Iho Nihon

Elektromyografie
• EMG
– nativní EMG (jehlová EMG)
– stimulační (konduktivní studie)
– EMG při funkčním zatěžování svalů
• Motorická jednotka
–model generování EMG
• Záznam EMG signálu
• Zpracování EMG signálu
• Úvod ke cvičení
– Dráždění svalů
– Povrchové EMG
– Analýza únavy
Elektromyografie
• nativní EMG (jehlová EMG)
• stimulační (konduktivní studie)
• EMG při funkčním zatěžování svalů
• skupina elektrofyziologických metod, které
pracují na principu registrování
elektrických projevů činnosti svalového a
nervového aparátu
• používá se ke kontrole činnosti svalů a
nervové soustavy
• může sloužit k vyhodnocení funkce
nervových drah a měření rychlosti šíření
vzruchů přes nervy
Elektromyografie
• alternativní vyšetřovací technikou EMG je
možnost magnetické rezonance, ta však
zobrazí nervy jako struktury, ale neřekne
nic o jejich funkci
Motorická jednotka:
všechna svalová vlákna zásobená 1neuronem
~4 svalová vlákna
v laryngeálních svalech
neuron
~100 vláken v zádových
svalech
~ 1000 v DK
motorická
ploténka
svalové
vlákno
motorická
jednotka
Motorická jednotka
• Kosterní svalstvo je funkčně organizováno na
základě motorických jednotek.
• Motorická jednotka je nejmenší jednotka,
která může být aktivována volním úsilím.
• V průřezu jsou vlákna dané motorické
jednotky promíchána s vlákny dalších
motorických jednotek.
Sled dějů při svalové kontrakci
Akční potenciál z periferního nervu se přenese na svalovou buňku
(nervosvalový přenos)
Depolarizuje membrána svalové buňky a napěťová změna způsobí
vyplavení Ca2+ do sarkoplasmy
Akční potenciál se šíří z prostření části vlákna oběma směry
k jeho zakončení
S šířením akčního potenciálu dochází ke stahu vlákna
Sled dějů při svalové kontrakci
Akční potenciály nervových a svalových vláken
Závislost síly svalu na stimulační frekvenci
• Síla svalu je regulována pomocí náboru motorických
jednotek a budící frekvence
Závislost síly svalu na stimulační frekvenci
• Síla svalu je regulována pomocí náboru motorických
jednotek a budící frekvence
• frekvenční modulace
• stejná svalová síla může vznikat zapojením menších motorických
jednotek na vyšších frekvencích nebo větších motorických jednotek
na frekvencích nižších
Podráždění svalu
•
nepřímé
– (prostřednictvím nervu), nejprve se objeví
lokální potenciál na svalové ploténce
•
přímé
– přivedeným elektrickým potenciálem se
způsobí umělá depolarizace
Filtr klouzavých průměrů I
1
y[n]  x[n]  x[n  1]    x[n  N  1], n  0,1,...
N


