Elektromiografia powierzchniowa (sEMG) w badaniach multimodalnych – metodologia i integracja z eyetrackingiem

Współczesna metodologia badań nad zachowaniem człowieka opiera się na integracji wielomodalnych źródeł danych fizjologicznych i behawioralnych. Eyetracking dostarcza precyzyjnych informacji o alokacji uwagi wzrokowej oraz pośrednich wskaźników oceny bodźca, jednak nie umożliwia bezpośredniego pomiaru walencji emocjonalnej reakcji. Lukę tę wypełnia elektromiografia powierzchniowa (surface electromyography, sEMG), technika pozwalająca na obiektywną ocenę reakcji afektywnych poprzez rejestrację aktywności elektrycznej mięśni mimicznych twarzy.

Elektromiografia powierzchniowa – podstawy metodologiczne

Zasada działania

Pomiar elektromiograficzny polega na umieszczeniu elektrod powierzchniowych na skórze, bezpośrednio nad brzuścami badanych mięśni. Urządzenie rejestruje zsumowane potencjały czynnościowe jednostek motorycznych (motor unit action potentials, MUAPs) generowane podczas depolaryzacji błon komórkowych włókien mięśniowych. Sygnał elektryczny stanowi bezpośrednie odzwierciedlenie aktywności neuronów ruchowych, co umożliwia monitoring napięcia mięśniowego w czasie rzeczywistym.

Parametry techniczne pomiaru

Profesjonalna rejestracja sygnału sEMG wymaga przestrzegania standardów technicznych zgodnych z zaleceniami SENIAM (Surface ElectroMyoGraphy for the Non-Invasive Assessment of Muscles):

• Częstotliwość próbkowania: minimum 1000 Hz, zalecane 1000-2000 Hz dla mięśni twarzy
• Pasmo częstotliwości: 20-500 Hz (charakterystyczne dla EMG powierzchniowego)
• Filtracja: filtr notch 50 Hz (Europa) lub 60 Hz (Ameryka Północna) eliminujący zakłócenia sieciowe
• Impedancja: poniżej 10 kΩ, preferowane <5 kΩ
• Rozdzielczość ADC: minimum 16-bit

Rozróżnienie sEMG a iEMG

W medycynie klinicznej stosuje się inwazyjną elektromiografię igłową (iEMG), która umożliwia rejestrację aktywności pojedynczych jednostek motorycznych. Metoda ta jest nieadekwatna do badań behawioralnych ze względu na inwazyjność, dyskomfort oraz możliwość wpływu na naturalność reakcji emocjonalnych. W badaniach UX, neuromarketingu oraz psychologii eksperymentalnej standardem jest wyłącznie sEMG.

Facial EMG jako wskaźnik walencji emocjonalnej

Aktywność podprogowa a mikroekspresje

Metoda sEMG umożliwia detekcję aktywności podprogowej (covert facial responses) – zmian tonusu mięśniowego niewykrywalnych dla obserwatora ani systemów wizyjnych. Należy to rozróżnić od mikroekspresji w rozumieniu Ekmana, które są krótkotrwałe (40-200 ms), ale wizualnie dostrzegalne. sEMG wykrywa zmiany poprzedzające jakikolwiek widoczny ruch mimiczny, co stanowi fundamentalną przewagę nad metodami opartymi na analizie obrazu wideo.

Kluczowe obszary pomiarowe

Standardowy protokół Facial EMG obejmuje trzy pary mięśni:

Musculus zygomaticus major (mięsień jarzmowy większy)

• Funkcja: unoszenie kącików ust (uśmiech)
• Interpretacja: marker pozytywnej walencji emocjonalnej, przyjemności, zadowolenia

Musculus corrugator supercilii (mięsień marszczący brwi)

• Funkcja: zbliżanie brwi, tworzenie zmarszczek pionowych
• Interpretacja: kontinuum reakcji obejmujące negatywną walencję emocjonalną, wzmożony wysiłek kognitywny oraz frustrację
• Uwaga metodologiczna: Nie jest jednoznacznym wskaźnikiem wyłącznie negatywnej emocji. Interpretacja wymaga uwzględnienia kontekstu zadaniowego i analizy pozostałych kanałów pomiarowych.

Musculus frontalis (mięsień czołowy)

• Funkcja: unoszenie brwi
• Interpretacja: wskaźnik zaskoczenia, stosowany pomocniczo

Problem zakłóceń międzymięśniowych (crosstalk)

Sygnał sEMG podlega zakłóceniom z wielu źródeł: przenikanie sygnału z sąsiednich mięśni, artefakty ruchowe (ruchy głowy, żucia, mówienia), artefakty elektryczne oraz zmiany impedancji skórnej. Minimalizacja wymaga precyzyjnego rozmieszczenia elektrod zgodnie z atlasem SENIAM oraz stosowania elektrod bipolarnych o odpowiednim rozstawie (typowo 10-20 mm, dla małych mięśni twarzy często 10-15 mm).

