BEZPIECZEC
STWO PRACY 4/2007
mgr inż. PAWEŁ BARTUZI
dr hab. inż. DANUTA ROMAN-LIU
Centralny Instytut Ochrony Pracy
 Państwowy Instytut Badawczy
Ocena obciążenia i zmęczenia
układu mięśniowo-szkieletowego
z zastosowaniem elektromiografii
Wprowadzenie
Elektromiografia (EMG) jest nieinwazyjną metodą oceny obciążenia i zmęczenia układu mięśniowo-szkie-
Dolegliwości układu mięśniowo-szkie-
letowego, polegającą na rejestracji czynności elektrycznej mięśni.
letowego są jedną z najpowszechniejszych
Artykuł ma na celu przybliżenie czytelnikowi tej metody badawczej jako niezbędnej do oceny obciążenia
przyczyn orzeczeń ustalających niezdolność pracownika w kontekście wykonywanej pracy. W artykule omówiono właściwości i specyfikę pomiaru sygnału
do pracy (rys. 1.). W latach 2003-2005 dolegli- EMG, podano podstawowe informacje dotyczące aparatury badawczej niezbędnej do przeprowadzenia
pomiarów z wykorzystaniem elektromiografii oraz przedstawiono sposób analizy mającej na celu ocenę
wości te były przyczyną ponad 16% orzeczeń
obciążenia i zmęczenia mięśniowego, powstającego np. w wyniku wykonywania czynności pracy.
pierwszorazowych stwierdzających częściową
niezdolność do pracy oraz 5% orzeczeń ustala- Assessment of musculoskeletal load and fatigue with electromyography
Electromyography (EMG) is non-invasive method of assessment of musculoskeletal load and fatigue. It is based on
jących całkowitą niezdolność do pracy. Prawie
recording muscle electrical activity. The aim of this article is to explain that this research method is essential in assessing
24% pracowników z państw Unii Europejskiej
employees load in the context of the work they perform. This article presents methods of measuring the EMG signal
(UE-25) skarży się na bóle kręgosłupa, a 22% and information about equipment necessary in EMG recordings. Analysis aimed at assessing muscle load and fatigue
generated, e.g., as a result of a work activity was is also discussed.
na bóle mięśniowe [1]. W Polsce w 2004 roku
przewlekłe choroby układu ruchu były przyczy-
ną 2,5% wszystkich chorób zawodowych [2].
Dolegliwości mięśniowo-szkieletowe są przy-
czyną cierpienia fizycznego i utraty dochodów
pracowników.
Liczne badania wykazały bezpośredni zwią-
zek między dolegliwościami układu mięśniowo-
-szkieletowego a obciążeniem i zmęczeniem
mięśniowym, rozwijającym się na skutek
wykonywania pracy zawodowej.
Obciążenie układu mięśniowo-szkieleto-
wego pracownika może być oceniane jako ob-
ciążenie zewnętrzne, związane ze statycznym
i dynamicznym wysiłkiem fizycznym (np. przy
dz
wiganiu), bądz
jako obciążenie wewnętrzne,
będące reakcją organizmu na powstające ob-
ciążenie zewnętrzne. Obciążenie zewnętrzne
oceniane jest z wykorzystaniem różnych metod
jak np. OWAS (Ovako Working Posture Analysis
System) [3] czy OCRA (Occupational Repeti-
tive Actions) [4]. W metodach tych obciążenie
oceniane jest na podstawie parametrów opi-
sujących położenie poszczególnych członów
Rys. 1. Orzeczenia pierwszorazowe ustalające niezdolność do pracy z powodu dolegliwości układu mięśniowo-
ciała, siły wywieranej przez pracownika oraz -szkieletowego w stosunku do wszystkich orzeczeń pierwszorazowych
sekwencji czasowych obciążenia. Obciążenie
Fig. 1. First judgments establishing incapacity for work due to musculoskeletal disorders in relation to all first
judgments
wewnętrzne i zmęczenie pracownika może być
7
BEZPIECZEC
STWO PRACY 4/2007
oceniane z zastosowaniem takich metod jak częstotliwości medialnej (MF) i parametru mięśni jako czas trwania obciążenia przyjmuje
analiza ciśnienia krwi, wydatku energetycznego
określającego liczbę przejść sygnału EMG przez się subiektywnie przez osoby badane określony
czy też analiza sygnału elektrycznego charak-
poziom zerowy w jednostce czasu (ZC). Innym maksymalny czas utrzymywania obciążenia,
teryzującego skurcz mięśnia. Od kilkunastu
powodem zmian w wartościach parametrów bądz
też czas trwania obciążenia narzucony,
lat dynamicznie rozwijającą się metodą oceny
jednakowy dla wszystkich osób badanych.
