Wykład wprowadzający do Elektromiografii powierzchniowej przygotował: mgr inż. Krzysztof Fiok WT, PW , 2015 r.

Czym zajmuje się Elektro Mio Grafia? ElektroMioGrafia (EMG) to dziedzina wiedzy zajmująca się analizą sygnałów elektrycznych powstających w mięśniach (np. człowieka) podczas ich pracy. mgr inż. Krzysztof Fiok

Rozróżnia się 2 rodzaje elektromiografii: powierzchniową sEMG (skrót od ang. surface EMG); igłową. sEMG wykorzystuje do prowadzenia pomiarów przyklejone na powierzchni skóry nad mięśniami elektrody, natomiast igłowa posługuje się igłami wbijanymi pomiędzy włókna mięśniowe. mgr inż. Krzysztof Fiok

Omawiana technika pomiarowa została nazwana elektromiografią po raz pierwszy w 1876 roku. Silny rozwój tej dziedziny wiedzy nastąpił jednak dopiero w dobie popularyzacji systemów komputerowych, które umożliwiły sprawne przetwarzanie i analizę zapisywanych pomiarów, a co za tym idzie znaczące przyspieszenie w wyciąganiu wniosków dotyczących przeprowadzanych prób. mgr inż. Krzysztof Fiok

Aktualny stan wiedzy pozwala korzystać z wytycznych dotyczących części warunków przeprowadzania badań opracowanych w ramach Europejskiego Projektu SENIAM. Wytyczne te zostały stworzone wspólnie przez 16 zespołów z 9 Europejskich krajów, z tego powodu są bardzo często uznawane za swego rodzaju standard postępowania. Równocześnie jednak, ze względu na różnorodność warunków i założeń dotyczących przeprowadzanych badań elektromiograficznych, znacząca część parametrów definiujących eksperyment musi być ustalana dla każdego przypadku osobno. mgr inż. Krzysztof Fiok

Możliwe zastosowania EMG Źródło: ABC of EMG, Peter Konrad 2005. Zmodyfikowano mgr inż. Krzysztof Fiok

Możliwe zastosowania EMG c.d. A może sygnały EMG można wykorzystać do sterowania? mgr inż. Krzysztof Fiok

EMG = pomiar napięcia elektrycznego mięśni… Zatem EMG = pomiar napięcia elektrycznego mięśni… …tylko skąd to napięcie?? mgr inż. Krzysztof Fiok

Powstawanie sygnału EMG Akson Wyładowanie Włókna mięśniowe Miejsce unerwienia Mózg: wola Rdzeń kręgowy: inicjujący impuls elektryczny Miejsce unerwienia: reakcja elektrochemiczna Włókna mięśniowe: Potencjał czynnościowy, fala potencjału Źródło: ABC of EMG, Peter Konrad 2005. Zmodyfikowano mgr inż. Krzysztof Fiok

Powstawanie sygnału EMG c.d. Źródło: ABC of EMG, Peter Konrad 2005. mgr inż. Krzysztof Fiok

Powstawanie sygnału EMG c.d. Mięsień Włókna mięśniowe Czoło fali potencjału Źródło: ABC of EMG, Peter Konrad 2005. Zmodyfikowano mgr inż. Krzysztof Fiok

Powstawanie sygnału EMG c.d. Wzmacniacz różnicowy wzmacnia różnicę sygnałów wejściowych. W przypadku pomiarów EMG jego zastosowanie pozwala na pominięcie potencjału elektrycznego skóry człowieka zmiennego w funkcji wielu czynników. W praktyce oprócz dwóch elektrod umieszczonych na skórze nad badanym mięśniem stosuje się jeszcze tzw. elektrodę referencyjną, która podaje wartość potencjału elektrycznego na skórze człowieka niezależnie od wykonywanej przez badany mięsień czynności. mgr inż. Krzysztof Fiok

Powstawanie sygnału EMG c.d. Jedna jednostka motoryczna – jedna fala potencjału. Jednak w każdym mięśniu jest wiele jednostek motorycznych, czyli powstaje wiele fal potencjału. Istnieją 4 podstawowe rodzaje jednostek motorycznych: Dające silne impulsy elektryczne, działające z dużą częstotliwością, ale łatwo męczące się; Dające średnio silne impulsy elektryczne, działające z dużą częstotliwością i odporne na zmęczenie; Dające słabe impulsy elektryczne, z małą częstotliwością, ale bardzo odporne na zmęczenie; O cechach pomiędzy jednostkami 1) i 2) mgr inż. Krzysztof Fiok

