ESTUDO COMPARATIVO SOBRE DIFERENTES MÉTODOS DE NORMALIZAÇÃO DO SINAL ELETROMIOGRÁFICO APLICADOS AO CICLISMO

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1 ESTUDO COMPARATIVO SOBRE DIFERENTES MÉTODOS DE NORMALIZAÇÃO DO SINAL ELETROMIOGRÁFICO APLICADOS AO CICLISMO C. H. W. Fraga 1,2, C. T. Candotti 1,3, A. C. S. Guimarães 1. 1 Laboratório de Pesquisa do Exercício / LAPEX/ CENESP, Escola de Educação Física, UFRGS. 2 Laboratório de Biomecânica, Departamento de Educação Física, UNESP Rio Claro. 3 Laboratório de Biomecânica, Departamento de Educação Física, UNISINOS - São Leopoldo RS. Resumo: A normalização é um procedimento comum na quantificação do sinal eletromiográfico (EMG), que possibilita a avaliação do nível relativo de ativação para um dado músculo. O objetivo desse estudo foi comparar três diferentes procedimentos de normalização dos sinais eletromiográficos, obtidos em contrações dinâmicas no ciclismo. Dois ciclistas e três triatletas do sexo masculino foram avaliados em dois dias: (1) teste para determinação do segundo limiar ventilatório; (2) teste de ciclismo, para determinar a ativação dos músculos reto femoral, vasto lateral e bíceps femoral, e os ângulos de pedalada. Foram comparados três procedimentos de normalização utilizando diferentes valores de referência: valor RMS de pico atingido dentro de dez ciclos de pedalada, valor RMS médio obtido da curva média de dez ciclos de pedalada, e valor RMS de pico obtido na contração isométrica voluntária máxima (CIVM). Não foram encontradas diferenças significativas entre os procedimentos de normalização analisados. Portanto, o usuário da técnica de eletromiografia poderá escolher qualquer um dos três métodos, de acordo com a praticidade de sua utilização. Palavras Chave: normalização, eletromiografia, ciclismo. Abstract: The normalization is a common procedure to quantify the EMG signal (EMG), and it does allow the evaluation of activation muscle relative level. The objective this study was to compare three different normalization procedures, obtained on dynamic contractions on cycling. Two cyclists and three triathletes male participated of assessments, in two days: (1) ergometer tests to determinate of second ventilatory threshold; (2) tests on bicycle, to determinate the muscle activation of rectus femoris, vastus lateralis and biceps femoris and the pedal angles. It was compare three normalization procedures using different reference values: value RMS of peak dynamic EMG, value RMS of mean dynamic EMG and value RMS of isometric maximal voluntary contraction (imvc). Were not found differences among normalizations procedures evaluated. Therefore, the users can to use any one of three methods, according to the practicality of their use. Key-words: normalization, electromyography, cycling. INTRODUÇÃO A eletromiografia (EMG) representa uma ferramenta essencial para a análise biomecânica do movimento humano, a qual estuda a função do músculo por meio da análise do sinal eletromiográfico emanado durante a contração muscular (BASMAJIAN e DE LUCA, 1985). Essa ferramenta tem sido amplamente utilizada nos últimos 50 anos com objetivo de avaliar estratégias do controle neural para o desenvolvimento de tarefas específicas (ROUFFET e HAUTIER, 2007). Nesse sentido, a EMG de superfície é um método não-invasivo utilizado para obtenção de informações sobre a ativação muscular (FERNÁNDEZ-PENA; LUCERTINI; DITROILO, 2008). Entretanto, essa metodologia tem sido realizada adotando-se diferentes procedimentos de processamento do sinal, o que pode dificultar a comparação entre os experimentos, bem como a reprodutibilidade de seus resultados, devido a grande variabilidade metodológica (YANG e WINTER, 1984). A normalização corresponde a um procedimento de análise do sinal EMG indispensável em estudos que objetivam: (1) comparar resultados experimentais obtidos em diferentes músculos e sujeitos (ROUFFET e HAUTIER, 2007; BOLGLA e UHL, 2007); (2) comparar ângulos articulares diferenciados (KNUTSON et al., 1994); e (3) comparar diferentes condições para um mesmo sujeito em análises realizadas em dias distintos (ROUFFET e HAUTIER, 2007) ou quando o objetivo for 70

