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Título: Proposta e análise de indicadores eletromiográficos espectrais e temporais em protocolos dinâmicos com indução de fadiga muscular localizada
Título(s) alternativo(s): Proposal and analysis of spectral and time domain electromyographyc indicators in dynamic protocols with localized muscular fatigue induction
Autor(es): Carvalho, Thiago Raposo Milhomem de
Orientador(es): Nascimento, Francisco Assis de Oliveira
Assunto: Eletromiografia de superfície
Fadiga muscular
Contração muscular
Wavelets (Matemática)
Data de publicação: 18-Mai-2016
Data de defesa: 3-Nov-2015
Citação: CARVALHO, Thiago Raposo Milhomem de. Proposta e análise de indicadores eletromiográficos espectrais e temporais em protocolos dinâmicos com indução de fadiga muscular localizada. 2015. xxvi, 203 f., il. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica)—Universidade de Brasília, Brasília, 2015.
Resumo: Neste trabalho apresenta-se um estudo de parâmetros objetivos indicadores eletromiográficos de fadiga muscular utilizando eletromiografia de superfície (EMG-S). Esta avaliação compreende a proposição de seis novos indicadores de fadiga, sendo um calculado no domínio do tempo, um no domínio da frequência e quatro utilizando wavelets. O indicador no domínio do tempo proposto consiste na distância entre picos e envoltória (dPE) do sinal de EMG-S, definida especialmente para o caso dinâmico; o indicador no domínio da frequência proposto é o estreitamento espectral (sE) do sinal; os indicadores utilizando wavelets são o deslocamento espectral (KDEW), a compressão espectral (KCEW), e suas versões adaptativas, o deslocamento espectral adaptativo (KDEA) e a compressão espectral adaptativa (KCEA). Estes dois últimos são calculados simultaneamente ao cálculo da transformada, adaptando-se a decomposição do sinal no banco de filtros. Os indicadores de fadiga propostos neste trabalho são avaliados e discutidos em conjunto com três indicadores tradicionais: raiz da média quadrática (RMS), frequência média (MNF) e frequência mediana (MDF). Além dos indicadores propostos, propõe-se avaliar parâmetros usualmente citados e sugeridos na literatura como possíveis indicadores de fadiga. Como objetivos específicos, os indicadores de fadiga propostos nesta tese são avaliados quanto às suas características dispersivas para a inferência de sua reprodutibilidade, sendo comparados aos indicadores tradicionalmente utilizados na aferição da fadiga muscular. Faz-se um estudo do comportamento dos indicadores de fadiga em atividades de ciclismo em modalidades a carga constante (CL) e a carga crescente (IL), utilizando sinais de EMG-S dos músculos vasto lateral (VL) e vasto medial (VM), incluindo-se os efeitos da abordagem – isométrica ou dinâmica – para seu cálculo. O comportamento desses indicadores também é estudado em dinamometria isocinética para extensão de joelho (músculo VL), avaliando-se a monitoração da fadiga nas diferentes fases desse exercício. Apresenta-se uma proposta de instrumentação integrada para aquisição de sinais biomecânicos e eletromiográficos em ciclismo, definindo-se uma medida objetiva de desempenho biomecânico, que é discutido em conjunto com os indicadores eletromiográficos da fadiga muscular. Finalmente, os objetivos específicos deste trabalho também compreendem a proposição de um conjunto de técnicas de pré-processamento do sinal eletromiográfico, utilizando wavelets, para redução da interferência da rede elétrica e análise de desempenho da técnica de cancelamento de ruído invariante ao deslocamento. As técnicas de pré-processamento propostas apresentaram desempenho satisfatório, reduzindo as interferências da rede elétrica no sinal de EMG-S, nas frequências de 60 Hz e harmônicos. Todos os indicadores de fadiga propostos apresentaram o padrão esperado com a fadiga muscular. Os indicadores espectrais propostos que estimam a compressão do espectro de amplitude do eletromiograma (sE, KCEW e KCEA) apresentaram-se menos dispersos do que os demais – que estimam o deslocamento do centro de seu espectro –, incluindo-se as tradicionais MNF e MDF. As versões adaptativas dos indicadores utilizando wavelets KDEA e KCEA apresentaram comportamento menos disperso do que suas versões não adaptativas KDEW e KCEW, assim como sE, se comparado à MNF e à MDF. Entre os demais parâmetros citados na literatura, a assimetria do espectro de amplitude do sinal de EMG-S não apresentou padrão com a fadiga muscular, nem para o caso isométrico nem para o dinâmico. No caso dinâmico, o atraso da atividade mioelétrica e sua duração apresentaram padrão com a fadiga muscular localizada no músculo VL, mas não no VM. As abordagens dinâmica e isométrica permitiram a aferição objetiva da fadiga e, fixando-se abordagem e modalidade, não se observaram diferenças entre a fadiga muscular localizada no VL e no VM. Em abordagem isométrica observou-se, em geral, um padrão crescente para a correlação entre os indicadores de fadiga do VL e do VM em função do aumento da duração dos trechos para seu cálculo. Verificou-se maior semelhança entre a atividade mioelétrica do VL e do VM ao exigir-lhes torque crescente, indicando uma aproximação funcional destes músculos nesta situação. Os indicadores temporais apresentaram maior correlação entre VL e VM se comparados aos indicadores espectrais, assim como maior sensibilidade ao incremento da carga. Os indicadores espectrais que aferem a diminuição da largura de banda do sinal de EMG-S apresentaram-se, em geral, mais sensíveis à carga se comparados àqueles que mensuram a fadiga a partir da posição do centro de seu espectro. Além disso, os resultados sugerem que, possivelmente, em ciclismo, o músculo VL seja mais sensível ao aumento da carga, se comparado ao VM. Apresenta-se a hipótese de que ciclistas que apresentam maior desempenho biomecânico estejam mais aptos a experimentar um processo relativamente mais intenso de fadiga. Em dinamometria isocinética, todos os indicadores eletromiográficos se comportaram de acordo com o esperado na fase concêntrica do exercício, mas não na excêntrica. Na fase de aceleração somente os indicadores temporais apresentaram o padrão esperado.
