[논문 리뷰] The comparison of Higuchi fractal dimension and Sample Entropy analysis of sEMG: effects of muscle contraction intensity and TMS

Milena Čukić, Mirjana M. Platiša외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 28.

Muscle activation and electromyography studies참고 문헌 33인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 다양한 근수축 강도와 단일 펄스 경두개자극(spTMS) 후 표면 근전도(sEMG) 신호의 복잡성 측정을 위해 히구치 프랙탈 차원(HFD)과 샘플 엔트로피(SampEn)를 비교한다. 결과적으로 두 지표는 수축 강도와 신경학적 교란에 대해 서로 다른 방식으로 반응하며, SampEn은 저주파 성분을 더 잘 반영하고 HFD는 고주파 성분에 더 민감하다는 점이 나타났다. 이는 HFD와 SampEn을 함께 사용할 경우 단일 지표보다 더 포괄적인 sEMG 복잡성 평가가 가능하다는 것을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• sEMG 신호에서 근수축 강도 변화에 따른 Higuchi 프랙탈 차원(HFD)과 샘플 엔트로피(SampEn)의 반응을 평가하기 위해.
• 단일 펄스 경두개자극(spTMS)이 HFD와 SampEn를 통해 측정된 sEMG 복잡성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 합성 사인파 신호를 사용하여 HFD와 SampEn가 다양한 주파수 대역에서 복잡성 변화를 얼마나 정확히 감지하는지 비교하기 위해.
• 다양한 생리적 조건에서 sEMG 동역학을 충분히 대변할 수 있는 단일 복잡성 측정 지표의 적합성을 판단하기 위해.
• sEMG 신호 복잡성의 상호보완적인 측면을 포괄적으로 파악하기 위해 HFD와 SampEn의 조합 사용을 권장하기 위해.

제안 방법

• sEMG 신호는 경력 수축 수준 3단계(경미, 중간, 강한)에서 기록되었으며, 이에 따라 Higuchi 프랙탈 차원(HFD)이 계산되었다.
• 샘플 엔트로피(SampEn)는 고정된 임베딩 차원과 허용 오차 파라미터를 사용한 표준 알고리즘으로 계산되었다.
• sEMG 신호는 spTMS 적용 전후로 기록되어 대뇌 자극이 미치는 영향을 평가하기 위해 사용되었다.
• HFD와 SampEn의 복잡성 감지 정확도를 시험하기 위해 주파수 대역(0–40 Hz 및 60–120 Hz)에 걸쳐 합성 사인파 신호를 생성하였다.
• 수축 수준과 시간 점수(전후 spTMS) 간의 통계적 비교를 통해 HFD와 SampEn의 변화를 평가하였다.
• 연구는 통제된 수축 및 자극 조건 하에서 참가자로부터 다수의 sEMG 기록을 확보한 내부 설계를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 sEMG 신호에서 근수축 강도가 증가함에 따라 Higuchi 프랙탈 차원(HFD)과 샘플 엔트로피(SampEn)는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 단일 펄스 경두개자극(spTMS)은 다양한 수축 수준에서 sEMG 신호의 HFD와 SampEn에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 sEMG 신호에서 저주파(0–40 Hz) 동역학을 더 잘 반영하는 복잡성 측정 지표는 HFD인지 SampEn인지?
• RQ4 sEMG 신호에서 고주파(60–120 Hz) 동역학을 더 잘 반영하는 복잡성 측정 지표는 HFD인지 SampEn인지?
• RQ5 단일 비선형 복잡성 측정 지표로는 다양한 운동 출력과 대뇌 자극 조건에서 sEMG의 동적 변화를 충분히 대변할 수 있는가?

주요 결과

• spTMS 이후 중간 수축 강도에서 HFD와 SampEn가 경미한 수축 강도보다 유의미하게 감소하였다.
• 강한 수축에서 SampEn는 중간 수축 강도보다 증가한 반면, HFD는 유의미한 변화를 보이지 않았다.
• spTMS는 모든 수축 수준에서 HFD와 SampEn를 유의미하게 감소시켜, 신호 복잡성의 일반적 억제를 나타내었다.
• 합성 사인파 신호에서 SampEn는 저주파(0–40 Hz)에서 복잡성 감지를 더 정확하게 수행한 반면, HFD는 고주파(60–120 Hz)에서 더 높은 정확도를 보였다.
• 결과적으로 HFD와 SampEn는 근활동 변화와 신경학적 교란에 대해 서로 다른 방식으로 반응하며, sEMG의 다양한 주파수 성분에 대해 상호보완적인 민감도를 보임을 확인하였다.
• 연구는 단일 복잡성 측정 지표에만 의존할 경우 sEMG 동역학을 잘못 해석할 수 있으며, HFD와 SampEn를 함께 사용할 경우 더 포괄적인 신호 복잡성 평가가 가능하다고 결론 내렸다.