eletromiograma superficial na avaliação da função muscular de

Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba
ELETROMIOGRAMA SUPERFICIAL NA AVALIAÇÃO DA
FUNÇÃO MUSCULAR DE PACIENTES HEMIPARÉTICOS SOB
TRATAMENTO FISIOTERAPÊUTICO
L. C. Carvalho, L. F. Marinho , J. J. A. Ferreira, D. T. Guedes
Mestrado em Engenharia Biomédica, NETEB, Centro de Ciências da Saúde
e Departamento de Fisioterapia
Universidade Federal da Paraíba, Campus I da UFPB, J. Pessoa - PB, Brasil, CEP 58051-970
[email protected]
RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo desenvolver uma
metodologia não invasiva para avaliar a função dos
músculos solear e tibial anterior, utilizando o
Eletromiograma (EMG) superficial e o reflexo de
Hoffmann (reflexo H) e a resposta motora máxima
(resposta M) do músculo solear, em pacientes que tiveram
um Acidente Vascular Cerebral (AVC), durante um
programa de reabilitação e tratamento fisioterapêutico. O
tratamento foi aplicado em pacientes que tiveram
hemiparesia esquerda, devido ao AVC, após um ano de
ícto estando, portanto, na fase espástica. Descreve o
protocolo experimental utilizado em um projeto específico
que usou os sinais acima referidos para avaliar a
recuperação da função muscular decorrente do tratamento,
mostrando e discutindo os resultados obtidos com o
processamento do EMG superficial e dos demais sinais. Os
resultados obtidos permitiram concluir que o EMG
superficial processado pode ser um valioso elemento para
julgar a eficiência do tratamento fisioterapêutico e a
recuperação dos músculos.
Palavras chaves: eletromiograma superficial, reflexo de
Hoffmann, resposta motora direta
fundamentados nas características clínicas de cada
indivíduo.
EMG é um sinal bioelétrico que resulta dos potenciais
de ação das fibras musculares, que ocorrem antes da sua
contração. Pode ser captado com eletrodos superficiais
colocados na pele ou com eletrodos de agulha introduzidos
no músculo. O EMG superficial tem sido, recentemente,
muito valorizado como um sinal que permite avaliar a
função muscular, possibilitando uma avaliação da melhora
da função do músculo, decorrente de tratamento
fisioterapêutico.
Lankhorst [5], que captou o EMG em dez pacientes
hemiparéticos na fase espástica, dos quais cinco estavam
no início da hiperatividade tônica, revela que existe uma
diferença na atividade eletromiográfica decorrente da
contração voluntária do membro sadio em relação ao
membro afetado, assim como existem graus diferentes de
espasticidade e, conseqüentemente, de movimentos
voluntários.
O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver uma
metodologia não invasiva, adequada para a avaliação da
função muscular voluntária dos músculos solear e tibial
anterior, utilizando o EMG superficial obtido durante
contrações voluntárias máximas, bem como através do
reflexo H e resposta M máxima, obtidos mediante
eletroestimulação do nervo tibial na fossa poplítea, para
avaliação adicional do músculo solear.
1. INTRODUÇÃO
2. METODOLOGIA
Após um AVC, o paciente apresenta uma paralisia
flácida (fase1) que compromete o hemicorpo contralateral
ao lado lesado, refletindo uma ausência dos movimentos
ativos, bem como uma arreflexia e hipotonia. A fase
seguinte, que se apresenta aproximadamente um mês
depois da lesão, é denominada de “Síndrome de Liberação
Piramidal”, caracterizando-se por uma hiperexcitabilidade
reflexa, associada a um aumento no tônus, gerando
espasticidade e clônus que se estabilizam um ano depois do
ícto [6], [7], [8], [14], [15]. Estas características indicam
que a medula espinhal reassume a sua atividade reflexa
[2], através da ativação do sistema vestibuloespinhal,
liberada pela ausência da ação das vias corticoespinhal,
rubroespinhal e reticuloespinhal lateral.
