Come pedalano i nostri muscoli? Ecco una analisi EMG approfondita
Analisi EMG e valutazione approfondita dell’intervento dei muscoli durante la pedalata
In seguito all’articolo scritto pochi giorni fa riguardante “Quali muscoli sono coinvolti durante la pedalata?” fa seguito un approfondimento, legato al come i nostri muscoli intervengono e in quale misura.
Questo articolo nasce da una sintesi della mia tesi di Laurea Magistrale, scritta in collaborazione con Pietro Peyron della Facoltà di Fisica e con Pierluigi Senor della Facoltà di Informatica.
Lo scopo di questo esperimento era la valutazione del rapporto tra livello del carico di lavoro e livello di attività muscolare, e sui tempi di attivazione tra il 60 e il 75% del MAP tramite EMG di superficie (sEMG) in 8 muscoli dell’arto inferiore destro. Questo collegamento è stato indagato attraverso 5 prove a carico costante a 60, 65, 70, 75 e 100% della potenza aerobica massima in modo da:
• Determinare se un piccolo incremento di potenza possa dare luogo ad una variazione rilevabile attività EMG;
• Dare ulteriori suggerimenti per la comprensione dei motivi della sincronizzazione dell’attivazione muscolare (timing) con il livello di carico di lavoro;
• Valutare se vi possa essere una notevole variazione del livello di attività muscolare tra 227,0 ± 5,9 watt e 273,0 ± 6,4 watt (cioè i livelli di carico di lavoro corrispondente al 60 e il 75% del VO2max determinati nello studio di Blake et al. ).
I risultati di questo studio possono fornire ulteriori approfondimenti sulla tecnica di pedalata, in quanto il confronto delle attività muscolari con i fattori agenti sul lavoro meccanico potrà sviluppare la comprensione dell’ efficienza e le prestazioni nel ciclismo.
Protocollo
Il protocollo di test consisteva in due sessioni condotte nel seguente ordine:
• test incrementale con la propria bicicletta montata su cicloergometro fino ad esaurimento per determinare la potenza aerobica massima (MAP) di per ogni soggetto;
• sessione sperimentale per la valutazione del livello di attivazione muscolare e i tempi di attivazione (timing) tramite EMG di superficie tra il 60% e il 75% della potenza aerobica massima precedentemente valutata.
Il passo primo da eseguire prima dell’inizio della prova è stata la rilevazione della zona di innervazione (IZ) dei muscoli, in modo da posizionare accuratamente gli elettrodi. La zona di innervazione è stato acquisita per ogni singolo muscolo analizzato attraverso l’Atlante di Muscle Innervation Zone e la disposizione lineare di 16 elettrodi. L’Atlante delle zone di innervazione del muscolo mostra la struttura anatomica di riferimento per ogni muscolo.
È stato quindi necessario misurare con un metro la struttura anatomica di riferimento e porre con attenzione gli elettrodi su di essa, mentre al soggetto è stato chiesto di effettuare una contrazione volontaria e il segnale EMG è stato registrato per 15 canali differenti, il canale in cui la direzione di propagazione del picco d’azione potenziale lungo la zona indagata rappresenta la regione IZ, quindi l’elettrodo bipolare è stato posto sul muscolo valutato fuori da questa zona. Ogni contrazione è stata eseguita due volte per ogni muscolo, cioè con il ginocchio a 90° e 180°, per rilevare il cambiamento della posizione della regione di IZ nelle due estremità della pedalata.
Analisi EMG
I segnali EMG di superficie sono stati registrati da otto muscoli degli arti inferiori (grande gluteo (GM), retto femorale (RF), vasto laterale (VL), vasto mediale (VM) bicipite femorale (BF), semitendinoso (ST), gastrocnemio laterale(LG), e tibiale anteriore (TA)) con elettrodi bipolari di superficie concentrici.
