sluta slipa när deltagaren anger området är varm.
- Rengör slipade områden med en handduk som är fuktad med alkohol eller en alkoholservett. Låt område på benet för att torka innan du placerar EMG elektroder.
- Placera EMG elektroderna på de platser som avskavda (Figur 2). Var noga med att inte placera elektroderna på iliotibial bandet (IT-bandet). Be deltagaren att ingå avtal quadriceps femoris muskler för att palpera vastus lateralis. Placera elektroderna på muskeln att säkerställa att det inte är på IT-bandet. OBS: Om elektroderna på IT-bandet, EMG signalen would dämpas när deltagaren uppmanas att maximalt kontrakt.
- Placera referenselektrod (3: e elektrod) på en boney bindningsställe såsom ASIS således inte påverkar rörelser i de nedre extremiteterna under övningen skjutningen.
4. Kontrollera EMG Signal
- Före start av konditionstest, kontrollera interelektrod impedans.
Obs! Detta steg är avgörande för om signalen har alltför mycket buller då EMG uppgifter som samlats in under övningen testet blir ogiltigt.- Har deltagaren sitta i en stol och anslut EMG leder till sina respektive elektroder fästa vid deltagarens ben.
- Vid det här laget, har deltagaren koppla deras ben, som inte har någon spänning i muskeln. Sedan efter ca 30 sekunder av avkoppling, har deltagaren maximalt kontrakt sina quadriceps femoris muskler i 5 sekunder och sedan gå tillbaka till att vara helt avslappnad.
- När du utför uppgiften enBove (steg 4.1.2), spela in deltagare EMG-signalen på datorn.
- Se till att interelektrod impedans är <2.000 ohm. Dessutom, om en voltmeter finns i laboratoriet, så kolla baslinjen buller och hålla under 5 μV. Dessutom ställer samplingsfrekvensen vid 1000 Hz.
5. Inrättande av cykelergometer
- Efter kontroll av interelektrod impedans, har deltagaren flytta från stolen till cykelergometer.
- Har deltagaren stå bredvid cykelergometer och höja deras knä tills låret är parallellt med marken. Sedan har deltagaren innehar denna position och justera sitthöjden för att matcha samma höjd som deltagaren lår.
- Därefter har deltagaren sitta på cykelergometer sätet och sedan trampa ett par gånger samtidigt som man ber dem om de är bekväma med sitthöjden. Om det behövs, justera sitthöjden.
- Säkerställa that deltagarnas ben är nästan full förlängning med en liten böj (~ 5 °) i knäna under varje pedal varv.
- Innan du startar testet, har deltagaren bära en polär pulsmätare så att hjärtfrekvensen kan dokumenteras genom hela konditionstest.
6. Utföra EMG trötthetströskel protokoll
- Har deltagaren börja cykla och gradvis öka sin kadens till 70 varv / min. Sedan öka uteffekten på cykelergometer till 50 W.
- Har deltagaren cykeln vid denna effekt för cirka 2-3 minuter.
Obs! Detta är en lågintensiv träning och kommer att fungera som uppvärmning. - Efter uppvärmningsperioden, öka uteffekten med 25 W var 2 min tills deltagaren inte längre kan upprätthålla 70 varv / min kadens eller begär att testet avbrytas.
Obs: Det bör noteras att under konditionstest, är EMG signalen noterats för 10sek epoker under varje 2 min scen för sek 10-20, 30-40, 50-60, 70-80, 90-100 och 110-120 21. De flesta EMG-system kommer att ha en möjlighet att ställa in automatisk inspelning vid önskat intervall. Således, för varje steg bör det finnas sex datafiler. - När den inkrementella testet har ingått, har deltagaren utföra en nedkylning på 50 W. Kontrollera att längden på nedtrappnings motsvarar med deltagarens hjärtfrekvens återgå till värdet under uppvärmningsfasen. Övervaka detta genom att kontrollera deltagarens pulsen med hjälp av Polar pulsmätare.
- När nedkylnings är klar, ta bort EMG leder och har deltagaren stiger av cykelergometer och återgå till stolen. Sedan försiktigt bort EMG elektroder och torka områden med en ren handduk fuktad med alkohol eller en alkoholservett.
7. Behandling av EMG Signal
- När testet är slutfört, proprocessen rå EMG datafiler som samlades in under konditionstest så att uppgifterna kan användas för att bestämma utmattningsgränsen EMG.
- Utför behandlingen av EMG-signalen med antingen den programvara som används för att samla in EMG signal eller anpassat program skrivna program med hjälp av olika plattformar såsom MATLAB eller LabVIEW.
- Filtrera de uppsamlade EMG signaler med användning av ett bandpassfilter. Använd en inställning av 10 till 500 Hz. Anmärkning: Detta ändrar frekvensen hos signalen, så att lågfrekventa artifakter på grund av förflyttning av EMG leder (<10 Hz) och högfrekventa artefakter från miljön (> 500 Hz), avlägsnas. Använd ett notchfilter 60 Hz om det finns någon störning från strömförsörjningen av datorn eller EMG-system.
- När signalen har filtrerats, bestämma signalamplituden genom beräkning av effektivvärdet av signalen: Platsen var och en av datapunkterna, summerar dem, dividera med antalet datapunkter, sedan ta kvadratroten ur det resulterande värdet. Utför dessa beräkningar med hjälp av ovan nämnda mjukvara.
8. Fastställande av EMG trötthetströskel för varje deltagare
- Utför följande steg för varje deltagare.
