Muscle fatigue investigation studies using near-infrared spectroscopy and surface electromyography

Year 2011, Volume: 1 Issue: 1, 17 - 25, 31.01.2014

Ömer Şayli Bilal Biçer Selda Uzun Orkun Pelvan Ata Akın Birol Çotuk

Abstract

Objective: Progression and interaction of factors that cause fatigue have not been fully uncovered despite highly developed measurement technologies. Non-invasive monitoring of fatigue causing factors and in this way development of methods for giving feedback to the athletes lies ahead of us as the main goal. We have tried to obtain more information about working muscles and fatigue mechanisms.
Method: Simultaneous near infrared spectroscopy (NIRS) and surface electromyography (SEMG) measurements were recorded during local exercises. The NIRS signals are proportional to concentration changes of deoxyhemoglobin (Hb) and oxyhemoglobin (HbO2) while SEMG contains the surface sum of motor units’ action potentials. Signals recorded during isometric and dynamic exercises of limb muscles biceps brachii, flexor digitorum superficialis, vastus lateralis have been investigated.
Results: Mean (MNF) and Median Frequency (MDF) parameters computed from SEMG were found to decline concomitant with Hb increase and HbO2 decrease during the exercise. Hb and HbO2 changes were fast at the start of the exercise, whereas these rates slow down afterwards the fast phase. Magnitudes of MNF, MDF decrease slopes and fast phase rates of Hb increase/HbO2 decrease become greater as the contraction force increases.
Conclusion: SEMG and NIRS measurements give information about local muscle metabolism changes during exercise each being sensitive to different changes.

Key words: Muscle fatigue, surface electromyography, near infrared spectroscopy, aerobic metabolism, anaerobic metabolism

Keywords

-

Yakın Kızılaltı Spektroskopi ve Yüzeyel Elektromiyografi Kullanarak Kas Yorgunluğu İnceleme Çalışmaları

Abstract

Amaç: Oldukca gelişen olcum tekniklerine rağmen yorgunluğa neden olan etmenlerin gelişimi ve etkileşimi tam olarak acığa cıkarılamamıştır. Esas hedef olarak ise girişimsiz metotlarla yorgunluğa neden olan etmenlerin takibi ve bu şekilde gercek saha koşullarında atletlere geri besleme sağlayacak metotların geliştirilmesi onumuzde durmaktadır. Calışmalarımızda calışan kas ve yorgunluk mekanizması hakkında daha fazla bilgi sahibi olmaya calıştık.

Yöntem: Yerel kas testleri esnasında eş zamanlı yuzeyel elektromiyografi (YEMG) ve yakın kızılaltı spektroskopi teknikleriyle (YKAS) olcumler alındı. YKAS kas yuzeyindeki deoksihemoglobin (Hb) ve oksihemoglobin (HbO2) konsantrasyon değişimlerine paralel sinyaller verebilirken, YEMG ise aktif motor birimlerin aksiyon potansiyellerinin yuzeydeki toplamını vermektedir. Calışmalarımızda biceps brachii, flexor digitorum superficialis ve vastus lateralis uzuv kaslarından izometrik ve dinamik egzersizler esnasında olculen sinyaller incelenmiştir.

Bulgular: Egzersiz sırasında YEMG sinyalinden elde edilen ortalama frekans (OMF) ve ortanca frekans (OCF) parametrelerindeki azalmalarla beraber Hb artışı ve HbO2 azalışı bulunmuştur. Deneylerin başlangıcında Hb ve HbO2 değişimleri oldukca hızlı olmakla beraber, bu hızlı fazdan sonraki değişimler yavaş olmaktadır. Kasılma kuvvetinin artmasıyla beraber OMF ve OCF parametrelerindeki azalmalar artmakta, Hb artış ve HbO2 azalış oranları artmaktadır.

Sonuç: YEMG ile beraber İYKAS olcumleri yerel kas metabolizmasının egzersiz esnasındaki farklı değişimlerine duyarlı bilgiler sağlamaktadır.