La posizione ottimale e l’orientamento della matrice sono stati ricercati e selezionati per ogni muscolo, sulla base del controllo visivo dei segnali EMG. Come già detto prima, le principali zone di innervazione di ogni muscoli erano identificate prima del posizionamento degli elettrodi.
Durante la ricerca della posizione ottimale degli elettrodi, i segnali EMG sono stati registrati e visualizzati su uno schermo di un computer mentre il partecipante ha prodotto contrazioni isometriche submassimali di ogni muscolo separatamente.
Questa procedura è stata ripetuta in diverse parti per ciascun muscolo fino alla zona con chiara azione del potenziale propagazione delle fibre muscolari e le principali zone di innervazione sono state identificate. La disposizione è stata poi posta parallelamente alle fibre muscolari, sia prossimale che distale rispetto alla sede principale della zona di innervazione, a seconda delle caratteristiche anatomiche del partecipante, dove è stato rilevata la propagazione unidirezionale del potenziale d’azione delle unità motorie. Per evitare che la zona di innervazione o il tendine si muovessero sotto gli elettrodi durante il movimento, la posizione ottimale delle matrici è stata controllata sia per la massima estensione sia angoli di flessione.
Dopo la preparazione della prova, al soggetto è stato chiesto di pedalare sulla sua bicicletta montata sul cicloergometro Spintrainer di Technogym e si è esercitato con 10 minuti di riscaldamento a 125 Watt e cadenza scelta liberamente. Dopo il riscaldamento il soggetto ha trascorso 5 minuti di recupero, durante i quali è stato acquisito un segnale EMG della durata di 5 secondi.
Quindi il protocollo sperimentale è iniziato con il periodo di riposo di 5 minuti seguita da un lavoro di 90 secondi ad un livello di carico di lavoro fisso da ripetere per 5 differenti livelli di potenza. Le 5 prove sono state presentate in maniera randomizzata ad ogni atleta ed erano: 60, 65, 70, 75 e 100% della massima potenza aerobica (MAP) rilevata durante il precedente test ad esaurimento. Durante ogni test, ai soggetti è stato chiesto di tenere un ritmo di cadenza fisso tra 80 e 90 rpm.
Durante gli ultimi 30 secondi di ogni prova a carico costante, il segnale EMG è stata acquisita dagli otto muscoli degli arti inferiori.
Analisi dei dati
Tutti i dati sono stati analizzati con un programma personalizzato scritto in MATLAB R2014a (The MathWorks, Natick, MA).
Le registrazioni EMG sono state ispezionate per scartare i segnali disturbati dal rumore. I segnali EMG sono stati rettificati e mediati durante tutti i cicli di pedalata al fine di ottenere una rappresentazione dei profili EMG.
Per facilitare il confronto tra i soggetti e potenza espressa, l’EMG da ogni muscolo è stata valutata per la media dei suoi picchi registrati durante l’analisi del 100% della massima potenza aerobica (MAP) e ri-campionati ogni 1% del ciclo.
Per ogni soggetto, i segnali EMG normalizzati sono stati combinati in una matrice m x t, dove m indica il numero di muscoli (8 in questo caso) e t è la base dei tempi (100 campioni). Il valore rettificato medio (ARV) di segnali EMG è stato calcolato come indice dell’attività del muscolo. Onset e offset sono determinati da questo modello in media con un valore di soglia ARV EMG fissato al 20% del picco EMG registrato durante il test a 100% della massima potenza aerobica. I segnali EMG normalizzati sono stati poi filtrati passa-basso per produrre frequenze lineari.
Il segnale non processato acquisito attraverso gli elettrodi è chiamato segnale EMG grezzo e rileva i potenziali d’azione di unità motoria.
Una volta che la media del segnale è stata calcolata per gli 8 muscoli in ogni prova eseguita da tutti i 10 soggetti, è stato possibile normalizzare e sincronizzare i segnali.
Velocità angolare nelle varie fasi della pedalata
La prima analisi cinematica effettuata è stata la valutazione delle variazioni di velocità angolare nelle varie fasi della pedalata a velocità costante.
