Surface EMG

표면 근전도(Surface Electromyography, SEMG)는 신체 표면에 전극을 부착하여 근육의 전기적 활동을 측정하는 기술입니다. 근육이 수축할때 발생하는 생체 전기 신호를 탐지하고 증폭하여 기록하며, 이를 통해 근육의 기능, 상태, 활동 패턴 등을 분석할 수 있습니다. 근전도는 물리치료학, 신경근 질환 진단, 운동 능력 평가, 재활 연구, 스포츠 과학 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 표면 근전도를 이용하여 근수축 개시시간, 근활성도, 국소적 근피로도를 측정하는 방법을 설명하겠습니다.

1. 근수축 개시시간 (Muscle Contraction Onset Time)

근수축 개시시간은 근육이 자극에 반응하여 근 수축을 개시하는 시점을 의미합니다. 근전도를 통해 이를 측정하는 방법은 다음과 같습니다:

1. 전극 배치: 표면 전극을 측정하고자 하는 근육에 부착합니다. 전극은 근육 섬유 방향에 맞춰 배치하며, 일반적으로 한 쌍의 전극과 기준 전극(ground)을 사용합니다. 아래 그림처럼 전극m1, m2가 근육에 부착되고, 기준 전극이 근육과 떨어진 곳에 부착되어 근육에서 발생하는 전기적 변화를 탐지합니다. n은 common mode이기 때문에 differential amplifier에서 상쇄되고 m1과 m2의 차이가 증폭됩니다.
2. 자극 제공: 외부 자극(운동 명령)을 주어 근육이 수축하면 근 활성도를 탐지합니다. 
3. 신호 기록: 근육의 전기 신호를 실시간으로 기록합니다.
4. 근육 수축 개시시간 분석:
   • 기록된 EMG 신호에서 기준선(baseline, 근육이 이완된 상태의 신호) 대비 신호가 일정 임계값(threshold, 예: 평균 기준선 + 2~3 표준편차)을 초과하는 시점을 개시시간으로 정의합니다.
   • 소프트웨어(예: MATLAB)를 사용해 신호를 필터링하고 정확한 시점을 계산합니다.
5. 결과 해석: 자극 시작부터 근수축 개시까지의 시간(지연 시간, latency)을 밀리세컨드 단위로 측정합니다.

2. 근활성도 (Muscle Activation)

근활성도는 근육의 활성도를 측정하여 나타내는 지표로, 운동 단위 동원과 동원율을 반영합니다. 

측정 방법:

1. 전극 부착: 측정 대상 근육에 표면 전극을 부착합니다.
2. Normalization 측정: 예로서 최대 자발적 수축(MVIC)을 측정합니다. 
3. 신호 수집: EMG 장비로 근육 활동 중 발생하는 전기 신호를 수집합니다.
4. 신호 처리:
   • Root Mean Square(RMS): 신호처리 방법으로 근육 활성도 강도를 구합니다. RMS는 근활성도의 대표적인 지표입니다.
5. 정량화:
   • MVIC 대비 활성도(%MVIC)로 표현하여 상대적인 활성도 정도를 계산합니다. 

3. 국소적 근피로도 (Localized Muscle Fatigue)

근피로도는 근육이 지속적인 활동으로 인해 효율성과 힘이 감소하는 상태를 의미하며, EMG 신호의 시간적 변화나 주파수 특성을 통해 측정할 수 있습니다.

측정 방법:

1. 전극 설치: 측정하고자 하는 근육에 전극을 부착합니다.
2. 지속적 활동 유도: 근육이 피로해질 때까지 반복적인 수축(예: 등속 운동, 지속적인 부하)을 수행하게 합니다.
3. 신호 기록: EMG 장비로 활동 초기부터 피로 상태까지 신호를 연속적으로 기록합니다.
4. 분석 방법:
   • 시간 영역 분석: RMS 신호 처리된 근 활성도가 시간이 지남에 따라 증가하거나 감소하는 패턴을 관찰합니다. 초기에는 신호 크기가 증가하지만, 피로가 심해지면 감소할 수 있습니다.
   • 주파수 영역 분석:
     •  Fast Fourier Transform(FFT)를 통해 주파수 분석을 실시하여 평균 주파수(Mean Frequency) 또는 중앙 주파수(Median Frequency)를 계산합니다.
     • 피로가 진행됨에 따라 주파수 스펙트럼이 저주파수 대역으로 이동(shift)합니다. 
5. 결과 해석: 중앙 주파수 감소율(%)이나 RMS 변화율을 근피로도의 지표로 사용합니다.