Validation of lower limb muscle activation estimated using musculoskeletal modeling against electromyography in the table tennis topspin forehand and backhand

Abstract

This study aimed to validate the lower limb muscle activation, estimated using static optimization against electromyography (EMG), in the topspin forehand and backhand strokes. The secondary purpose was to compare the estimated activations of the major muscles/muscle groups between the forehand and backhand strokes. Eight male college table tennis players hit the cross-court topspin forehands and backhands with maximum effort. Stroke motions and ground reaction forces were measured using a motion capture system and two force plates. The EMG signals of the 16 lower-limb muscles were recorded using a wireless EMG system. The static optimization algorithm of OpenSim was applied to stroke motions to estimate lower limb muscle activation, which was compared to EMG activation. Of the seven muscles that showed maximum activation > 0.3 during the forehand, five showed a Pearson correlation coefficient > 0.3 Of the four muscles that showed maximum activation > 0.3 during the backhand, all four showed a Pearson correlation coefficient >0.3. However, some muscles, such as the bilateral gluteus medius muscles, showed a low correlation between estimated and EMG activation. A possible cause is the co-contraction of the relevant muscles. Concordance correlation coefficients were smaller than their respective Pearson correlation coefficients. This result reflects that EMG envelope (activation) is also an estimate of muscle activation and is subject to noise and confounding factors. Comparisons with additional independent measurements, such as ultrasound muscle images and instrumented joint loading, are necessary for more robust validation of the musculoskeletal modeling and muscle activation. The gluteus maximus and hamstrings on the playing side, and rectus femoris on the non-playing side exhibited higher activation during the forehand than during the backhand. The overall results suggest that the static optimization algorithm can adequately estimate lower-limb muscle activity during the topspin forehand and backhand strokes.

El objetivo de este estudio fue validar la activación muscular de las extremidades inferiores estimada mediante optimización estática y electromiografía (EMG) en el topspin de derecha y revés. El objetivo secundario fue comparar las activaciones estimadas de los principales grupos musculares entre los golpes de derecha y revés. Ocho jugadores hombre universitarios de tenis de mesa realizaron con el máximo esfuerzo los golpes topspin de derecha y revés cruzados en la pista. Los movimientos de los golpes y las fuerzas de reacción del suelo fueron medidos con un sistema de captura del movimiento y dos placas de fuerza. Las señales EMG de los músculos de los 16 miembros inferiores fueron grabadas con un sistema EMG inalámbrico. Se usó el algoritmo de optimización estática OpenSim para estimar la activación muscular de los miembros inferiores durante los golpes, y luego se compararon los resultados con la activación de la EMG. De los siete músculos que mostraron activación máxima > 0,3 en el golpe de derecha, cinco mostraron un coeficiente de correlación de Pearson > 0,3. De los cuatro músculos que mostraron activación máxima > 0,3 durante el golpe de revés, los cuatro mostraron un coeficiente de correlación de Pearson > 0,3. Sin embargo, algunos músculos, como el glúteo medio, mostraron una baja correlación entre la activación estimada y la EMG. Una posible causa es la cocontracción de los músculos involucrados. Los coeficientes de correlación de concordancia fueron menores que sus respectivos coeficientes de correlación de Pearson. Este resultado refleja que la envolvente (activación) de la EMG es también una estimación de la activación muscular y está sujeta a ruido y factores de confusión. Es necesario realizar comparaciones con otras mediciones independientes, como las imágenes musculares por ultrasonido y la carga articular con instrumentos, para lograr una validación más sólida del modelado musculoesquelético y la activación muscular. El glúteo mayor y los isquiotibiales en el lado de juego, y el recto femoral en el lado de no juego, mostraron una mayor activación durante el golpe de derecha que durante el revés. Los resultados generales sugieren que el algoritmo de optimización estática puede estimar adecuadamente la actividad muscular de las extremidades inferiores durante el topspin de derecha y revés.