Электромиография произвольного сокращения мышц

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электромиография произвольного сокращения мышц

При слабом сокращении мышцы можно проследить активность двигательных единиц, при более интенсивном сокращении ЭМГ отражает активность всех или значительного числа двигательных единиц.

Основным элементарным потенциалом при произвольном сокращении мышц в норме является потенциал двигательной единицы. Мышечные волокна внутри мышцы объединены в функциональные группы, называемые нервно-мышечными двигательными единицами, которые представляют собой совокупность мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном. При возбуждении мотонейрона возбуждаются, соответственно, все мышечные волокна, которые он иннервирует. В результате регистрируется ПД ДЕ, представляющий собой сумму ПД многих мышечных волокон, имеющих большую амплитуду, чем потенциал фибрилляции. Длительность этого потенциала также больше, чем длительность потенциала фибрилляции, так как возбуждение отдельных мышечных волокон происходит не абсолютно синхронно из-за разного времени распространения потенциала действия по концевым веточкам нервного волокна, подходящим к отдельным мышечным волокнам. В норме он чаще всего имеет двух- или трехфазную форму. Длительность ПД ДЕ в различных мышцах варьируется от 3 до 16 мс и увеличивается с возрастом. Амплитуда ПД ДЕ определяется, главным образом, амплитудой потенциалов, ближайших к кончику электрода мышечных волокон, а также до некоторой степени мерой синхронизации разрядов отдельных волокон, составляющих ДЕ. На слух ПД ДЕ воспринимается, как громкий тупой щелчок, а серия таких потенциалов при слабом мышечном сокращении - как «низкочастотная автоматная очередь».

При поражении мотонейрона спинного мозга увеличивается длительность ПД ДЕ, амплитуда, а также количество полифазных потенциалов. При миопатиях в результате уменьшения числа мышечных волокон в составе ДЕ наблюдаются снижение амплитуды и уменьшение длительности потенциала ДЕ.

Увеличение силы сокращения зависит не только от числа и свойств включенных волокон, но и от силы сокращения каждого мышечного волокна, которая определяется частотой его сокращений. В результате в норме при произвольном сокращении мышцы с нарастающей силой наблюдается увеличение частоты импульсов в каждом отдельном волокне и увеличение числа нервно-мышечных ДЕ, вовлеченных в возбуждение. Вследствие этого происходит наложение отдельных ПД ДЕ друг на друга и возникает высокочастотная активность, носящая название интерференционной кривой. Таким образом, регистрируемая при произвольном мышечном сокращении ЭМГ является результатом временной и пространственной суммации многих мышечных волокон и ДЕ (рис. 1).

При одной и той же силе мышечного сокращения из-за поражения нейронов при игольчатом отведении наблюдается более низкая частота интерференционной ЭМГ, чем в норме. Это объясняется тем, что для развития той же величины напряжения при поражении передних рогов требуется меньшее количество увеличенных ДЕ. При миопатии та же сила сокращения мышцы требует вовлечения большего числа уменьшенных по количеству волокон ДЕ, что приводит к развитию более высокочастотной ЭМГ и появлению интерференционной кривой при такой силе раздражения, когда в норме на записи регистрируются изолированные потенциалы ДЕ.

Высокочастотный характер сложной интерференционной ЭМГ мышечного сокращения визуально позволяет только ориентировочно охарактеризовать ее и отнести к норме или патологии. Для повышения точности анализа и стандартизации критериев диагностики разрабатываются методы автоматической обработки интерференционных кривых.

Рисунок 1 - Интерференционная ЭМГ

электромиография сокращение мышца двигательный коррелометр

Одним из них является спектральный анализ ЭМГ методом преобразования Фурье. Он позволяет оценить мощность, выделяемую в различных частотных диапазонах исследуемой интерференционной кривой. Частотный состав интерференционной ЭМГ и мощность, выделяемая в различных частотных диапазонах, зависит от силы мышечного сокращения, а также от особенностей группировки ДЕ и их состояния при патологических процессах.

