EMG nedir? Araştırmada yüzey EMG ve EMG sensörü seçimi

01EMG nedir, yüzey EMG neyi ölçer?

Elektromiyografi (EMG), kas lifleri kasılırken oluşan elektriksel etkinliğin kaydıdır; yüzey EMG (sEMG) bu etkinliği deriye yapıştırılan elektrotlarla, iğne kullanmadan ölçer. “EMG” sözcüğü Türkiye’de çoğunlukla hastanelerde yapılan bir tetkiki çağrıştırır: iğne EMG’si ve sinir iletim çalışmaları, kas ve sinir hastalıklarının tanısında kullanılan, hekim tarafından yapılan ve hekim değerlendirmesiyle yorumlanan testlerdir. Bu yazı o testleri değil, araştırmada kullanılan yüzey EMG’yi anlatır: ergonomi, spor bilimleri, biyomekanik, motor kontrol, rehabilitasyon araştırmaları ve insan-bilgisayar etkileşimi çalışmalarında kasın ne zaman, ne kadar ve nasıl çalıştığını ölçen yöntemi.

Bir kası kasılmaya yönelten komut omurilikteki motor nöronlardan gelir. Bir motor nöron ve onun uyardığı kas liflerinin tümüne motor ünite denir. Motor nöron ateşlendiğinde lifler boyunca yayılan elektriksel dalga, motor ünite aksiyon potansiyelini (MUAP) oluşturur. Yüzey elektrotları tek bir lifi ya da tek bir motor üniteyi görmez; altlarındaki doku hacminde etkin olan çok sayıda motor ünitenin aksiyon potansiyeli dizilerinin toplamını kaydeder. Bu toplam, deri altı yağ ve deri gibi dokulardan geçerken zayıflar ve yüksek frekansları süzülür. Kasılma kuvveti arttıkça hem devreye giren motor ünite sayısı hem de ünitelerin ateşleme hızı artar; yüzey EMG’nin genliği büyük ölçüde bu ikisinin ortak sonucudur (De Luca 1997).

02Yüzey EMG sinyalinin özellikleri

Yüzey EMG, EEG’ye göre büyük ama yine de küçük bir sinyaldir. Ders kitaplarında ve üretici belgelerinde verilen tipik değerler aşağıdadır; gerçek değerler kasa, elektrot düzenine, deri altı dokunun kalınlığına ve kasılma düzeyine göre değişir.

Genlik

Güçlü kasılmalarda birkaç milivolta ulaşabilir; dinlenmede kaydı büyük ölçüde amplifikatör gürültüsü ve çevresel girişim belirler. Mikrovolt cinsinden mutlak genlik, kişiler ve oturumlar arasında doğrudan karşılaştırılamaz.

Frekans içeriği

Kullanılabilir güç tipik olarak yaklaşık 10–20 Hz ile 400–500 Hz arasındadır; gücün büyük bölümü yaklaşık 50–150 Hz bandında toplanır.

Gürültü ve artefakt

Elektrot ile deri arasındaki hareket 20 Hz’in altında yavaş dalgalanmalar, elektrik şebekesi 50 Hz’te ve katlarında dar çizgiler üretir. Gövde kaslarından yapılan kayıtlara EKG atımları da karışabilir.

Çapraz konuşma (crosstalk)

Komşu kasların etkinliği hacim iletimiyle elektrotlara ulaşabilir; küçük ve birbirine yakın kaslarda yorum yaparken bunu hesaba katmak gerekir.

Örnekleme hızı bu frekans içeriğinden seçilir. Nyquist ölçütüne göre en yüksek frekansın en az iki katında örneklemek gerekir; yaklaşık 500 Hz’e kadar uzanan bir sinyal için bu, en az 1000 Hz demektir. Araştırma sistemlerinde 1000–2000 Hz yaygındır. Çözünürlük (bit sayısı), giriş aralığı ve ortak mod reddetme oranı (CMRR) da sinyalin şebeke girişiminden ne kadar iyi ayrılacağını belirler.