N 1
N 2
N
1
1
z

z



1
1
z
1
H ( z )  1  z 1    z  N 1 

N
N
N z N 1  ( z  1)
z N 1
Filtr klouzavých průměrů II
3-bodovy klouzavy prumer (MA filtr)
0
-5
0.3
1.5
0.25
1
-10
-20
-25
-30
-35
-40
0.5
0.2
---> Im
Impulsní ch.
---> |H(exp(j*))|
-15
0.15
2
0
-0.5
0.1
-1
-45
0.05
-50
-1.5
-55
0
0.5
---> 
1
0
0
20
40
---> n [vzorky]
60
-1
-0.5
0
0.5
---> Re
1
20-bodovy klouzavy prumer (MA filtr)
0
0.05
0.045
1.5
0.04
1
0.035
-30
-40
0.5
0.03
---> Im
-20
Impulsní ch.
---> |H(exp(j*))|
-10
0.025
0.02
-0.5
0.015
-1
0.01
-50
0.005
-60
19
0
0
0.5
---> 
1
0
-1.5
0
20
40
---> n [vzorky]
60
-1
-0.5
0
0.5
---> Re
1
Filtr klouzavých průměrů III
KLOUZAVE PRUMERY
1
original
Impulsní ch.
---> |H(exp(j*w))|
100-bodovy klouzavy prumer (MA filtr)
0
-20
-40
0.01
-1
0.008
500
0.006
0
0.5
---> w
1
1
0
1000
1500
2000
2500
0.8
0.6
0.4
0.2
0.004
0.002
-60
0
10
20
30
40
---> n (vzorky)
0.6
3000
3500
4000
3-bodovy kl.prumer
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
20-bodovy kl.prumer
0.4
0.5
---> Im
0
0.2
99
0
500
-0.5
0.3
-1
0.2
-1
-0.5
0
0.5
---> Re
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
100-bodovy kl.prumer
1
0.1
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
ELEKTROMYOGRAM
• Vlivem různých elektrických potenciálů v různých
částech svalového vlákna vzniká v okolí elektrické
pole  měřením potenciálů vznikne EMG signál
ELEKTROMYOGRAM
Model generování EMG
Model generování EMG
Nativní EMG (jehlová EMG)
• snímání při úplném uvolnění
svalu
• porovnání parametrů akčních
potenciálů motorických jednotek
(např. trvání, amplituda, počet
fází)
• tenká jehla do svalu
• minimálním riziko krvácení
• změnou polohy jehly ve svalu je
vyhledávána optimální pozice
pro záznam akčních potenciálů
motorických jednotek
Jehlová EMG
Jehlová EMG
potenciál
příčina
ploténkový šum MEPP
charakter zvuku
mušle
frekvence
20-40 Hz Neprav.
ploténkový
potenciál
terminální větvení axonu prskající tuk na pánvi
5-50 Hz Neprav.
fibrilace
denervované svalové
vlákno
déšť na střeše nebo
tikot hodin
0.5-10 Hz Pravidelné
positivní ostrá
vlna
denervované svalové
vlákno
déšť na střeše nebo tikot
hodin
0.5-10 Hz Pravidelné
myotonický
výboj
transversální tubuly
startování motorky
20-150 Hz zesilujícízeslabující
fascikulace
motoneuron nebo
axon
pop corn
0.1-10 Hz Neprav.
komplexní
efapse u
repetitivní výboj denervovaných vláken
zvuk motoru
5-100 Hz pravidelné
myokymie
motoneuron nebo axon
pochodující vojáci
5-60 Hz skupinky
neuromyotonie
motoneuron nebo axon
zvonění
150-250 zeslabující
Hz
ELEKTROMYOGRAM
EMG záznam
I) svalu v klidu
II) s mírnou kontrakcí
III) se silnou kontrakcí
a) záznam EMG zdravého
svalu
b) poškození inervace svalu
c) poškození funkce některých
motorických jednotek
Stimulační EMG
(konduktivní studie)
• stimulační a snímací elektrody
• nerv je stimulovaný elektrickým
impulsem, vyvolávajícím záškub
• stimulace může být někdy
nepříjemná
• cílem vyšetření:
– je porovnání rychlosti vedení v nervu
– velikosti potenciálu ve svalu s věkovou
normou
• abnormální hodnoty:
– poškození nervu úrazem, chronickým
tlakem, zánětem, metabolickou
poruchou nebo toxickými látkami
Konduktivní studie
jednoduchý potenciál
• Pro vyvolání motorického
potenciálu je použit
stimulační impuls.
Odpověď svalu na stimulační impuls
normální
patologická
EMG při funkčním zatěžování svalů
• vyhodnocení svalové aktivity při
dynamické činnosti
• EMG signál vypovídá o aktivitě
snímaných svalů
• sumačních potenciály většího
počtu motorických jednotek
Typy elektrod
• Povrchové elektrody
(snímají sumaci signálů v prostoru pod elektrodou)
• Jehlové elektrody vpichové
(slouží k připojení do určitých svalových skupin)
povrchové bipolární
jehla
Povrchové elektrody
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
nižší frekvenční spektrum (20 – 500 Hz)
relativně neinvazivní; omezení kabelem
obvykle nutná příprava pokožky
pouze povrch svalu
globální snímání (celý sval)
nejsou drahé a jsou snadno aplikovatelné
Vnitřní elektrody
tenký drát nebo jehla
vyšší harmonické složky ve spektru
invazivní metoda; možné poranění nervu
možnost záznamu hluboko ze svalu
lokalizované snímání
drahé elektrody a obtížné zavedení
Bagnolli - povrchové
Nihon-Kohden
jehlové
Nihon-Kohden
koncentrické