sygnału EMG może być regeneracja mięśnia
obciążenia i zmęczenia mięśniowego jest ana-
Narzucony warunkami eksperymentu czas
po wysiłku, która powoduje spadek amplitudy
liza elektromiogramu (EMG), rejestrowanego
badania nie uwzględnia indywidualnych cech
średniokwadratowej (RMS) i wzrost wartości
z wybranych mięśni, zaangażowanych w wy-
osób badanych i może być zbyt krótki lub zbyt
parametru MPF. Przyjmuje się, iż zmęczenie
konywanie czynności pracy. Elektromiografia
długi w stosunku do zmęczenia mięśnia. Nato-
mięśnia widoczne jest w zapisie sygnału EMG
jest więc metodą opierającą się na rejestracji
miast subiektywnie przez badanych określony
tylko wówczas, gdy występuje zarówno spadek
czynności elektrycznej mięśni, umożliwiającą
maksymalny czas utrzymywania obciążenia
parametru MF lub MPF jak i wzrost amplitudy
nieinwazyjny i łatwy do przeprowadzenia
dotyczy zmęczenia całościowego odnoszącego
na stanowisku pracy pomiar. sygnału EMG [6].
się do całego członu ciała a nie do mięśnia,
Spośród licznych badań, których celem była
z którego rejestrowany jest sygnał EMG. Do-
Zmęczenie mięśniowe analiza zmian wartości parametrów sygnału
datkowo na maksymalny czas utrzymywania
EMG pod wpływem obciążenia zewnętrznego,
Zmęczenie mięśniowe powstaje na skutek
obciążenia mają wpływ także czynniki, które
nie wszystkie opisywały zmiany analizowane-
procesów zmieniających możliwości mięśnia
nie zależą od zmęczenia, jak wrażliwość na od-
go parametru w sposób ilościowy, a jedynie
do utrzymania określonego poziomu siły lub
czuwanie bólu czy motywacja.
wskazywały na tendencje zmian. W badaniach,
statycznej pozycji ciała i jest definiowane
w których zmiany opisywano przez równanie
jako spadek możliwości generowania siły
EMG a siła mięśniowa
funkcji regresji, w większości przypadków przy-
w wyniku wzrastającego odczuwania wysiłku.
jęto, że zmiana parametru w czasie odpowiada
Elektromiografia z wykorzystaniem elek-
Zachodzące pod wpływem zmęczenia mięśnia
zależności liniowej  a jako wskaz
nik zmęczenia
trod powierzchniowych jest jedyną nieinwa-
zmiany widoczne są w zapisie elektromiogramu
przyjmowano współczynnik pochylenia prostej zyjną metodą pozwalającą na oszacowanie siły
poprzez zmianę wartości parametrów sygnału
rozwijanej przez dany mięsień, w niektórych
lub zmianę wartości parametru w jednostce
EMG. Proces zmęczenia mięśni powoduje
wystarczająco dużych i ulokowanych bez-
czasu. Jednakże w wielu przypadkach zmiany
wzrost amplitudy sygnału EMG oraz przesu-
pośrednio pod skórą mięśniach lub grupach
parametrów sygnału EMG w czasie, bardziej
nięcie widma mocy w kierunku niskich często-
mięśni. Badania dowiodły, że siła mięśnia
odpowiadały krzywej ekspotencjalnej lub
tliwości, co uwidacznia się w zmianie wartości
jest proporcjonalna do amplitudy odpowiednio
logarytmicznej niż zależności liniowej.
parametrów sygnału EMG (rys. 2.).
przetworzonego sygnału EMG [7].
