influência do ambiente subaquático na amplitude do

INFLUÊNCIA DO AMBIENTE SUBAQUÁTICO NA AMPLITUDE DO
SINAL ELETROMIOGRÁFICO DE SUPERFÍCIE DO GRUPO TÊNAR
W. H. Veneziano*,**, A. G. Pena*, A. F. Rocha*, C. A. Gonçalves*, J. C. Carmo*, F. A. O.
Nascimento*, M. M. Andrade*
* Universidade de Brasília, Brasília, Brasil
** CEFET-PR, Pato Branco, Brasil
e-mail: [email protected]
Assim, neste estudo, avaliou-se a influência do
ambiente subaquático na amplitude do sinal
eletromiográfico de superfície do grupo tênar, mais
especificamente, do músculo abdutor curto do polegar
esquerdo (Figura 1).
Verificaram-se quais alterações ocorrem no valor
RMS do eletromiograma de superfície do músculo em
questão quando o movimento passa do meio aéreo para
o subaquático. Também analisou-se a evolução da
freqüência
de
potência
mediana
no
sinal
eletromiográfico durante contração isométrica em
ambiente subaquático. O trabalho em questão poderá
contribuir para a melhoria das técnicas de tratamentos
fisioterápicos e esportivos em amb iente subaquático.
Abstract: In this work, a study on the influence of
the aqueous environment on the amplitude of the
surface electromyographic signal of the thenar group
is presented. Ten men, 23.0 (± 3.4) years old, have
performed 3-second isometric contractions in the
abductor pollicis brevis muscle in two controlled
environments: air and water. The contractions (50%
of the MVC) were monitored for avoiding fatigue. A
statistical analysis has shown that the amplitudes
(RMS values) diminish in the aqueous environment.
Palavras Chaves: eletromiografia de superfície,
processamento de sinais, biomecânica subaquática.
Introdução
Materiais e Métodos
Tem sido crescente a utilização da eletromiografia
de superfície (EMG-S) para o estudo de parâmetros
musculares. Entretanto, são escassos os estudos
utilizando esse tipo de registro em ambiente
subaquático. Como exemplo, os músculos extensores do
joelho foram estudados em ambiente subaquático com
respeito à reprodutibilidade da relação entre força e
EMG-S [1]. Por meio de eletromiografia de superfície e
também de eletromiografia invasiva, Kelly et al. [2]
concluíram ser menor o nível de ativação da
musculatura do ombro em exercícios físicos realizados
em piscina, quando comparados ao ambiente aéreo.
Mais recentemente, o músculo bíceps braquial foi
estudado em contrações isométricas em condições seca
e úmida utilizando-se um tanque com água. Como
resultado, foram observados valores RMS (raiz
quadrada do valor quadrático médio) maiores para o
EMG-S em condição úmida [3].
É imperioso observar que é difícil a comparação
desses estudos entre si, pela falta de padronização dos
métodos de aquisição e de processamentos
computacional e estatístico dos dados [4].
Os Grupos de Processamento de Sinais (GPDSENE), de Biomecânica (FEF) e de Engenharia
Biomédica
(Laboratório
Integrado-CFS-IB)
da
Universidade de Brasília vêm realizando diversos
trabalhos em eletromiografia de superfície. Entre esses
trabalhos está o desenvolvimento de formas objetivas de
se avaliar atividade física em ambiente subaquático. O
presente trabalho faz parte desse esforço.
IFMBE Proc. 2004; 5(1): 1147-1150
Dez indivíduos participaram deste estudo. Os
critérios de inclusão foram: sexo masculino, destros,
não praticantes de atividades associadas (como tocar
piano ou praticar musculação) e sem história de
qualquer desordem ósteo-articular ou neuromuscular.
