Elektromyografie (EMG) je technika pro hodnocení a záznam fyziologických vlastností svalů v klidu a při kontrakci. EMG se provádí pomocí přístroje zvaného elektromyograf, který vytváří záznam zvaný elektromyogram. Elektromyograf zjišťuje elektrický potenciál generovaný svalovými buňkami při jejich kontrakci a také v klidovém stavu.
Elektrické vlastnosti
Typická frekvence opakování zážehu svalové jednotky je přibližně 7-20 Hz v závislosti na velikosti svalu (oční svaly versus sedací (gluteální) svaly), předchozím poškození axonů a dalších faktorech. Poškození motorických jednotek lze očekávat v rozmezí 450 až 780 mV.
Vývoj EMG začal dokumentací Francesca Rediho v roce 1666. Dokument informuje o tom, že vysoce specializovaný sval rejnoka elektrického generuje elektřinu. Do roku 1773 se Walshovi podařilo prokázat, že svalová tkáň úhořovitých ryb dokáže generovat elektrickou jiskru. V roce 1792 vyšla publikace s názvem „De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius“, jejímž autorem byl Luigi Galvani a kde autor prokázal, že elektřina může iniciovat svalové kontrakce. O šest desetiletí později, v roce 1849, Dubios-Raymond zjistil, že je možné zaznamenat elektrickou aktivitu i během dobrovolné svalové kontrakce. První záznam této aktivity provedl Marey v roce 1890, který také zavedl termín elektromyografie. V roce 1922 použili Gasser a Erlanger osciloskop k zobrazení elektrických signálů ze svalů. Vzhledem ke stochastické povaze myoelektrického signálu bylo možné z jeho pozorování získat pouze hrubé informace. Schopnost detekce elektromyografických signálů se od 30. do 50. let 20. století neustále zlepšovala a vědci začali pro studium svalů ve větší míře používat zdokonalené elektrody. Klinické využití povrchové EMG (sEMG) pro léčbu specifičtějších poruch začalo v 60. letech 20. století. Hardyck a jeho výzkumníci byli prvními (1966) praktickými lékaři, kteří sEMG používali. Na počátku 80. let 20. století představili Cram a Steger klinickou metodu snímání různých svalů pomocí EMG snímacího zařízení.
Teprve v polovině 80. let 20. století pokročily integrační techniky v oblasti elektrod natolik, že umožnily sériovou výrobu potřebných malých a lehkých přístrojů a zesilovačů. V současné době je komerčně k dispozici řada vhodných zesilovačů. Počátkem 80. let byly k dispozici kabely, které produkují artefakty v požadovaném mikrovoltovém rozsahu. Během posledních 15 let vedl výzkum k lepšímu pochopení vlastností povrchového EMG záznamu. V posledních letech se povrchová elektromyografie stále častěji používá pro záznam z povrchových svalů v klinických protokolech, kde se intramuskulární elektrody používají pouze pro hluboké svaly.
Využití EMG má mnoho aplikací. EMG se klinicky používá k diagnostice neurologických a nervosvalových problémů. Diagnosticky ji využívají laboratoře zabývající se chůzí a lékaři vyškolení v používání biofeedbacku nebo ergonomického hodnocení. EMG se také používá v mnoha typech výzkumných laboratoří, včetně těch, které se zabývají biomechanikou, řízením motoriky, neuromuskulární fyziologií, poruchami pohybu, posturální kontrolou a fyzikální terapií.
Při provádění intramuskulární EMG se jehlová elektroda zavádí přes kůži do svalové tkáně. Vyškolený lékař (nejčastěji fyziatr, neurolog, chiropraktik nebo fyzioterapeut) při zavádění elektrody pozoruje elektrickou aktivitu. Aktivita při zavádění poskytuje cenné informace o stavu svalu a jeho inervujícího nervu. Normální svaly v klidu vydávají při zavedení jehly určité, normální elektrické zvuky. Poté se studuje elektrická aktivita, když je sval v klidu. Abnormální spontánní aktivita může ukazovat na určité poškození nervu a/nebo svalu. Poté je pacient požádán, aby sval plynule stáhl. Posuzuje se tvar, velikost a frekvence výsledných potenciálů motorických jednotek. Poté se elektroda zasune o několik milimetrů a opět se analyzuje aktivita, dokud se nezíská alespoň 10-20 jednotek. Každá elektrodová stopa poskytuje pouze velmi lokální obraz aktivity celého svalu. Protože se kosterní svaly liší vnitřní strukturou, musí být elektroda umístěna na různých místech, aby bylo možné získat přesnou studii.
Intramuskulární EMG může být v některých případech považována za příliš invazivní nebo příliš specifickou. Povrchovou elektrodou lze sledovat celkový obraz svalové aktivace, na rozdíl od aktivity pouze několika vláken, která se sleduje pomocí jehly. Tato technika se používá v řadě zařízení; například na fyzioterapeutické klinice se aktivace svalů sleduje pomocí povrchové EMG a pacienti mají k dispozici zvukové nebo vizuální podněty, které jim pomáhají poznat, kdy aktivují sval (biofeedback).