Zmęczenie mięśniowe nie jest jedyną przy- W równaniu funkcji regresji opisującym
Korelacja pomiędzy amplitudą sygnału EMG
zmianę wartości parametru sygnału EMG
czyną zmian wartości parametrów sygnału
a wyrażaną w %MVC (maksymalnego napięcia
EMG, jego amplituda zmienia się wraz ze zmia- w czasie duże znaczenie ma czas do zmęczenia
mięśniowego), siłą rozwijaną w czasie skurczu
ną siły mięśnia. Liczne badania wykazały, że pod mięśnia. Przy uwzględnieniu różnego czasu
mięśni została wykazana w wielu badaniach.
wpływem zmian siły mięśniowej zmieniają się zmęczenia można otrzymać różną postać rów- Ze względu na to, że jednym z najważniejszych
również wartości częstotliwości średniej (MPF), nania funkcji regresji. W badaniach zmęczenia czynników wpływających na zależność między
Rys. 2. Średnie, odniesione do wartości początkowych, wartości parametrów MF, MPF
i ZC sygnału EMG zarejestrowanego podczas 6-sekundowych testów na poziomie
15% MVC (maksymalnego napięcia mięśniowego) z 10-minutowym interwałem
czasowym w trakcie wykonywania czynności pracy (mięśnie: czworoboczny i pod-
grzebieniowy) [5]
Rys. 3. Zależność między amplitudą sygnału EMG a siłą mięśnia dla trzech mięśni
Fig. 2. Averages, standardized to initial values of parameters MF, MPF and ZC of the
kończyny górnej [8]
EMG signal recorded during 6-s tests at the level of 15% MVC (maximal voluntary
contraction) at 10-min intervals during work activity (m. trapezius and m. infraspi- Fig. 3. The relationship between EMG amplitude and muscle force for three muscles
natus) [5] of the upper limb [8]
8
BEZPIECZEC
STWO PRACY 4/2007
Sygnał elektromiograficzny może być reje-
Właściwości i pomiar sygnału EMG
strowany z mięśnia przy użyciu wkłuwanych
Ruch i generacja siły mięśniowej związane
elektrod igłowych lub elektrod powierzchnio-
są ze skurczem mięśnia, który zachodzi pod
wych (rys. 7.). Elektrody igłowe stosowane
wpływem impulsów dochodzących z układu
są w diagnostyce chorób mięśni. W biomecha-
nerwowego [9]. Na skutek skurczu w mięśniu
nice pracy i sportu w większości przypadków
zachodzą zjawiska elektryczne, związane
stosuje się elektrody, które zbierają sygnał z po-
ze wzrostem lub spadkiem napięcia mięśnio-
wierzchni skóry (elektrody powierzchniowe),
wego, które mogą być rejestrowane za pomocą
dzięki czemu możliwy jest nieinwazyjny pomiar
elektromiografu. Sygnał EMG wyraża więc sygnału EMG. Elektromiografia powierzch-
czynność elektryczną mięśnia związaną z jego niowa jest bardzo przydatnym narzędziem
analizy sygnału EMG, szczególnie w przypadku
skurczem i generowaniem siły.
pomiarów sygnału z mięśni znajdujących się
Sygnał EMG ma charakter stochastyczny
tuż pod skórą oraz mięśni stosunkowo dużych,
i zawarty jest w paśmie częstotliwości około
Rys. 4. Mięsień czworoboczny
5�1000 Hz. Przyjmuje się jednak, że górna war- umożliwiających łatwe umieszczenie elektrod
Fig. 4. M. trapezius
badawczych.
tość graniczna wynosi 450 Hz (powyżej 450 Hz
W celu zarejestrowania sygnału z jednego
składowe harmoniczne są zaniedbywalne).
mięśnia, stosuje się trzy elektrody (rys. 8.).