Seus dados biométricos são idade de 23,0 ± 3,4 anos,
massa corporal de 77,3 ± 9,1kg e altura de
1,78 ± 0,04m. Antes de participarem do estudo, os
voluntários conheceram o laboratório, os equipamentos
e o protocolo experimental e assinaram um termo de
consentimento. A identidade e outros dados fornecidos
pelos sujeitos foram mantidos em sigilo absoluto,
restringindo-se aos pesquisadores. Aos sujeitos foi
reservado o direito de se recusarem a participar ou de
retirarem seu consentimento em qualquer fase da
pesquisa, sem qualquer tipo de penalidade ou prejuízo.
O protocolo experimental foi aprovado pela comissão
de ética em pesquisa da Universidade de Brasília.
Inicialmente, foi efetuada a determinação da
contração voluntária máxima (CVM) para cada sujeito.
Esta foi determinada calculando-se a média aritmética
de três valores, obtidos de contrações máximas, por um
curto período de tempo. O protocolo experimental
consistiu, então, de três contrações de três segundos,
cada uma a 50% da CVM, sendo o procedimento
realizado em ambiente aéreo e, posteriormente, em um
tanque com água, a uma temperatura igual à do ar
(26o C). O conjunto mão-antebraço foi mergulhado a
uma profundidade de 28 cm, o suficiente para submergir
1147
III CLAEB, João Pessoa 2004
armazenados em disco magnético. Para o cálculo do
valor RMS e da freqüência de potência mediana, esses
sinais foram processados com o auxílio de um programa
computacional desenvolvido em ambiente Matlab
(Mathworks, Inc.).
até o eletrodo de referência. Uma mola com suporte
graduado foi afixada na palma da mão, a fim de indicar
a força exercida pelo voluntário. Os demais quatro
dedos foram imobilizados com fita adesiva, impedindo
seu movimento e reduzindo efeitos de crosstalk na
medição. O antebraço e o punho também foram
imobilizados para impedir a flexão do punho. O ângulo
do cotovelo foi mantido constante dentro e fora da água.
Para respeitar a cronobiologia, mantiveram-se
constantes os horários de coleta de dados. Também foi
requerido resguardo de 24 horas pelos sujeitos, no qual
estes se abstiveram de praticar esportes e ingerir bebidas
alcoólicas ou medicamentos. Não houve medidas
invasivas. Foram realizadas apenas medidas de
eletromiografia de superfície, com o uso de um
eletromiógrafo comercial.
Figura 2: posição dos eletrodos e da mola com seu
suporte
Resultados
Os sinais de EMG-S adquiridos passaram por uma
única filtragem para melhoria da relação sinal-ruído por
meio de um algoritmo de branqueamento [6]
(“whitening”), propiciando a descorrelação estatística
dos dados. Não foi efetuada retificação do sinal. Uma
primeira análise foi realizada calculando-se a freqüência
de potência mediana (FPM) em uma janela retangular
[7] deslizante de 1s, para uma variabilidade menor [8].
O passo incremental foi de 200 amostras, durante o
trecho total de 3s, para todos os sujeitos. Os dez valores
assim criados foram comparados por meio de um teste
de ANOVA para medidas repetidas. Ressalte-se que
foram realizados, previamente, os testes de
homocedasticidade e normalidade, os quais mostraram
que as variâncias entre os grupos são constantes e que a
distribuição segue uma normal. Isto autorizou o uso de
testes paramétricos, como o ANOVA. Os resultados da
FPM confirmaram o que é possível observar na Figura
3: existe uma variação no trecho inicial da FPM, mais
acentuada no meio aquático. Esse período, detetado pelo
teste estatístico, e que vai do primeiro ao terceiro trecho
de tempo, reflete, provavelmente, uma acomodação do
músculo ao nível de carga fixo requisitado pelo
protocolo. Além disso, a ausência de variação
significativa da freqüência de potência mediana no
restante do registro indica que esse período, ao não
apresentar indicações de fadiga ou acomodações da
musculatura, deve ser escolhido para esse estudo.
Assim, ao comparar os valores RMS dos dois meios
com base em registros recortados segundo critérios
objetivos, contornou-se o problema de não haver um
“trigger” para sincronizar os diversos registros, e evitouse introduzir uma variabilidade que poderia ser
prejudicial à análise.
