Analysis of the surface electromyographic variables during the short term recovery of the of the isometric fatigue

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Ciências Médicas, Programa de Pós-Graduação em Ciências Médicas, 2014.1. Introdução: A eletromiografia de superfície (EMG-S) é uma ferramenta não-invasiva que tem sido muito usada no estudo do comportamento do músculo e, em particular, no estudo da fadiga muscular. Muitos trabalhos na literatura têm relatado correlação entre o crescimento da fadiga muscular e o crescimento ou diminuição de algumas variáveis eletromiográficas de superfície que quantificam a velocidade de condução de potenciais de ação de unidades motoras (do inglês, motor unit action potencials – MUAPs), e a amplitude e o deslocamento espectral dessas variáveis. Entretanto, essa correlação não é plenamente entendida até hoje. Por exemplo, quando ocorre a mudança das variáveis com a fadiga, o processo de retorno das variáveis ao valor normal, antes da fadiga, não é ainda bem entendido. O presente trabalho procura auxiliar neste entendimento. 2. Objetivos: O objetivo deste trabalho é verificar o efeito de intervalos curtos de 10 segundos sobre as variáveis que são comumente utilizadas para a análise de sinais eletromiográficos de superfície, verificando se existe a tendência de recuperação total ou parcial das variáveis aos seus valores antes do esforço fatigante, e, caso haja essa recuperação, tentar estimar a taxa de retorno com que ela ocorre. As variáveis estudadas foram a amplitude retificada média (ARV), o valor quadrático médio (RMS), as frequências média (MNF) e mediana (MDF) e a velocidade de condução (VC). 3. Materiais e Métodos: Quinze voluntários realizaram três contrações isométricas de 30 segundos a 60% da Contração Voluntária Máxima (MVC), com intervalos de 10 segundos entre elas. Ao longo dessas contrações foram registrados sinais eletromiográficos de superfície no bíceps braquial por meio de um arranjo de eletrodos de 64 canais. Para as três contrações, foram calculadas estimativas, em função do tempo, das variáveis eletromiográficas de superfície MDF, MNF, RMS, ARV e VC. Pesquisou-se, então, o comportamento dessas variáveis, calculando-se e comparando-se os valores médios das variáveis antes e depois das contrações com o uso de testes de hipóteses para apoiar essas comparações. 4. Resultados: Os resultados obtidos mostraram que a primeira contração se comporta conforme relatado na maioria dos trabalhos na literatura científica: as variáveis ARV e RMS aumentam com o tempo, e as variáveis MDF, MNF e VC diminuem com o tempo. Contudo, a segunda e a terceira contrações apresentaram comportamento inesperado: o crescimento da ARV e RMS, o crescimento da VC e a diminuição da MDF e da MNF. Esse comportamento sugere fortemente que a pausa causou uma mudança na estratégia usual de recrutamento do músculo. 5. Contribuição ao estado da arte: O entendimento da recuperação das variáveis eletromiográficas de superfície após intervalos curtos permitirá o uso mais criterioso dessas variáveis no estudo da fadiga muscular. Além disso, o trabalho mostrou a necessidade de se estudar com mais detalhe o efeito das pausas sobre as variáveis eletromiográficas. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT1. Introduction: Surface electromyography (S-EMG) is a non-invasive tool that is commonly used in the study of muscle behavior, and especially in the study of muscular fatigue. Many articles in the literature have shown that there is a relation between the development of muscular fatigue and the increase or decrease in some electromyographic variables that quantify the conduction velocity of motor unit action potentials (MUAPs), the amplitude, and the spectral displacement of these variables. However, this correlation is not completely understood yet. For example, when there is a change in the variables due to fatigue, the way these variables return to their original values before the fatigue is not well understood. The goal of this work is to help in improving this understanding. 2. Goals: The goal of this work is to study the effects of 10 seconds intervals on the variables that are commonly used for the analysis of surface electromyographic signals, verifying if there is a trend for the complete or partial recovery of the variables to their original values before the fatiguing effort, and, in case this recovery is to happen, to estimate the rate of recovery. The variables studied were the average rectified value (ARV), the root mean square value (RMS), the mean frequency (MNF), the median frequency (MDF), and the conduction velocity (CV). 3. Materials and Methods: Fifteen volunteers performed three 30-second isometric contractions of the biceps brachii at 60% of the Maximum Voluntary Contraction (MVC), with 10 seconds intervals in between. During these contractions, S-EMG signals were recorded in the biceps brachii by a 64 channels electrode array. For the three contractions, estimates of the MDF, MNF, RMS, ARV, and CV variables were calculated as a function of time. The behavior of these variables has been studied, and the average values of the variables before and after the contractions were compared, using statistical hypotheses tests to support these comparisons. 4. Results: The results obtained have shown that the first contraction behaved, on average, in the same way as reported on the majority of scientific papers in the literature: the ARV and RMS variables increased with time, and the MDF, MDF, and CV decreased with time. However, the second and third contractions had an unexpected behavior: the growth of the ARV and the RMS, the growth of the CV and the decrease of the MDF and the MNF. This behavior strongly suggests that the pauses have led to changes in the usual recruitment pattern of the muscle. 5. Contribution to the state of the art: A better understanding of the recovery process of the electromyographic variables after short intervals will allow a more proper use of these variables in the study of muscle fatigue. Moreover, the results have shown the need for a more detailed study of the effects of pauses on the electromyographic variables