Kolejnym, poza częstotliwością, parametrem
charakteryzującym sygnał EMG jest jego am- Dwie z nich są to elektrody czynne, umiesz-
czone wzdłuż włókien mięśniowych na brzuścu
plituda, która zawiera się w granicach od kilku
mięśnia, w stałej odległości od siebie, natomiast
�V w stanie spoczynku do kilkudziesięciu mV
trzecia stanowi elektrodę odniesienia. Przed
podczas maksymalnego napięcia mięśniowego.
przystąpieniem do zapisu sygnału EMG z mię-
Częstotliwość i amplituda rejestrowanego sy-
śnia, należy odpowiednio przygotować skórę
gnału EMG zależą od rodzaju włókien mięśnio-
(ogolić, jeśli to konieczne, oczyścić za pomocą
wych, częstości skurczów oraz rozwijanej siły.
alkoholu), tak by uzyskać rezystancję między
Sygnał EMG jest z
ródłem wielu informacji
skórą a elektrodą poniżej 2 k&!.
dotyczących procesów zachodzących w mię-
śniu, w tym obciążenia i zmęczenia mięśnia.
Jednakże nieprzetworzony sygnał EMG niesie
Aparatura badawcza
ze sobą tylko informację jakościową, za po-
Do przeprowadzenia analizy elektromiogra-
mocą której można stwierdzić, czy mięsień
ficznej, umożliwiającej np. ocenę stanowiska
jest aktywny i czy generuje siłę. Na rysunku 6.
pracy, niezbędna jest odpowiednia aparatura
przedstawiono przebieg nieprzetworzonego
Rys. 5. Mięsień naramienny
badawcza. Urządzeniami umożliwiającymi
sygnału EMG zarejestrowanego w ciągu
Fig. 5. M. deltoideus
pomiar sygnału EMG dysponują instytucje
1 minuty. Widoczny jest wyraz
ny wzrost
zajmujące się biomechaniką pracy i sportu.
tymi miarami jest rodzaj włókien z jakich zbu- amplitudy sygnału wynikający ze wzrostu siły
Rozwój techniki ma swój wpływ również
dowany jest dany mięsień, dla różnych mięśni mięśnia. Na podstawie zapisu nieprzetwo-
na rozwój aparatury badawczej stosowanej
zależność ta ma różną postać (rys. 3.). Siła, jaką rzonego sygnału EMG, możliwa jest jedynie
w elektromiografii powierzchniowej. Na rynku
mięsień rozwija i w związku z tym napięcie elek- ocena jakościowa wskazująca czy mięsień
dostępne są aparaty umożliwiające pomiar
tryczne mięśnia wyrażone poprzez amplitudę sy- pracuje z większą czy mniejszą siłą. Aby uzyskać
i zapis sygnału EMG, w którym stosuje się coraz
informację ilościową należy dokonać obróbki
gnału EMG zależy także od długości mięśnia, czyli
nowsze rozwiązania techniczne. Urządzenia te
matematycznej sygnału. Na jej podstawie
od położenia poszczególnych członów ciała.
Badania z użyciem elektromiografii umoż- można wyodrębnić parametry charakteryzu- umożliwiają obserwację i rejestrację sygnału
jące sygnał EMG, które wskazują na procesy nieprzetworzonego, a także póz
niejszą ana-
liwiają określenie funkcji np. głównych mięśni
zachodzące w mięśniu. lizę sygnału zgodnie z najnowocześniejszymi
ramienia i obręczy barkowej w zależności
od czynności wykonywanych za pomocą
kończyn górnych. Wyniki badań wskazują, iż
główną rolą części zstępującej mięśnia czwo-
robocznego (m. trapezius pars descendents)
jest utrzymywanie kończyny górnej w określo-
nym położeniu (rys. 4.).