Motorická jednotka je definována jako jeden motorický neuron a všechna svalová vlákna, která inervuje. Když motorická jednotka vystřelí, impuls (nazývaný akční potenciál) se přenese po motorickém neuronu do svalu. Oblast, kde se nerv dotýká svalu, se nazývá nervosvalové spojení nebo koncová motorická ploténka. Poté, co je akční potenciál přenesen přes nervosvalové spojení, je akční potenciál vyvolán ve všech inervovaných svalových vláknech dané motorické jednotky. Souhrn všech těchto elektrických aktivit se nazývá akční potenciál motorické jednotky (MUAP). Tato elektrofyziologická aktivita z více motorických jednotek se obvykle vyhodnocuje během EMG. Složení motorické jednotky, počet svalových vláken na motorickou jednotku, metabolický typ svalových vláken a mnoho dalších faktorů ovlivňuje tvar potenciálů motorické jednotky na myogramu.
Současně s EMG se často provádí také vyšetření nervového vedení, které slouží k diagnostice neurologických onemocnění.
Občas může být zákrok pro pacienty poněkud bolestivý, zatímco jiní pociťují při zavádění jehly pouze malé nepohodlí. Testovaný sval nebo svaly mohou být den nebo dva po zákroku mírně bolestivé.
Svalová tkáň je v klidovém stavu normálně elektricky neaktivní. Po odeznění elektrické aktivity způsobené drážděním při zavádění jehly by elektromyograf neměl detekovat žádnou abnormální spontánní aktivitu (tj. sval v klidu by měl být elektricky tichý, s výjimkou oblasti nervosvalového spojení, které je normálně elektricky velmi spontánně aktivní). Při dobrovolné kontrakci svalu se začnou objevovat akční potenciály. Se zvyšující se silou svalové kontrakce produkuje akční potenciály stále více svalových vláken. Při úplné kontrakci svalu by se měla objevit neuspořádaná skupina akčních potenciálů s různou rychlostí a amplitudou (úplný náborový a interferenční vzorec).
EMG se používá k diagnostice dvou obecných kategorií onemocnění: neuropatie a myopatie.
Neuropatické onemocnění má následující charakteristické znaky EMG:
Myopatické onemocnění má tyto charakteristické EMG znaky:
Vzhledem k individualitě každého pacienta a onemocnění se některé z těchto charakteristik nemusí objevit u každého případu.
Abnormální výsledky mohou být způsobeny následujícími zdravotními stavy (upozorňujeme, že se nejedná o vyčerpávající seznam stavů, které mohou vést k abnormálním EMG studiím):
EMG signály jsou v podstatě tvořeny překrývajícími se akčními potenciály motorických jednotek (MUAP) z několika motorických jednotek. Pro důkladnou analýzu lze naměřené EMG signály rozložit na jednotlivé MUAP. MUAP z různých motorických jednotek mají tendenci mít různé charakteristické tvary, zatímco MUAP zaznamenané stejnou elektrodou ze stejné motorické jednotky jsou si obvykle podobné. Velikost a tvar MUAP závisí na tom, kde je elektroda umístěna vzhledem k vláknům, a proto se může zdát, že se liší, pokud elektroda změní polohu. Rozklad EMG není triviální, ačkoli bylo navrženo mnoho metod.
EMG signály se používají v mnoha klinických a biomedicínských aplikacích. EMG se používá jako diagnostický nástroj pro identifikaci nervosvalových onemocnění, hodnocení bolesti zad, kineziologie a poruch motorické kontroly. EMG signály se také používají jako řídicí signál pro protetická zařízení, jako jsou protézy rukou, paží a dolních končetin.
EMG lze použít ke snímání izometrické svalové aktivity, při níž nedochází k žádnému pohybu. To umožňuje definovat třídu jemných bezpohybových gest pro ovládání rozhraní bez povšimnutí a bez narušení okolního prostředí. Tyto signály lze použít k ovládání protézy nebo jako řídicí signál pro elektronické zařízení, jako je mobilní telefon nebo PDA.
EMG signály byly zaměřeny na řízení letových systémů. Skupina Human Senses Group ve výzkumném středisku NASA Ames Research Center v Moffett Field v Kalifornii usiluje o zdokonalení rozhraní člověk-stroj přímým propojením člověka s počítačem. V tomto projektu se EMG signál používá jako náhrada mechanických joysticků a klávesnic. EMG se také používá ve výzkumu „nositelného kokpitu“, který využívá gesta založená na EMG k manipulaci s přepínači a ovládacími páčkami nezbytnými pro let ve spojení s displejem na bázi brýlí.
Rozpoznávání neznělé řeči rozpoznává řeč na základě sledování EMG aktivity svalů spojených s řečí. Je určeno pro použití v hlučném prostředí a může být užitečné pro osoby bez hlasivek a osoby s afázií.
EMG se také používá jako řídicí signál pro počítače a další zařízení. Zařízení s rozhraním založené na EMG by mohlo být použito k ovládání pohybujících se objektů, jako jsou mobilní roboti nebo elektrický invalidní vozík. To může být užitečné pro osoby, které nemohou ovládat invalidní vozík ovládaný joystickem. Záznamy povrchové EMG mohou být také vhodným řídicím signálem pro některé interaktivní videohry.