Možnosti vyhodnocení polyEMG signálu pro

Možnosti vyhodnocení polyEMG
signálu pro vědecko-výzkumné účely
Martina Marková
14.5.2013
EMG signál
= Záznam elektrické aktivity kosterního svalu snímaný z povrchu těla
Sumace akčních potenciálů
motorických jednotek a jejich
interference (= interferenční vzorec)
Analýza EMG signálu
• Kvalitativní analýza signálu – sval je/není aktivní, méně/více aktivní sval
•
Srovnání v závislosti na velikosti amplitudy, na čase
•
možné vizuálním zhodnocením signálu; vhodné pro klinickou interpretaci
Analýza EMG signálu
• Kvantitativní analýza signálu – analýza číselných parametrů
signálu pro další statistické zpracování
Amplituda (μV) - míra elektrické aktivity svalu
→ amplitudová analýza
Frekvence (Hz) - frekvence pálení motorických jednotek
→ frekvenční analýza
Proces vyhodnocení
Proces zpracování
1. Vizuální zhodnocení signálu
2. Zpracování signálu
3. Vytvoření markerů
4. Vytvoření reportu
5. Další zpracování v MS Excel
6. Statistické zpracování
Rektifikace
Vyhlazení
EKG redukce
Amplitudová normalizace
Vizuální hodnocení
1. krok před vyhodnocením – vizuální zhodnocení kvality záznamu
•
Base line – základní linie (klidová aktivita) o maximální velikosti 10-15 µV
•
Artefakty (příklady):
EKG artefakty
Artefakty – pohyb kabelů
zesilovačů
Síťové rušení (50 Hz)
Vizuální hodnocení
• Nekalibrovaný signál – výchozí signál (base line) nevychází z nulové
hodnoty
Precizní měření → kvalitní EMG záznam → kvalitní výstupy
Zpracování signálu
Rektifikace; Rectification
= Převrácení hodnot signálu do absolutních hodnot – nutné pro výpočet
parametrů EMG signálu (př. průměrná amplituda)
• Full wave rectification
Surový záznam
•
Rektifikovaný záznam
Pozn. half wave rectification (eliminace záporných hodnot signálu)
Zpracování signálu
Vyhlazení; Smooting
= odstranění vysokofrekvenčních odchylek signálu (vzniklých superpozicí
MUAP)
- V praxi se používá střední kvadratická hodnota – RMS – root mean square
(posuvné okno [ms])
RMS 0 ms
-
RMS 50 ms
RMS 150 ms
RMS 300 ms
Pro vědecko-výzkumné účely je nutné zvolit u všech probandů stejnou
velikost okna
Zpracování signálu
EKG redukce
• Přítomnost EKG artefaktů na svalech trupu a horních
končetin
• Možnost odstranění funkcí „ECG reduction“
Zpracování signálu
Normalizace
= vztažení naměřených parametrů k předem stanovené referenční
hodnotě
- Poměrové vyjádření o míře aktivity svalu E= EMG / EMGst
Kdy není třeba normalizace…
…a je možné využít surový záznam (raw signal)
-
Pro analýzu frekvence
Timing
Pro srovnání amplitudy u jednoho jedince v krátkém časovém
rozmezí, při stejném uložení elektrod (v rámci jednoho měření)
(Porovnání svalu A se svalem A, svalu B se svalem B)
Halaki M., Ginn K. Normalization of EMG Signals: To normalize or Not to
Normalize and What to Normalize to?
Referenční hodnota
• Klidová aktivita (pro výpočet Aktivační hodnoty) (Rodová, 2001)
• Maximální izometrická (popř. koncentrická) kontrakce
(MVC; MVIC)
• Submaximální izometrická kontrakce
• Sledovaná aktivita před terapií (parametr Mean, Peak)
• Sledovaná aktivita za standardních podmínek (parametr
Mean, Peak) (př. chůze, porovnávána k běhu; chůzi do
kopce atd.)
Halaki M., Ginn K. Normalization of EMG Signals: To normalize or Not to
Normalize and What to Normalize to?
Jaké parametry sleduji?