Badania wykazały, że również wykonywa-
nie czynności powodujących zaangażowanie
tylko przedramienia i ręki, a w szczególności
wykonywanie czynności precyzyjnych ma
wpływ na aktywność mięśni barku. Szczególnie
istotnym mięśniem, obok mięśnia czworo-
bocznego, zaangażowanym w utrzymywanie
kończyny górnej, jest mięsień naramienny (m. Rys. 6. Przebieg nieprzetworzonego sygnału EMG
deltoideus, rys. 5.). Fig. 6. A chart of a raw EMG signal
9
BEZPIECZEC
STWO PRACY 4/2007
procedurami analizy obciążenia i zmęczenia
jak i póz
niejszego użytkowania, umożliwia
mięśniowego.
określenie optymalnych warunków obciąże-
Dostępne na rynku aparaty pomiarowe
nia, czyli takich, które będą minimalizować
w połączeniu z komputerem umożliwiają
zmęczenie mięśniowe. Taka wiedza pozwala
obserwację i rejestrację nieprzetworzonego
na dostosowanie i modyfikację stanowisk pra-
sygnału oraz jego póz
niejszą analizę. Najważ-
cy, tak aby zminimalizować wpływ zmęczenia
niejszymi parametrami charakteryzującymi
mięśniowego. Badania z wykorzystaniem
aparaty pomiarowe sygnału EMG są: impe-
elektromiografii powierzchniowej umożli-
dancja wejściowa, tłumienie szumów (CMRR), wiają między innymi przeprowadzenie analizy
wzmocnienie, częstotliwość próbkowania, zmęczenia mięśniowego na stanowisku pracy,
pasmo przenoszenia oraz liczba analizowanych na którym przez długi czas utrzymywana
jest statyczna pozycja siedząca (np. stano-
kanałów.
wisko komputerowe) oraz ocenę obciążenia
Obecnie stosowane urządzenia mają nawet
układu mięśniowo-szkieletowego w warun-
16 kanałów, co oznacza, że istnieje możliwość
kach dynamicznych. Elektromiografia znajdu-
zapisu i analizy sygnału EMG z 16 mięśni
je także zastosowanie w sporcie, pozwalając
jednocześnie. Na rynku można znalez
ć także
na uzyskanie parametrów biomechanicznych
przenośne aparaty pomiarowe, umożliwia-
Rys. 8. Typowy sposób naklejania elektrod powierzch- potrzebnych np. do oceny techniki ruchu
jące zdalny przesył danych do stacji bazowej
niowych nad badanym mięśniem (mięsień dwugłowy
sportowca. Wyniki badań dotyczących bio-
na odległość do 100 metrów, co jest bardzo ramienia)
mechaniki sportu, przez odpowiednie wpo-
przydatne podczas badań wymagających Fig. 8. A typical way of sticking surface electrodes over
jenie nowych zadań ruchowych, umożliwiają
the investigated muscle (m. biceps brachii)
przemieszczania się osób badanych. Pojedyn-
zwiększenie efektywności procesu nauczania
czy przenośny moduł umożliwia pomiar oraz
początkujących sportowców.
w czasie, pod wpływem zmęczenia mięśni,
przesył sygnału z 8 kanałów jednocześnie.
koncentruje się na obciążeniach ciągłych.
Przenośny moduł umożliwia także przesył
Innym istotnym problemem pojawiającym
sygnału EMG bezpośrednio do komputera
PIŚMIENNICTWO
się w analizie sygnału EMG jest fakt, że sy-
wyposażonego w odpowiednią kartę.
