Università degli Studi di Genova Facoltà di medicina e Chirurgia

Master in Riabilitazione dei Disturbi Muscoloscheletrici A.A. 2009-2010

Campus Universitario di Savona In collaborazione con Master of Science in Manual Therapy

Vrije Universiteit Brussel

Affidabilità dell’utilizzo di sistemi sEMG: studio della fatigue

dei muscoli del cingolo scapolare e le conseguenti

modificazioni nel controllo motorio dell’arto superiore.

Candidato:

Paolo Borean

Relatore:

Manolo Migliorini

1

Indice

Abstract 2

1. Introduzione 4

2. Materiali e metodi 7

3. Risultati 8

3.1 diagramma di flusso 9

3.2 tabelle sinottiche 10

4. Discussione 17

4.1 sEMG 17

4.2 controllo motorio 19

5. Conclusioni 25

6. Bibliografia 27

2

Abstract

Obiettivi: l’obiettivo del nostro lavoro è quello di valutare l’affidabilità della sEMG in

relazione all’analisi della fatica muscolare e alle conseguenze legate al controllo motorio

dell’arto superiore.

Materiali e metodi: La ricerca è stata effettuata sul data base MEDLINE, in un

lasso di tempo che va dal 01/01/2001 al 01/01/2011, utilizzando le parole chiave “ EMG”,

“fatigue”, “shoulder”, “upper trapezius”, “kinematics”, “scapula”, “healthy subjects”

combinandole tra loro attraverso l’utilizzo degli operatori booleani. Sono stati inseriti i

limiti rispetto alla lingua di pubblicazione (inglese) e al campionamento dei soggetti (sani).

Risultati: la ricerca ha portato alla selezione di 20 articoli di cui 4 reviews.

Discussione: La registrazione del segnale EMG è, come è noto, influenzata da un

numero elevato di fattori; a fronte di tanta variabilità il numero di lavori rintracciabili in

letteratura che offrano risultati e conclusioni supportate da un corretto uso degli strumenti

statistici è decisamente ridotto. Non sembra inoltre esserci accordo sul concetto di

ripetibilità e sui protocolli da effettuare per verificarne la consistenza, né sulla tipologia di

elettrodi da utilizzare.

Da tutti gli studi presi in esame, tranne uno, si rivela una correlazione tra fatica muscolare e

alterazioni della dinamica del movimento dell’arto superiore, soprattutto del controllo

cinematico della scapola e dell’omero.

Conclusioni: Non sono numerose le evidenze che mettono in relazione uno specifico task

motorio con determinate alterazioni del segnale EMG o che evidenziano il rapporto tra

fatica e deficit nel controllo motorio.

Nonostante ciò i dati riportati da tali studi sembrano comunque confermare l’importanza di

un corretto approccio all’utilizzo della sEMG nella valutazione della fatica, sia nella

metodica ( set up, tipo di elettrodo, task motorio richiesto, ecc..) sia nella interpretazione

delle variabili prese in esame nell’analisi EMG (meglio mioelettriche?)

3

Alcuni autori sembrano concordi che la fatica muscolare influenza la mobilità scapolo

toracica e scapolo omerale, e quindi l’accuratezza la precisione la stabilità dell’intero arto

superiore, ma i meccanismi su come questo avvenga sono tuttora sconosciuti.

4

1. Introduzione

Il fenomeno di fatica è un esperienza comune nella pratica clinica quotidiana,

particolarmente complesso perché varia al variare dell’esercizio effettuato e decisamente

controverso a causa delle diverse interpretazioni e definizioni che si trovano in letteratura.

Il termine fatica muscolare è usato per indicare una diminuzione transitoria nella capacità di

compiere azioni fisiche. I seguenti estratti caratterizzano la varietà di effetti attribuiti alla

fatica muscolare (1):

Un’intensa attività muscolare causa un declino nella performance,

conosciuto come fatica (2)

Eseguire un compito motorio per lunghi periodi induce fatica muscolare, che

è generalmente definita come un declino nella capacità della persona di generare

forza (1)

La fatica si ritiene riflessa nel segnale EMG come un aumento della sua

ampiezza e una diminuzione delle sue caratteristiche frequenze spettrali (9)

La fatica muscolare, come risulta, può riferirsi ad un deficit motorio, può descrivere la

graduale diminuzione nella capacità di generare forza del muscolo o la fine di un’attività

sostenuta, e può essere misurata come una riduzione della forza muscolare, un

cambiamento nella attività EMG o come un esaurimento della funzione contrattile.

Questo ampio uso del termine è problematico perché la fatica in questo contesto può

comprendere alcuni fenomeni che sono anche conseguenza di differenti meccanismi

fisiologici. Per superare questo limite, alcuni autori hanno cercato di spiegare in maniera più

precisa tale fenomeno, definendo la fatica muscolare come “riduzione esercizio-indotta

nella capacità del muscolo di generare forza e potenza sia che il compito affaticante possa

essere sostenuto come no (1”).

Classicamente, considerato che il complesso sistemico interessato è piuttosto ampio e

comprende la singola fibra muscolare, la giunzione neuromuscolare e le singole unità

motorie, centri superiori quali corteccia, cervelletto, nuclei della base,ecc.. ma anche

circuiti a feedback dei riflessi spinali, si tende a suddividere il fenomeno in fatica periferica e

5

fatica centrale attribuendo alla prima cause prevalentemente metaboliche ed alla seconda

invece motivazioni essenzialmente di tipo neurale (32).

La fatica centrale è caratterizzata da una graduale diminuzione nella drive volontaria dal

sistema nervoso centrale dovuta a molteplici fattori che includono un output sovra spinale

sub ottimale, riflessi inibitori all’interno del muscolo, inibizione ricorrente, povero input

sensoriale.

La fatica periferica, invece,è ricondotta ad altri fattori quali: alterata trasmissione del

potenziale d’azione attraverso la giunzione neuromuscolare, variazioni metaboliche a livello

di membrane (inibizione della glicolisi), problematiche legate alle caratteristiche di

interazione tra miosina ed actina o per alterato rilascio di calcio a livello

sarcoplasmatico,ecc., ossia tutti quei fenomeni che agiscono a livello

periferico/microscopico (4).

Nonostante questa suddivisione, il quadro generale non è sempre cosi perfettamente

distinguibile, ed i vari fattori scatenanti spesso si sovrappongono rendendo la situazione

difficile da interpretare.

Uno degli strumenti che negli ultimi anni sta compiendo notevoli progressi nella analisi

della fatica muscolare è l’elettromiografia di superficie.

Il suo impiego sta avendo una notevole diffusione sia per le caratteristiche di non invasività,

sia per le potenzialità offerte dalle moderne tecniche di analisi numerica del segnale

elettromiografico che possono fornire utili informazioni quantitative sulle condizioni di

attività del distretto muscolare esaminato.

L’EMG di superficie misura l’attività elettrica muscolare, tramite elettrodi posti sulla cute,

dandoci informazioni circa le modalità con cui i muscoli lavorano durante un compito

motorio specifico (37,38)

Durante una contrazione (sia volontaria che indotta elettricamente) da un punto di vista

elettrico si registrano alterazioni di ampiezza, forma e velocità di propagazione del

potenziale d’azione, che sono alla base delle variazioni nel tempo di alcuni parametri di

ampiezza e frequenza del segnale mioelettrico. A tali variazioni si fa comunemente

riferimento con il termine di manifestazioni mioelettriche di fatica muscolare localizzata.