Note-se que alterações na FMP não garantem
correspondentes alterações no valor RMS. Entretanto,
os testes iniciais mostraram diferenças na FMP apenas
Figura 1: músculo abdutor curto do polegar. Adaptado
de [5]
Para o registro eletromiográfico de superfície, a pele
foi higienizada com álcool etílico até que a impedância
intereletrodos fosse igual ou inferior a 30.000 ohms,
monitorada por um ohmímetro digital. Um eletrodo de
referência descartável, do tipo flexível (Red Dot da 3M)
foi colocado no pulso (Figura 2). Foram utilizados
eletrodos ativos de superfície, bipolares, de Ag/AgCl,
em forma de duas barras (10,0mmx1,0mm) distanciadas
de 10,0mm, da marca Delsys, modelo DE-2.1. Houve o
cuidado de se evitar o ponto motor. Todos os eletrodos
foram protegidos contra a água por meio de uma
cobertura com fita adesiva impermeável (Silver Tape,
3M), utilizada também para o experimento no ar. Os
eletrodos ativos apresentam uma pré-amplificação com
ganho de 10 V/V, com um eletromiógrafo (modelo
Bagnoli-2, da Delsys – EUA) ajustado para um ganho
de 1.000 V/V, ou seja, o sistema apresenta um ganho
total de 10.000 V/V. A freqüência de amostragem foi de
1000 Hz. A aquisição e o armazenamento dos dados
foram efetuados por meio de um programa
computacional desenvolvido em linguagem Labview 5.1
(National Instruments). Os sinais analógicos (banda
passante de 20 a 1000Hz) passaram por um conversor
analógico-digital (BNC-2120 da National Instruments)
e, em seguida, os sinais digitalizados foram
IFMBE Proc. 5(1)
1148
CLAEB’2004
mostrou uma diferença altamente significativa
(p=0,00353) entre os dois grupos de sinais. Para todos
os sujeitos a amplitude do EMG diminuiu no ambiente
subaquático. Na tabela 1, são mostrados os valores
médios da FPM e do valor RMS para o ar e para a água.
Para a obtenção desses valores, foi calculada a média
entre os 10 valores obtidos com as 10 janelas diferentes.
no início do registro. Esse fato não pode ser explicado a
não ser por uma acomodação do sistema neuromuscular. Essa acomodação, por outro lado, pode estar
alterando os verdadeiros valores RMS, assim como está
alterando os da FMP. É comum serem observadas essas
acomodações em início de exercício. O que
normalmente se faz, é usar o sinal de força, registrado
simultaneamente, para indicar o instante do recorte.
Esse instante corresponde ao ponto onde o sinal de força
se estabiliza. Neste experimento, no entanto, apesar de
desejado, não foi possível registrar o sinal de força,
devidos a limitações associadas às pequenas dimensões
do músculo estudado. O não recorte, por outro lado,
poderia gerar "falsos positivos" no estudo comparativo.
A solução, conservadora, portanto, foi buscar outro
parâmetro para o recorte, certamente não ideal. Como o
protocolo é não fatigante, não deveria haver queda da
FMP ao longo do registro. Em outras palavras, em um
estudo "intra-sujeitos", não deveria haver diferenças
entre as FMP inicial e final. À parte o trecho inicial de
0,6 segundo, realmente não foi detectada qualquer
tendência de queda. Por conseguinte, aquela diferença,
apenas no início do registro, poderia muito bem ser
atribuída à acomodação inicial, já comentada. Por isso
optou-se por descartar o segmento correspondente.
A Figura 4 mostra ser pequena a diferença entre a
FPM (média ± D.P.) para os ambientes aéreo e aquático,
não sendo possível denotar uma tendência.
Para análise da amplitude, foi calculado o valor
RMS em uma janela retangular deslizante de 0,5s, para
uma variabilidade menor [9]. O passo incremental foi de
duzentas amostras para os ambientes aéreo e
subaquático. A Figura 5 apresenta os valores para o
registro de 3s, sem recortes. Pode-se observar que as
diferenças entre os meios, constantes, mantêm-se
inclusive no trecho 1-3, que será descartado para a
análise definitiva. Isso mostra que o recorte, uma
medida preventiva, não tem como alterar os resultados.