Abstract: This work consists in a study of localized muscle fatigue objective indicators using surface electromyography (EMG-S). This evaluation includes the proposition of six new fatigue indicators, one of them being computed in the time domain, one in the frequency domain and four using wavelets. The proposed indicator computed in time domain consists in the distance between spikes and envelope (dPE) from the electromyogram, defined specifically for the dynamic case; the proposed indicator in the frequency domain is the spectral narrowing (sE) of the electromyogram; the wavelet based indices are the spectral shift (KDEW), spectral compression (KCEW), and their adaptive versions, the adaptive spectral shift (KDEA) and adaptive spectral compression (KCEA). These last two are calculated simultaneously with the discrete wavelet transform, adapting the signal decomposition in the filter bank. The parameters proposed in this work are evaluated and discussed together with three traditional indicators: root mean square (RMS), mean frequency (MNF) and median frequency (MDF). In addition to the proposed indicators, the evaluation of parameters usually mentioned and suggested in the literature as possible fatigue indicators is proposed. As specific goals, the dispersive features of the fatigue indicators proposed in this thesis are evaluated for their reproducibility inference, comparing them to the indicators traditionally used to assess muscular fatigue. The behavior of the fatigue indices is studied in cycling activity with constant and increasing load, using EMG-S signals obtained from vastus lateralis (VL) and vastus medialis (VM), including the effects of the approach – isometric or dynamic – for computing them. The behavior of these indicators is also studied in isokinetic dynamometry, in knee extension exercise (VL muscle), evaluating the fatigue assessment in the different phases of this exercise. We present a proposal for an integrated instrumentation for acquisition of biomechanical and electromyographic signals in cycling, and an objective measure of biomechanical performance is defined, being such performance discussed jointly with electromyographic indicators of muscular fatigue. Finally, the specific goals of this work also include the proposal of a set of techniques for the pre-processing of the electromyographic signal using wavelets, aiming to reduce the interference from the electrical network; and a performance analysis of the shift invariant denoising technique. The proposed preprocessing techniques showed satisfactory performance by reducing the interference from the electrical network in the EMG-S signal, on the 60 Hz frequency and its harmonics. All the proposed fatigue indicators showed the expected pattern with muscle fatigue. The proposed spectral indicators that assess the compression of the amplitude spectrum of the electromyogram (sE, KCEW and KCEA) showed to be less scattered than the others – that assess the shift of its spectrum center –, including the traditional MNF and MDF. The wavelet based adaptive versions KDEA and KCEA showed a lower dispersion than their non-adaptive versions KDEW and KCEW, and so did sE, when compared to MNF and MDF. Among the other parameters mentioned in the literature, the asymmetry of the amplitude spectrum of the EMG-S signal did not present a pattern with muscle fatigue neither for the isometric case nor for the dynamic case. In the dynamic case, the delay of the myoelectric activity and its duration showed a pattern with muscular fatigue located in the VL muscle, but not in VM. The dynamic and isometric approaches were both suitable for muscular fatigue assess and, for each specific approach and modality, no differences between the fatigue localized in VL and in VM were observed. In isometric approach, in general, an increasing correlation pattern between VL and VM fatigue indicators was observed as a function of the length of the epochs. Greater similarity between myoelectric activity in VL and in VM was observed when increasing torque was demanded, indicating a functional approximation between these muscles in this situation. Time domain indicators showed greater correlation between VL and VM when compared to spectral indicators, as well as a greater sensitivity to load increment. The spectral indicators which assess the EMG-S signal bandwidth showed to be, generally, more sensitive to load when compared to those who assess fatigue by means of the position of the center of the amplitude of its spectrum. Moreover, results suggest that, possibly, in cycling, VL is more sensitive to load, when compared to VM. We hypothesize that cyclists who achieve greater biomechanical performance be more apt to experiment a relatively more intense fatigue. In isokinetic dynamometry, all the electromyographic indicators showed the expected behavior in the concentric phase of the exercise, but not in eccentric. In the acceleration phase only time domain indicators showed the expected pattern.
Descrição: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2015.
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DOI: http://dx.doi.org/10.26512/2015.11.T.20300
Coorientador(es): Carmo, Jake Carvalho do
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