Variabili di ampiezza di uso corrente sono il valore rettificato medio (ARV) e il valore

efficace (RMS), mentre variabili di frequenza sono la frequenza media (MNF) e la frequenza

6

mediana (MDF); un’altra variabile di notevole interesse è la velocità di conduzione (CV)

delle fibre muscolari (37,40)

La velocità di conduzione è la più importante tra le grandezze fisiche che determinano sia le

variabili spettrali sia le variabili di ampiezza : con il sopraggiungere della fatica essa

diminuisce, ciò implica una diminuzione della MDF e della MNF e un aumento di ARV e

RMS. Tuttavia numerosi altri fattori, oltre alla CV, influenzano le variabili di ampiezza e

frequenza. Tra questi la forma del potenziale d’azione, la dispersione statistica di CV, la

disperzione delle giunzioni neuromuscolari nella zona di innervazione, la profondità delle

fibre sotto la cute, ecc (37,38,39).

Pertanto l’obiettivo della tesi è stato quello di selezionare gli articoli scientifici nei quali

l’utilizzo dell’EMG è considerato come un utile strumento di valutazione della fatica

muscolare a livello del cingolo scapolare cercando di individuare quali possano essere

considerate le modalità di applicazione (1 o più elettrodi, tipo di elettrodo, posizionamento,

ecc..) più affidabili. Nel dettaglio abbiamo cercato di capire quali siano i task motori che

sviluppano fatica (misurabile con sEMG) nei muscoli scapolari e in particolare quanto

questo possa influenzare il controllo del movimento del complesso arto superiore.

7

2. Materiali e metodi

Criteri di selezione degli articoli

Per questo lavoro è stata effettuata una revisione della letteratura attraverso il data base

MEDLINE, ricercando gli articoli pubblicati tra il 01/01/2001 e il 01/01/2011 in lingua

inglese su soggetti sani adulti (di età >18 ann).

Sono stati revisionati esclusivamente gli articoli disponibili tramite la Biblioteca Informatica

e sono state utilizzate le seguenti stringhe di ricerca:

1) “EMG” AND “fatigue”

2) “EMG” and “Fatigue” AND “Shoulder” AND “Healthy Subjects”

3) “EMG” AND “Fatigue” AND “Upper Trapezius”

4) “EMG” AND “Fatigue” AND “Kinematics”

5) “EMG” AND “Scapula” AND “Fatigue”

La prima selezione degli articoli è stata eseguita sulla base della lettura del titolo e

dell’abstract. In seguito è stata effettuata una valutazione più approfondita attraverso la

lettura del testo integrale.

Sono stati esclusi dalla ricerca articoli di cui non fosse reperibile il full text (biblioteca

universitaria) e quelli non pertinenti con l’obiettivo della ricerca.

8

3. Risultati

1) Essendo la prima stringa comprensiva di articoli non riguardanti solamente il cingolo

scapolare, sono stati ottenuti 1416 articoli. Di questi abbiamo selezionato esclusivamente le

Review (50), tra queste solamente 4 rispondevano ai nostri criteri di ricerca.

2) Attraverso questa ricerca sono emersi 25 articoli dei quali 4 rispondevano ai nostri criteri

di ricerca. Review 0

3)attraverso la terza stringa abbiamo trovato 46 articoli, ne abbiamo selezionati selezionati

6. Una sola review è stata trovata ma non risponde ai criteri utilizzati.

4) mettendo come parole chiave “EMG” AND “Fatigue” AND “Kinematics sono stati trovati

54 articoli, selezionati 3. Review 1 selezionata 0

5) l’ultima ricerca ha evidenziato 10 articoli di cui sono stati selezionati 3. Review 1 ma non

selezionata

Pertanto gli articoli effettivamente utilizzati per la revisione sono in totale 20.

9

3.1 Diagramma di flusso

N. totale articoli trovati con le rispettive stringhe di ricerca n. 185

Esclusi dopo lettura di titolo/ abstract perché non rispettavano

i criteri di inclusione n.140

Articoli potenzialmente utilizzabili per la revisione n.45

Articoli non disponibili in full

text n.7

Articoli scartati dopo lettura integrale n.18

Articoli effettivamente utilizzati per la revisione n. 20

3.2 Tabelle sinottiche

Titolo, autore

e anno Campione Fatiguing task EMG analysis EMG results Motor control

Behaviour of a surface EMG based

measure for motor control:Motor unit action potential rate in relation

to forceand muscle fatigue.

L.A.C. Kallenberg, H.J. Hermens

2007

1. num. 10 2. num. 6

1. step contraction consisting on shoulder

elevation five force steps from 20 to 100 N,

corresponding to 5-30% MVC.

2. 15- min isometric task of the biceps

brachii at 10% MVC of the biceps brachii.

1. two-dimensional 16-channel array on UT with the columns prallel to the line

from C7 to the acromion

2. electrodes placed on the BB with the columns parallel to the line from the

acromion to the fossa cubit.

The side was randomised. In both experiments, ground electrode

placed at the wrist.

1. The sensitivity of MR for changes in force was almost twice as highas

that of RMS, indicating that MR

may be more suitable for monitoring muscle force.

2. MR increased considerably less

than RMS (0.9% vs. 4.1%), suggesting that

MR selectively reflects central motor

control whereas RMS also reflects peripheral changes.

These results support that, at

relatively low force levels, MR is a suitable

parameter for non-invasive

assessment of the input of the CNS to the muscle.

Assessment of force and fatigue in

isometric contractions

of the upper trapezius muscle by

surface EMG signal

and perceived exertion scale. Amedeo Troiano a, Francesco

Naddeo a, Erik Sosso a, Gianfranco

Camarota b, Roberto Merletti a, Luca Mesin.

2007

14 subjects

Isometric task selective for the UT at

different force levels (10-80% MVC) and one fatiguing contraction (constant force

level at 50% MVC until exhaustion).

2D array of electrodes placed half way C7- acromion.

Borg ratings, RMS, and entropy were significantly related to force,

and the rate of change of CV, MNF,

FD, and Borg ratings were predictive of the endurance time.

Superior humeral head migration

occurs after a protocol

designed to fatigue the rotator cuff:

A radiographic analysis.

Jaclyn N. Chopp, MSca, John M. O’Neill, MDb, Kevin Hurley, MSca,

Clark R. Dickerson, PhDa.

2010

20 right-hand dominant men

Simulated job task, involving arm elevation

above shoulder height as well as internal and

external rotation. This task represented an industrial assembly

task and was intended to fatigue the entire rotator cuff due to intentional combination of

overhead work ( sovrasp.) and internal (sub

scapola) and external rotation (infraspinatus, teres minor)

Muscle activity was collected from 4

muscles of the upper limb. Bipolar Ag-AgCl dual-surface

electrodes with a fixed 2-cm spacing

were placed on the right side over SS,

IS, DM, PET; a ground electrode was placed on the lateral portion of the

clavicle.

Results provide conclusive evidence

that the IS and DM were fatigued by

performing this task. They had both

an increase in EMG amplitude and a

decrease in MPF. The SS showed

poor evidence for fatigue, because the characteristic amplitude increase

was present but not the decline in MPF. The PET showed conclusive

evidence against

fatigue; characteristic signs for fatigue were not present in

EMG amplitude or MPF.

