septiembre 25, 2013

La Electromiografía de Superficie
en la Prevención de la  Fatiga Muscular


1.-Concepto de  Fatiga Muscular

La  fatiga muscular, muchas veces ligada al dolor, sin duda es síntoma común en diversas patologías, de interpretación a veces no fácil, conflicto abundado por el subjetivismo del paciente. Junto a lo que participa el enfermo, el médico se ha de interrogar sobre aspectos tan elementales, pero también tan esenciales, como la realidad y ubicación del síntoma, y su posible cuantificación.

La fatiga muscular es un problema todavía mal comprendido, insuficientemente diagnosticado en gran número de ocasiones, cuando no olvidado, aunque también en ocasiones se habla de la fatiga con carácter genérico, tanto que su abordaje clínico se vuelve poco o nada operativo, más aún cuando se ha de relacionar con la carga de trabajo, que en su heterogeneidad se presenta como una quimera, como un “fantasma” (Sperantio, 1972), la cual conoce sin embargo connotaciones que se pueden definir de forma más concreta, como es la carga física, que se proyecta y descompone a su vez en diferentes factores que contribuyen a la misma, como es la fatiga muscular local.

La imagen polariza en gran medida el ejercicio médico, “reduccionismo” y manipulación no ajeno a intereses económicos (costosos equipos, grandes desembolsos). Para algunos  la imagen todo lo puede;  otros  se lo creen. Claro que una cosa es la imagen, y algo  distinto la imaginación, la que cada cual quiera ponerle al asunto,  con el peligro de rozar la ilusión,  percepción falsa de la realidad.  Los hay muy ocurrentes en todos los campos.  La lesión corporal percibida como imagen, como elemento estático,  no es otra cosa que  su vertiente iconográfica, o significante, esto es, la apreciación de una estructura dañada en cuanto objeto en su forma física. Pero junto a ello no hay que olvidar la lesión como signo-función, si verdaderamente se quiere penetrar en la realidad del enfermo.

En general  de fatiga expresa la incapacidad  de un  órgano o tejido para responder normalmente a un estímulo. La fatiga fisiológica es la que se corresponde con un  estado o sensación de disminución de la capacidad funcional de una parte del cuerpo provocado por un exceso de actividad.

Aún queriendo abordar la cuestión de la fatiga muscular, hay que tener en cuenta, por una parte, la denominada fatiga central (considerando estructuras como el cerebro, médula espinal, motoneurona, nervios motores) y una fatiga periférica, remitida ahora al músculo esquelético (placa motriz, sarcolema, retículo sarcoplasmático, sistema actina-miosina).
 La fatiga muscular  manifiesta la incapacidad del músculo para mantener una respuesta ante determinadas exigencias de trabajo. En el nivel central, la fatiga se expresa inhibiendo la respuesta  motriz, con el fin de que el músculo economice su actuación, con  reducción de la excitación.  En su vertiente periférica la fatiga se expresa por  un decaimiento  de la actividad  muscular, esto es, del músculo propiamente dicho.
 La fatiga muscular aparece cuando el régimen crítico ha sido sobrepasado. Con la fatiga muscular se produce una disminución de la fuerza, así como disminución de la precisión de movimientos; al final se acompaña de temblor.

La potencia crítica de un músculo, representa el régimen de funcionamiento en unas condiciones tales que pueda ser mantenida durante varias horas, esto es, a la máxima fuerza que un músculo puede ejercer durante un tiempo indefinido, sin expresar fatiga,  tanto que por encima de ese comportamiento se llega al agotamiento local.

Según la estimación de diversos autores, la frecuencia máxima de contracción (FMC) sólo se puede mantener durante unos segundos; el 50% FMC un minuto aproximadamente; el 15% FMC, 10 minutos o incluso varias horas. El requerimiento sucesivo, por estimulación repetida, termina por una caída del nivel de contracción, perdiendo altura la onda de contracción, con una fase de relajación más prolongada e imperfecta (1)


2.- Electromiografia de Superficie (EMGS)

2.1. Generalidades

La información bioeléctrica muscular es abordable con técnicas de electromiografía de superficie (EMGS).