Tabela 1: Valores médios da FPM e do valor RMS para
o ar e para a água.
Sujeito
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
FPM
ar
115,625
143,359
125,000
86,816
129,199
128,027
105,762
106,543
130,664
109,375
FPM
água
138,867
146,289
115,039
84,277
125,391
102,734
138,086
117,090
129,102
100,000
RMS
ar
0,097
0,250
0,102
0,215
0,027
0,161
0,065
0,080
0,292
0,268
RMS
água
0,072
0,160
0,086
0,178
0,018
0,116
0,033
0,064
0,183
0,163
Uma observação cuidadosa da tabela 1 mostra
claramente duas tendências. A primeira é que não há
diferença significativa na FPM nos ambientes aéreo e
subaquático. Por outro lado, o valor RMS diminui de
forma significativa (entre 16% e 50%) quando se passa
do ar para a água, para todos os 10 sujeitos, o que
demonstra uma alta probabilidade de que houve uma
redução no valor RMS quando se trocou de meio. As
variações percentuais na FPM e no valor RMS
mostraram-se gaussianas (teste Lilliefors). Dois testes-t,
nos quais testou-se a hipótese de que a variação
percentual nos valores obtidos foi nula, comprovaram
que não houve variação na FPM, e que houve
diminuição estatisticamente significativa no valor RMS.
Na Figura 6, estão apresentados os valores RMS
(média ± D.P.) em ambos os ambientes e de todos os
sujeitos.
FPM para os dois MEIOS; 10 medidas repetidas no TEMPO
Cada ponto=média de 10 sujeitos
Barras verticais denotam intervalos de confiança de 0,95
145
FPM e MEIO; valores médios
Efeito atual: F(1, 9)=,06800, p=0,80013
Barras verticais denotam intervalos de confiança de 0,95
140
135
0140
0135
125
0130
120
FPM (Hz)
FPM (Hz)
130
115
110
0125
0120
0115
105
0110
100
95
0105
1
2
3
4
5
6
TRECHO
7
8
9
10
AR
ÁGUA
0100
AR
Figura 4: comparação da FPM (média ± D.P.) de todos os
sujeitos (após recorte no tempo. Total=2,4s)
Finalmente, esse mesmo estudo foi refeito para o
intervalo de tempo considerado seguro, ou seja, entre o
quarto e o décimo trechos de tempo. Uma análise
estatística com base em uma ANOVA fator único para
medidas repetidas (plano experimental entre-sujeitos)
IFMBE Proc. 5(1)
ÁGUA
MEIO
Figura 3: FPM em ambientes aéreo e subaquático para
todos os sujeitos (Ti=trecho de 1s; Ti-Ti-1=0,2s. Total=3s)
Discussão
Para todos os sujeitos analisados, a amplitude
(RMS) do sinal eletromiográfico diminuiu no ambiente
1149
CLAEB’2004
Nossos resultados mostraram que o ambiente
subaquático influencia o sinal eletromiográfico do grupo
tênar (abdutor curto do polegar) diminuindo sua
amplitude (valores RMS). Para controlar as variáveis
extrínsecas, manteve-se constante o esforço muscular ao
se optar por um protocolo isométrico.
subaquático, o que foi confirmado pela análise
estatística (p<0,01). Devido à falta de padronização
metodológica em pesquisas anteriores, é impossível
uma comparação direta com este trabalho. Por exemplo,
a cobertura dos eletrodos com fita adesiva não era
mantida nos ambientes aéreo e aquático. Essa variável
deve ser controlada pois a pressão do eletrodo contra a
pele que a fita provoca pode alterar a amplitude do
EMG-S. Ainda assim, estudos que Poyhonen et al. [1] e
Kelly et al. [2] realizaram para outros músculos também
mostraram uma diminuição da amplitude. Rainoldi et al.
[3] chegaram a resultados discrepantes, possivelmente
pela diferença na metodologia.