The position of the humeral head with

respect to the glenoid cavity was significantly affected

both by arm elevation angle and fatigue

state.

In the postfatigued state, the inability of

the rotator cuff to centralize the humeral

head led to increasing translations with higher

elevations. This implies that overhead or repetitive

work,, may accelerate the development

of subacromial impingement through reduction of the subacromial space.

Continuous overhead work

demonstrably created rotator cuff fatigue, which apparently

10

inhibited the ability of the shoulder musculature to resist upward humeral

translation.

Muscle fatigue does not lead to

increased instability of upper

extremity repetitive movements.

Deanna H. Gates1,* and Jonathan B.

Dingwell2.

2010

20 right-handed

adults

1 task, SAW, involved general fatigue of all

arm muscles, at -25% of their maximum

pushing/pulling strenght, for 4 minutes, or until they felt they could no longer continue.

2 task, LIFT, to fatigue the shoulder flexors:

they lifted a weight (- 10% of maxim iso shoulder flexion strenght) in the sagittal

plane with elbows estended, for 3 minutes or

until they felt they could no longercontinue.

Nine pairs of Delsys EMG surface electrodes were attached to the

PET, UT, D, BB, TB, FRC, and ERC.

Electrodes were positioned over each

muscle according to (Konrad, 2005).

EMG activity was recorded

continuously during all sawing trials at 1080 Hz.

All subjects exhibited significant

localized muscle fatigue, as

measured by decreased IMNF, during both fatigue tasks. The

amount of fatigue was significantly

greater in the DA than all other muscles, except the PD and LD for

the LIFT fatigue task. Conversely,

the SAW task fatigued all muscles fairly equally. The PD was

significantly less fatigued than the

AD and wrist extensor. Therefore, the imbalance in fatigue rates of the

AD and PD was more pronounced in

the non-specific SAW task.

Subjects performed consistently accurate movements before and after

fatigue.

They did this in spite of significant muscle fatigue, imbalances between

opposing muscles, and decreased

cocontraction. Subjects’ shoulder movements became slightly more

locally stable after targeted shoulder

flexor fatigue. Shoulder and elbow movements became slightly more

orbitally stable after general fatigue of

the arm. Thus, when performing multi-joint redundant tasks, humans can

compensate for muscle fatigue in ways

that maintain task precision while increasing movement stability.

Effects of shoulder muscle fatigue

caused by ripetitive overhead

activities on scapulothoracic and glenohumeral kinematics.

D. David Ebaugh a,*, Philip W.

McClure b, Andrew R. Karduna 2005

20 subjects

Subjects were asked to perform 3

tasks:1.they stood with their arms elevated to

45 and manipulated small object for 2 min. 2, subjects were asked to raise and lower

their tested arm against resistance. 3,

subjects were asked to raise and lower their arm through a diagonal pattern against resi

stance. 20 reps (20% MVIC)

Upon completion of the third activity, subjects immediately returned to the

first activity

and rotated through the three activities until one of

two criteria was met:1. unable to continue to

perform the required tasks. 2. failed to

correctly perform two tasks in a

row.

Disposable bipolar surface electrodes with a sensor area of 13.2 mm2 were

placed over the UT and LT,

SA, AD, PD, and IS muscles following previously described techniques. The

electrodes were applied to the skin in a

direction that was parallel with the muscle fibers and the inter-electrode

distance was 2.5 cm.

MPF was used as indicator of local

muscle fatigue. A minimum reduction of 8% in the

MPF value was considered to be an

indication of local muscle fatigue. All muscles with the exception of the

lower trapezius showed EMG signs

of fatigue, the most notable being the infraspinatus and deltoid muscles.

Following the performance of the fatigue protocol subjects demonstrated

more upward and external rotation of the

scapula, more clavicular retraction, and less humeral external rotation during

arm elevation

The findings from this study demonstrate that fatigue of the shoulder

girdle musculature results in altered

scapulothoracic and glenohumeral kinematics. But whether an individual

who exhibits these small changes over a

sustained period of time would develop

shoulder pathology is unknown at this

time.

Effect of mechanical compression

due to load carrying on

shouldermuscle fatigue during sustained isometric arm

abduction:an electromyographic

study. Julien Piscione Didier Gamet.

8 subjects

A back pack with a shoulder strap width of 5

cm, without frame or hip belt, was used, to

increase the compressive stress on the shoulders.

3 sessions realised during the same day; each

sessions was performed with a different load-carrying mass (0, 10 and 20 Kg) and

surface EMG signals were recorded

from MD and UT.

For MD, bipolar detections were realised using Beckman type electrodes

positioned on the belly part of each MD

with an interelectrode distance of 20 mm (centre-to-centre) and in parallel

A significant increase in fatigability,

defined by the slope of MPF

decrease, was observed for both muscles when load-carrying mass

increased; but only UT presented a

significant increase in muscle fatigue level, defined by the MPF value with

11

2006 consisted of 2 tasks: 1. Maximal bilateral isometric 90 arm

abduction;

2. mantainig bilateral 90 arm abductions without external load until exhaustion ( the

subject was no more able to correctly abduct

the two arms by 90.

with the main axis of muscle fibres according to the

standard procedure.

For UT, a specific customised electrode system consisted of two electrodes

fixed on a soft epoxy patch with an

inter-electrode distance of 20 mm (centre-to-centre). The electrode system

was positioned approximately 20 mm

laterally from the middistance between C7 spinous process and the lateral edge

of acromion.

respect to its initial value, at the end of the exhausting submaximal task.

Furthermore,

the increase in muscle activation of UT, quantile by RMS, during the

exhausting task was not significantly

higher with increasing load-carrying mass.

The increased signs of local fatigue

of UT may be interpreted by a localised blood Xow

impairment resulting from the

direct compressive force exerted by backpack on this muscle.

Effect of side dominance on

myoelectric manifestations of muscle fatigue in the human upper

trapezius muscle.

Dario Farina Æ Laura A. C. Kallenberg

Roberto Merletti Æ Hermie J.

Hermens 2003

9 right-handed.

7 left-handed

The subject was asked to abduct the two

arms by 90 without any hand load. A combination of long and short contractions

with different bilateral hand loads (0, 0.5,

and 1 kg) was performed. Three sets of contractions were performed with the

different weights. Each set consisted of one

‘‘long’’ contraction of 90 s, directly followed by two ‘‘short’’ contractions of 20 s. 1.

consisted of a long contraction without hand

load, followed by two short contractions with 0.5 and 1 kg hand load. After this first

set, a 5-min rest period was allowed. 2.

consisted of a long contraction with 0.5 kg hand load, followed by two short

contractions with 0 and 1 kg hand load, in random order. After this set, the subject had

10 min of rest. 3. consisted of a long

contraction with 1 kg hand load, followed by two short contractions with 0 and 0.5 kg

hand loads.

The EMG variables of interest were the

mean (MNF) and medianpower spectral

frequencies, the average rectified value (ARV) and root mean square value

(RMS).

Surface EMG signals were detected of the right and left upper trapezius with

two linear adhesive arrays consisting of

eight electrodes with 5 mm inter-electrode distance in single

differential configuration. The array

was placed along the line connecting the spinous process of the seventh

cervical vertebra (C7) to the acromion.