Powstawanie sygnału EMG c.d. Sygnał EMG Różne jednostki motoryczne Różne kształty i wartości amplitud Różne częstotliwości wyładowań Źródło: ABC of EMG, Peter Konrad 2005. Zmodyfikowano mgr inż. Krzysztof Fiok

Powstawanie sygnału EMG c.d. Zakresy wartości sygnałów EMG w dziedzinie czasu i częstotliwości: +/- 5 [mV], najczęściej wartości napięć podaje się w [μV]; Od ~5 do ~500 [Hz]. Na wartości amplitudy sygnału EMG wpływają czynniki: Anatomiczne (np. grubość tkanki tłuszczowej nad badanym mięśniem); Techniczne (różnego rodzaju zakłócenia, rodzaj aparatury); Rozmieszczenie elektrod; Inne. mgr inż. Krzysztof Fiok

Powstawanie sygnału EMG c.d. Przykładowy sygnał EMG: Naprzemienne okresy aktywności i braku aktywności mięśnia Źródło: ABC of EMG, Peter Konrad 2005. Zmodyfikowano mgr inż. Krzysztof Fiok

Akwizycja sygnału Stosuje się najczęściej próbkowanie sygnału EMG z częstotliwością 1500 lub 3000 [Hz]. Często wykorzystywane są elektrody jednorazowe pre-żelowane (żel poprawiający przewodnictwo skóra-elektroda). Sama elektroda powinna być wykonana z chlorku srebra Ag-Cl. Opór elektryczny pomiędzy elektrodami powinien znajdować się w zakresie 0-50 [kΩ]. W praktyce za korzystny można uznać opór rzędu 5-10 [kΩ]. mgr inż. Krzysztof Fiok

Jaką czynność analizujemy? Przed badaniem: Pytanie 1: Jaką czynność analizujemy? Pytanie 2: Który/które mięśnie stanowią przedmiot badania? Źródło: http://www.daviddarling.info/ mgr inż. Krzysztof Fiok

Wybór odpowiedniego mięśnia do badania stanowi istotne zagadnienie. Odpowiedź do pytań 1 i 2 Wybór odpowiedniego mięśnia do badania stanowi istotne zagadnienie. Przykładowo przed oceną jakości stanowiska pracy człowieka - operatora konkretnego urządzenia technicznego, koniecznym jest wykonanie analizy które mięśnie człowieka są w największym stopniu zaangażowane w czynności związane z wykonywaną pracą. Bardzo często problematycznym jest określenie przed rozpoczęciem badań, które mięśnie faktycznie należy badać. W związku z powyższym z szerokiej grupy potencjalnie zaangażowanych mięśni podczas analizy empirycznie eliminuję się te zaangażowane w mniejszym stopniu. Przykład: rowerzysta podczas jazdy oprócz mięśni nóg wykorzystuje także mięśnie tułowia i kończyn górnych, jest jednak zrozumiałym, że kluczową rolę w jeździe odgrywają w tym przypadku mięśnie nóg. Natomiast precyzyjna odpowiedź które z wielu mięśni nóg, wymaga oceny doświadczalnej. mgr inż. Krzysztof Fiok

Aby zrealizować pomiar Po wybraniu mięśnia będącego przedmiotem badania należy przeprowadzić następującą procedurę przygotowawczą: 1) Palpacyjna identyfikacja miejsc naklejania elektrod powierzchniowych nad wybranymi grupami mięśni; 2) Golenie owłosienia maszynką jednorazową na skórze znajdującej się w miejscach przyklejania elektrod i ich bezpośrednim sąsiedztwie; 3) Usuwanie martwego naskórka z wierzchniej warstwy skóry za pomocą pasty do dermoabrazji i gazika jednokrotnego użytku; 4) Dezynfekcja tak przygotowanych miejsc naklejania elektrod za pomocą gazików jednokrotnego użytku nasączonych alkoholem; 5) Po odczekaniu minuty od dezynfekcji naklejenie elektrod powierzchniowych na przygotowany obszar; 6) Przytwierdzanie do skóry i podłączanie do elektrod przedwzmacniaczy; 7) Opcjonalnie, pomiar oporu między przyklejonymi do skóry elektrodami. mgr inż. Krzysztof Fiok