Agradecimentos
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico (Chamada Conjunta
MCT/SEPIN-FINEP-CNPq 01/2002, Programa de
Apoio à Pesquisa e Desenvolvimento e Inovação em
Tecnologia da Informação PDI - TI) e à Coordenação
de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
(Projeto Procad) pelo apoio financeiro. Ao CENESPUnB pela permissão de utilização dos equipamentos.
RMS para os dois MEIOS, 10 medidas repetidas no TEMPO
Cada ponto=média de 10 sujeitos
Barras verticais denotam intervalos de confiança de 0,95
0,28
0,26
0,24
Referências
Valores RMS (mV)
0,22
0,20
[1].POYHONEN T., KESKINEN K.L., HAUTALA A.,
SAVOLAINEN J., MALKIA E., “A. Human isometric force
production and electromyogram activity of knee extensor
muscle in water and on dry land”, Eur. J. Applied
Physiology 80:52-56, 1999.
0,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
1
2
3
4
5
6
7
8
9
TRECHO
10
[2].KELLY B. T., ROSKIN L. A., KIRKENDALL D. T., SPEER
K. P., “Shoulder muscle activation during aquatic and dry
land exercises in nonimpaired subjects”, J. Orthopaedic and
Sports Physical Therapy 30(4):204-210, 2000.
AR
ÁGUA
Figura 5: valores RMS (média ± D.P.) em ambas as
condições (Ti=trecho de 1s; Ti-Ti-1=0,2s. Total=3s)
[3].RAINOLDI A., CESCON C., BOTTIN A., CASALE R.,
CARUSO I., “Surface EMG alterations induced by
underwater recording”, J. Electromyography and
Kinesiology 2003.
RMS nos dois MEIOS, Médias
Efeito atual: F(1, 9)=15,345, p=0,00353**
Barras verticais denotam intervalos de confiança de 0,95
0,26
0,24
Valores RMS (mV)
0,22
[4].M ERLETTI R., CONTE L. R. L., “Surface EMG signal
processing during isometric contractions”, J.
Electromyography and Kinesiology 7:241-250, 1997.
0,20
0,18
0,16
0,14
0,12
[5].UNIVERSITY OF W ASHINGTON, Musculoskeletal Atlas,
Internet site adress: http://eduserv.hscer.washington.edu/
hubio553/atlas/ images/122.jpg/ acessado em 07/maio/2004.
0,10
0,08
0,06
0,04
AR
ÁGUA
[6].CLANCY E.A., M ORIN E.L., M ERLETTI R., “Sampling,
noise-reduction and amplitude estimation issues in surface
electromyography”, J. Electromyography and Kinesiology
12:1-16, 2002.
MEIO
Figura 6: valores RMS (média ± D.P.) na água e no ar de
todos os sujeitos (após recorte no tempo. Total=2,4s)
Duas hipóteses têm sido utilizadas para explicar a
alteração na amplitude do EMG de superfície capturado
em ambiente subaquático: 1) a influência elétrica da
água na captação do sinal [1] e 2) a resistência mecânica
e o empuxo da água [2]. Responder a essas questões
foge ao escopo deste trabalho. No entanto, estão em
andamento, na Universidade de Brasília, estudos para
esclarecer esse efeito.
[7].M ERLETTI R., BALESTRA G., KNAFLITZ M., ‘Effect of
FFT based algorithms on estimation of myoelectric signal
spectral parameters’. Proc. 11th Ann Int Conf of IEEE Eng
in Med and Biol Soc,. 1989.
[8].W ALY S, A SFOUR S, KHALIL T., “Effect of time
windowing on the estimated EMG parameters”, Comput.
Ind. Eng. 31:515–8, 1996.
Conclusão
[9].FARINA D., MERLETTI R., “Comparison of
algorithms for estimation of EMG variables during
voluntary isometric contractions”, Journal of
Electromyography and Kinesiology 10:337–349, 2000.
O objetivo deste estudo foi a avaliação do efeito do
ambiente subaquático sobre o EMG de superfície.
IFMBE Proc. 5(1)
1150
CLAEB’2004