De acordo com Sehgal e col. [13], a espasticidade é um
marco na lesão do motoneurônio superior, fácil de ser
identificada, porém difícil de se quantificar. As alterações
neurológicas citadas anteriormente devem ser quantificadas, a fim de que o tratamento clínico, em conjunto
com o programa de reabilitação, possam ser
bem
O protocolo experimental utilizado estudou o EMG
superficial do músculo solear e tibial anterior de 14
pacientes que sofreram AVC e tiveram, como
conseqüência, hemiparesia esquerda por um período
mínimo de um ano e máximo de um ano e três meses após
o ícto. Cada exame iniciava com a captação do reflexo H e
da resposta M máxima. Hardware, software e metodologia
utilizados para captar estes sinais estão detalhadamente
descritos em [3], [4], [12]. Uma breve descrição do
hardware e software utilizados nos experimentos é feita
abaixo.
O hardware utilizado para captar os sinais envolve um
amplificador para EMG superficial, construído usando
uma configuração baseada em amplificador de
instrumentação (AD620, Analog Devices), apresentando
alta razão de rejeição de modo comum (>90dB), alta
impedância de entrada (10MΩ), baixo ruído (<5 µV
RMS), faixa de passagem: 10 a 490 Hz, com ganho que
950-7132-57-5 (c) 2001, Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo 00122
pode ser selecionado para valores de 350, 750, 1500 e
3000. Este amplificador foi utilizado tanto para captar o
EMG superficial como o reflexo H e a resposta M. Para a
captação do reflexo H e da resposta M foi também utilizado
um estimulador biológico que gera pulsos retangulares de
amplitude ajustável (até 180 volts), utilizando-se pulsos
com uma duração de 1 ms [12]. O software utilizado para a
captação e processamento do EMG superficial foi o
aplicativo BioMed [4], que faz aquisição, armazenamento e
processamento on-line e off-line de sinais e é executado sob
o sistema operacional Windows 95 ou 98. Este programa
faz a aquisição através da programação de uma placa
conversora A/D, que tem uma resolução de 12 bits e 16
canais. A freqüência de amostragem empregada para
digitalizar o EMG superficial foi 1000 Hz, e para
digitalizar o reflexo H e a resposta M foi 4000 Hz. Um
microcomputador compatível IBM PC, AMD 586 de 133
MHz, memória de 32 Mbytes, disco rígido de 1,2 Gbytes,
monitor colorido (SVGA, resolução 800x600), foi utilizado
para fazer aquisição, armazenamento e processamento dos
dados [3].
Depois da captação do reflexo H e da resposta M, os
pacientes eram submetidos à captação do EMG superficial
com eletrodos descartáveis (Medtrace). Eletrodos de
captação para o solear foram localizados, o 1º, a 4 cm do
contorno inferior do músculo gastrocnêmio, e o 2º, 3 cm
abaixo do 1º. Para o tibial anterior, os eletrodos foram
colocados sobre o ventre muscular, com 2 cm de distância
entre eletrodos [14]. Utilizou-se uma configuração bipolar
para captar o sinal. O eletrodo de terra para o amplificador
diferencial foi fixado na região anterior do terço médio da
perna. O eletrodo de estimulação do nervo tibial posterior
foi colocado na fossa poplítea (catodo) e o anodo sobre a
patela [3], [12], [14].
Para captar os sinais, o paciente era acomodado em
uma cadeira odontológica adaptada para o teste,
semireclinado, com os braços e a cabeça devidamente
apoiados, joelhos flexionados e tornozelos a um ângulo de
90º. Para a manutenção da postura adotada no experimento
utilizou-se um cinto limitante da dorsiflexão. A resistência
ao movimento de flexão plantar foi aplicada manualmente,
sempre pelo mesmo examinador. Na captação do reflexo H
e resposta motora M máxima, o posicionamento foi
idêntico ao anterior, exceto para o ângulo de quadril e
joelho, que situou-se em 120º [3], [12].
O indivíduo era treinado com este procedimento,
inicialmente no membro sadio, visando o aprendizado das
manobras. Para obter a máxima contração voluntária o
examinador solicitava o máximo empenho dos pacientes,
mediante comandos verbais. Depois do treinamento,
procedia-se o registro do EMG superficial, primeiro no
membro sadio e, em seguida, no membro lesado. O registro
do EMG superficial foi feito gravando-se 30 s do sinal com
o músculo em repouso, seguidos da contração isométrica
máxima durante 6 s, repetindo-se os registros por três
vezes consecutivas.