AMPLITUDA = MÍRA SVALOVÉ AKTIVITY
Mean – průměrná hodnota amplitudy; časté využití
Peak – nejvyšší hodnota amplitudy; proměnlivý parametr, vhodnější
Average Peak calculation (př. průměr z prvních 10 peaků)
Area = integrated EMG (IEMG); plocha pod křivkou; sledování
dynamické aktivity v závislosti na čase
jednotka mV*s/µV*s; časté využití
Input - [%] – procentuální porovnání k průměrné amplitudě (=100%)
Jaké parametry sleduji?
FREKVENCE = MÍRA PÁLENÍ AKČNÍCH POTENCIÁLŮ
Fast Fourier Transformation – Total Power Spectrum
Median Frequency – střední hodnota
Mean Frequency – průměr
Total Power – plocha pod křivkou
Peak Power – maximální hodnota spektra
Zero Crossing/Zero Turns –
alternativa frekvence;
[Turns per second]
Rozvaha před vlastním vyhodnocením
 Co chci objektivizovat:
•
•
•
•
•
•
efektivitu terapie?
trend svalové aktivity v opakované
činnosti?
trend svalové aktivity v závislosti na
změně podmínek?
timing?
motorické chování – režim zapojení
(synergie, atd.)?
únavu/svalovou výkonnost?
 Které úseky vyhodnocovat:
•
•
•
první, poslední?
průměr z několika opakování/pokusů?
která fáze pohybu – komplexní
pohyb/jen určitá část?
DeLuca, ABC of EMG
Jasná argumentace na podkladě
dosavadních studií, poznatků
Který report použít?
•
-
Report
zprostředkovává převod zpracovaného/surového signálu do číselné a
grafické podoby
umožňuje další výpočty a porovnání amplituda
frekvence
timing
exportuje data do Excelu
Standard
Report
Spectrum
Report
Standard
Timing
Analysis
Average
Activation
Frequency
Fatique
Report
Onset/Offset
Trend
Který report použít?
Standard Report
•
Sleduje trend aktivity v závislosti na čase (porovnání vybraných sekvencí
mezi sebou) – např. opakované kontrakce
•
Parametry:
Area (plocha pod křivkou, μV*s),
Mean Amplitude (průměrná amplituda, μV)
+ možnost nastavení jiných parametrů
Nutná definice vyhodnocovaných sekvencí (marker pro začátek a konec sledované sekvence)
Signál vyhlazený, rektifikovaný
•
•
Který report použít?
Aktivita m. serratus anterior při opakovaném kliku: 13 kliků = 13 period
Surový záznam
Výsledný report
Standard Report
Signál rektifikovaný, vyhlazený RMS 150 ms
Který report použít?
Average Activation
• Hodnocení opakovaných pohybů s časovou normalizací
(definuje průměr opakovaných pohybů na 100 %, step 1 %)
• Doporučený počet opakování – min. 3 x (optim. 5-7 x)
• Signál vyhlazený, rektifikovaný
• Možnost rozdělit pohyb – FLX/EXT, ABD/ADD, nádech/výdech,
koncentrická/excentrická aktivita
• Marker – začátek, změna pohybu (např. z FLX do EXT), konec
Opakované flexe a extenze kolenního kloubu
Signál rektifikovaný, vyhlazený 150ms
Žlutá fáze – extenze
Modrá fáze – flexe
8x stejný pohyb, normalizovaný v čase
Který report použít?
Frequency Fatigue
•
•
•
•
Analyzuje frekvenci (osa y) v závislosti na čase (osa x)
Optimální pro izometrické kontrakce (lze i pro dynamické aktivity)
Signál surový, nefiltrovaný, nezpracovaný
Vybraný úsek aktivity se stepem („Steps“ ; nastavitelné minimum = 0.1 s) – pro každý
úsek je vypočítán Median, Mean, Zero Crossing
– závislost těchto hodnot na čase porovnává parametr:
Slope – regresní koeficient lineární regresní přímky
Intercept - hodnota frekvence (v Hz), kde regresní přímka protíná osu y
Diference - rozdíl v % mezi průměrem prvních 3 period a průměrem
posledních 3 period ve vyhodnocovaném úseku
•
Stejné parametry jsou vypočítány i pro Mean Amplitude (pokles amplitudy při
kontrakci s maximálním úsilím, submaximální kontrakce – nárůst amplitudy)
Vyhodnocovaný úsek; step 0,5 s
Který report použít?
