EMG
Miksi EMG?
Jouni Kallio
Kontrollisignaalit
Fusimotoneuronit
Lihasspindeli
+
Lihashermot
-
Golgin
jänne-elin
Raaka
EMG-signaali
Elektrodi
Lihas
DEKOMPOSITIO
signaalin hajotus
Lihasvoima
Lihas
α-motoreuronit
Kuorman ominaisuudet
ISO/CON/ECC
Hermoyhteys
Ulkoinen voima
Vaikutus
Yksittäisten motoristen
yksiköiden aktiopotentiaalisarjat
Tehtävä
- Vertaile kahta mittausasetelmaa
(filtteri, keräystaajuus ym.)
1. Pudotushyppy
1. EMG-signaalin
muodostuminen
- Pinta-EMG + voima
2. Maksimivoimatesti
- Lanka-EMG + voima
1
EMG-signaali
EMG-signaali
- Signal = Volts (A-B)
α-mn
- Signal = Volts (A-B)
+2
α-mn
+2
A-B
= (+1) - (+1)
=0
A
A-B
= (+1) - (+1)
=0
-2
B
+ + ++ + + + + ++ + + + ++ + + ++ +
+ + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
A
++ ++ + + + + ++ + + + ++ + + ++ +
- - + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + - - -
Lihassolu
Lihassolu
EMG-signaali
EMG-signaali
- Signal = Volts (A-B)
α-mn
- Signal = Volts (A-B)
+2
α-mn
+2
A-B
= (-1) - (+1)
= -2
A
A-B
= (+1) - (+1)
=0
-2
B
+ + ++ - - + + ++ + + + ++ + + ++ +
+ + + + +
- - - - + + - - - - - - - - - - - - - - - - - -
A
Lihassolu
EMG-signaali
EMG-signaali
- Signal = Volts (A-B)
α-mn
- Signal = Volts (A-B)
+2
α-mn
+2
A-B
= (+1) - (-1)
= +2
B
A-B
= (+1) - (+1)
=0
-2
+ + ++ + + + + + - - + + ++ + + ++ +
+ + + + +
- - - - - - - - - + + - - - - - - - - - - - - Lihassolu
-2
B
++ ++ + + - - ++ + + + ++ + + ++ +
+ + + + +
- - - - - - + + - - - - - - - - - - - - - - - -
Lihassolu
A
-2
B
A
B
-2
++ ++ + + + + ++ + + + + - - + ++ +
+ + + + +
- - - - - - - - - - - - - - + + - - - - - - - Lihassolu
2
EMG-signaali
α-mn
Lihassolukalvon johtumisnopeus
määrää signaalin “terävyyden”
= taajuus
2. EMG
teho-tiheys spektri
+2
A-B
= (+1) - (+1)
=0
A
-2
B
+ + ++ + + + + ++ + + + ++ + + ++ +
+ + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Lihassolu
EMG teho-tiheys spektri
Esim: Siniaalto
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Power spectrum
Taajuuskomponenttiin vaikuttavia tekijöitä:
Elektrodien
välinen etäisyys
sijoituspaikka
Ihopoimujen paksuus
FFT ikkunan tyyppi (rectangle, triangle, Hamming…)
FFT ikkunan sijoittaminen ja signaalin
tasaisuus
FFT ikkunan koko
Power
1s
Elektrodien
Hz
10
Siniaalto – amplitudin vaikutus
Power
EMG-signaali
1s
MF
MPF
10
= Median frequency
= jakaa pinta-alan kahteen
yhtä suureen osaan
= Mean power frequency
= keskimääräinen taajuus
Hz
3
Taajuuteen vaikuttaa
Taajuuteen vaikuttaa
1. Rekrytointi
Nopean lihaksen solukalvon
johtumisnopeus on suurempi
Syttymistiheyden kasvu EI nosta taajuutta!
Power
Kumpi on kumpi?
10
Hz
20
Taajuuteen vaikuttaa
Taajuuteen vaikuttaa
2. Elektrodin koko
3. Ikkunan sijoittelu!
120
110
Kudokset toimivat
filtterinä
10mm IED
100
90
80
20mm IED
70
60
80o
95o
110o
125o
140o
Motoristen yksiköiden mittaaminen
3. Motoristen yksiköiden
mittaaminen ja analysointi
Perustuu aktiopotentiaalin ”yksilölliseen”
muotoon ja amplitudiin
a) Pintaelektrodeilla
esim.
4-napainen multielektrodi
b) Intramuskulaarielektrodeilla
Neulaelektrodit
Lankaelektrodit
4
Elektrodityypit
Matriisielektrodi
a
c
b
64 electrode matrix
a) Pintaelektrodi
b) Neulaelektrodi
c) Ihonalainen lankaelektrodi
8 mm
ELSCH064, LISiN-OT Bioelectronica, Torino, Italy
Median frequency
(Hz)
Single column
RMS (mV)
Pinta-EMG:stä saatava informaatio:
Pinta-EMG signaalin hajottaminen (decomposition)
Lihassolukalvon ominaisuudet
Hajottaminen tällä hetkellä mahdollista ~50 %:iin MVC:stä
isometrisissa suorituksissa.