The main finding was the less

negative MNF (and MDF) slopes for

the dominant side during the long contractions for all three load

conditions.

This result was in agreement with the lower MNF (and MDF) values

for the fatigued non-dominant

muscle during the short contractions. This dominance related difference in

fatigue development of the upper

trapezius muscle occurred in both left- and right-handed

subject groups. Although the

trapezius is a postural muscle that is often considered to be activated

symmetrically, the present study shows that it is

probably much more asymmetrically

loaded.

Electromyogram and perceived

fatigue changes in the trapezius

muscle during typewriting and recovery.

Mitsutoshi Kimura · Hirotaka Sato ·

Mamoru Ochi · Satoshi Hosoya · Tsugutake Sadoyama.

2007

Six male subjects

typewriting task assuming a real

labor environment. They were provided with a typescript, from

which they typed for 100 min (4 sets of 25

min each with a 5-min rest between sets). Since prior experiments showed that

subjective fatigue in the trapezius was not

successfully induced during this 100- min load, a weight of 1 kg was added on the

During fatigue and the following rest

periods, subjective fatigue and surface electromyography (EMG) from the

trapezius muscle during isometric

contraction at 30% maximum voluntary contraction (MVC)

were periodically measured in the

interval. Surface EMG signals of the right

We detected a significant

decrease in muscle fiber conduction velocity (MFCV) and median

frequency (MDF) as well as an

increase in root mean square (RMS) and subjective fatigue (P = 0.0004)

during the fatigue period. During the

recovery period, subjective fatigue decreased drastically and

12

wrist. The seat height was adjusted for each subject

before the experiment to maintain the upper

arm in an upright position and the lower arm horizontal.

Measurements during the task were

performed at 0 (before task), 30, 60, 90 and 120 min (immediately after the end of the

last 25-min set).The measurements consisted

of subjective evaluation of muscle fatigue, EMG (MFCV, MDF and RMS), surface and

core tissue temperatures, and muscle

hardness of the trapezius.

trapezius were detected with a multiple active electrode composed of four

parallel silver wires .

The electrode was placed slightly inside the midpoint

between the 7th cervical vertebrae (C7)

and the acromion, avoiding the innervation zone.

A ground electrode, a disk of 12 mm in

diameter, was placed on C7.

significantly, however, the EMG parameters did not recover

completely. Thus, physiological

muscle fatigue in the trapezius developed in accordance with

subjective muscle fatigue during

typewriting. On the other hand, differences between the

physiological and subjective

parameters were found during recovery.

Electromyographical manifestations

of muscle fatigue during different levels of simulated light manual

assembly work.

T. Bosch a,b,c,*, M.P. de Looze a,b,c, I. Kingma b, B. Visser b,c,

J.H. van Diee¨n b,c

2008

Ten healthy

subjects

The subjects had to perform a 3-h simulated

assembly work task at two intensity levels. The task was based on a realistic assembly

task.

The task consisted of constructing and taking apart a small tower of eight blocks.

Subjects constructed and broke down a

tower in front of them with a cycle time of 30 s.

Both hands were used in alternating order

and one block was picked-up at a time. After completing a tower, subjects put it in a box

in front of them.

In the first condition (low condition), the table height was individually adjusted so the

elbow was flexed slightly more than 90_ and

the palms of the hands were just above the table. In the second condition (high

condition) table height was increased by 10

cm, the box height of the parts was increased by 15 cm and the front boxes were placed 35

cm further away. In both conditions, subjects

were not allowed to lean on the table during the tasks.

EMG was recorded using four pairs of bipolar electrodes over the left and right

trapezius muscles during the task itself

and during isometric test contractions. EMG signals were recorded from the

descending part of the upper trapezius

muscle by using bipolar Ag/AgCl surface electrodes. Four pairs of bipolar

electrodes were placed on both the right

and left upper trapezius muscle. The reference electrode was placed over

the C7 spinous process.

Both recordings (during task and

test) showed a significant decrease in the mean power frequency (MPF), at

both intensity levels while the

amplitude remained constant. A regression analysis showed

significantly different temporal

patterns for the MPF decrease for the two intensities. No differences in

manifestations of muscle fatigue

development were found between different

parts of the muscle. These results

indicate that in a highly repetitive low-intensity task,

electromyographical manifestations

of muscle fatigue can be observed from signals recorded in the task

itself. Furthermore, the rate of

development of fatigue manifestations was different

between the two assembly tasks.

This fatigue development appeared to be homogenous across the muscle.

EMG amplitude distribution changes over the upper trapezius

muscle are similar in sustained and

ramp Contractions.

A. Holtermann and K. Roeleveld.

2005

Fourteen subjects

The procedure involved the generation of

two separate contractions. In the first contraction, the subject generated three

smooth isometric ramp contractions from

0% to 90% of MVC. The first properly performer contraction was used for further

analyses. The subjects were instructed to

smoothly increase the force with 9% MVC per second. Each contraction lasted 10 s with

10-s recovery period. After a 3-min recovery

period, the subjects performed a sustained isometric contraction at 25% of MVC lasting

A multi-channel system with a 130-

channel grid was used to acquire multi-channel surface electromyographical

(MCSEMG) data. The multi-electrode

array consisted of 13 · 10 gold covered pin electrodes placed in a holder of

7 · 5 cm. The electrode diameters were

1.5 mm with an inter-electrode distance of 5 mm.

The centre of the MCSEMG grid was

placed on the right trapezius muscle in the middle of the line between the

The main findings were: (1) the

EMG amplitude was spatially non-uniform distributed over the skin

above the upper trapezius muscle at

all investigated time periods, (2) the correlation coefficient between EMG

amplitude distributions at different

time periods varied with time and force level, showing that the non-

uniform amplitude distribution

changed both with contraction level and time and (3) the amplitude

these results indicate that (i) the

activation of the upper trapezius muscle is inhomogeneously distributed in both

sustained and ramp isometric

contractions, (ii) this inhomogeneous activation changes both with contraction

level and time, mainly because of motor

unit recruitment and (iii) global motor unit recruitment to compensate for

muscle fatigue during a sustained

contraction and to regulate force increase during a ramp contraction is

13

3 min. processus spinosus of the seventh cervical (C7) vertebra and the lateral

edge of the acromion.

distribution of the muscle late in the sustained contraction was more

similar to the amplitude distribution

observed at higher force levels.

controlled in similar manners.

EMG analysis of shoulder muscle

fatigue during resisted isometric shoulder elevation.

Stephen Minning *, Colin A. Eliot,

Tim L. Uhl, Terry R. Malone. 2006

Sixteen

asymptomatic subjects

The subjects held a weight equivalent to

60% of his/her Maximum Voluntary

Isometric Contraction (MVIC) while elevating in the scapular plane.

Shoulder muscle fatigue was measured by

having the subject perform an isometric contraction at 60% of their maximal

voluntary isometric contraction force

(MVIC). Sixty percent was chosen as research has

shown that above this level of force output

there is a greater recruitment of Type II muscle fibers as compared to lower levels of

force

Output. The subject was considered fatigued and the

trial over when the subject was no longer

able to maintain his or her arm at the predetermined test position or

if 30 s had elapsed with the subject

maintaining the position. At the completion of the first trial, the subject was allowed a 5-

min rest, after which a second trial was

performed in the same manner. The trial was terminated at 30 s to provide more consistent

data for the statistical analysis.