Для оценки интерференционных кривых используется также другой метод автоматического анализа. За заданный интервал (обычно 1 - 1,5 с) подсчитывается среднее количество «поворотов» кривой и средняя амплитуда между соседними поворотами. За «поворот» принимается перемена знака изменения потенциала при условии прохождения им до очередного поворота разности потенциалов не менее 100 мкВ. В качестве параметров оценки ЭМГ выдаются: средняя амплитуда, среднее число поворотов за 1 с и отношение числа поворотов к средней амплитуде. При обработке по этому алгоритму тех же кривых, что анализировались в указанном выше исследовании, было показано, что данные, различающие больных от здоровых и группы больных между собой, получаются при величине напряжения мышцы в интервале 10-30 % от максимального усилия. При этом миопатия характеризуется увеличением числа поворотов и отношения числа поворотов к амплитуде, неврогенные атрофии обнаруживают обратную тенденцию.

Следует отметить, что для автоматического анализа интерференционных кривых необходимым элементом является система точного дозирования мышечного напряжения с индикаторами, позволяющими больному по инструкции исследующего точно контролировать усилие и удерживать его заданное время в заданном диапазоне. При отсутствии такой системы индивидуальный разброс данных оказывается столь велик, что полностью перекрывает различия между отдельными исследуемыми, относящимися к разным диагностическим группам.

Как при игольчатом, так и при поверхностном отведении, помимо АЧХ-характеристик электрической активности, определенный диагностический интерес представляет общая динамика ЭМГ в процессе совершения произвольного движения. При миопатии характерно значительное продление активности ЭМГ после инструкции о прекращении движения, соответствующее известной миотонической задержке, наблюдаемой клинически. При миастении во время максимального мышечного усилия наблюдается быстрое уменьшение амплитуды и частоты разрядов на ЭМГ, соответствующее миастеническому падению силы при продолжительном напряжении мышцы.

В течение последних лет большое внимание уделяется спектральному анализу ЭМГ, определению средней частоты и огибающей ЭМГ. Положение пика мощности различных частот спектра коррелирует с частотой следования потенциалов в интерференционной ЭМГ, а также со средней длительностью ПД ДЕ, формирующих ЭМГ. В ряде исследований подчеркивается возможность анализа спектра ЭМГ в диагностических целях.

Единичные спектральные характеристики, получаемые с мышцы при однократном исследовании, недостаточны для получения достоверной информации. Необходимо регистрировать большое количество спектров ОЭМГ мышц, что после статистической обработки позволяет выявить достоверные характеристики.

Сигналы ОЭМГ через АЦП поступают на ЭВМ. Используемый информационный массив состоит из массива спектров ОЭМГ и их числовых характеристик. Методика включает следующие этапы:

1) получение исходного массива спектров и выделение их числовых характеристик;

2) статистическую обработку и анализ полученного материала. Для получения числовых характеристик спектров предварительно на кривой спектра формализуют понятие «пик» и в качестве основных параметров подсчитывают: - мощность пика; F_пик - частота пика; - постоянная составляющая; - средняя мощность дополнительных частот; D - общая мощность спектра; м - коэффициент доминирования основной частоты; п - число точек спектра.

(1)

,

(2)

,

(3)

Выделение пиков и определение их характеристик осуществляется на ЭВМ. В результате массивы спектров ОЭМГ, полученные при обследовании больных, заменяются массивами чисел, которые необходимо подвергнуть статистической обработке, включающей:

1) построение гистограммы распределения частот пиков;

2) расчет средних значений перечисленных спектральных параметров и их основных отклонений у, подсчет коэффициентов корреляции , в массиве среди пар мышц, в которых одновременно регистрируется активность, где и - частоты пика, выделенного в спектре первой и второй мышцы. Коэффициент корреляции характеризует взаимосвязь этих частот и их отклонений внутри пар мышц, происходящих за один и тот же интервал времени.

В результате такой обработки возникают характерные гистограммы распределения частот спектральных пиков и таблицы средних значений D, , , , м, F_пик, а также значения коэффициентов корреляции для трех подмассивов, характеризующих типы пар мышц.