2 Carina Helena Wasem Fraga, Cláudia Tarragô Candotti, Antônio Carlos Stringhini Guimarães comparar músculos localizados no lado direito e esquerdo do corpo (LEHMAN e MCGILL, 1999). O procedimento de normalização possibilita a avaliação do nível relativo de ativação para um dado músculo, por meio da relação dos valores absolutos da amplitude do sinal EMG expresso como percentual de um valor de referência comum (BURDEN e BARTLETT, 1999). Diante disso, torna-se importante que pesquisadores utilizem métodos confiáveis de normalização da atividade muscular com objetivo de fazer inferências apropriadas sobre diferentes níveis de ativação muscular (BOLGLA e UHL, 2007; FERNÁNDEZ-PENA; LUCERTINI; DITROILO, 2008). No ciclismo, a EMG é frequentemente realizada com o objetivo de avaliar a atividade muscular durante diferentes fases da pedalada (CANDOTTI et al., 2005). A determinação de um procedimento de normalização específico para essa modalidade esportiva torna-se importante na medida em que sua ativação é regulada por padrões neuromusculares característicos de ação realizada (FERNÁNDEZ-PENA; LUCERTINI; DITROILO, 2008). Contudo, poucos estudos têm sido realizados para determinar o procedimento de normalização adequado para avaliar a influência da ativação de músculos do membro inferior durante o ciclismo em intensidades submáximas (ROUFFET e HAUTIER, 2007). Embora diversos estudos utilizem valores advindos de contrações isométricas voluntárias máximas (CIVMs) como referência padrão para normalização (KNUTSON et al, 1994; YANG e WINTER, 1984), a aplicabilidade desse método para normalização de sinais advindos de contrações dinâmicas tem sido questionada (ERVILHA et al., 1998). Diante disso, alguns estudos sugerem a utilização de valores de pico (ROUFFET e HAUTIER, 2007) ou média (YANG e WINTER, 1984) do sinal EMG, obtidos a partir de contrações dinâmicas. Diante disto, o objetivo desse estudo foi comparar três diferentes procedimentos de normalização dos sinais eletromiográficos, obtidos em contrações dinâmicas, a partir da pedalada de ciclistas e triatletas. MATERIAIS E MÉTODOS Participaram deste estudo sete atletas do sexo masculino (quatro ciclistas e três triatletas), da categoria elite estadual, que treinavam para competições com, pelo menos, duas horas de duração. Todos os atletas assinaram um termo de consentimento livre e esclarecido, concordando com sua participação voluntária nessa pesquisa. O projeto de pesquisa foi aprovado pelo Comitê de Ética da Universidade em que foi realizado. Para a avaliação dos atletas foi utilizado um cicloergômetro computadorizado CARDIO2 (Medical Graphics Corp., St Louis, EUA), o qual fornece a carga de trabalho de cada estágio e a freqüência de giro do pedal, sendo que o selim, o guidão e os pedais originais do cicloergômetro foram substituídos por equipamentos utilizados em bicicletas de competição. O protocolo de teste foi realizado em dois dias, separados por um intervalo de, no mínimo, 48 horas entre eles. No primeiro dia os sujeitos realizaram um teste para determinação do consumo máximo de oxigênio, para cálculo da intensidade referente ao limiar anaeróbico obtido a partir do 2º limiar ventilatório individual (DENADAI, 1995). A partir desse valor, foi possível normalizar fisiologicamente a carga da avaliação subseqüente para todos os indivíduos de forma que, no segundo dia de avaliação, o teste foi realizado em carga constante. Nesse segundo teste, o atleta pedalou na cadência fixa de 60 rpm, por um período de três minutos - uma vez que fosse estabilizada a carga de trabalho estabelecida. Para a obtenção do sinal EMG foi utilizado um conversor análogo-digital de 16 canais CODAS (Dataq Instruments, Inc., Akron, EUA) e um eletromiógrafo de oito canais BORTEC (Bortec Eletronics Inc., Calgary, Canada). O eletromiógrafo possui pré-amplificadores distantes dez centímetros dos eletrodos. Para o registro do sinal eletromiográfico, foram utilizados eletrodos de superfície (Ag/AgCl; com diâmetro de 2,2 cm; com adesivo de fixação de dupla face) na configuração bipolar. Os sinais eletromiográficos foram obtidos de cada um dos músculos, com uma freqüência de 1818 Hz. Foram observadas rigorosamente todas as normas pertinentes ao registro adequado de sinais eletromiográficos, como depilação, limpeza