Surface electrodes were applied to

collect electromyographic activity from

the UT, MD, SA, and LT muscles while the arm was held at 90_ elevation. Data

collection ceased when the subject was

no longer able to maintain 90_ of elevation. The subject then rested and a

second trial performed. One week later,

the two-trial procedure was repente. Electrode placement locations were

selected based on previous published

studies involving EMG data collection from the muscles of interest.

Bipolar silver–silver chloride surface

electrodes were used with a constant interelectrode distance of 2.0 cm.

Electrodes for the UT were placed 2 cm

lateral to the midpoint between the spinous process of the seventh cervical

vertebra and the posterior tip of the

acromion process along the line of the trapezius. The MD

electrodes were placed midway

between the deltoid tuberosità and the acromion process. The SA electrodes

were placed at the apex of the lateral

side of the thorax3 cm caudal to the inferior spine of the scapula, obliquely

upward and posterior. The electrodes

for the LT were placed obliquely upward and laterally along a

line between the intersection of the

spine of the scapula and with the vertebral border of the scapula and the

seventh thoracic spinous process. A ground

electrode was placed on the left

acromion process.

A significant interaction of trial · day

· muscle was found for the rate of

fatigue. Post hoc analysis revealed

that the rate of fatigue of the middle

deltoid was significantly greater than

the other muscles tested. The intraday reliability was good for all

muscles but interday

reliability was poor except for the middle deltoid.

The average median power

frequency shifts were most apparent in the middle deltoid and upper

trapezius muscles, with the serratus

anterior and lower trapezius exhibiting slightly lower changes.

All of the muscles

showed a decrease in median power frequency output indicating fatigue

with this task.

The results also revealed good intrasession reliability for all of the

muscles of interest and poor

intersession reliability for 3 of the 4 muscles tested, excluding the middle

deltoid. demonstrates intrasession

and intersession reliability for the muscles studied.

Shoulder muscle fatigue has been

associated with alterations in joint mechanics and possibly contributes to

shoulder dysfunction.

This study suggests that the middle deltoid appears to fatigue faster than the

other shoulder muscles tested at the

selected level of shoulder elevation. This should be considered in designing a

rehabilitation program to develop a

sequence that does not overly fatigue the middle deltoid.

Spatial distribution of active muscle fibre characteristics in the upper

trapezius muscle and its dependency

on contractionlevel and duration. Andreas Holtermann a,*, Christer

Gro¨nlund b,c, J. Stefan Karlsson

b,c, Karin Roeleveld. 2006

five male subjects

Subjects performing isometric shoulder elevation at different force levels. The five

subjects performed shoulder elevation using

a dynamometer.

Two-dimensional (2-D) multi-channel surface electromyography recordings

were used, with 13 · 10 electrodes

covering 6 · 4.5 cm of the skin’s surface. A previously developed method

was applied to detect individual

propagating motor unit action potentials and to estimate their corresponding

The main results were: (1) the general relationship between MFCV

and force generation was non-

systematic, with a positive relationship at the inferior part of the

muscle, (2) the spatial distribution of

MFCV at different force levels and fatigue was

14

muscle fibre conduction velocity (MFCV) and muscle fibre orientation

(MFO).

inhomogeneous and (3) the MFO (muscle fiber orientation) was

slightly different (6°) of the muscle

fibres with origin superior compared to inferior to the C7

vertebra.

Scapular muscle activation and co-activation following a fatigue task.

Kimberly Szucs Æ Anand

Navalgund Æ John D. Borstad.

2009

28 asyntomatic

subjects

Subjects performed a task to fatigue the serratus anterior.

each subject performed five repetitions of

maximum scapular plane elevation in standing at an estimated velocity of 90_ per

s.

Subjects then performed a task intended to fatigue the serratus anterior by placing their

feet on a 23-cm step and holding a pushup

plus position. The pushup plus position involves assuming the starting position for a

pushup and then adding maximum scapular

protraction bilaterally. Subjects held this position until they

voluntarily stopped due to fatigue.

Immediately following the task, subjects returned to standing and repeated the five

repetitions of scapular plane elevation. EMG

data were collected during both series of arm

elevation and during the fatigue task.

A Delsys Bagnoli 8-channel EMG

system collected raw surface EMG data from the SA, UT and LT muscles.

Surface electrodes were bipolar Ag–

AgCl parallel bar electrodes. The SA

electrode was placed on the lateral

midline of the thorax at approximately

the sixth rib, anterior to the latissimus dorsi. The UT electrode was placed

halfway along a line between the

acromioclavicular joint and the seventh cervical spinous process. The LT

electrode was placed just

medial and superior to an oblique line between the root of the spine of the

scapula and eighth thoracic spinous

process. All electrodes were aligned in parallel with the

muscle fibers and a disposable

reference electrode was positioned on the subject’s contralateral acromio

n.

All muscles demonstrated meaningful declines in the median

frequency of the electromyographic

signal during the task. Following the task, only the upper

trapezius had higher mean activation

levels (mean difference 10.79% MVIC), while the serratus

anterior/lower trapezius activation

ratio was altered (mean difference -0.3).

A task intended to fatigue the serratus

anterior resulted primarily in upper trapezius activation increases at the

shoulder. These increases may be fatigue

related, but could suggest that the upper trapezius is less susceptible to fatigue

and may attempt to compensate for

fatigue of other shoulder muscles. Supporting this possibility is the fact

that the upper trapezius activation

increases are at 60_, 90_ and 120_ of arm elevation, angles where the

gravitational force effects on the arm are

greatest and larger muscle force requirements are thus required. Serratus

anterior endurance training may be

beneficial for the prevention of shoulder pathology for those with increased

exposure to forceful overhead

contractions.

Scapula kinematic alterations

following a modified push-up plus task.

John D. Borstad *, Kimberly Szucs,

Anand Navalgund.

2009

Twenty-eight participants.

The experimental task consisted of five

repetitions of scapular plane arm elevation

at an estimated velocity of 90°/s and the fatigue consisted of an isometric hold of a

modified push-up plus position.

Delsys Bagnoli 8-EMG. One bipolar Ag–AgCl parallel bar

surface electrode with contact material

composed of 99.9% Ag and a detection area of 10 mm2 was used on each

muscle. A disposable reference

electrode was placed over the

participants contralateral acromion. The

serratus anterior electrode was placed

approximately 1 cm above the level of the inferior angle of the scapula,

anterior to latissimus dorsi on the lateral

thorax at the level of the fifth or sixth rib. The upper trapezius electrode was

placed at the midpoint of the line

between the acromioclavicular joint and the seventh cervical spinous process.

The lower trapezius electrode was

placed just medial and superior to a line between the root of the spine of the

The fatigue task resulted in decreased median power frequency

in all four muscles and significantly

increased Borg scores. An a priori decline of 8% was selected to signify

local muscle fatigue.

Three muscles, serratus anterior

(27.2%), infraspinatus (26.7%), and

lower trapezius (29.0%)

demonstrated mean percent declines greater than 20%, while the upper

trapezius declined 14.6%.

Infraspinatus percent MPF decline is greatest in males,

while lower trapezius shows the

largest decline in females and the smallest decline in males, while

lower trapezius shows the largest

decline in females and the smallest decline in males. Also

Scapula kinematics during arm elevation and lowering were altered following the

fatigue task. This scapular alterations

were more pronounced at higher elevations angles, where increased

serratus EMG activity is noted.