A avaliação eletromiográfica foi feita em três
ocasiões: na admissão e três e seis meses depois da
avaliação inicial, totalizando seis meses de tratamento,
com três atendimentos semanais. O tratamento
fisioterapêutico iniciou-se imediatamente após a avaliação
clínica e eletromiográfica. O programa fisioterapêutico foi
aplicado através da Cinesioterapia, tendo como recurso a
Facilitação Neuromuscular Proprioceptiva pelo método de
Kabat; e a Crioterapia, visando tanto um relaxamento da
musculatura espástica, quanto uma estimulação dos
músculos antagonistas aos espásticos [1], [9], [11].
Existem inúmeras técnicas descritas na literatura para
processar o EMG bruto, visto que este tem pouco valor
para fazer uma correlação direta com o grau de atividade
muscular (força muscular), tornando-se necessário
processá-lo adequadamente para extrair a informação
desejada. Entre as técnicas mais utilizadas, após a
retificação do sinal, citam-se: integração (com ou sem
reset), cálculo da envoltória RMS, aplicação de filtro
passa-baixa (envelope do sinal), média do sinal retificado e
outras. Em trabalho recente, comparamos três técnicas de
estimação da amplitude do EMG visando correlacioná-lo
com a atividade muscular, para avaliar a melhora da
função muscular de pacientes com atrofia muscular pósimobilização, em função do tratamento fisioterapêutico. As
técnicas comparadas, aplicadas ao EMG retificado, foram:
a) filtro passa-baixa (referida neste texto como EPB:
envoltória passa-baixa ), b) integração com reset,
c) cálculo da envoltória utilizando a função std (standard
deviation). As três técnicas produziram resultados
idênticos [3]. Por esta razão, passamos a utilizar o
processamento do EMG retificado através do cálculo da
envoltória obtida com filtro passa baixa, já que esta é de
fácil implementação no aplicativo utilizado (BioMed). O
EMG superficial captado nas contrações voluntárias
máximas foram retificados e ao sinal retificado aplicou-se
um filtro digital passa baixa de segunda ordem, Chebychev
tipo I, ripple de 0% na banda de passagem, com freqüência
de corte de 4,5 Hz.
A figura 1 mostra as etapas do processamento do EMG
superficial acima descritas. A figura 1a é um exemplo
típico do EMG bruto, obtido com a contração de cerca de 6
s, solicitada ao indivíduo, tanto para a dorsiflexão quanto
para a flexão plantar forçadas. A figura 1b mostra o EMG
retificado, ou seja, o valor absoluto do EMG original. A
figura 1c, o envelope obtido com filtro passa baixa.
Os sinais colhidos apresentaram um platô nas
contrações máximas (figura 1c). Estes platôs eram
precedidos e sucedidos por subidas a partir do repouso e
descidas em direção ao repouso, que ocorriam com o início
e nas proximidades do fim da contração. Decidimos não
incluir estes trechos na nossa análise, visto que estas
regiões do sinal são influenciadas pela hesitação inicial do
sujeito ou pela diminuição da contração, próximo ao fim do
intervalo de 6 s. Sua inclusão provavelmente aumentaria
muito a dispersão e a variabilidade das medidas de
amplitude feitas nos sinais processados, podendo mesmo
inviabilizar o método. Adotamos então o critério de
considerar um trecho dos 4 s mais representativos da
atividade máxima, no platô, para efetuar todas as medidas.
Em todos os casos, usamos apenas a contração que
apresentou a maior média entre as três registradas.
300
273
256
250
219
MA1
MA2
200
MA3
150
a
100
76
MS1
107
94
MS2
MS3
50
0
1
2
3
aquisições
Fig. 2 Média de EPB do solear
b
250
229
203
185
200
MA1
MS1
150
100
MA2
103
87
MS2
65
MA3
50
c
MS3
0
1
2
Fig1. Em a o EMG bruto, em b o EMG retificado e em c a envoltória passabaixa (EPB)
3
aquisições
Fig. 3 Média de EPB para o tibial
3. RESULTADOS
7,00
As figuras de 2 a 5 mostram gráficos com as médias de
EPB, obtidas com uma amostra de 14 pacientes submetidos
ao protocolo experimental descrito. A figura 2 mostra as
amplitudes médias para a flexão plantar, retratando a
contração do músculo solear, no platô de 4 s relativos à
contração máxima, para o membro afetado e para o
membro sadio. Nos gráficos destas figuras, as aquisições
foram: 1) na admissão; 2) após 3 meses de tratamento;
3) após 6 meses de tratamento. A unidade de EPB nestas
figuras é µV. A figura 3 apresenta as médias das
amplitudes obtidas para a contração do músculo tibial
anterior (dorsiflexão). A dispersão (desvio padrão) para
todos estes casos foi muito próxima e, em média, 60 µV.