do local com álcool, colocação dos eletrodos e verificação da impedância (aceita quando inferior a 5KW), conforme sugerido na literatura (MERLETTI, 1997) e recomendado pela Sociedade Internacional de Eletrofisiologia e Cinesiologia (SODERBERG E KNUTSON, 2000). Os eletrodos foram alinhados longitudinalmente às fibras musculares e fixados sobre o ventre muscular dos músculos reto femoral (RF), vasto lateral (VL) e bíceps femoral (BF). O eletrodo de referência foi fixado sobre a região da tíbia. Para o processamento dos sinais eletromiográficos foi utilizado o sistema SAD32 de aquisição de dados (versão mp, 2002). Foram analisados os sinais eletromiográficos correspondentes à curva média de dez ciclos consecutivos de pedalada, registrados no final do período de três minutos da coleta de dados. O sinal eletromiográfico foi, então, exposto a um filtro do tipo Butterworth de ordem cinco e, posteriormente, analisado no domínio do tempo, a partir do Root Mean Square (valor RMS), em intervalos de 40 ms (janelamento de Hamming). O sinal EMG correspondente a cada curva média obtida foi submetido a três diferentes 125

3 Normalização do sinal EMG aplicada ao ciclismo procedimentos de normalização, com o intuito de estabelecer posterior comparação entre os métodos: - Valor de referência correspondente ao pico do sinal EMG em contrações dinâmicas: foi utilizado o pico do valor RMS atingido dentro dos dez ciclos de pedalada na cadência de 60 rpm. - Valor de referência correspondente à média do sinal EMG em contrações dinâmicas: foi realizada uma média dos dez ciclos de pedalada e, a partir dessa curva, extraiu-se o valor RMS médio. - Valor de referência correspondente à contração voluntária máxima (CVM): previamente ao protocolo de avaliação foi realizada a coleta da CVM. Para garantir que essa contração fosse isométrica, foi solicitado que o avaliado realizasse um esforço máximo contra uma resistência imposta sobre seu segmento de modo a assegurar a manutenção de um ângulo articular de joelho de 90 graus. Dessa forma, foram realizadas duas coletas: na primeira o avaliado deveria realizar um esforço máximo no sentido da extensão do joelho; e, na segunda, o avaliado deveria realizar o esforço no sentido da flexão de joelho. Previamente, foi realizado um procedimento de familiarização com esses testes. O sinal coletado foi, então, processado e filtrado. O pico máximo do valor RMS foi utilizado como o terceiro valor de referência para normalização. Foram registrados, simultaneamente e de forma sincronizada, os ângulos do pé de vela, do pedal em relação ao pé de vela e a atividade elétrica de três músculos do membro inferior direito dos ciclistas e triatletas. Os ângulos foram obtidos a partir de cinemetria bidimensional (Peak Performance Technologies Inc., Englewood, EUA, versão 5.3), operando a uma freqüência de aquisição 60Hz. Para tanto, as imagens foram digitalizadas possibilitando a identificação do posicionamento dos segmentos coxa, perna e pé a partir de um sistema de coordenadas espaciais. Com intuito de verificar a correlação entre os três procedimentos de normalização adotados, foi realizado um teste de Correlação Linear Produtomomento de Pearson, utilizando-se as curvas médias de cada músculo avaliado. Este procedimento estatístico foi realizado no software SPSS O nível de significância adotado foi 0,05. RESULTADOS Figura 1 - Curvas médias do músculo reto femoral: (a) normalizada pelo pico do valor RMS durante a CVM; (b) normalizada pela média do valor RMS durante a contração dinâmica em 60 rpm; (c) normalizada pelo pico do valor RMS durante a contração dinâmica em 60 rpm. As Figuras 2, 3 e 4 apresentam as correlações obtidas entre os três procedimentos de normalização. Torna-se possível observar que todas as correlações foram altas e significativas. Valor RMS (% pico) R = Valor RMS (% média) Figura 2 - Correlação entre os valores RMS normalizados pelo pico e pela média obtidos durante a contração dinâmica (p<0,05), para o músculo reto femoral. A Figura 1 mostra as curvas médias do músculo reto femoral, durante um ciclo de pedalada (0 à 360 ), para os sete sujeitos da amostra, obtida a partir dos três procedimentos de normalização. 126