Scapula posterior tilting and internal

rotation were most impacted by muscle

fatigue, with decreased posterior tilting

and increased internal rotation after the task.

Other muscles demonstrated fatigue:

kinematics changes cannot be attribuited to serratus anterior fatigue alone.

Shoulder muscle fatigue contributes to

scapular kinematic alterations and is a plausible risk factor for subacromial

impingement syndrome.

Fig. 4 NB. Fatigue contribute to scapulothoracic

15

scapula and eighth thoracic spinous process. The infraspinatus electrode

was placed medial to the posterior

deltoid approximately 1 cm below the spine of the scapula.

notable are the considerably lower MPF declines for upper trapezius

and infraspinatus in women, with

upper trapezius failing to meet the 8% decline threshold for fatigue.

kinematic alterations that are similar to the alterations noted in participants with

subacromial impingement. Although

serratus anterior fatigue may preferentially influence scapular

posterior tilting because of its favorable

moment arm, fatigue of the UT, LT, IS be contributing to alterations in this

rotation. LT fatigue appears to influence

scapular internal rotation in the transverse plane during arm motion.

Periodic increases in force during sustained contraction reduce fatigue

and facilitate spatial redistribution of

trapezius muscle activity. Deborah Falla Æ Dario Farina

2007

9 volunteers.

This study compared fatigue and the spatial

distribution of upper trapezius electromyographic (EMG) amplitude during

a 6-min constant force shoulder elevation

task at 20% of the maximal voluntary contraction force

(MVC) (constant force) and during the same

task interrupted by brief (2 s) periodic increases in force to 25%

MVC every 30 s (variable force).

Surface EMG signals were detected

from the right upper trapezius with a semi-disposable adhesive grid of 64

electrodes.

The grid consists of 13 rows and 5 columns of electrodes (1 mm diameter,

8 mm interelectrode distance in both

directions) with one missing electrode at the upper right corner.

Before placement of the grid, the main

innervation zone location of the upper trapezius along the seventh cervical

vertebra (C7)-acromion line was

identified with an array of eight electrodes (silver bars, 5 mm long, 1

mm diameter,

5 mm interelectrode distance). The centroid (center of activity) of the

EMG root mean square map

was computed to assess changes over time in the spatial distribution of EMG

amplitude.

MVC force decreased by 9.0 ± 3.9% after the constant force task but was

unchanged following the variable

force contraction. The centroid of EMG

amplitude shifted in the cranial

direction across the duration of the variable forcecontraction but not

during the constant force

contraction. This study demonstrates that force

variations enhance the

change in the spatial distribution of upper trapezius EMG amplitude over

time and that this is associated with

less fatigue with respect to a constant force contraction. Differences in the

change in EMG amplitude

distribution may reflect different mechanisms involved in fatigue

development between the two tasks.

Myoelectric manifestations of

fatigue at low contraction levels in subjects with and without chronic

pain.

Laura A.C. Kallenberg a,*, Elke Schulte b, Catherine Disselhorst-

Klug b,

Hermie J. Hermens a,c 2006

10 healthy and 10

with cronic pain subjects.

1. 2 step contractions consisted of five force levels with a duration of 10 second each.

2. isometric sustained contraction of 15 min

at a force level of 40 N The step contractions were performed before

and after the sustained contraction to

examine possible changes in motor control.

EMG of the dominant upper trapezius

was recorded using a two-dimensional

16-channel electrode array. The array

consisted of four rows of gold-coated

pin electrodes with a diameter of 1.5

mm. The electrode array was placed with the

rows parallel to the line from C7 to the

acromion with the centre of the electrode array 2 cm distally from the

midpoint, in accordance with the

SENIAM Recommendations.

During the sustained contraction,

cases showed less increase in RMSG

than controls. FMEDG and CV

decreased in controls and stayed

constant (FMEDG) or slightly

increased in cases. Overall, cases showed a less pronounced

myoelectric response to the fatiguing

task than controls, which may be related to additional recruitment

of higher-threshold MUs. A possible

explanation might be that cases were already fatigued before the

experiment started.

16

17

4. Discussione

4.1 sEMG

Dall’analisi fatta attraverso le review e gli articoli selezionati emerge una certa confusione e

non omogeneità di interpretazione dei dati EMG, tanto che diversi autori concludono

importanti review affermando che “I dati EMG devono essere presi con cautela (37,43,1,2)”.

La registrazione del segnale EMG è, come è noto, influenzata da un numero elevato di

fattori: la forma e il tipo di elettrodi utilizzati, il loro posizionamento rispetto alla direzione

delle fibre, alla zona di innervazione e all’inserzione tendinea, l’impedenza di uscita della

sorgente e di ingresso dell’amplificatore, la temperatura del muscolo (37,38,39).

A fronte di tanta variabilità il numero di lavori rintracciabili in letteratura che offrano

risultati e conclusioni supportate da un corretto uso degli strumenti statistici è decisamente

ridotto.

Non sembra inoltre esserci accordo sul concetto di ripetibilità e sui protocolli da effettuare

per verificarne la consistenza.

Dall’analisi dei dati provenienti dagli articoli presi in esame risulta difficile una loro

comparazione in quanto sono differenti i metodi di valutazione della fatica muscolare.

In particolare la comparazione dei dati elettromiografici di superficie non è possibile in

quanto per ogni articolo, gli elettrodi, sono stati posizionati in punti differenti sulla pelle del

paziente; anche la frequenza di campionamento del segnale varia da articolo ad articolo; in

alcuni articoli la posizione degli elettrodi di superficie non viene descritta (14,15).

Considerando anche la difficoltà stessa di interpretazione del dato sEMG, è facile

comprendere come la comparazione di dati provenienti da diversi metodi di studio sia poco

attendibile.

Inoltre, le analisi sEMG avvengono quasi sempre per condizioni di lavoro muscolare

isometrico (8,10,15,16,18,25,35), con l’obiettivo di limitare il più possibile le interferenze possibili

col “vero” segnale elettromiografico, dato ad esempio dallo scorrimento della cute, o dello

scorrimento relativo del muscolo rispetto alla cute, inevitabile in una contrazione dinamica.

Questo è quindi un grosso limite della sEMG, che risulta non essere pienamente efficace ed

attendibile, per analizzare l’attività elettrica muscolare in condizione dinamica, come ad

18

esempio durante una contrazione eccentrica o concentrica, o durante un gesto lavorativo

(5,7,12,14,19).

Le grandezze fisiche utilizzate per caratterizzare il segnale mioelettrico legato alla fatica

sono spesso classificate come “nel dominio del tempo”, perché richiedono, per il loro

calcolo, solo il tracciato temporale del segnale e forniscono informazioni sulle sue

caratteristiche, e “nel dominio della frequenza” perché richiedono l’analisi spettrale e

caratterizzano lo spettro del segnale(37) Sebbene studiate a lungo, le ragioni alla base dei

cambiamenti di queste variabili sono ancora poco chiare (42).

Tra i vari parametri che generalmente vengono ricavati dalle registrazioni di segnali

elettromiografici di superficie (MNF, MDF, ARV, RMS,CV), la stima della velocità di

conduzione sembra essere il miglior candidato per il ruolo di valore normativo, almeno sui

muscoli con fibre parallele. Su questi muscoli l’errore percentuale inter-soggetto nella stima

del suo valore è infatti estremamente basso (2%-5%) e praticamente uniforme sia in

contrazioni stimolate elettricamente sia in contrazioni volontarie (37).