Przed badaniem c.d. Sytuacja: wybrano już mięśnie do badania, przygotowano skórę i naklejono elektrody Pytanie 3: Jakiej aparatury pomiarowej użyć? mgr inż. Krzysztof Fiok

Aparatura pomiarowa Do realizacji pomiarów EMG stosowane są urządzenia przewodowe i bezprzewodowe. Urządzenia przewodowe przesyłają mierzone wartości napięć poprzez przewody do jednostki przetwarzającej. Urządzenia bezprzewodowe dokonują pomiaru, wzmocnienia i próbkowania sygnałów „na miejscu”, tzn. w bezpośredniej bliskości miejsca pomiaru. Uzyskane dane są następnie bezprzewodowo przekazywane do jednostki centralnej już w postaci cyfrowej. mgr inż. Krzysztof Fiok

niski koszt wytworzenia; Wybrane zalety i wady urządzeń przewodowych stosunkowa prostota konstrukcji; niski koszt wytworzenia; podatność na zakłócenia pochodzące od ruchu przewodów; - silnie ograniczone możliwości ruchu osób badanych. mgr inż. Krzysztof Fiok

wysoki koszt wytworzenia; Wybrane zalety i wady urządzeń bezprzewodowych znaczące skomplikowanie konstrukcji; wysoki koszt wytworzenia; podatność na zakłócenia w częstotliwościach przekazu danych (np. od telefonii komórkowej); brak ograniczeń ruchowych osób badanych; mgr inż. Krzysztof Fiok

Wybór aparatury do pomiaru EMG: Wnioski W przypadku realizacji tzw. „badań w statyce”, gdzie nie ma miejsca ruch badanych mięśni, lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie aparatury przewodowej. W przypadku realizacji tzw. „badań w dynamice”, gdzie ma miejsce ruch badanych mięśni, lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie aparatury bezprzewodowej. mgr inż. Krzysztof Fiok

Przed badaniem c.d. Sytuacja: wybrano już mięśnie do badania, przygotowano skórę i naklejono elektrody, wybrano i skonfigurowano aparaturę badawczą Pytanie 4 – plan eksperymentu: Jaki zastosować protokół badania? mgr inż. Krzysztof Fiok

Jak zaprojektować badanie, aby uzyskać pożądane odpowiedzi? Odpowiedź do pytania 4 Jak zaprojektować badanie, aby uzyskać pożądane odpowiedzi? Odpowiedzi udziela między innymi „planowanie eksperymentu” - zagadnienie opisywane w literaturze jako oddzielna dziedzina wiedzy. W świecie elektromiografii powierzchniowej dodatkowo często koniecznym jest określenie takich parametrów badania jak: Długość trwania badanej czynności; Obciążenie osób badanych (dla wszystkich takie samo? Zindywidualizowane?) Problem porównania wyników badań (pomiędzy badanymi osobami? Pomiędzy badanymi mięśniami?) W jaki sposób planuje się analizować uzyskane sygnały EMG? mgr inż. Krzysztof Fiok

Po badaniu Sytuacja: Przeprowadziliśmy badania, siedzimy w zaciszu przed komputerem z dyskiem pełnym wyników. Pytanie 5 – analiza wyników: Jak analizować uzyskane wyniki? mgr inż. Krzysztof Fiok

Analiza wyników: Metoda klasyczna Równocześnie w dziedzinie czasu i częstotliwości, tzw. metoda JASA (ang. Joint Amplitude and Spectrum Analyzis). Bazuje na wyznaczaniu i ocenie wartości parametrów: w dziedzinie czasu najczęściej RMS (lub AVR), w dziedzinie czasu MNF (ang. Mean Frequency) lub MDF (ang. Median Frequency). mgr inż. Krzysztof Fiok

EMG przetworzone Wartość RMS EMG przetworzone Wartość AVR Analiza wyników: Metoda klasyczna – dziedzina czasu EMG nieprzetworzone EMG przetworzone Wartość RMS EMG przetworzone EMG przetworzone Wartość AVR Źródło: ABC of EMG, Peter Konrad 2005. Zmodyfikowano mgr inż. Krzysztof Fiok