Johtumisnopeus
Amplitudi
Power spectrum
Lihaksen geometria
Esim. Innervation zone (IZ) paikka
Lihaksen aktivaatiomalli
Motoristen yksiköiden rekrytointikynnys
Motoristen yksiköiden syttymistiheys
mV
IZ
Innervation zonen (IZ) paikka voi muuttua supistuksen
aikana
IZ paikan määrittäminen 30% MVC isometrisessä supistuksessa.
Siirtyminen proksimaaliseen suuntaan jopa isometrisessä
supistuksessa
RMS (mV)
10% MVC 20% MVC
IZ
IZ
30% MVC
40% MVC
50% MVC
75% MVC 100% MVC
IZ
IZ
IZ
IZ
IZ
5
Lankaelektrodi
Concentric Electrode
½ mm
Nelinapainen lankaelektrodi
Nelinapainen lankaelektrodi
3 lankaa + macrosignaali
WIRE 1
Ch1
Ch2
Ch3
WIRE 2
WIRE 3
MACRO-SIGNAL
Ch4
Mittaaminen
Elektrodityypit
wire 1
wire 2
Neulaelektrodit
2-4-napaisia
+ signaalin laatu
+ neulaa voi liikutella kesken mittauksen,
- lihasta ei
wire 3
macro
Lankaelektrodit
2-4
napaisia
- signaalin laatu
- lankaa ei voi liikutella kesken mittauksen,
+ lihasta voi
torque
Surface EMG
6
Analysointi
A)
ISAF histogrammi
B)
Motoristen yksiköiden tunnistus
C)
Automaattinen analyysi
Esim. Spike2 -ohjelma
Signaalin hajottaminen eli decomposition
DeLuca 1982
Esim. Daisy –ohjelma
Intramuscular spike-amplitudefrequency (ISAF) histogram
Jaetaan ”yksiköt” amplitudin mukaan
analysoidaan
ISAF analyysi
syttymistiheyttä
(mean spike frequency)
amplitudia (mean spike amplitude)
Decomposition: Daisy -ohjelma
…
200 µV
Amplitudi
Wire
EMG
Force
100µV
…
Decomposition – miksi?
1. Yksiköiden tunnistus
4
3
2
1
1 T
55
3
57
56
2
58
1 T
59
2 3
60
1
61
2
62
3
63
2 T
64
CCC = 0.9281
NEP = 0.1417
1
2
3
4
5
6
MU2
MU1
7
Decomposition – miksi?
Decomposition – miksi?
=
1. Yksiköiden tunnistus
MU2
MU2
MU1
MU1
Mitä tietoa saadaan?
1. Yksiköiden tunnistus
2. Päällekkäisten
syttymisten hajotus
Mitä tietoa saadaan?
Syttymiskynnys
+
Syttymistiheys Syttymisvaihtelu
Spike trigger averaging
Voima
tai pinta-EMG
keskiarvoistetaan tietyn
yksikön syttymisen
perusteella. Muu vaihtelu on
satunnaista ja nollautuu.
pystytään erottelemaan
yksittäisen yksikön
voimantuotto-ominaisuuksia
vrt. valoisuus:
Kesto, ”turns”…
MU2
MU1
pilvien vaikutus satunnaista
vuorokauden- ja vuodenajan
vaikutus säännöllistä
Mitä tietoa saadaan?
Refleksipiikin tutkiminen liikkeessä
EMG-aktiivisuus
Venytysrefleksi
luonteeltaan satunnaista
EMG:ssä ”aina samaan
aikaan”
saadaan esiin keskiarvoistamalla useita
suorituksia
8
Raaka
EMG-signaali
4. Esimerkkejä
Elektrodi
Lihas
DEKOMPOSITIO
signaalin hajotus
α-motoreuronit
Yksittäisten motoristen
yksiköiden aktiopotentiaalisarjat
Harjoittelu
Immobilisaatio
-Spike triggered averaging
-Motorisen yksikön tuottama voima ↓
torque
-Spike triggered averaging
-Motorisen yksikön tuottama voima ↑
Before training
After training
recruitment threshold
Väsymys
Ikääntyminen
johtumisnopeus lihassolukalvon
synkronisaatio
21.4% Syttymistiheys MVC
Taajuudet lämpötila
Duchateau & Hainaut
[/s]
Firing rate
10
***
*
**
TH10%
TH20%
L10%
8
6
4
2
0
L20%
9
Ikääntyminen
Doubletit
= sama yksikkö syttyy kaksi kertaa <20ms aikana
Voiman vaihtelu Syttymistiheyden vaihtelu [%]
[%]
F CV%
7
6
FR CV%
30
*
25
5
20
4
15
Tehostaa
voimantuottoa
Esiintyy:
Harjoittelu Väsymys Nopea
3
voimantuotto 10
2
5
1
0
0
L10 %
L20 %
L10 %
L20 %
Tehtävä
- Vertaile kahta mittausasetelmaa
(filtteri, keräystaajuus ym.)
1. Pudotushyppy
- Pinta-EMG + voima
2. Maksimivoimatesti
- Lanka-EMG + voima
From G. Kamen -06
Esim: Siniaalto
Power
10
1s
Hz
10