Numerosi articoli hanno messo in evidenza il fatto che la posizione degli elettrodi sia un

problema molto critico per la stima delle variabili del segnale e che le variazioni che se ne

ricavano possono variare moltissimo posizionando gli elettrodi in maniera diversa. L’utilizzo

delle schiere lineari di elettrodi sembra possa far superare i limiti dati dai metodi classici

usati per la stima dei valori globali CV e MNF, come il rilevamento bipolare, e in generale

può provvedere ad una più completa visione dell’attività muscolare per cui nn solo

l’informazione temporale ma anche quella spaziale diventa disponibile, soprattutto per

livelli di forza da bassi a moderati (9); essi infatti permettono di ricavare un valore mediato

sull’intero volume di prelievo, nascondendo le differenze tra i singoli contributi generati da

UM molto diverse. I valori globali possono rimanere inalterati anche se i singoli contributi

cambiano. Poiché, infatti, con l’utilizzo delle schiere lineari di elettrodi è più semplice

riconoscere i singoli potenziali d’azione (40), la stima delle variabili di interesse passa dal

valore globale (medio) alla stima del valore per ciascun contributo.

Le schiere offrono molti campi di applicazione interessanti. La possibilità di seguire il

potenziale nella sua propagazione permette ad esempio di valutare la qualità del prelievo e

l’influenza della posizione degli elettrodi sulle stime dei parametri di fatica o sulla stima del

grado di attività di un muscolo (38,39).

19

Andando ad analizzare nello specifico i 16 articoli selezionati si evidenzia che in 7 articoli gli

autori hanno utilizzato per l’analisi sEMG rilevamenti bipolari, mentre in 9 articoli sono stati

applicati sistemi di acquisizione a schiera per l’analisi elettromiografia. Anche in questo caso

esiste comunque una variabilità nell’acquisizione dei dati legata al numero di elettrodi (es:

griglie da 5 x 13 o 10 x 13) alla distanza inter-elettrodo (es: 1.5mm – 8mm) e alla superficie

cutanea coperta dalla griglia (es: 7 x 5 cm; 6 x 4.5 cm).

Nonostante la non omogeneità delle metodiche utilizzate, negli ultimi anni alcuni studi

hanno seguito le raccomandazioni SENIAM (Surface ElectroMyoGraphy for the Non-Invasive

Assessment of Muscles) nate da un programma di ricerca Europeo dall’obiettivo di

sviluppare protocolli condivisi al fine di favorire lo scambio di dati e di esperienze cliniche e

di stabilire linee di condotta Europee nella ricerca di base e applicata.

Per quanto l’analisi fatta circa la valutazione dell’attività muscolare è emerso che il trapezio

superiore è sicuramente il target della maggior parte degli studi ergonomici presenti in

letteratura, proprio per il ruolo chiave nei disordini muscolo-scheletrici nella regione

cervico-brachiale Tra gli altri distretti muscolari, risultano maggiormente analizzati il

Trapezio Inferiore, il Deltoide nelle sue 3 componenti, il Dentato Anteriore e il Bicipite

Brachiale in relazione della sua funzione a livello della spalla.

Risultano tuttavia più affidabili il TS, TI e il Deltoide, siti presenti nelle raccomandazioni

SENIAM.

4.2 controllo motorio

Le evidenze riguardanti il rapporto tra fatica muscolare a livello del cingolo scapolare e

alterazione del controllo motorio (ovvero legato ad un gesto finalizzato), sono ancora

scarse. Inoltre, a causa della complessità sia anatomica che funzionale, gli studi condotti a

livello del cingolo scapolare e dell’arto superiore in soggetti sani sono ancora tropo pochi.

La precisione del movimento è comunque da considerare critica per la salute di tutta la

regione della spalla anche se è ancora poco conosciuto il meccanismo per cui la fatica o lo

squilibrio tra muscoli/gruppi muscolari possa influenzare il controllo della stabilità del

movimento (5,36).

20

In primo luogo perché la dinamica nell’uso del braccio comporta la sincronizzazione e

l’attivazione di molteplici muscoli che permette molti gradi di libertà di movimento.

Non è sorprendente dunque, data la complessità della spalla, che ci siano numerose

patologie muscolo scheletriche che possano interessare l’intero arto superiore e che

svariati meccanismi vengano proposti alla base di queste problematiche. Tra questi si

notano alterazioni biomeccaniche (cinematiche), variazioni anatomiche, infortuni acuti o

cronici, patologie o debolezza muscolari, difetti posturali (36).

Con il termine alterazioni biomeccaniche si intendono movimenti o forze che deviano dalla

normalità di un gesto, e possono derivare da patterns di movimento ripetuti o da

alterazioni dell’attivazione neuromuscolare secondarie ad uno stimolo come la fatica o il

dolore (25, 34)

Le alterazioni neuromuscolari sono particolarmente problematiche perché possono

interferire con il normale timing di attivazione, fondamentale nel nostro caso, per il

movimento del cingolo scapolare e della spalla (36).

Dall’analisi della letteratura abbiamo individuato alcuni articoli che hanno messo in

relazione la fatica muscolare a livello del cingolo scapolare, con alterazioni cinematiche e di

stabilità dell’arto superiore (5,7,12,16,35,36) ed in particolare della scapola.

Quali siano i task motori da utilizzare, quali muscoli è possibile affaticare maggiormente con

un determinato task e che interpretazione dare ai vari risultati EMG e cinematici è tuttora

di difficile analisi.

Mc Quade (41) nel suo studio, 25 partecipanti, ha riscontrato alcuni cambiamenti nel ritmo

scapolo-omerale, soprattutto nell’upward rotation scapolare in diversi angoli di elevazione.

Utilizzando ripetute elevazioni contro resistenza del braccio a 150° ha riportato alterazioni

cinematiche scapolo-omerali dopo le varie ripetizioni.

I partecipanti allo studio si affaticavano dopo circa 90-120 secondi in media e dimostravano

una diminuzione di circa il 20% dell’MPF per il trapezio superiore, dentato anteriore,

deltoide medio, mentre una percentuale di diminuzione più bassa si evidenziava al trapezio

inferiore. Questi dati differiscono da quelli riscontrati nello studio di Borstad (35) dove

nessun cambiamento nella upward rotation è stato riscontrato. Una possibile spiegazione

sta probabilmente nella differente richiesta che viene fatta al paziente, dinamica nello

studio di Mc Quade con possibili strategie di movimento compensatorie che differiscono da

quelle create da un compito isometrico dello studio di Bortsad.

21

Ebaugh et al. (12) hanno analizzato gli effetti della fatica muscolare del cingolo scapolare

sulla cinematica tridimensionale scapolo toracica e gleno-omerale. I muscoli analizzati sono

stati il trapezio superiore, il dentato anteriore, il deltoide ant. e post. e l’ infraspinato. I 20

partecipanti hanno eseguito un protocollo dinamico composto da tre task motori, e i

risultati che emergono da questo studio dimostrano che la fatica della muscolatura

scapolare porta ad alterazioni biomeccaniche: in particolare si riscontrò un aumento della

upward ed external rotation ad angoli di elevazione più alti, e un diminuito downward

rotation ad angoli di elevazione più bassi.