4 Carina Helena Wasem Fraga, Cláudia Tarragô Candotti, Antônio Carlos Stringhini Guimarães Valor RMS (% média) R = Valor RMS (% CVM) Figura 3 Correlação entre os valores RMS normalizados pela média obtida durante contração dinâmica e pelo pico obtido durante a CVM (p<0,05), para o Valor RMS (% CVM) músculo reto femoral. Figura 4 - Correlação entre os valores RMS normalizados pelo pico obtido durante a CVM e pelo pico obtido durante a contração dinâmica (p<0,05), para o músculo reto femoral. Comportamento semelhante ao apresentado pelo reto femoral foi também encontrado para os músculos bíceps femoral e vasto lateral, sendo que as correlações variaram de 0,967 a 1,0. Esses valores refletem a existência de uma alta correlação positiva e significativa entre os três procedimentos de avaliação, para os três músculos estudados. DISCUSSÃO R = Valor RMS (% pico) Por meio de uma análise qualitativa da Figura 1 torna-se possível inferir que o comportamento das curvas, para um mesmo músculo, expostas a distintos procedimentos de normalização, não apresenta diferenças em seus envoltórios. Isso significa que seus picos e vales permanecem no mesmo ângulo, independente do procedimento de normalização utilizado. As diferenças encontradas nos valores relativos ocorrem apenas porque a mesma curva está relacionada a valores de referência diferenciados. Dessa forma, independente do método de normalização escolhido, o comportamento da curva é o mesmo. A semelhança na análise qualitativa nos envoltórios das curvas expostas a diferentes métodos de normalização tem sido, frequentemente, descrita na literatura (FERNÁNDEZ-PENA; LUCERTINI; DITROILO, 2008; KNUTSON et al., 1994),. De forma análoga, uma análise quantitativa realizada a partir do teste de Correlação Linear Produto-momento de Pearson, permitiu verificar que existe uma forte correlação, estatisticamente significativa, entre os diferentes procedimentos de normalização analisados. Embora a CVM seja mais utilizada como valor de referência para normalização (SODERBERG e KNUTSON, 2000), a existência desta forte correlação entre os diferentes procedimentos permite afirmar que o usuário poderá escolher entre qualquer um dos procedimentos mencionados. Entretanto, a literatura sugere a utilização de valores obtidos em contrações dinâmicas na medida em que os métodos que utilizam os valores do pico e da média do sinal EMG são mais facilmente empregados, requerem simples adaptações de software e não necessitam de coleta adicional de dados para extrair seus valores referência (ROUFFET e HAUTIER, 2007; YANG e WINTER, 1984). A maior desvantagem desses métodos é que o valor de referência não fornece informações sobre o grau de esforço requerido para executar uma dada atividade, não possibilitando, assim, o conhecimento da capacidade máxima do sujeito, que pode ser essencial em certas condições (YANG e WINTER, 1984). Outra desvantagem refere-se ao fato de que a normalização realizada a partir de contrações dinâmicas pode ser influenciada por modificações advindas da relação força-velocidade, além de outros fatores como as mudanças na massa muscular abaixo da localização do eletrodo ou devido aos deslocamentos que os eletrodos sofrem durante os movimentos (KNUTSON et. al., 1994). Contudo, estudos com objetivo de verificar a reprodutibilidade das medidas de procedimentos de normalização a partir dos valores obtidos em contrações dinâmicas e isométricas indicaram a utilização dos procedimentos de normalização pela média e pelo pico do sinal EMG durante a atividade dinâmica, devido aos menores coeficientes de variabilidade encontrados (ERVILHA et al., 1998; YANG e WINTER, 1984). Alguns estudos ainda têm utilizado o valor da CVM obtido em um ângulo articular de referência arbitrário para normalizar o sinal EMG em atividades dinâmicas, como a caminhada ou o ciclismo. Entretanto, essa prática fornece resultados imprecisos, na medida em que diferentes ângulos articulares apresentam mudanças na porção muscular de abrangência do eletrodo, bem como altera a relação forçacomprimento do músculo, podendo causar mudanças no valor máximo EMG (MIRKA, 1991). Além disso, ressalta-se que a habilidade em ativar todas as unidades motoras de forma máxima (processo que é requerido em contrações voluntárias máximas), depende de muitos fatores, 127

