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