Gęstość widmowa mocy sygnału EMG [V2*Hz-1] Analiza wyników: Metoda klasyczna – dziedzina częstotliwości MDF MNF Częstotliwość [Hz] Gęstość widmowa mocy sygnału EMG [V2*Hz-1] mgr inż. Krzysztof Fiok

Analiza wyników: Metoda klasyczna - wnioskowanie Wnioskowanie zgodnie z metodą JASA: Wzrost siły (wartości parametrów wzrastają); Zmęczenie (wartości RMS/AVR rosną, wartości MDF/MNF maleją); Spadek siły (wartości parametrów maleją); Regeneracja mięśni (wartości RMS/AVR maleją, wartości MDF/MNF rosną). O wzrostach i spadkach wartości parametrów można mówić, jeśli posiada się możliwość porównania tych wartości w różnym czasie np. na początku i na końcu eksperymentu, w trakcie co stały interwał, co cykl logiczny czynności… mgr inż. Krzysztof Fiok

Analiza wyników: Metoda klasyczna Pytanie 6: W jakich oknach czasowych wyznacza się wartości przedstawionych parametrów? Odpowiedź: Zależnie od eksperymentu! Przykłady na tablicy: Utrzymywanie ręką w bezruchu butelki z wodą; Cykliczny ruch nogą podczas jazdy rowerem; Praca biurowa przed komputerem w stałej pozycji. mgr inż. Krzysztof Fiok

Analiza wyników: Metoda klasyczna Pytanie 7: W jakich sposób porównywać uzyskane wartości parametrów? Odpowiedź: Zależnie od eksperymentu! Wartości bezwzględne tylko dla tego samego mięśnia, tego samego miejsca naklejenia elektrod, tej samej osoby badanej. Stosowane przede wszystkim do oceny wstępnej; Wartości UNORMOWANE wyrażane w [%]. Istnieje wiele sposobów normalizacji. Wartości unormowane można porównywać między osobami badanymi, między mięśniami, między iteracjami eksperymentu wykonywanymi przez tę samą osobę badaną. mgr inż. Krzysztof Fiok

Analiza wyników: Metoda klasyczna – przykład 1 Przykład: porównanie wartości bezwzględnych RMS i MNF dla tego samego mięśnia, tej samej osoby badanej, wykonującego dwa powtórzenia (P1. i P2.) identycznej pracy Kto zinterpretuje uzyskane wyniki? mgr inż. Krzysztof Fiok

Analiza wyników: Metoda klasyczna – przykład 2 Przykład: porównanie wartości względnych MNF dla różnych mięśni, różnych osób badanych, wykonujących jednokrotnie tę samą pracę Kto zinterpretuje uzyskane wyniki? mgr inż. Krzysztof Fiok

Analiza wyników: Metoda klasyczna Pytanie 8: Jakie stosuje się sposoby normowania wartości parametrów sygnałów EMG? Odpowiedź: Zależnie od eksperymentu! Normalizacja względem maksymalnego skurczu badanego mięśnia (ang. MVC); Normalizacja względem średniej z okresu początkowego wykonywania doświadczenia; Normalizacja względem okresu spoczynkowego przed wykonaniem doświadczenia; Inne. mgr inż. Krzysztof Fiok

Analiza wyników Istnieją również inne metody oceny wyników badań EMG, przede wszystkim metoda wykorzystująca analizę falkową. Oprócz metody klasycznej jednak żadna inna nie uzyskała jak do tej pory szerokiej akceptacji wśród badaczy. Prace nad innymi metodami wciąż trwają. mgr inż. Krzysztof Fiok

Podsumowanie Podczas wykładu przedstawiono: Przedmiot zainteresowania EMG; Możliwe zastosowania tej techniki pomiarowej; Podstawy teoretyczne powstawania mierzonego sygnału elektrycznego; Zakresy wartości mierzonego sygnału oraz czynniki na jego wpływające; Sposób realizacji akwizycji sygnału; Dwie grupy aparatury pomiarowej; Podstawowe problemy zaplanowania eksperymentu; Klasyczną metodę analizy sygnału; Podstawową wiedzę o metodach normalizacji sygnałów EMG Przykłady interpretacji wyników badań. mgr inż. Krzysztof Fiok