As figuras 4 e 5 mostram as médias das amplitudes pico à
pico do reflexo H e da resposta M máxima (em mV),
respectivamente, nas três avaliações. A dispersão para o
reflexo H e resposta M foi de 1,6 mV e 2,4 mV pico à pico
em média, respectivamente. A comparação estatística das
médias de EPB entre 1a e 2a, 1a e 3a e 2a e 3a aquisições
foram estatisticamente significativas, tanto no membro
afetado quanto no membro sadio, para os dois músculos,
sendo maior a diferença entre a 1a e a 2a do que entre a 2a e
a 3a aquisições. As amplitudes pico à pico do reflexo H do
membro afetado, apresentaram uma queda acentuada entre
as aquisições, enquanto nenhuma diferença significativa
foi observada para o membro sadio. As diferenças entre as
amplitudes pico à pico da resposta M máxima entre o
membro afetado e o membro sadio foram pequenas, exceto
na primeira aquisição, onde houve uma diferença
estatisticamente significativa.
6,34
6,00
5,34
MA1
4,68
5,00
MS1
4,00
MA2
3,02
3,04
2,93
3,00
MS2
MA3
2,00
MS3
1,00
0,00
1
2
3
aquisições
Fig. 4 Média das amplitudes pico à pico do reflexo H
12,00
10,00
10,83
9,82
9,32 9,28
8,80 8,96
MA1
8,00
MS1
6,00
MA2
MS2
4,00
MA3
MS3
2,00
0,00
1
2
3
aquisições
Fig. 5 Média da amplitude pico à pico da resposta M
máxima
Nas figuras 2 a 5, as legendas MA referem-se ao
membro afetado, MS ao membro sadio; 1, 2 e 3 a 1a, 2a e 3a
aquisições, respectivamente.
4. DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
Neste trabalho procurou-se acompanhar a evolução da
função muscular decorrente do tratamento fisioterapêutico,
através da avaliação eletromiográfica, onde obtivemos
parâmetros que foram correlacionados diretamente com o
grau de atividade muscular.
O aumento observado na amplitude do EMG para o
membro afetado referente ao músculo tibial anterior e
solear, foi acompanhado da melhora da função do membro,
fato que deve estar correlacionado ao tratamento realizado,
pois este visou incrementar a mobilidade e controle
voluntário dos pacientes. O membro sadio também
apresentou um aumento na amplitude do EMG
estatisticamente significativa, fato que deve estar
correlacionado a uma melhora global na função da marcha
dos pacientes, decorrente das manobras terapêuticas
efetuadas durante o tratamento, envolvendo os dois
membros.
A figura 4 apresenta uma redução muito significativa
na amplitude do reflexo H para o membro afetado,
chamando a atenção a grande diferença para o membro
sadio. Acreditamos que este achado se deve a uma inibição
da atividade reflexa, concomitante a uma facilitação do
movimento voluntário obtido com o tratamento.
A maior alteração de amplitude do EMG superficial
entre a 1a e a 2a aquisição, provavelmente, se deve a
modificações de fatores neurais, cujos efeitos são mais
acentuados nas primeiras semanas de tratamento.
Nas figuras 2, 3 e 4, nota-se uma grande diferença
entre os valores obtidos no membro afetado em relação ao
membro sadio (em média 50% maior). Isto se deve às
seqüelas decorrentes do AVC que se caracteriza por
hiperreflexia e dificuldade do controle motor voluntário no
membro comprometido.
Existe uma grande deficiência de métodos baseados em
medidas quantitativas e objetivas que possam nortear o
programa de reabilitação, no tratamento de pacientes com
disfunção muscular. Embora o número de casos reportados
neste trabalho seja relativamente reduzido, existem fortes
razões para crer que a metodologia baseada no EMG, pode
ser usada na avaliação da função muscular após um AVC,
indicando a eficácia do tratamento fisioterapêutico
empregado na reabilitação, sendo um método simples,
barato, não invasivo e de fácil aplicação.