Anahtar sözcükler: Kas yorgunluğu, yuzeyel elektromiyografi, yakın kızılaltı spektroskopi, aerobik metabolizma, anaerobik metabolizma

Keywords

Kas yorgunluğu, yüzeyel elektromiyografi, yakın kızılaltı spektroskopi, aerobik metabolizma, anaerobik metabolizma

References

• Edwards RH, Hill DK, Jones DA, Merton PA. Fatigue of long duration in human skeletal muscle after exercise. J Physiol. 1977;272(3):769-778.
• Vİllestad, NK. Measurement of human muscle fatigue. J Neurosci Methods. 1997; 74(2):219-227.
• Kamen G, Caldwell GE. Physiology and interpretation of the electromyogram. J Clin Neurophysiol. 1996;13(5):366-384.
• De Luca CJ; Delsys Incorporated. Surface electromyography: detection and recording. 2002.
• Farina D, Merletti R, Enoka RM. The extraction of neural strategies from the surface EMG. J Appl Physiol. 2004; 96(4), 1486--1495.
• Masuda K, Masuda T, Sadoyama T, Inaki M, Katsuta S. Changes in surface EMG parameters during static and dynamic fatiguing contractions. J Electromyogr Kinesiol. 1999;9(1):39-46.
• Şayli Ö, Uzun S, Akın A, Çotuk B. EMGALY.1: Grafik kullanıcı ara yüzlü yüzeyel elektromyografi inceleme yazılımı. BİYOMUT; 2007 Mayıs 22-23; İstanbul.
• Biomedical Optics Research Laboratory, UCL Department Of Medical Physics And Bioengineering [Internet]. Near infrared spectroscopy. Bağlantı: http://www.ucl.ac.uk/medphys/research/borl/intro/nirs
• Delpy DT, Cope M. Quantification in tissue Near-Infrared Spectroscopy, Phil Tran R Soc Lond B. 1997;352:649-659.
• Suzuki S,Takasaki S, Ozaki T, Kobayashi Y. Tissue oxygenation monitor using NIR spatially resolved spectroscopy. Proc. SPIE; 3597; 1999. s. 582-592.
• Şayli Ö. Accuracy improvements of NIRS and investigation of muscle oxidative metabolism (Yakın kızılaltı spektroskopi yönteminin doğruluğunun iyileştirilmesi ve kas oksidatif metabolizmasının araştırılması) [Doktora Tezi]. Boğaziçi Üniversitesi; 2009.
• Yamaji S, Demura S, Nagasawa Y, Nakada M. Relationships between decreasing force and muscle oxygenation kinetics during sustained static gripping. J Physiol Anthropol Appl Human Sci. 2004;23(2):41-47.
• Biçer B. Sporcularda erector spinae kas yorgunluğunun işlevsel yakın kızılaltı spektroskopi ve yüzeysel elektromiyografi ile değerlendirilmesi [Doktora Tezi, devam ediyor]. Marmara Üniversitesi.
• Pelvan O. Yüksek Şiddetli Kürek Egzersizleri Arasında Solunan Yüksek Yoğunluklu Oksijenin Kas İçi Oksijen Metabolizmasına Etkisinin İşlevsel Yakın Kızılötesi Spektroskopi Kullanılarak İncelemesi [Doktora Tezi, devam ediyor]. Marmara Üniversitesi.
• Felici F, Quaresima V, Fattorini L, Sbriccoli P, Filligoi GC, Ferrari M. Biceps brachii myoelectric and oxygenation changes during static and sinusoidal isometric exercises. J Electromyogr Kinesiol. 2009;19(2):1-11.
• Moalla W, Merzouk A, Costes F, Tabka Z, Ahmaidi S. Muscle oxygenation and EMG activity during isometric exercise in children. J Sports Sci. 2006;24(11):1195-1201.