L’angolo è misurato a partire dalla direzione verticale (angolo 0°) e sono considerati positivi gli angoli in senso orario guardando la pedalata dalla destra del ciclista.
Fatto ciò, si è classificato ogni punto in funzione del settore angolare di pertinenza.
Analizzando i punti si è andato a valutare la velocità angolare istantanea, per ogni ciclo di pedalata, calcolandola come differenza angolare tra due punti consecutivi, diviso la differenza dei relativi TimeStamp.
Il settore di assegnazione di ogni velocità angolare trovata è il settore di riferimento del punto medio tra due punti consecutivi.
La velocità angolare di ogni settore è stata calcolata come il valore mediano di tutte le velocità angolari istantanee calcolate in quel settore.
Conoscendo la velocità angolare, si è potuto inoltre valutare la cadenza istantanea per ogni settore e fare un conteggio del numero di pedalate effettuate in ogni test.
Risultati
Valutazione della massima potenza aerobica (MAP)
Durante la prima prova sperimentale, è stato eseguito un test ciclistico incrementale per ogni soggetto fino ad esaurimento. Questo ha permesso di valutare i valori di VO2max e della MAP. Una volta rilevata la massima potenza aerobica è stato possibile valutare i livelli di carico di lavoro corrispondente a 60, 65, 70 e 75% MAP, utile per la sessione sperimentale seguito. La media e deviazione standard di questi valori sono riportati in tabella.
Analisi EMG della pedalata tra il 60 e il 75% di intensità
Livelli di attività muscolare
Come descritto in precedenza, il livello di attività è stata espresso in termini di ARV, ed i risultati dell’ ANOVA a due vie sono riportati qui.
Tibiale anteriore (TA) e gastrocnemio laterale (LG) sono stati gli unici muscoli che non mostrano significative differenze nei livelli di attività al variare della potenza tra il 60 e il 75% MAP. Inoltre, TA e LG hanno presentato il più alto valore medio di ARV tra i muscoli valutati al 60% MAP (rispettivamente 66,2% e 74,8% del ARV misurato nella prova MAP 100%).
Diversamente, il vasto laterale (VL) ha aumentato il livello attività muscolare dal 60 al 75% MAP (P <0,05). Nel muscolo VM, anche una variazione della MAP del 10% è stato rilevata, infatti questo muscolo ha cambiato in modo significativo il suo livello di attività sia nel 65-75% e nell’intervallo 60-75% della MAP (P <0.05). Allo stesso modo i muscoli retto femorale (RF) e semitendinoso (ST) mostravano una variazione ARV significativa tra 60-75% (p <0.001) e 65-75% MAP (P <0.01). Inoltre, il retto femorale è il muscolo con il più basso valore medio ARV al 60% (cioè 43.3%), mentre il semitendinoso mostra il maggiore aumento medio ARV tra il 60 e 75% MAP (dal 52,5% al 71,0%).
Il gluteo massimo (GM) era l’unico muscolo che ha aumentato il suo livello di attività tra il 60-75% (p <0.001), 60-70% (P <0.05) e 65-75% MAP (P <0,01), mentre un aumento del livello di attività significativo è stato osservato per il muscolo bicipite femorale (BF) tra il 60 e il 75% MAP (P <0.01) e nel range tra 60-70% MAP (P <0.05).
Non sono state osservate significative differenze in un range 5% MAP per tutti i muscoli considerati.
Timing di attivazione muscolare durante la pedalata
Per quanto riguarda la durata delle contrazioni in percentuale, 4 muscoli non hanno mostrato significative variazioni tra il 60 e il 75% MAP, cioè i muscoli tibiale anteriore (TA), gastrocnemio laterale (LG), vasto laterale (VL) e vasto mediale (VM).
Il muscolo retto femorale (RF) ha variato la sua durata di attività più di qualsiasi altro muscolo, e quindi un incrementato della sua durata è stata osservata nel range 60-75% e il 60-70% MAP (p <0.001), tra il 65 e 75% MAP (P <0,01) ed è stato l’unico muscolo che ha mostrato differenze significative anche in una fase di incremento del 5% MAP, cioè tra il 65 e il 70% MAP (P <0.05).