Nihon-Kohden
Povrchové, diskové
Umístění povrchové elektrody
frekvenční
spektrum
nejlepší
nejsilnější
EMG
Zpracování EMG signálu
• EMG
signál
• dvoucestně usměrněné průběhy
• průměrované a efektivní hodnoty
• obálky
• průměrování
• integrování
• frekvenční a výkonová spektra
• analýza únavy
Vzorkovací frekvence
povrchového EMG
• poněvadž nejvyšší frekvence povrchového EMG signálu
je 500 Hz, vzorkovací frekvence by měla být 1000 Hz a
více
• střední hodnoty a mediánové frekvence EMG signálu
neunaveného svalstva jsou okolo 70 až 80 Hz
• z těchto důvodů by se nemělo používat úzkopásmových
zádrží k potlačení síťových brumů
EMG signál
• frekvenční spektrum 20 – 500 Hz
• => minimální vzorkovací frekvence 1000 Hz
• obtížné stanovení “úrovně” kontrakce
EKG artefakty
• EKG artefakt ose vyskytuje při pořizování záznamu v
blízkosti srdce (napětí EKG je vyšší než EMG)
• EEG artefakty v blízkosti skalpu (zřídka)
• obtížné odstranit
– použít pravou stranu těla (dál od srdce)
– oddálit elektrody od srdce jak jen je to možné
– “průměrování signálů” (z více realizací)
– jehlové elektrody
EKG artefakty
• “čistý” signál
• s EKG artefaktem
srdce
Svalové artefakty
• elektroda snímá EMG aktivitu také
dalšího svalu
• omezení opatrným výběrem místa
elektrody
• lze detekovat vzájemnou korelací
Chyby při záznamu EMG
• síťový brum
50 Hz
• stejnosměrná složka
nenulová
ss složka
Chyby při záznamu EMG
• pohybový artefakt
Pohyb
elektrody
• saturace zesilovače (+/- 0.5V)
klipping
+/–0.5 V
Obálkové EMG
• vyžaduje dva kroky: dvousměrné usměrnění a filtrace
dolní propustí (4–10 Hz)
• redukuje frekvenční obsah EMG a tudíž je možná nižší
vzorkovací fekvence (např. 100 Hz)
• snadná detekce začátku aktivity
• synchronním průměrováním lze nalézt obrazy
• obtížná detekce artefaktů
Příklad obálkového - EMG
• (pásmově omezené) EMG
• obálkové EMG (mezní frekvence 4 Hz)
Integrované EMG (iEMG)
• důležité pro kvantitativní vyhodnocení
EMG
(např. EMG vs. síla, EMG vs. práce)
• nejlepší míra celkového svalového úsilí
• užitečné pro kvantifikaci aktivity pro
ergonomický výzkum
Příklad integrovaného EMG
• (pásmově omezené) EMG
• integrované EMG (během kontrakce)
celkové
iEMG,
např.
320 mV.s
Další typy iEMG
• integrace do určitého času (0.1 s)
• integrace do určítého napětí (20 mV.s)
Jednoduché filtry 1. řádu
IIR s jedním pólem
• Příklad: DP
•
•
•
•
b0 = 1
a1 = -0,999...0
Nula z = 0
Pól z = 1
Detektor obálek
DETEKTOR OBALEK
1
original
0.5
0
-0.5
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
20
15
10
5
4500
k
int
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2.5
2
1.5
1
0.5
= -0.99
4500
5000
k
= -0.8
4500
5000
k
= -0.3
4500
5000
int
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
int
500
1000
1500
2000
2500
3000
---> n
3500
4000
5000
Frekvenční spektrum
• užitečné pro určení začátku únavy svalů
• střední hodnota nebo medián frekvenčního
spektra neunaveného svalu je obvykle mezi
50–80 Hz
• s postupující únavou se frekvenční spektrum
posouvá vlevo (nižší střední hodnota a
medián)
• užitečné pro detekci neurologických
abnormalit
Příklad výkonového spektra
• flexor digitorum longus (MVC)
median
přibližně
70 Hz
Únava svalu
• pokles síly svalu
• fyziologická nemožnost
stahu
Únava svalu
• pokles síly svalu
• fyziologická nemožnost
stahu
Zvýšení nízkých frekvencí
a pokles vysokých frekvencí
ve spektru EMG signálu
Analýza únavy
• základem je sekvenční
Fourierova analýza
• výběr délky okna (1 až 5 s)
• překrývání segmentů zvyšuje
rozlišení
• potřeba rozhodovacího prahu
pro stanovení meze únavy
Příklad analýzy únavy
• erector spinae 60 sekund (50% překrytí)
postupný
pokles
střední
hodnoty
medián
Příklad analýzy únavy
Únava svalu: zvýšení nízkých frekvencí a pokles vysokých frekvencí EMG
Další techniky
• vzájemná korelace (artefakty)
• druhá diference
Synchronně průměrované EMG
• obvykle se aplikuje na cyklické aktivity a
obálkové EMG
• vyžaduje detekci začátku a konce cyklu
nebo aktivity
–mikrospínače, optoelektrické nebo
elektromagnetické senzory, detektory
pohybu
–prahové detektory EMG
• každý “cyklus” aktivity se musí normovat
– např. k maximu volní kontrakce
Synchronní průměrování
střední hodnota
+/–std
Další použití
• zloba
• slzy
• radost
• překvapení