[1] Broszury informacyjne europejskiej kampanii
gnał ten, rejestrowany za pomocą elektrod na rzecz przeciwdziałania zaburzeniom mięśniowo-
-szkieletowym Mniej dz
wigaj (http://ew2007.osha.
powierzchniowych z określonego mięśnia,
Utrudnienia związane z oceną
europa.eu)
zależy nie tylko od liczby aktywnych jednostek
zmęczenia mięśniowego
[2] N. Szeszenia-Dąbrowska Choroby zawodowe
motorycznych, czyli zespołów komórek mię-
w Polsce w 2004 r. Instytut Medycyny Pracy, Łódz

Analiza sygnału EMG, szczególnie w od-
2005
śnia pobudzanych do skurczu, od amplitudy
niesieniu do zmęczenia mięśniowego, wiąże
[3] O. Karhu, P. Kansi, I. Kuorinka Correcting working
i czasu trwania wyładowania jednostek mo-
się z pewnymi ograniczeniami. W celu prze- postures in industry: A practical method for analysis.
torycznych, ale również od wpływu sygnałów
Applied Ergonomics, 8(1977), p. 199-201
prowadzenia analizy spektralnej sygnału EMG
z innego mięśnia. Dzieje się tak dlatego,
[4] D. Colombini An observational method for clas-
konieczna jest rejestracja podczas izometrycz-
sifying exposure to repetitive movements of the upper
że sygnał pochodzi nie tylko z mięśnia, nad
nego napięcia mięśni. W przypadku analizy
limbs. Ergonomics, 41(1998), p.1261-89
którym elektroda jest naklejana na skórze,
zmęczenia przy zmiennym poziomie wywie-
[5] M. Goran Hagg Interpretation of EMG spectral
ale również z mięśni będących w jego oto-
alterations and alteration indexes at sustained con-
ranej siły lub zmiennym położeniu kończyny
czeniu. Zjawisko to, nazywane przesłuchem, traciton. Journal of Applied Physiology, 73(1992), p.
górnej zapewnienie takich warunków pomiaru
1211-1217
jest obecnie najistotniejszym problemem
jest szczególnie trudne. Oznacza to, że skutki
[6] D. A. Winter Biomechanics of human movement.
związanym z analizą sygnału EMG rejestrowa-
obciążenia powtarzalnego są znacznie bardziej University of Waterloo 1979
nego za pomocą elektrod powierzchniowych.
trudne do zbadania niż skutki obciążenia sta- [7] D. Roman-Liu Analiza biomechaniczna pracy powta-
Dotychczas nie rozwiązano wszystkich proble- rzalnej. Centralny Instytut Ochrony Pracy  Państwowy
tycznego. Ze względu na to większość prac wy-
Instytut Badawczy, Warszawa 2003
mów związanych z pomiarem i analizą sygnału
kazujących zmiany parametrów sygnału EMG
[8] C. J. DeLuca The use of electromyography in bio-
EMG [7]. Pozostało jeszcze wiele niezbadanych
mechanics. Journal of Applied Biomechanics, 13(1997),
zagadnień natury technicznej i biomedycznej.
p.135-163
Jednak rozwój techniki rejestracji sygnału [9] J. W. Błaszczyk Biomechanika kliniczna. Wydawnictwo
Lekarskie PZWL. Warszawa 2004
(np. dzięki zastosowaniu przedwzmacniaczy
tuż przy elektrodach) pozwala na znaczną
redukcję udziału zakłóceń w zarejestrowanym
sygnale EMG.
Publikacja opracowana na podstawie
wyników uzyskanych w ramach programu
Podsumowanie
wieloletniego pn.  Dostosowywanie wa-
runków pracy w Polsce do standardów Unii
Analiza oraz dokładne poznanie procesów
Europejskiej , dofinansowywanego w latach
związanych ze zmęczeniem mięśniowym ma
2005-2007 w zakresie badań naukowych
duże znaczenie ze względu na możliwość
i prac rozwojowych przez Ministerstwo
Rys. 7. Umieszczanie elektrod powierzchniowych nad badanym
wykorzystania tej wiedzy podczas oceny i pro-
mięśniem (mięsień prostownik grzbietu) Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Główny ko-
jektowania stanowisk pracy. Ocena stanowisk
ordynator: Centralny Instytut Ochrony Pracy
Fig. 7. Sticking surface electrodes over the investigated muscle
(m. erector spinae) pracy, zarówno na etapie ich projektowania,  Państwowy Instytut Badawczy
10