I muscoli semitendinoso (ST) e gluteo massimo (GM) hanno mostrato un aumento sia tra il 60-75% MAP (P <0,001) sia tra il 65 e il 75% MAP (P <0,05 per ST e P <0,05 per GM).
Una differenza significativa nella durata contrazione è stata trovata per il muscolo bicipite femorale (BF) tra il 60 e il 75% MAP (P <0,001) e tra il 60 e il 70% MAP (P <0.05).
Questi risultati sono stati confermati quando la durata contrazione è stata espressa in secondi, con solo il muscolo bicipite femorale che mostra alcune differenze. Infatti, il muscolo bicipite femorale ha mostrato una significativa differenza solo tra il 60 e il 75% MAP (P <0.01).
Questo studio si è posto come obiettivo quello di fornire una descrizione completa del rapporto tra pattern di attivazione muscolare, sia in termini di quantità di attivazione e di durata di contrazione, sia di livello di carico di lavoro, valutata durante le prove a carico costante in un range di potenza specifico.
Inoltre, in relazione agli altri studi effettuati con EMG e valutazione a livello del carico di lavoro, la novità di questo studio è stata la valutazione dell’incremento di potenza più piccolo suscitando un pattern EMG rilevabile con significativa differenza per 8 muscoli degli arti inferiori. Questo proposito è stato eseguito per ridurre al minimo gli effetti della fatica, cadenza e posizione del soggetto sulla bicicletta, grazie ad un innovativo protocollo sperimentale.
Secondo i risultati ottenuti da questa analisi EMG della pedalata, i muscoli possono essere raggruppati in tre categorie tra il 60 e il 75% MAP. I muscoli gastrocnemio laterale e tibiale anteriore non mostrano alcuna significativa variazione nell’attività muscolare, i muscoli vasto laterale e vasto mediale cambiano il loro livello di attività e i muscoli retto femorale, bicipite femorale, semitendinoso e gluteo massimo aumentano sia per livello di attività muscolare sia per il timing di attivazione quando il carico di lavoro aumenta.
L’intensità EMG ha mostrato un aumento generale quando il carico meccanico aumenta. In termini di muscoli specifici, il fatto che l’attivazione del gastrocnemio laterale rimanga invariata significa che agisce per controllare la direzione della produzione di forza piuttosto che per produrre energia. Il tibiale anteriore agisce per spostare il pedale dal punto morto superiore alla fase di spinta e negli studi che considerano gamme più ampie di livello di carico di lavoro si mostrava un aumento del livello di attività con carico di lavoro aumentato. Vasto laterale e vasto mediale sono i principali muscoli produttori di energia in bicicletta indipendentemente dalla resistenza, poiché hanno mostrato un minore aumento dell’intensità EMG a elevati carichi di lavoro rispetto ai muscoli retto femorale e gluteo massimo.
Il presente studio ha mostrato un significativo incremento della durata di sforzo muscolare nei muscoli retto femorale, bicipite femorale, semitendinoso, gluteo massimo tra il 60 e il 75% MAP e anche in basse percentuali di potenza espresse, suggerendo che il livello del carico di lavoro colpisce i tempi di attivazione muscolare.
I risultati trovati in questo studio sono a sostegno dell’ ipotesi che quando il carico di lavoro aumenta oltre il 60% della massima potenza aerobica, l’efficacia meccanica diminuisce, dal momento che i muscoli semitendinoso e bicipite femorale hanno mostrato un aumento significativo del livello di attività muscolare e timing di attivazione tra il 60 e il 75% MAP.
Il protocollo applicato in questo studio può servire come punto di partenza per i futuri studi con l’obiettivo di ridurre gli effetti dell’affaticamento, della cadenza e della posizione del corpo durante il ciclismo.