Spectrum report
•
•
•
•
•
Sleduje výkon svalu (osa y) v závislosti na frekvenci (osa x)
Distribuce výkonu pro frekvenční pásma (Frequency Bands)
Obecně – rozsah frekvence pro sub-maximální kontrakci je 80 – 120 Hz; s nastupující únavou dochází k
posunu k nižším frekvencím
Signál surový
Parametry:
Area [µV2 *s*Hz] - plocha pod křivkou
Mean [µV2 *s] - průměrný výkon
Peak [µV2 *s] - maximální dosažený výkon
Peak Frequency [Hz] - frekvence, kdy dosáhne maximálního výkonu
Srovnání výkon/amplituda a
frekvenční analýza
Srovnání výkonu m. triceps prvních 10 s (červeně) a posledních 10 s (zeleně) výdrže v kliku
↑ amplitudy a výkonu
↓ frekvence
Který report použít?
Onset/Offset Trend
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Timing analýza
Vhodné pro cyklické aktivity (př. chůze, opak. kontrakce), opakované pohyby (př. pohyby silové
plošiny – reakce na externí stimul; možnosti odvodit conduction velocity )
Ze stanovené prahové aktivity rozdělí signál na subperiody, které srovnává ve statistické tabulce
Offset time = čas, kdy je amplituda < prahová hodnota
Onset time = čas, kdy je amplituda > prahová hodnota; po dobu minimálně 100 ms (nastavitelné)
Stanovení prahové aktivity – výchozí nastavení z 3 x SD z klidové aktivity; možnosti jiných
nastavení (procento z peaku, fixní hodnota, atd.)
Surový nebo rektifikovaný signál; vyhlazený lehce nebo nevyhlazený
Vybraný úsek – „By Markers“
Vhodné pro:
- získání časových parametrů (Onset, Offset), při opak. pokusech stanoví průměr a %
vyjádření variability
- stanovení Firing order (parametr lze do reportu nastavit) aj.
Který report použít?
Onset/Offset Trend
Délka úseku, ze kterého
spočítám prahovou hodnotu
Nastavení velikosti prahové
hodnoty
Minimální doba trvání, kdy
považuji sval za aktivní
Př. Timing úchopu válce
Firing Order
–
pořadí zapojení
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1.pokus
2.pokus
3.pokus
ONSET
Periods
OFFSET
horní deltoide pect
trap. us
maj
infraspin serratu lat.dor ext.car flex.ca
atus
s
si
pi rad. rpi
Periods
horní
trap.
deltoid pect
eus
maj
infrasp serratu lat.dor ext.car flex.ca
inatus s
si
pi rad. rpi
1
0,859
0,728
0,322
0,807
0,172
0,231
0,773
0,879
1
1,56
6,39
0,432
6,2
6,3
0,412
6,27
6,1
2
2,08
0,567
0,631
0,777
0,116
0,646
0,739
0,758
2
2,18
5,86
5,62
5,72
5,9
1,91
5,87
5,75
3
0,773
0,674
0,462
0,747
0,71
0,461
0,731
0,752
3
1,9
5,11
5,08
5,09
5,04
2,45
5,4
5,28
Mean, s
1,24
0,656
0,472
0,777
0,333
0,446
0,747
0,796
Mean, s
1,88
5,79
3,71
5,67
5,75
1,59
5,85
5,71
Variability, %
48,2
10,2
26,8
3,15
80,5
38
2,44
7,37
Variability, %
13,5
9,06
62,8
7,97
9,16
54,3
6,08
5,84
• Možnosti vyhodnocení v Kineziologické laboratoři –
Noraxon MyoResearch Master Edition software
• Literatura:






Krobot, Kolářová (2011). Povrchová elektromyografie v klinické rehabilitaci.
Konrad (2005). ABC of EMG (dostupné na webu).
Basmajian (1985). Muscles Alive.
DeLuca (2002). Surface Electromyography: Detection and Recording.
Manuál k Noraxon MyoResearch Master Edition
aj.
…dotazy, diskuze, praktická
ukázka?!
Děkuji za pozornost