Integracja sEMG z eyetrackingiem

Model komplementarności danych

Synchronizacja czasowa i opóźnienia fizjologiczne

Typowa latencja reakcji EMG wynosi 200-500 ms od momentu rozpoczęcia fiksacji wzrokowej na bodźcu emocjonalnym:

1. T₀: Rozpoczęcie fiksacji
2. T₀ + 100-300 ms: Przetwarzanie kognitywne i emocjonalne
3. T₀ + 200-500 ms: Pojawienie się mierzalnej reakcji EMG

Protokół analizy musi uwzględniać te opóźnienia poprzez zastosowanie odpowiednich okien czasowych (time windows) w analizie korelacji między fiksacjami a aktywnością mięśniową.

Przykład interpretacji zintegrowanych danych

Jeśli eye tracker rejestruje fiksację na komunikacie błędu w czasie T₀, a sEMG wykazuje wzrost aktywności corrugator supercilii w czasie T₀ + 300 ms przy braku aktywacji zygomaticus major, badacz otrzymuje potwierdzony wskaźnik negatywnej reakcji. Triangulacja danych pozwala na weryfikację deklaracji werbalnych, identyfikację reakcji nieuświadomionych oraz minimalizację błędu pomiaru wynikającego z tendencji do społecznie pożądanych odpowiedzi.

Zastosowania badawcze

User Experience (UX) i Human-Computer Interaction

• Identyfikacja punktów frustracji w interfejsach cyfrowych
• Ocena obciążenia kognitywnego związanego z wykonaniem zadań
• Analiza reakcji emocjonalnych na elementy designu
• Walidacja rozwiązań projektowych w testach A/B

Przykład: Wzrost aktywności corrugator supercilii przy braku błędów systemowych i przedłużonych czasach fiksacji może wskazywać na wysoki ładunek kognitywny związany z niejasną architekturą informacji.

Badania mediów i efektywności komunikacji

• Analiza moment-to-moment reakcji na materiały audiowizualne
• Identyfikacja sekwencji wywołujących pożądane reakcje emocjonalne
• Pomiar efektywności komunikatów perswazyjnych
• Ocena wpływu warstwy dźwiękowej na odbiór przekazu

Psychologia eksperymentalna

W badaniach eksperymentalnych sEMG stanowi narzędzie komplementarne. Zależnie od konstruktu teoretycznego:

Pomiar walencji emocjonalnej: sEMG twarzy, automatyczne systemy kodowania mimiki

Pomiar pobudzenia emocjonalnego: przewodność skórna (EDA/GSR), zmienność rytmu serca (HRV), rozszerzona reakcja źreniczna

Pomiar stresu i lęku: poziom kortyzolu w ślinie, wskaźniki HRV, przewodność skórna

Wybór metody zależy od specyfiki konstruktu teoretycznego. sEMG dostarcza informacji o walencji, ale nie stanowi pierwszorzędnego wskaźnika pobudzenia czy lęku.

Procedura badawcza – protokół pomiaru elektromiografii

Przygotowanie uczestnika

Przygotowanie skóry: Oczyszczenie miejsc aplikacji elektrod, delikatna abrazja skóry przy użyciu pasty przewodzącej. Cel: redukcja impedancji poniżej 10 kΩ, preferowane <5 kΩ.

Rozmieszczenie elektrod: Typ Ag/AgCl w konfiguracji bipolarnej, rozstaw 10-20 mm (dla małych mięśni twarzy 10-15 mm), lokalizacja zgodna z wytycznymi SENIAM lub protokołem Fridlund & Cacioppo (1986), orientacja wzdłuż przebiegu włókien mięśniowych.

Instrukcja dla badanego: Ograniczenie ruchów głowy, powstrzymanie się od mówienia (poza zadaniami werbalnymi), naturalne zachowanie mimiki, możliwość zgłoszenia dyskomfortu.

Kalibracja i baseline

• Rejestracja aktywności spoczynkowej przez 2-3 minuty w warunkach neutralnych
• Opcjonalna kalibracja poprzez intencjonalne skurcze mięśni
• Synchronizacja czasowa z eye trackerem i pozostałymi urządzeniami
• Okres adaptacji 5-10 minut po nałożeniu elektrod

Przetwarzanie sygnału

Filtracja: Filtr górnoprzepustowy 20 Hz, dolnoprzepustowy 500 Hz, filtr notch 50/60 Hz. Zalecana filtracja typu Butterworth 4. rzędu.

Usuwanie artefaktów: Analiza niezależnych komponentów (ICA), inspekcja wizualna, algorytmy detekcji outliers, wykluczenie fragmentów z artefaktami.