5 Normalização do sinal EMG aplicada ao ciclismo tais como a ativação muscular, o nível de treinamento e a motivação. Se não houver um apropriado treinamento do sujeito, a CVM pode ser 20 a 40% menor do que a verdadeira contração máxima (SODERBERG E KNUTSON, 2000), Mesmo diante dessas afirmações, alguns autores têm realizado a normalização do sinal EMG utilizando o valor de referência obtido na CVM, com base na reprodutibilidade das medidas encontrada (KNUTSON et. al., 1994). Dessa forma, como não foram encontradas diferenças entre os procedimentos aqui mencionados, a escolha de um dos métodos pode ser determinada pela praticidade de sua utilização, dependendo do protocolo de avaliação adotado. Como exemplo, em testes de fadiga muscular que ocorrem em um contexto de contração isométrica sustentada, seria indicado a normalização do sinal por meio de um valor de referência advindo da CVM. Já, para atividades que envolvam contrações dinâmicas (como a análise do ciclismo ou da marcha), parece mais apropriado realizarmos a normalização pela contração dinâmica. CONCLUSÃO Os resultados sugerem que o usuário da técnica de eletromiografia tem livre escolha no que se refere ao procedimento de normalização, pois seus resultados não serão influenciados pelo procedimento adotado. Portanto, procedimentos de normalização do sinal EMG que utilizem valores obtidos em contrações dinâmicas (em comparação aqueles que envolvam CIVMs), parecem mais adequados para atividades como o ciclismo, pela praticidade da metodologia a ser empregada. REFERÊNCIAS 1. Basmajian JV, De Luca CJ. Muscle alive: their functions revealed by electromyography. Baltimore: Williams & Wilkins, Burden A, Bartlett R. Normalisation of EMG amplitude: an evaluation and comparison of old and new methods. Med. Eng. Phys. 1999; 21: Bolgla LA, Uhl TL. Reliability of electromyographic normalization methods for evaluating the hip musculature. J. Electromyogr. Kinesiol. 2007; 17: Candotti CT, Soares DP, Rocha EK, Fraga, C, BagatiniI D, Loss JF, Guimarães AC. Análise do sinal EMG da pedalada de ciclistas de elite em quatro diferentes cadencias. FIEP Bulletin. 2005; 75: Denadai BS. Limiar anaeróbico: considerações fisiológicas e metodológicas, Rev. Brasileira de Atividade Física e Saúde. 1995: 1(2): Ervilha UF, Duarte M, Amadio AC. Estudo sobre procedimento de normalização do sinal eletromiográfico durante o movimento humano. Revista Brasileira de Fisioterapia. 1998; 3(1): Fernández-Peña E, Lucertini F, Ditroilo M. A maximal isokinetic pedalling exercise for EMG normalization in cycling. J.Electromyogr. Kinesiol. 2008; In press. 8. Knutson LM, Soderberg GL, Ballantyne BT, Clarke WR. A study of various normalization procedures for within day electromyographic data. J.Electromyogr. Kinesiol. 1994; 4(1): Lehman GJ, McGill SM. The importance of normalization in the interpretation of electromyography: a proof of principle. J. Manipulative Physiol. Ther. 1999; 22: Merletti R. Standards for reporting EMG data. J.Electromyogr. Kinesiol. 1997; 7: Mirka GA. The quantication of the EMG normalization error. Ergonomics. 1991; 34(3): Rouffet DM, Hautier CA. EMG normalization to study muscle activation in cycling. J.Electromyogr. Kinesiol. 2007; In press. 13. Soderberg GL, Knutson LM. A guide for use and interpretation of kinesiologic electromyographic data. Phys. Ther. 2000; 80(5): Yang JF, Winter DA. Electromyographic amplitude normalization methods: improving their sensitivity as diagnostic tools in gait analysis. Arch.Phys. Med. Rehabil. 1984; 65: Winter DA. Biomechanics and motor control of human movement, 2 ed., ENDEREÇO PARA CORRESPONDÊNCIA: Carina Helena Wasem Fraga Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP). Laboratório de Biomecânica Departamento de Educação Física. Av. 24-A, n Bela Vista. Rio Claro / SP CEP: Tel.: (19) Fax: (19)

6 Carina Helena Wasem Fraga, Cláudia Tarragô Candotti, Antônio Carlos Stringhini Guimarães Agradecimentos: Ao apoio financeiro concedido pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). Ao professor Antônio Carlos Stringhini Guimarães pela contribuição essencial para elaboração desse trabalho (in memoriam). 129