03Elektrot yerleşimi ve deri hazırlığı: SENIAM önerileri

Yüzey EMG’de sonucu en çok etkileyen kararlardan biri elektrodun nereye konduğudur. Avrupa’da 1996–1999 yılları arasında yürütülen SENIAM projesi (Surface EMG for a Non-Invasive Assessment of Muscles), yayınlardaki yöntem farklılıklarını inceleyip sensörler, yerleşim ve deri hazırlığı için ortak öneriler yayımladı ve bunları 27 kas için ayrıntılandırdı (Hermens ve ark. 2000). Bu öneriler bugün de en çok başvurulan çerçevedir:

• Bipolar düzen: iki kayıt elektrodu kas lifleri doğrultusunda yan yana konur; amplifikatör ikisi arasındaki farkı ölçer.
• Elektrot boyutu: kas lifi doğrultusunda en fazla 10 mm.
• Elektrotlar arası mesafe: merkezden merkeze 20 mm.
• Konum: her kas için tarif edilmiş anatomik işaretlere göre; örneğin biceps brachii için akromiyonun medial kenarı ile dirsek çukurunu birleştiren çizgi üzerinde, dirsek çukurundan üçte bir uzaklıkta.
• Yönelim: elektrot çifti kas lifleriyle aynı doğrultuda.
• Referans elektrodu: elektriksel olarak etkin olmayan bir bölgeye; biceps için bilek çevresi.
• Deri hazırlığı: bölge kıllıysa tıraş edilir, alkolle temizlenir ve alkol buharlaşıp deri kuruyana kadar beklenir.

Bipolar ölçümün mantığı basittir: iki elektroda aynı anda ulaşan şebeke girişimi gibi ortak sinyaller farkta büyük ölçüde birbirini götürür, kasın iki elektrot altında farklı zamanlarda geçen etkinliği ise kalır. Bu nedenle iki elektrodun deri temasının benzer olması önemlidir; temas empedansları çok farklıysa ortak sinyal tam bastırılamaz. Elektrotları innervasyon bölgesinin, yani motor uç plakların yoğun olduğu bölgenin tam üstüne koymak sinyali zayıflatıp kararsızlaştırabildiği için yerleşim tarifleri bu bölgeden kaçınır (Merletti ve Muceli 2019). Yerleşimi, deri hazırlığını, elektrot tipini ve aralığını yayında raporlamak, çalışmanın tekrarlanabilmesi için şarttır.

04EMG sinyali nasıl işlenir?

Ham EMG’den yoruma giden yol birkaç standart adımdan oluşur. Her adımdaki seçim (filtre kesim frekansı, pencere uzunluğu, eşik) sonucu değiştirdiği için yayında raporlanmalıdır.

1. Bant geçiren filtre: EMG bandının altındaki hareket artefaktını ve DC kaymasını, üstündeki gürültüyü giderir; 20–450 Hz gibi bir aralık yaygındır. Faz kaymasını önlemek için filtre ileri ve geri uygulanabilir.
2. Şebeke gürültüsü: 50 Hz çentik filtre girişimi kaldırır ama EMG’nin aynı frekanstaki gücünü de alır; bu yüzden önce kaynağı (kablolar, topraklama, deri teması) düzeltmek tercih edilir.
3. Doğrultma: sinyalin mutlak değeri alınır (tam dalga doğrultma); böylece pozitif ve negatif salınımlar ortalamada birbirini götürmez.
4. Zarf ve RMS: doğrultulmuş sinyal birkaç hertzlik bir alçak geçiren filtreyle yumuşatılarak doğrusal zarf elde edilir; alternatif olarak kısa kayan pencerelerde (ör. 100 ms) RMS hesaplanır. İkisi de kasılmanın şiddetini zaman içinde izler.
5. Başlangıç tespiti: kasın ne zaman devreye girdiği, dinlenme dönemindeki ortalamanın üzerine belirli sayıda standart sapma ekleyen bir eşikle ya da Teager–Kaiser enerji operatörü gibi yöntemlerle bulunur; çok kısa eşik aşımları reddedilir.
6. Normalleştirme: mikrovolt cinsinden genlik elektrot, deri ve doku koşullarına bağlı olduğundan, genellikle maksimal istemli kasılmanın (MVC) yüzdesi olarak ifade edilir. MVC’nin güvenle yapılamadığı gruplarda başka referanslar kullanılır; hangi yöntemin seçileceği araştırma sorusuna bağlıdır (Besomi ve ark. 2020).
7. Yorgunluk analizi: sürekli bir kasılmada kas lifi iletim hızı düştükçe EMG spektrumu düşük frekanslara kayar. Kısa pencerelerde hesaplanan medyan frekansın (MDF) ya da ortalama frekansın (MNF) zamanla azalması, kas yorgunluğunun yaygın bir göstergesidir (De Luca 1997).