Se disponen de equipos que reconocen valores electromiográficos entre 1 y 20.000 microvoltios, con amplificadores de alta tecnología, a la vez que se eliminan de forma eficaz los fenómenos parasitarios, tomando la señal con gran precisión en una banda de frecuencia útil entre 20 y 500 hertzios, sin que los resultados sufran distorsión

Tales sistemas de análisis muscular se fundamentan en procedimientos de electromiografía de superficie (EMGS), con tratamiento de la señal mediante modernos ordenadores con la introducción de coprocesadores matemáticos de alta velocidad.

Electromiograficamente, la fatiga de un músculo esquelético se puede definir como "la imposibilidad por parte del músculo para mantener una tarea determinada sin modificar  su nivel de actividad eléctrica" (2).

En los últimos años se viene investigando con sistemas de análisis muscular computarizado, aplicandopruebas de carga que intentan diferenciar sujetos con respuesta patológica, con índices de fatiga anormal, frente a aquéllos que quedan fuera de este marco.

En este terreno de la investigación se han desarrollado softwares  para el tratamiento de la señal electromiográfica. Con sensores de superficie se capta la respuesta muscular y luego se interpreta, pudiendo incluso comparar  los valores obtenidos recurriendo a un banco de datos previamente elaborado. Tales  pruebas son  de realización fácil, incruenta, sin  coste económico en la práctica.


2.2. Cuantificación de la  señal electromiográfica  y parámetros de interés en el estudio de la fatiga muscular por EMGS. Índices de fatiga.

La actividad eléctrica del  músculo se traduce en el electromiograma. En los  estados de fatiga muscular se pueden observar modificaciones en el registro de la señal de la EMGS, consecuencia de su desfallecimiento.

El músculo fatigado es aquel que "es incapaz de mantener la fuerza al nivel inicialmente impuesto" (2). Junto a las variaciones en el régimen de contracción, en la amplitud del trazado, se han de considerar los cambios metabólicos que se suceden en el interior del músculo, que podrán ser apreciados electromiograficamente, en el análisis del espectro de frecuencias como expresión de la fatiga muscular.

A medida que aumenta el nivel de fuerza ejercida durante la contracción muscular, por una parte, se produce un aumento del número de unidades motoras activadas, observable por  aumento de la amplitud  (reclutamiento espacial) y, por otra, se produce también un aumento de la frecuencia de disparo de las motoneuronas (reclutamiento temporal). Tales requerimientos condicionan la morfología y las características de las ondas del EMGS, explicable por los cambios bioquímicos a nivel del músculo, variaciones en la proporción de combustible,...

Quiere esto decir que el músculo ante un esfuerzo creciente,  responde a través de la señal eléctrica de dos formas: a) un  del aumento  de la activación de nuevas fibras musculares, o reclutamiento espacial; b) aumento de la frecuencia de pulsaciones de las unidades motoras o reclutamiento temporal.

Es posible invocar diferentes parámetros, tanto en el dominio de la amplitud (aumento, en una primera fase, pudiendo evolucionar hasta la aparición del punto de fallo ‑pf‑, o "faillure point"), como en el terreno de las frecuencias (que disminuyen).  De este modo la investigación de la fatiga por EMGS se puede hacer recurriendo a parámetros introducidos por distintos autores, que se pueden sistematizar así: a.- representación de la señal en función del tiempo; b.- representación de la señal en función de las frecuencias (32)


2.2.1.  Representación de la señal en función del tiempo: Registro de la amplitud de la señal.

El tratamiento y análisis de la señal electromiográfica puede realizarse a partir de los datos acumulados en memoria que se vuelcan en el ordenador. De esta forma aparece en pantalla la señal cruda (o señal bruta) del electromiograma de superficie correspondiente a la contracción muscular.