5. REFERÊNCIAS
[1] S. S. Adler, PNF - Facilitação neuromuscular proprioceptiva, Manole,
1997.
[2] A. Brodal, Anatomia neurológica com correlações. clínicas, Rocca,
1983.
[3]. L. C. Carvalho, J. J. A. Ferreira, L. F. Marinho. Comparação de técnicas
para o processamento do eletromiograma superficial aplicadas na avaliação
de tratamento fisioterapêutico. Anais do VII Congresso Brasileiro de
Biomecânica, pp. 1300-1305, Florianópolis, 2000.
[4] L. C. Carvalho, R. B. Lima, N. B. Duarte, M. R. Fernandes, A. C.
Nóbrega, L. V. Batista. Software em windows para processamento,
armazenamento e análise de sinais obtidos em experimentos de fisiologia.
Anais do Ier Congreso Latinamericano de Ingeniería Biomédica, pp. 207216, Mazatlán, 1998.
[5] G. J. Lankhorst. Measurement of impaired muscle function of the
gastrocnemius, soleus and tibialis anterior muscle in spastic hemiplegia: A
preliminary study, Journal of Rehab. Res. and Dev. 35 (3), 1998.
[6] F. M. Lin, M. Sabbahi. Correlation of spasticity with hyperactive stretch
reflexes and motor dysfunction in hemiplegia. Arch. Phys. Med. Rehabil., 80
(5), pp. 526-530, 1999.
[7] N. H. Mayer. Clinicophysiologic concepts of spasticity and motor
dysfunction in adults with an upper motoneuron lesion, Muscle Nerve Suppl
6, S1-13, 1997
[8] J. Noth. Trends in the pathophysiology and pharmacotherapy of
spasticity. J. Neurol. 238 (3), pp.131-139, 1991.
[9] S. B. O'Sullivan, T. J. Schmitz. Fisioterapia- avaliação e tratamento, p.p.
183-218, Manole, S. Paulo, 1993
[10] J. Perry J., G. Peter, J. H. Les, J. Montgomery, The determinants of
muscle action in the hemiparetic lower extremity (and Their Effect on the
Examination Procedure). J. Clinical Orthopaedics and Related Research.
131, March-April, 1978
[11] J. Di Prisco, Crioterapia. Dermatologia Venezolana; 27 pp. 3-4, 1989
[12] Rodrigues, S. A. et al, “Desenvolvimento de instrumentação e software
para aquisição e processamento de sinais reflexo”, RBE - Caderno de
Engenharia Biomédica, vol. 12, n° 2, pp 47-72, 1996
[13] N. Seghal, J. R. McGuire. Beyond Ashworth. Electrophysiologic
quantification of spasticity. Phys. Med. Rehabil. Clin. N. Am, 9 (4), pp. 949979, 1998.
[14] T. Sinkæl. Muscle, reflex and central components in the control of ankle
joint in healthy and spastic man. Acta Neurol. Scand., Supp. 170:3 (96),
1997.
[15] A. F. Thilmann, S. J. Fellows, E. Gams. The mechanism of spastic
muscle hypertonus. Variation in reflex gain over the time course of spasticity.
Brain, 114: Pt. 1 A, pp. 233-244, 1991.
[16] A. F. Thilmann, S. J. Fellows. The time-course of bilateral changes in
the reflex excitability of relaxed triceps surae muscle in human hemiparetic
spasticity. J. Neurol, 238 (5): pp. 293-298, 1991.
SURFACE ELECTROMYOGRAM IN THE EVALUATION OF
MUSCLE FUNCTION OF HEMIPARETIC PATIENTS
UNDER PHYSIOTHERAPEUTIC TREATMENT
ABSTRACT
The main objective of this work was to develop a noninvasive methodology to evaluate soleus and anterior tibial
muscles function, using surface EMG, and Hoffmann reflex and maximal motor response (M response) of
soleus. This study was conducted in patients that had stroke, during a rehabilitation program and
physiotherapeutic treatment. The treatment was applied in patients that had left hemiparesia, due to the
stroke, after one year of it, so in the spastic phase. Describes the experimental protocol used in a specific
project which used above signals to evaluate muscle function recovery as a result of the treatment, showing
and discussing results obtained with the processing of the signals. Results allow to conclude that processed
surface EMG could be a very useful element to judge physiotherapeutic treatment efficiency and muscle
recovery.