L’autore riporta un declino della MPF maggiore dell’8% di tutti i muscoli, tranne che per il

trapezio inferiore. Contrariamente allo studio di Ebaugh, i partecipanti a quello di Borstad

dimostrano un aumento nella rotazione interna scapolare, e una diminuzione maggiore del

29% nell’analisi elettromiografia del trapezio inferiore. Questo suggerisce un ruolo chiave

del trapezio inferiore nel mantenimento della stabilità della scapola nel piano trasversale

durante l’elevazione del braccio.

Le alterazioni cinematiche riscontrate nel lavoro di Borstad divergono quindi sia dai risultati

di Mc Quade che da quelli di Ebaugh.

Borstad (31) ha cercato di determinare se effettuando un task motorio mirato ad affaticare il

dentato anteriore ne consegua una immediata alterazione cinematica scapolare in soggetti

sani.

22

Parteciparono allo studio 28 soggetti. Il task richiesto è stato una tenuta isometrica della

scapola in protrazione in posizione di push-up. I risultati EMG riscontrano un affaticamento

non solo del dentato anteriore, ma anche di tutti gli altri tre muscoli analizzati (trapezio

medio superiore e infraspinato) che riportano segni di fatica, rendendo cosi impossibile

attribuire le alterazioni biomeccaniche solamente al dentato anteriore.

Il fatto che tutti i muscoli raggiungano la soglia dell’8% spiega la natura sinergica(istica?) ed

elaborata della complessa muscolatura della spalla.

Le alterazioni riscontrate maggiormente riguardano la rotazione interna e il tilt, e non la

rotazione esterna. Questo probabilmente per un affaticamento del dentato anteriore e del

trapezio inferiore, entrambi attivi normalmente nella rotazione esterna della scapola

durante l’elevazione.

Nonostante i segni di fatica riscontrati in maniera generalizzata, la upward rotation non è

alterata immediatamente dopo il task. Questo è un risultato sorprendente perché dentato,

trapezio superiore e inferiore contribuiscono a tale movimento della scapola. È quindi

possibile che durante l’elevazione ci sia un contributo di altri muscoli in sostituzione di

quelli affaticati; un’altra possibile spiegazione è data dal fatto che essendo affaticati i

muscoli coinvolti nella coppia di forze richiesta per la upward rotation non vi sia la perdita

della sinergia balistica richiesta.

La principale limitazione di questo studio è la impossibilità ad isolare ed affaticare con un

compito motorio esclusivamente il dentato anteriore invece che una serie di muscoli, e

questo non permette di raggiungere gli obiettivi che gli autori si sono prefissati; è probabile

che alcuni soggetti presi in esame adottino delle strategie motorie, per completare il

compito affaticante, con il tronco, la scapola o l’omero, e che siano esse in realtà che

attivino gruppi muscolari che poi dimostrano segni di fatica.

23

Una scoperta di particolare interesse in questo studio è la differenza sui dati della fatica

riscontrati tra maschi e femmine, con i primi che dimostravano maggior diminuzione della

MPF in tutti e 4 i muscoli, nonostante la maggior resistenza nell’esecuzione del compito

richiesto rispetto alle donne.

Dai dati proveniente dalla letteratura sembra l’intensità del fatiguing task (% MVC) la

variabile più importante ed un recente studio di (42) ha riportato come in esercizi di minore

intensità le donne dimostrano segni di fatica minori rispetto agli uomini.

Un recente articolo (5) appare in controtendenza rispetto a quanto evidenziato fino ad ora.

In questo studio, gli autori studiano gli effetti della fatica muscolare sulla stabilità di

movimento dell’intero arto superiore in un compito motorio ripetitivo, compiuto prima e

dopo uno di due fatiguing tasks: il primo designato principalmente per attivare i muscoli

flessori della spalla (LIFT), il secondo per causare un affaticamento generale del braccio

(SAW).

I risultati mostrano come i soggetti compiano movimenti accurati prima e dopo la fatigue,

nonostante una significativa fatica muscolare, squilibri tra muscoli antagonisti e una

diminuita cocontrazione.

I movimenti della spalla diventano più stabili localmente dopo il protocollo LIFT, mentre i

movimenti della spalla e del gomito diventano più orbitally stable dopo il protocollo SAW.

Gli autori concludono che quando si analizzano compiti motori che interessano

globalmente l’arto superiore, l’uomo può compensare la fatigue, utilizzando muscoli

differenti o strategie di feedback compensatorie, nel tentativo di mantenere la precisione

del compito mentre aumenta la stabilità di movimento.

24

Sebbene i risultati della maggior parte di questi studi indichino che la fatica muscolare

influenza la mobilità scapolo toracica e scapolo omerale, e quindi l’accuratezza la precisione

la stabilità dell’intero arto superiore, i meccanismi su come questo avvenga sono tuttora

sconosciuti. Alcuni autori ritengono possa essere il risultato di una ridotta propriocezione,

altri il risultato di un cambiamento nell’attività/sensibilità del sistema dei fusi

neuromuscolari che porta ad un alterato feedback al sistema nervoso centrale. Queste

dinamiche potrebbero portare ad una scorretta coordinazione muscolare con conseguenti

alterazioni nella cinematica scapolare (2).

25

5. Conclusioni

Dall’analisi della letteratura presa in considerazione per rispondere al quesito che ci siamo

posti nello svolgimento di questa tesi emerge che:

Il sistema sEMG non sembra essere uno strumento utile alla valutazione della fatica nel

cingolo scapolare.

Gli studi che utilizzano l’sEMG per la valutazione della fatica nel cingolo

scapolare sono limitati.

I protocolli utilizzati risultano ancora non omogenei e poco standardizzati

(set up, tipo di elettrodo e parametri di acquisizione)

I siti e il numero dei muscoli presi in considerazione presentano un alta

variabilità tra i diversi studi.

Quali siano i task motori da utilizzare (isometrici o dinamici, differente %MVC

presa in esame, tempistica di recupero,ecc..), quali muscoli è possibile

affaticare maggiormente con un determinato task e che interpretazione dare

ai vari risultati EMG è tuttora di difficile analisi.

Le evidenze riguardanti il rapporto tra fatica muscolare e il controllo motorio a livello

dell’arto superiore sono ancora scarse.

L’analisi dei parametri cinematici specifici non viene presa in considerazione

nella maggior parte degli studi.

Le limitate evidenze ottenute sulla relazione tra fatica e controllo motorio

indicano che la fatica stessa influenza la mobilità scapolo toracica e scapolo

omerale, e quindi l’accuratezza la precisione e la stabilità dell’intero arto

superiore. Tuttavia i meccanismi su come questo avvenga sono tuttora

sconosciuti.

La complessa anatomia e la dinamica stessa dell’uso del braccio ne rende

assai complessa un’analisi che tenga conto della globalità del movimento.

26

La popolazione presa in considerazione nei diversi studi presenta caratteristiche tali da

creare un bias statistico (età, sesso, attività lavorativa/sportiva, ecc.) pertanto rappresenta

un ulteriore limite alla possibilità di confrontare i dati raccolti in letteratura.

Sebbene numerosi limiti siano evidenziati nella nostra ricerca, appare indispensabile

adottare negli studi futuri condotte metodologiche uniformi e standardizzate come

proposto dalle raccomandazioni SENIAM.

27

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