La carga de trabajo que experimenta el músculo grosso modo puede apreciarse en la señal bruta, estimando una envolvente representativa del área de la misma. En la práctica se recurre al análisis del electromiograma integrado, a la señal rectificada. La fatiga se acompaña de un creciente aumento en función del tiempo del EMG integrado, aumento tanto más importante y rápido como mayor es el esfuerzo impuesto (4). Este método permite establecer una relación bastante precisa entre la fuerza desarrollada y la actividad eléctrica, al comienzo del ejercicio.

No obstante es muy delicado intentar "cuantificar" la fatiga en el curso de un registro continuo hasta el estado de "fatiga clínica". Sin embargo, este método por su simplicidad es utilizado en el estudio de los puestos de trabajo, donde no está exento de interés para revelar las actividades eléctricas anormalmente crecientes de ciertos músculos, en particular de los músculos de la postura (5)(6).

En este ámbito, pues,  el método más común es medir solo la amplitud de la señal. Se registran los distintos grados de amplitud logrados en correspondencia a un determinado estado de contracción muscular (relación microvoltios/tiempo, valores fVs).

En un principio la amplitud aumenta y hay una disminución de la descarga, con la aparición de una "onda lenta", relacionada de una manera significativa con el comienzo de una sensación de fatiga local, con la sensación de dolor y con la incapacidad del sujeto para mantener la tensión proyectada.

La amplitud del trazado está en función de la fuerza muscular ejercida en el proceso de contracción, admitiendo que existe una relación lineal entre los fenómenos eléctricos y mecánicos, aunque, algunos autores, han postulado una relación curvilínea (1). El aumento de la amplitud del trazado electromiográfico en una contracción sostenida parece que sólo se observa entre un 30% y un 80% de la máxima contracción voluntaria (MCV), según De Luca y otros autores, en tanto que por encima de esa horquilla se produce una caída del registro de dicho parámetro.

Registro de la Amplitud de la señal EMGS
Estudio comparativo de la actividad del deltoides derecho/izquierdo (deltoides medio) con distintas formas de tratamiento de la señal. Se aprecia una mayor actividad del deltoides derecho (trazado en azul) respecto a su simétrico (izquierdo, en verde). Condiciones de la prueba: contracción: isométrica, carga e 2 kilos; tiempo de observación: 59 segundos.  Explicación del gráfico: A: señal cruda (o bruta). B: señal rectificada. C: estudio promediado con marcadores, con intervalos de 11 segundos. D: distribución acumulativa, con el resultado de la distribución (E). F y G histogramas de distribución.






EMGS con Holter muscular en el estudio de la carga de trabajo
Operario de soldadura que lleva adosado a la espalda un Holter muscular, cuyos electrodos van conectados a la región lumbar, con la finalidad de obtener un registro de la carga de trabajo en los músculos extensores de la espalda, lo que permite un registro de varias horas, como puede ser toda la jornada laboral. (Imagen correspondiente a la contraportada del  libro Ergonomía básica, Ediciones Díaz de Santos, S.A., MR Jouvencel, Madrid, 1994).







