[論文レビュー] The comparison of Higuchi fractal dimension and Sample Entropy analysis of sEMG: effects of muscle contraction intensity and TMS

Milena Čukić, Mirjana M. Platiša+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2018

Muscle activation and electromyography studies参考文献 33被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、変動する筋収縮強度および単一パルス経頭蓋磁気刺激（spTMS）後の表面筋電図（sEMG）信号の複雑さを定量化するために、Higuchiフラクタル次元（HFD）とサンプルエントロピー（SampEn）を比較した。結果として、両指標は収縮強度および神経的摂動に対して異なる反応を示し、SampEnは低周波動態をよりよく捉えるのに対し、HFDは高周波成分に対してより感受性が高かった。これは、両指標を併用することで、単独で用いる場合よりも、sEMGの複雑さをより包括的に評価できることを示している。

ABSTRACT

The aim of the study was to examine how the complexity of surface electromyogram (sEMG) signal, estimated by Higuchi fractal dimension (HFD) and Sample Entropy (SampEn), change depending on muscle contraction intensity and external perturbation of the corticospinal activity during muscle contraction induced by single-pulse Transcranial Magnetic Stimulation (spTMS). HFD and SampEn were computed from sEMG signal recorded at three various levels of voluntary contraction before and after spTMS. After spTMS, both HFD and SampEn decreased at medium compared to the mild contraction. SampEn increased, while HFD did not change significantly at strong compared to medium contraction. spTMS significantly decreased both parameters at all contraction levels. When same parameters were computed from the mathematically generated sine-wave calibration curves, the results show that SampEn has better accuracy at lower (0-40 Hz) and HFD at higher (60-120 Hz) frequencies. Changes in the sEMG complexity associated with increased muscle contraction intensity cannot be accurately depicted by a single complexity measure. Examination of sEMG should entail both SampEn and HFD as they provide complementary information about different frequency components of sEMG. Further studies are needed to explain the implication of changes in nonlinear parameters and their relation to underlying sEMG physiological processes.

研究の動機と目的

• 筋収縮強度の変化に伴うsEMG信号におけるHiguchiフラクタル次元（HFD）とサンプルエントロピー（SampEn）の反応を評価すること。
• 単一パルス経頭蓋磁気刺激（spTMS）がHFDおよびSampEnで測定されたsEMGの複雑さに与える影響を調査すること。
• 合成正弦波信号を用いて、HFDおよびSampEnが異なる周波数帯域で信号の複雑さをどれだけ正確に検出できるかを比較すること。
• 変動する生理的状態下で、sEMGのダイナミクスを十分に表現できる単一の複雑さ指標が存在するかどうかを特定すること。
• HFDとSampEnを併用することで、sEMG信号複雑さの相補的側面を捉えることができるようになることを提唱すること。

提案手法

• Higuchiフラクタル次元（HFD）は、軽い、中程度の、強いの3段階の任意収縮レベルで記録されたsEMG信号から計算された。
• サンプルエントロピー（SampEn）は、固定された埋め込み次元および許容誤差パラメータを用いた標準的なアルゴリズムで計算された。
• sEMG信号は、大脳皮質への摂動効果を評価するために、spTMSの前後で記録された。
• HFDおよびSampEnが複雑さを検出できる正確さをテストするために、周波数帯域（0–40 Hzおよび60–120 Hz）にわたる正弦波キャリブレーション信号が生成された。
• 収縮レベルおよび時間点（spTMS前後）の間で統計的比較が行われ、HFDおよびSampEnの変化を評価した。
• 被験者の同一被験者内設計を採用し、制御された収縮および刺激条件下で複数回のsEMG記録が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 sEMG信号におけるHiguchiフラクタル次元（HFD）とサンプルエントロピー（SampEn）は、筋収縮強度の上昇に伴ってどのように変化するか？
• RQ2 単一パルス経頭蓋磁気刺激（spTMS）は、異なる収縮レベルにおけるsEMG信号のHFDおよびSampEnにどのように影響を与えるか？
• RQ3 sEMG信号の低周波動態（0–40 Hz）を捉えるのに、HFDとSampEnのどちらがより適切か？
• RQ4 sEMG信号の高周波動態（60–120 Hz）を捉えるのに、HFDとSampEnのどちらがより適切か？
• RQ5 変動する運動出力および大脳皮質摂動下でのsEMGのダイナミックな変化を、単一の非線形複雑さ指標が十分に表現できるか？

主な発見

• spTMS後、中程度の収縮強度では、軽い収縮強度と比較してHFDおよびSampEnが有意に低下した。
• 強い収縮では、中程度の収縮と比較してSampEnが上昇したが、HFDには有意な変化は認められなかった。
• spTMSは、すべての収縮強度でHFDおよびSampEnを有意に減少させ、信号複雑さの一般的抑制を示した。
• 合成正弦波信号において、SampEnは低周波（0–40 Hz）での複雑さ検出においてより高い正確性を示したが、HFDは高周波（60–120 Hz）での正確性が高かった。
• 結果として、HFDとSampEnは筋活動および神経的摂動の変化に異なる反応を示し、sEMGの異なる周波数成分に対して相補的な感受性を示していることがわかった。
• 本研究では、単一の複雑さ指標に依存することはsEMGダイナミクスを誤って表現する可能性があると結論づけ、HFDとSampEnを併用することで、信号複雑さのより包括的な評価が可能になるとされた。