Metoder baserade på högdensitetselektromyografi för förutsägelse av ledmoment och observation av motoriska enhetersbeteende

QC 230210

Abstract

Elektromyografi (EMG) är en teknik som mäter den elektriska aktiviteten i musklerna. Den återspeglar muskelaktivering och utgör ett gränssnitt mot det centrala nervsystemet på muskelnivå eller enskilda motoriska enheter, vilket hjälper oss att förstå mekanismerna för muskelkraftproduktion, kontroll och samordning. EMG kan också användas för att upptäcka förändringar i muskelaktiviteten som orsakas av patologi, vilket gör det till ett värdefullt verktyg för forskning, diagnos och rehabilitering. Ett av de senaste framstegen inom EMG-tekniken är EMG med hög densitet (HD-EMG). HD-EMG mäter flera spatialt separerade prover av muskelaktivering. Denna ytterligare rumsliga information i HD-EMG ger nya möjligheter att förutsäga ledmoment och förmågan att undersöka enskilda motoriska enheter genom att dekomponera signalerna med hjälp av metoder för blind källseparation. I denna avhandling presenteras två studier som utforskar användningen av HD-EMG-metoder för uppskattning av ledmoment och observation av motoriska enheters beteende.

I den första artikeln presenterade vi en detaljerad undersökning av effekterna av olika EMG- och kinematiska indata på noggrannheten och robustheten i förutsägelsen av fotledens vridmoment med hjälp av stödvektorregression. För att utvärdera robustheten analyserade vi resultaten i tre fall (inom sessionen, mellan försökspersoner och mellan sessioner) och två rörelsekategorier (isometrisk kontraktion och dynamisk rörelse). Vi fann att HD-EMG-deriverade indata förbättrar noggrannheten och robustheten av vridmomentprediktionen för isometriska kontraktioner. I dynamiska rörelser kunde dock goda prediktionsresultat endast uppnås genom att inkludera ytterligare kinematiska egenskaper (fotledens position och vinkelhastighet), och typen av EMG-inmatning påverkade inte resultaten i hög grad.

I den andra artikeln undersökte vi förändringarna i motoriska enheters beteende hos fotledens plantarflexor (soleus) och dorsalflexor (tibialis anterior) orsakade av ryggmärgsskada (SCI). Vi beräknade vridmoment, EMG och motoriska enhetsparametrar under frivilliga submaximala kontraktioner för ryggmärgsskadegruppen och jämförde dem med en oskadad kontrollkohort. Vi fann att deltagarna i båda grupperna kunde upprätthålla det föreskrivna konstanta vridmomentet med liknande variabilitet. SCI-gruppen krävde dock högre muskelaktiveringsnivåer (normaliserat till maximalt) för att uppnå samma nivå av relativt vridmoment jämfört med kontrollgruppen. SCI-gruppen hade lägre intramuskulär koherens i alfafrekvensbandet än kontrollgruppen, vilket tyder på förändrad neuralsynkronisering på subkortikal nivå. Soleus motoriska enheters avfyrningsmönster  var mer varierande efter SCI än i kontrollgruppen. Vid höga vridmomentnivåer (50% av personligt maximum) rekryterades dessutom båda musklernas motorenheter och de-rekryterades vid lägre vridmoment, och motorenheter avfyrade i lägre takt i tibialis anterior-muskeln hos personer med SCI, vilket tyder på förändrade kraftgraderingsstrategier efter skadan.

De studier som presenteras i den här avhandlingen visade att HD-EMG är lämpligt för att förutsäga ett robust isometriskt vridmoment för fotled, vilket har potential i tillämpningar som robotassisterad rehabilitering och robotbaserad teknik för gånghjälp. I synnerhet är robustheten och noggrannheten hos HD-EMG-baserade förutsägelser viktiga för en förbättrad uppskattning av ledmomentet som sedan kan användas i styrsystemet "human-in-the-loop". Dessutom möjliggör HD-EMG-dekomponering ett icke-invasivt sätt att observera de motoriska enheternas beteende in vivo hos personer med neuromuskuloskeletala störningar, vilket kan öka förståelsen för de underliggande neurofysiologiska mekanismerna för motoriska funktionsnedsättningar. De insikter som en sådan HD-EMG-analys ger i framtiden kan vara till nytta för att utveckla riktade interventioner och individualiserade behandlingar.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-323693