Registro de la Carga de Trabajo Muscular en Trapecio S. Derecho
Trazado correspondiente a un estudio electromiográfico, mediante Holter muscular (señal rectificada abajo, histograma, arriba) con electrodos de superficie  para el músculo trapecio superior derecho, en un paciente de 55 años, desempeñando su actividad de costurera, que acusa patología cervical crónica, de irradiación bilateral, en especial lada derecho. Tiempo de observación: 11 horas, 1 minutos. La prueba da comienzo a las 9.30 AM. En el gráfico superior (histograma, que traduce el aumento progresivo de la Amplitud de la señal) se aprecia un aumento progresivo de la carga de trabajo (carga interna, “astreinte”, ante la carga externa, “contrainte”) impuesta por la tarea en el músculo objeto de registro (trapecio superior derecho) hasta las 13.30 horas; las posiciones indicadas con los marcadores 4-5 y 5-6 (13.30 a 15.30) se corresponden con actividades domésticas (preparar la comida, comer); el intervalo 6-7 (15.30 a 16.10) ofrece un  disminución manifiesta de la actividad, tiempo durante el cual la paciente permaneció sentada delante de la televisión.  A partir de entonces, intervalos 7 a 10, reanuda su trabajo, para cesar a las 19.30, comprobándose igualmente un aumento progresivo de la actividad muscular, signos que son compatibles con la sensación de fatiga referida por la trabajadora.  En el  intervalo 10-11 la paciente ya ha dejado su trabajo, y en ese tiempo estaba caminando. Con este ejemplo se ha querido ilustrar  acerca del buen servicio que prestan en ocasiones ciertos medios instrumentales de exploración médica, en especial cuando hacen posible realizar estudios de campo, realistas, sin ningún tipo de molestias para la persona examinada.




2.2.2.  La investigación de la señal en el dominio de las frecuencias. Densidad del espectro de potencia (DSP)

El estudio de la señal EMGS en el aspecto frecuencial se aborda clásicamente recurriendo a la transformación de Fourie. El coprocesador matemático permite calcular la transformada rápida de Fourier (FFT ó Fast Fourier Transform) y el estudio espectral del electromiograma de superficie.

Fourier, matemático francés, del siglo 19, demostró que una función periódica de cualquier grado de complejidad se puede transformar en forma de una suma de funciones armónicas cuyas frecuencias son múltiplos de la frecuencia de una función compleja. El análisis armónico da la posibilidad de describir y analizar bastante detalladamente cualquier proceso oscilatorio complejo. Dicho análisis encuentra su aplicación en diversos ámbitos de la ciencia y de la técnica y, entre otros, en la medicina (11)

Los cálculos resultaron progresivamente  más fáciles conforme se fueron desarrollando ordenadores y programas capaces de llevar a la práctica nuevos métodos del análisis de Fourier. Uno de ellos fue elaborado en 1965 por James Coole, del Centro de Investigación Thomas  J. Watson, de la empresa IBM y por John Tukey, de los laboratorios Bell. El trabajo dio lugar a un programa informático conocido como la transformada rápida de Fourier  (FFT o Fast Fourier Transform) (12).


La investigación confirma el desplazamiento de los espectros de potencia hacia las frecuencias más bajas, a causa de la fatiga muscular. Por esto interesa adentrarse en el terreno frecuencial, esto es, en la frecuencia de descarga de la motoneurona sobre el músculo, y el software lo permite, recabando parámetros tan útiles como la frecuencia mediana (MF, o Median Frequency), la frecuencia media (MPF, o Mean Power Frequency) y el número de cruces de la señal por la línea isoeléctrica (ZCR, o Zero Crossing Rate), que obedecen a diversos modelos matemáticos.

Tales parámetros traducen los cambios internos en el músculo con ocasión de la contracción sostenida (acidificación, deficiencia de oxígeno, alteraciones de la conductibilidad de la membrana, etc.) capaces de expresar al mismo tiempo la fatiga muscular, la contractura y en determinados casos el dolor muscular. 

La potencia de una señal, o densidad del espectro de potencia, DSP, representa el valor medio del cuadrado de la función sobre un período y expresa una energía. Las modificaciones eléctricas, testimonio de la aparición de la fatiga muscular local, observadas con ocasión del mantenimiento de un esfuerzo constante, son precoces y en dos órdenes: un aumento de la densidad del espectro de potencia (DSP), y un desplazamiento del espectro hacia frecuencias más bajas (7)(8)(9)(10).

