Možnosti vyhodnocení polyemg signálu pro vědecko-výzkumné účely

Transkript

1 Možnosti vyhodnocení polyemg signálu pro vědecko-výzkumné účely Martina Marková

2 EMG signál = Záznam elektrické aktivity kosterního svalu snímaný z povrchu těla Sumace akčních potenciálů motorických jednotek a jejich interference (= interferenční vzorec)

3 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

4 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

5 Proces vyhodnocení 1. Vizuální zhodnocení signálu 2. Zpracování signálu 3. Vytvoření markerů 4. Vytvoření reportu 5. Další zpracování v MS Excel Proces zpracování Rektifikace Vyhlazení EKG redukce Amplitudová normalizace 6. Statistické zpracování

6 Vizuální hodnocení 1. krok před vyhodnocením vizuální zhodnocení kvality záznamu Base line základní linie (klidová aktivita) o maximální velikosti µv Artefakty (příklady): EKG artefakty Artefakty pohyb kabelů Síťové rušení (50 Hz) zesilovačů

7 Vizuální hodnocení Nekalibrovaný signál výchozí signál (base line) nevychází z nulové hodnoty Precizní měření kvalitní EMG záznam kvalitní výstupy

8 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)

9 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

10 Zpracování signálu EKG redukce Přítomnost EKG artefaktů na svalech trupu a horních končetin Možnost odstranění funkcí ECG reduction

11 Zpracování signálu Normalizace = vztažení naměřených parametrů k předem stanovené referenční hodnotě - Poměrové vyjádření o míře aktivity svalu E= EMG / EMG st

12 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?

13 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?

14 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%)

15 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]

16 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? Rozvaha před vlastním vyhodnocením Které úseky vyhodnocovat: první, poslední? průměr z několika opakování/pokusů? která fáze pohybu komplexní pohyb/jen určitá část? DeLuca, ABC of EMG

17 Jasná argumentace na podkladě dosavadních studií, poznatků

18 Který report použít? Report - zprostředkovává převod zpracovaného/surového signálu do číselné a grafické podoby - umožňuje další výpočty a porovnání - exportuje data do Excelu amplituda Standard Report frekvence Spectrum Report timing Standard Timing Analysis Average Activation Frequency Fatique Report Onset/Offset Trend

19 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

20 Aktivita m. serratus anterior při opakovaném kliku: 13 kliků = 13 period Který report použít? Standard Report Surový záznam Signál rektifikovaný, vyhlazený RMS 150 ms Výsledný report

21 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

22 Opakované flexe a extenze kolenního kloubu Signál rektifikovaný, vyhlazený 150ms Žlutá fáze extenze Modrá fáze flexe 8x stejný pohyb, normalizovaný v čase

23 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)

24 Vyhodnocovaný úsek; step 0,5 s

25 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 Hz; s nastupující únavou dochází k posunu k nižším frekvencím Signál surový Parametry: Area [µv 2 *s*hz] - plocha pod křivkou Mean [µv 2 *s] - průměrný výkon Peak [µv 2 *s] - maximální dosažený výkon Peak Frequency [Hz] - frekvence, kdy dosáhne maximálního výkonu

26 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

27 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.

28 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

29 Př. Timing úchopu válce Firing Order pořadí zapojení 1.pokus 2.pokus 3.pokus ONSET OFFSET Periods horní trap. deltoide us pect maj infraspin atus serratu lat.dor ext.car flex.ca s si pi rad. rpi Periods horní trap. deltoid pect eus maj infrasp inatus serratu lat.dor s si ext.car pi rad. flex.ca rpi 1 0,859 0,728 0,322 0,807 0,172 0,231 0,773 0, ,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, ,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, ,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

30 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.

31 dotazy, diskuze, praktická ukázka?!

32 Děkuji za pozornost