(CPGEI) Doutorado: Eduardo Mendonça Scheeren

Comportamento do sinal mecanomiográfico em contrações voluntárias e estimuladas eletricamente

Resumo: Introdução: a mecanomiografia (MMG) avalia as oscilações mecânicas causadas pela contração muscular, a eletromiografia (EMG) mensura o somatório dos potenciais de ação que são enviados pelo sistema nervoso central para as unidades motoras que estão na região de sensibilidade do sensor. Ambas as técnicas são empregadas na detecção de fadiga muscular em contração voluntária, sendo que a EMG apresenta limitações durante aplicações com estimulação elétrica neuromuscular (EENM) enquanto a MMG apresenta boa compatibilidade. Objetivos: caracterizar e comparar os sinais de EMG e MMG em contração voluntária e comparar a resposta do sinal mecanomiográfico em protocolos de extensão de joelho com aplicação de EENM em participantes hígidos (PHI) e com lesão medular (PLM). Materiais e Métodos: a amostra foi dividida em 3 grupos de 10 participantes (PHI – contração voluntária; PHI – EENM; PLM – EENM). Eletrodos de superfície em configuração bipolar foram utilizados para obtenção do sinal de EMG e um acelerômetro triaxial foi utilizado como sensor de MMG. Os experimentos foram realizados em 2 etapas: (a) protocolo de fadiga com o músculo bíceps braquial com monitoração do sinal de EMG e MMG e (b) protocolo de EENM (4 padrões) com o músculo quadríceps com 8 contrações e 15 min de intervalo entre elas. Os sinais de EMG e MMG foram analisados no domínio do tempo e da freqüência. Resultados: aumentou a amplitude do sinal de EMG e diminuiu a energia do sinal de MMG no decorrer do protocolo de fadiga muscular por contração voluntária. O valor eficaz (root mean square - RMS) e a freqüência mediana (FM) do sinal de MMG podem ser úteis como indicadores de fadiga em protocolos com EENM para PHI e PLM. O padrão de EENM com freqüência de pulso de 1 kHz, 200 µs de período ativo de pulso (on) e 50 Hz de freqüência de burst foi o que apresentou os menores valores de RMS e de FM, o que sugere que músculo sofreu menos modificações no decorrer do protocolo. A resposta do sinal de MMG apresentou diferença para participantes hígidos e com lesão medular. Conclusões: em ambos os sinais (EMG e MMG) do músculo bíceps braquial houve atenuação da freqüência no decorrer do protocolo indicando resultado similar em ambos sinais. O protocolo de EENM (200µs – 50Hz) foi o que gerou menores alterações no sinal de MMG (RMS e FM) no decorrer do experimento tanto para PHI quanto para PLM. Foi observada diferença no sinal mecanomiográfico entre PHI e PLM em todos os protocolos podendo estar relacionada à diferença na proporção de fibra muscular entre os grupos.
Palavras-chave:
Palavra chave: mecanomiografia, eletromiografia, acelerômetro triaxial, fadiga muscular, lesão medular, EENM

Mechanomyography behavior during voluntary and electrically stimulated contractions

Abstract: Introduction: mechanomyography (MMG) is used to measure muscle oscillations and electromyography (EMG) is used to study recruitment thresholds of motor units. Both techniques indicate the effect of the phenomena responsible for muscle fatigue during voluntary contractions. There is a technical limitation to use the EMG with the functional electrical stimulation (FES) simultaneously what the MMG can overcome. Objective: to characterize and compare the EMG and MMG signal during voluntary contraction and to verify if is there difference among the MMG signal by FES protocols for health (HI) and spinal cord injury individuals (SCI). Materials and Methods: the subjects were splited in three groups with 10 participants (HI – voluntary contraction; HI – FES; SCI – FES). EMG surface electrodes and triaxial accelerometer were used to acquire the EMG and MMG signals, respectively. The experimental protocol was done in two steps: (a) fatigue protocol with biceps brachii muscle monitored by EMG and MMG (HI) and (b) four fatiguing (lower limb) electrically stimulated contraction profiles (different days) in HI and SCI. The experimental protocol consisted of four contractions, a rest interval of 15 min and four additional contractions. The features used to analyze the EMG and MMG signals were root mean square (RMS) (time domain) and median frequency (frequency domain). Results: the results indicate an increase in the EMG signal amplitude during the muscle fatigue protocol by voluntary contraction while the MMG signal energy decreased. The RMS and median frequency values may be useful as indicators of fatigue in FES protocols for HI and SCI. The FES profile set to 1 kHz pulse frequency, 200 µs active pulse duration and burst frequency of 50 Hz presented the lowest MMG RMS and median frequency values, suggesting less muscle modification. The MMG signal was different between HI and SCI. Conclusions: in both EMG and MMG biceps brachii signals there were frequency attenuation during the fatigue protocol indicating similarity in both signals. The MMG signal was different between HI and SCI in all FES profiles and it is probably due to the difference in the proportion of muscle fiber between the groups.

Keywords: mechanomyography, triaxial accelerometer, joint movement identification, muscle fatigue, spinal cord injury
Lista de publicações:
SCHEEREN, E. M., KRUEGER-BECK, E., NOGUEIRA-NETO, G. N., BUTTON, V. L. S. e NOHAMA, P. Mechanomyography identification of wrist antagonist contractionmovements. In: (Ed.), Ninth internacional symposium - Computer methods in biomechanics & Biomedical engineering. Valencia. 2010a.

SCHEEREN, E. M., KRUEGER-BECK, E., NOGUEIRA-NETO, G. N., BUTTON, V. L. S. e NOHAMA, P. Mechanomyography response of wrist antagonist movements. In: I. B. A. B. C.-. Procedings (Ed.), ISSNIP Biosignals and Biorobotics Conference 2010. Vitória. p.250-5, 2010b.

SCHEEREN, E. M., KRUEGER-BECK, E., NOGUEIRA-NETO, G. N., NOHAMA, P. e BUTTON, V. Wrist Movement Characterization by Mechanomyography Technique. J Med Biol Eng, v.30, n.6, p.373 - 380, 2010c.

SCHEEREN, E. M., NOGUEIRA-NETO, G. N., BUTTON, V. L. S. e NOHAMA, P. Variação da atividade eletromiográfica e mecanomiográfica do músculo bíceps braquial em exercícios resistidos. In: (Ed.), Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica. Salvador. 2008.

SCHEEREN, E. M., NOGUEIRA-NETO, G. N., KRUEGER-BECK, E., BUTTON, V. L. S. e NOHAMA, P. Investigation of muscle behavior during different functional electrical stimulation profiles using mechanomyography. In: (Ed.), 32nd Annual International Conference of the IEEE EMBS. Buenos Aires Sheraton Hotel, Buenos Aires. p.3970-3, 2010d.