Normalizacja: Korekcja linii bazowej, transformacja procentowa względem baseline, standaryzacja z-score w analizach grupowych.

Ekstrakcja cech: Root Mean Square (RMS), Integrated EMG (iEMG), średnia aktywność w określonych oknach czasowych, Mean Absolute Value (MAV).

Ograniczenia metodologiczne

Indywidualne różnice w aktywności bazowej

Uczestnicy charakteryzują się zróżnicowanym poziomem tonusu mięśniowego w spoczynku. Osoby z naturalnie wyższą aktywnością bazową mogą wykazywać mniejsze przyrosty względne sygnału. Konieczna jest standaryzacja wewnątrzpodmiotowa oraz analiza uwzględniająca różnice indywidualne jako zmienne kontrolowane.

Czynniki demograficzne

Wiek (elastyczność skóry, grubość naskórka), płeć (grubość tkanki podskórnej, ekspresywność mimiczna), typ skóry (wilgotność, tłustość, owłosienie) oraz etniczność wpływają na jakość sygnału i wymagają uwzględnienia w analizie.

Habituacja

Przy powtarzanej ekspozycji na te same bodźce obserwuje się spadek intensywności reakcji. Konieczne jest zastosowanie randomizacji kolejności bodźców, odpowiednich odstępów czasowych między próbami oraz ograniczenie liczby powtórzeń.

Trafność ekologiczna

Naklejenie elektrod zwiększa samoświadomość uczestnika i może modyfikować naturalne zachowanie. Zaleca się minimum 5-10 minut adaptacji po nałożeniu elektrod oraz wykonanie zadania treningowego przed właściwym badaniem.

Wieloznaczność interpretacyjna corrugator supercilii

Wzrost aktywności tego mięśnia może odzwierciedlać negatywną walencję emocjonalną, intensywny wysiłek mentalny, próbę zrozumienia złożonego komunikatu lub frustrację. Prawidłowa interpretacja wymaga uwzględnienia kontekstu zadaniowego, analizy pozostałych mięśni oraz integracji z danymi z innych kanałów biometrycznych.

Metody alternatywne i komplementarne

Automatyczne systemy kodowania mimiki (AFC)

Systemy AFC oferują całkowitą nieinwazyjność, możliwość analizy pełnego zestawu jednostek akcji mimicznych oraz niższy koszt implementacji. Zachowane przewagi sEMG to detekcja aktywności podprogowej, wyższa precyzja czasowa (1000-2000 Hz vs 30-120 fps), niezależność od warunków oświetleniowych oraz bezpośredni pomiar aktywności mięśniowej. Obie metody należy traktować jako komplementarne.

Integracja wielomodalna

Optymalne podejście zakłada integrację sEMG z przewodnością skórną (pomiar arousal), zmiennością rytmu serca (regulacja autonomiczna), eye trackingiem (alokacja uwagi), EEG (aktywność korowa) oraz Facial Coding (widoczna ekspresja). Taka konfiguracja pozwala na rekonstrukcję pełnego modelu reakcji obejmującego wymiar kognitywny, emocjonalny i behawioralny.

Standardy raportowania z elektromiografii

Dla zapewnienia replikowalności raportowanie badań z sEMG powinno zawierać: parametry sprzętowe (producent, model, typ elektrod, rozstaw międzyelektrodowy), parametry akwizycji (częstotliwość próbkowania, rozdzielczość ADC, filtry sprzętowe), procedurę badawczą (metoda przygotowania skóry, lokalizacje elektrod, czas baseline, instrukcje) oraz szczegóły przetwarzania danych (filtry cyfrowe, metoda usuwania artefaktów, sposób normalizacji, wyekstrahowane cechy sygnału).

Podsumowanie – Elektromiografia

Elektromiografia powierzchniowa stanowi fundamentalne narzędzie w zaawansowanych badaniach biometrycznych nad reakcjami emocjonalnymi człowieka. Uzupełniając dane o alokacji uwagi wzrokowej z eyetrackera o bezpośredni pomiar walencji emocjonalnej, umożliwia głębsze zrozumienie procesów decyzyjnych i afektywnych. Metoda przenosi analizę zachowań z poziomu deklaratywnego na poziom obiektywnych danych fizjologicznych.

Prawidłowe zastosowanie technologii wymaga rygorystycznego przestrzegania protokołów metodologicznych, świadomości ograniczeń i potencjalnych źródeł błędu, kompetencji w zakresie przetwarzania sygnału oraz krytycznej interpretacji wyników z uwzględnieniem kontekstu badawczego. W badaniach naukowych sEMG nie powinna być traktowana jako metoda autonomiczna, lecz jako element triangulacji metodologicznej w paradygmacie badań multimodalnych.