En resumén mediante técnicas de EMGS, que en los estados de fatiga muscular se producen modificaciones en el registro de la señal EMGS, correspondientes a la actividad muscular; tanto en el dominio de la amplitud (aumento, en una primera fase, pudiendo evolucionar hasta la aparición del punto de fallo – pf ‑, o "faillure point"), como en el terreno de las frecuencias (que disminuyen, siendo posible invocar diferentes parámetros: MF ‑frecuencia mediana‑, MPF ‑frecuencia media‑ y ZCR ‑número de veces que la señal cruza la línea base-). En relación con el comportamiento frecuencial interés especial tiene el análisis de la densidad del espectro de potencia (DSP).  Tales parámetros traducen cambios metabólicos internos en el músculo con ocasión de la contracción sostenida.

 









Fatiga muscular y  DSP (Ref. Mega Electronics, Finland, 1996)

Representación de dos espectros de potencia. En la parte superior en un músculo en régimen de trabajo sin fatiga, con un frecuencia de descarga de la motoneurona de 78 Hz.  La figura inferior  revela un desplazamiento del espectro hacia el eje de ordenadas, traduciendo una frecuencia más baja, 35 Hz, indicativo de fatiga  muscular.








DSP  y prueba de esfuerzo lumbar
Análisis espectral en paciente al que se le ha practicado prueba de carga lumbar, referido al canal 1 (correspondiente al área muscular L4-L5 izquierda). Obsérvese el progresivo decremento frecuencial, de forma sucesiva, de arriba abajo,  en  (a), a los 32 segundos de iniciación de la prueba de esfuerzo,  (b), a los 60 ss, y (c), a los 120 ss, y para todos los parámetros referidos (MF, MPF y ZCR), con un desplazamiento del DSP hacia el eje de ordenadas. Así MF con una valor inicial de 69 (a los 32 ss)  pasa a 64 a los 60 ss (b)  y desciende a 55 a los 120 ss (c). Todo ello es exponente de la fatiga muscular a la largo de la contracción isométrica sostenida, bajo las exigencias del test isométrico de Sörensen.




3.-  Distinción entre fatiga metabólica y fatiga contractil

Los parámetros  referidos van a permitir la diferenciar entre la fatiga contractil (que se refleja en la amplitud)  y la fatiga metabólica (expresión  del domino de las frecuencias), lo cual tiene todavía más interés si se considera  que la fatiga muscular no surge de forma brusca, sino que tal fatiga muscular es “un  proceso a través del tiempo”, y que la fatiga metabólica  antecede a  la fatiga contráctil. Igualmente hay que observar que las variaciones mas acusados  (“los cambios  más dramáticos”) de dicha fatiga en el terreno de las frecuencias ocurre al principio de la contracción mantenida.

"La  fatiga no ocurre en un período de tiempo identificable; por ejemplo, es común pensar que un individuo se fatiga, o indica que se está fatigando, cuando una tarea específica no puede ser realizada o sostenida en un tiempo concreto. Tal noción de fatiga es inconsistente frente a la que ha sido empleada con éxito por los ingenieros y científicos físicos, que han considerado que la fatiga es un proceso en el tiempo" (3).

Queda esto magníficamente ilustrado con el siguiente ejemplo de BASMAJIAN Y DE LUCA (3): "una viga de acero, que soporta la estructura principal de un puente, puede mantenerse en orden, sin modificación aparente (en lo visible), durante más de cincuenta años, pero, un día, de forma súbita, la viga cae y el puente se derrumba. Si uno apreciase desde la distancia, al margen de haber observado en la estructura del puente un signo de fatiga, nadie podría haberlo notado fácilmente durante un período de cincuenta años. En cambio, con un estudio más profundo,  se hubiese previsto que el punto de fallo (PF) se produciría. Y es que  durante todo el tiempo la estructura cristalina de la viga de acero estuvo sufriendo una alteración por procesos químicos y físicos. Para controlar la progresión de tales procesos se necesitan ejemplares de datos de la misma vida interior o modificaciones observables relativas a las alteraciones internas".