- Efter EMG signalen har behandlats; använda ett statistikprogram (t.ex. GraphPad Prism) och märka den första kolumnen "Time" och efterföljande kolumner med effektuttag som används för testet.
- För varje effekt, fylla i motsvarande EMG amplitudvärdet för varje 20 sek intervall.
- För varje uteffekt, analysera tiden (x-axeln) mot EMG amplitud (y-axel) förhållande med linjär regression för att bestämma om lutningen av regressionslinjen är signifikant (p <0,05) skild från noll.
- Efter att ha utfört den linjära regressionsanalyser för alla effektutgångar, identifiera den högsta uteffekten med en icke-signifikant (p> 0,05) lutning.
- Sedan identifiera lowest uteffekt med en signifikant (p <0,05) lutning.
- När dessa två uteffekter har identifierats, lägg dem och dividera med 2; den resulterande effekten är den beräknade EMG trötthetströskel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Såsom visas i fig 1, för en enda deltagare, varvid varje uteffekt som är klar har sex datapunkter som representerar EMG amplituden för musculus vastus lateralis. Därför, i detta exempel, är den högsta uteffekten med en icke-signifikant (p> 0,05) lutning 200 watt, medan den lägsta uteffekten med en signifikant (p <0,05) lutningen är 225 W. Därför för deltagaren EMG trötthet tröskeln är 213 W. När utmattningströskel EMG bestäms för varje deltagare kan sedan utföras Trendanalys.
Figur 1: Representativa resultat för en enda deltagare. Linjär regression utfördes för EMG amplituden kontra tidsförhållande för varje effekt. Effekten indikeras av den röda pilen (200 W) är denhögsta effekt med en icke-signifikant (p> 0,05) lutning, medan uteffekten indikeras av den gröna pilen (225 W) är den lägsta uteffekten med en signifikant (p <0,05) lutning. Medelvärdet av dessa två uteffekter lika 213 W, vilket är EMG FT.
Figur 2:. Visning av elektrodarrangemanget för vastus later muskeln Dessutom har vi en visuell av där EMG elektroder placeras för rectus femoris och vastus medialis muskler. Särskilda anvisningar för EMG-elektrod placeras återfinns på följande webbplats: http://www.seniam.org.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Presenterar vi här en metod för att bestämma neuromuskulär trötthet i quadriceps femoris muskler för dynamisk träning. Denna metod ger en enkel och icke-invasiv metod för att med hjälp av yta EMG. Dessutom är mångsidigheten hos denna metod som forskarna kan anpassa den till andra typer av träning som löpbandet 20.
Teoretiskt för nivåer vid eller under utmattningsgränsen EMG deltagaren ska kunna upprätthålla övningen workbout obestämd tid 12,13. Et al. Briscoe 8 validerade EMG trötthetströskel för cykel ergometri. Vid olika tillfällen varje deltagare utövas på 70%, 100% och 130% av deras EMG trötthetströskel. Författarna fann att för 70% och 100% av EMG trötthet tröskel deltagarna inte har ökat EMG amplituden under övningen arbetsbelastning 8. För arbetsbelastningen vid 130% av EMG trötthetströskel, men deltagarna uppvisade ensignifikant ökning av EMG amplituden 8. Et al. Briscoe 8 slutsatsen att EMG trötthetströskel för cykel ergometri var ett giltigt protokoll för att bestämma neuromuskulär trötthet under kontinuerlig träning.
När det gäller kritiska steg i protokollet och felsökning beakta följande. Om det är för mycket brus i EMG-signal när du utför steg 4.1.2 då först kontrollera anslutningen mellan EMG elektroderna och enheten spelar in signalen. Ofta EMG leder kanske inte är ordentligt ansluten till EMG elektroden. För det andra, till de områden där elektroderna är placerade behöver stå fria från alla hår och känns mjukt vid beröring snarare än grov (dvs, rakning stubb). Se därför till att allt hår tas bort noggrant på platser där EMG elektroden kommer att placeras. Dessutom är det viktigt att rengöra området när slip är avslutad. Återigen är målet att ha en ren och jämn yta. Tredje, the mittområdet av EMG elektroden bör inte vara torr och i så fall använda lednings gel (såsom de som används för ultraljud) som ett komplement. Se till att använda gelen sparsamt, eftersom överskottet gelén kan störa vidhäftning av EMG-elektrod. Sammantaget dessa objekt är vanliga syndarna som ökar bullret i EMG-signalen och därmed förorenar data.
Även om EMG FT-protokollet är mångsidig det finns potentiella begränsningar för dess tillämpning i en klinisk miljö. Till exempel kan vissa kliniska populationer inte tolerera testprotokollet. Det vill säga, medan ökningen av arbetsbelastningen kan ändras (dvs 5 W i stället för 25 W per etapp) patienter med svår respiratorisk och / eller hjärtsjukdomar kan förtid trötthet under de inledande skedena av testet. En annan potentiell begränsning är att quadriceps femoris muskler alla aktiverade under cykeln ergometri; emellertid EMG signal som skall registreras från endast en avdessa muskler. Hittills har inga studier fastställt EMG FT över tre ytliga quadriceps femoris muskler för cykel ergometri att avgöra om det finns skillnader mellan muskler.
Sammanfattningsvis är metoden att uppskatta utmattningsgränsen EMG från en enda steg konditionstest ett användbart verktyg för att bedöma neuromuskulär trötthet under dynamisk träning. Dessutom ger detta test en objektiv metod för att avgöra om effekten av olika insatser som dämpar muskeltrötthet.
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. Assessment of physical work capacity. Journal of Applied Physiology. 16, 153-156 (1961).
- 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).