Bu adımlardan çıkan ölçüler farklı sorulara cevap verir. Aşağıdaki tablo en sık raporlananları özetler; bu sayfadaki analiz laboratuvarında aynı adımları sentetik bir biceps kaydı üzerinde tek tek izleyebilirsiniz.

05EMG cihazı araştırmada ne işe yarar?

“EMG cihazı ne işe yarar?” sorusunun araştırmadaki cevabı, kasın ne zaman ve ne kadar çalıştığını gözle görülen davranıştan bağımsız ve nicel olarak göstermesidir. Başlıca kullanım alanları şunlardır:

Ergonomi ve iş sağlığı araştırmaları

Bir iş istasyonunda, alet kullanımında ya da tekrarlayan görevlerde boyun, omuz ve sırt kaslarının yükü ve yorgunluğu karşılaştırılır.

Spor bilimleri ve biyomekanik

Bir hareketin hangi kaslarla ve hangi sırayla yapıldığı, kuvvet ve hareket verisiyle (goniometre, ivmeölçer, kuvvet platformu) birlikte incelenir.

Rehabilitasyon araştırmaları

Yürüme, denge ve motor kontrol çalışmalarında kas aktivasyon örüntüleri ölçülür. Bu ölçümler araştırma verisidir; bir kişiye ilişkin klinik karar hekim değerlendirmesiyle verilir.

Protez ve insan-bilgisayar etkileşimi

Miyoelektrik kontrolde EMG örüntüleri bir protezi, bir robot kolu ya da bir arayüzü yönetmek için sınıflandırılır; jest tanıma çalışmaları da bu alanın parçasıdır.

EEG ile birlikte

Beyin ile kas arasındaki eşleşme (kortikomusküler koherans) incelenebilir; motor imgeleme çalışmalarında EMG, katılımcının gerçekten kıpırdamadığını doğrular.

Yüksek yoğunluklu EMG

Kasın üzerine yerleştirilen elektrot gridleriyle onlarca ya da yüzlerce kanal kaydedilir; etkinliğin kas üzerindeki dağılımı haritalanabilir ve uygun koşullarda tek tek motor ünitelerin ateşlemeleri ayrıştırılabilir (Merletti ve Muceli 2019).

06Araştırma için EMG sistemi seçenekleri

“EMG sensörü”, “EMG kas sensörü” ya da “EMG cihazı” diye aranan ürünler, kullanım amacına göre birbirinden çok farklıdır. Aşağıdaki tablo seçenekleri marka değil, kullanım üzerinden karşılaştırır.

07EMG cihazı seçerken nelere bakılmalı?

Teknik şartname hazırlarken ya da bir satın alma kararı verirken şu sorular yol gösterir:

• Kaç kas, aynı anda kaç kanal gerekiyor; ileride kanal eklenecek mi?
• Kayıt laboratuvarda mı, sahada mı yapılacak; katılımcı ne kadar hareket edecek?
• Örnekleme hızı, bant genişliği, çözünürlük ve CMRR yapılacak analize, örneğin frekans analizine yetiyor mu?
• EMG; EEG, kuvvet, eklem açısı, video ya da hareket yakalama ile aynı saatte kaydedilecek mi? Tetik girişi ya da Lab Streaming Layer (LSL) gibi bir senkronizasyon yolu var mı?
• Ham veri dışa aktarılabiliyor mu; kendi analiz araçlarınızla (Python, MATLAB) çalışabiliyor musunuz?
• Elektrotlar tek kullanımlık mı; sarf malzemesi bütçeye eklendi mi?
• Kurulum, eğitim ve teknik destek nasıl sağlanacak?

Bir EMG sisteminin fiyatını da büyük ölçüde bu sorular belirler: kanal sayısı, kablosuz olup olmaması, yazılım ve analiz eklentileri ve diğer sinyallerle entegrasyon. Nevosa, bu sayfada listelenen PLUX ve g.tec sistemlerini sağlar; kurulum, eğitim ve teknik destek verir. Çalışmanıza uygun yapılandırma için teklif formuna kaç kası, hangi ortamda ve hangi sinyallerle birlikte kaydetmek istediğinizi yazmanız yeterlidir.