Distinción entre fatiga metabólica y fatiga contractil
 El gráfico corresponde a una contracción isométrica. Se le exige al sujeto que mantenga el 50% de la máxima contracción voluntaria durante todo el tiempo que pueda.  El punto  de fallo (“failure point”) indica el momento en que el nivel de fuerza exigido (50% del máximo) ya no puede ser mantenido, expresión de la fatiga contráctil que se observa por el decaimiento del nivel de fuerza. Al mismo tiempo también puede observarse como el decremento frecuencial ya se da con antelación, indicativo de  la fatiga metabólica, observada por la señal electromiográfica por medio del parámetro correspondiente (Median Frecuency, MF, o frecuencia mediana)  (Ref.: J.Basmajian,  C. De Luca; Muscle Alive).





Lo que antecede explica por si mismo el enorme interés que el análisis espectral tiene en la prevención de la fatiga muscular, y en consecuencia en la prevención médica y tratamiento de los riesgos profesionales ligados a las alteraciones musculoesqueléticas.


Su seguimiento y comparación en pruebas de carga sucesivas, espaciadas en el tiempo, permiten una potenciación muscular selectiva y observar (con resultados objetivos, numéricos) si la terapia rehabilitadota aplicada en realidad se está caminando en la dirección correcta. No hay que olvidar que la fortaleza muscular constituye por si misma un elemento básico de defensa para la prevención de tales patologías musculoesqueléticas, antes de que se produzca el  punto  de fallo (“failure point”), tal como aluden en su ejemplo los autores antes citados. Si a nivel cardíaco (músculo estriado, como el músculo esquéletico, aunque con otra forma de trabajo) es posible realizar la prevención mediante la prueba de esfuerzo correspondiente, otra tanto, en su medida, puede pensarse de las patologías musculares dependientes del sistema osteparticular.


4.- Aplicaciones

El análisis muscular computarizado es aplicable en general a distintos músculos en superficie, trapecio, deltoides, cuadriceps, etc, bien en su estudio singular, bien tomando los musculos correspondientes a un determinado plano anatómico (electromiocartografía, Rideau), así como también es útil para realizar estudios de campo, respuestas bajo carga, utilizando el equipo como Holter, con una posibilidad de registro de la actividad muscular hasta de varias  horas, estudios de estados patológicos por hipersolicitación, y otras posibilidades como sería la recuperación de enfermos renales, interesando en concreto la respuesta muscular a raíz del equilibrio de intercambio iónico Na+/K+.

En concreto, la técnica es útil en los siguientes terrenos:

a.- Evaluación funcional de los procesos musculares con carácter general.

b.- Estudio y análisis ergonómico de la carga de trabajo (carga externa/interna) de los puestos de trabajo. Estudios de campo (Holter muscular).

 c.- Prevención de la fatiga muscular, en especial basándose en la aplicación que permite distinguir entre fatiga contráctil y fatiga metabólica.

d.- Comprobación de la respuesta de la terapia rehabilitadota, seguimiento de la evolución del paciente sometido a tal tratamiento, para comprobar si hay mejoría en la respuesta muscular, así como orientador para proceder a su alta (y, por extensión, como un medio mas de control médico del período de incapacidad temporal).

d.- Contribución al uso racional de las técnicas de imagen: TAC, resonancia nuclear magnética y otras y, en consecuencia, servir de ayuda al ahorro de los costes sanitarios.

e.- Intentar evaluar situaciones de simulación (aunque aquí se impone una enorme prudencia por razones obvias). El decremento de las frecuencias cursa con independencia de la motivación del paciente, su resultado es cero operador dependiente. El resultado, expresivo de la caída frecuencial durante la contracción muscular, viene determinado sobre datos numéricos, traducidos de una señal digitalizada, que se arrojan como consecuencia de la fatiga muscular progresiva que experimentan los músculos bajo la prueba de carga correspondiente.

Empero, adviértase que los problemas musculoesqueléticos  son complejos y las lagunas científicas grandes. Con ansia se esperan nuevas avances para poder profundizar en el estudio de la anatomía y de la función, camino imprescindible para acercarse más a la génesis mortificante. Un apasionante campo para la investigación.