Проводятся аналогичные исследования здоровых людей и строятся гистограммы распределения частот пиков.

Рассчитывают количественные значения числовых характеристик спектров ОЭМГ здоровых испытуемых и составляют табл. 1.

Таким образом, результаты обследования здоровых людей используются в дальнейшем, как эталон для сопоставления с аналогичными данными, полученными у больных.

Преимущество предложенного метода заключается в возможности получить с помощью обработки на ЭВМ статистически достоверные, объективные характеристики электрической активности мышц в норме. Это позволяет убрать элемент субъективизма, неизбежно возникающий при визуальной обработке ЭМГ или ОЭМГ.

Таблица 1 Диагностические параметры ОЭМГ

Кроме спектрального анализа для диагностики по ЭМГ широко применяют корреляционный анализ. Рассмотрим принцип корреляционного анализа, который предложил Р. С. Персон в 1969 г. При некоторых постоянных условиях работы мышцы электрические колебания, отводимые от нее, можно рассматривать как стационарный случайный процесс. Корреляционная функция этого процесса дает возможность оценить некоторые его статистические свойства. Автокорреляционная функция характеризует статистическую связанность мгновенных значений процесса в различные моменты времени, взаимно корреляционная функция - статистическую связанность двух процессов.

Как известно, корреляционная функция определяется формулой

(4)

где ф - сдвиг во времени одного процесса относительно другого; Т -время интегрирования; f₁(t) и f₂(t) - исследуемые процессы.

Если находится корреляционная функция ЭМГ, то f(t) = U(t), где U(t) -разность потенциалов, отводимых от мышцы. Так как рассматривается конечный отрезок анализируемого процесса, то формула принимает вид

(5)

Для того чтобы яснее представить себе сущность корреляционного анализа и значение получаемых при этом параметров, целесообразно последовательно рассмотреть те математические операции, которые проделываются при корреляционном анализе ЭМГ.

Из формул ясно, что нахождение корреляционной функции состоит из трех математических операций: сдвига двух функций во времени, перемножения их и нахождения интеграла.

Рассмотрим сначала случай, когда сдвига во времени нет (ф = 0), т. е.

Перемножение функций означает, что каждое мгновенное значение U₁ при данном t перемножается на соответствующее значение U₂ в тот же момент времени. В результате перемножения получается новая функция времени, которую можно представить графически. При совпадении фаз перемножаемых ЭМГ - положительной и положительной, отрицательной и отрицательной - получается положительная фаза новой функции, при разнонаправленности фаз перемножаемых функций получается отрицательная фаза новой функции. Затем находится интеграл новой функции, т. е. площадь, ограничиваемая кривой за единицу времени. При этом площади, лежащие выше и ниже изолинии, складываются алгебраически. Интеграл будет тем больше, чем относительно больше у функции площадь, лежащая выше нулевой линии, т. е. чем больше совпадающих фаз у перемножаемых кривых. Иначе говоря, интеграл характеризует степень синфазности двух исходных ЭМГ. При случайном распределении фаз перемножаемых кривых, поскольку ЭМГ не содержит постоянной составляющей, интеграл будет равен 0, так как число совпадений в «фазе» и в «противофазе» будет в среднем одинаково.

После того, как получено значение интеграла при ф = 0, одна из перемножаемых функций сдвигается во времени на некоторый небольшой отрезок времени Дф (значительно меньший, чем средняя длительность одного колебания ЭМГ). При этом каждому мгновенному значению U₁(t) будет соответствовать значение U₂(t+Дф). Над этими двумя функциями снова проделывается процедура перемножения и нахождения интеграла. Получается некая новая его величина, характеризующая степень синфазности двух ЭМГ, когда одна из них сдвинута на Дф. Затем функция сдвигается на 2Дф, 3Дф и т. д., причем для каждого значения ф получается значение интеграла, характеризующее степень синфазности исходных процессов при данном ф. Эти величины наносят на график, по оси ординат которого откладываются значения интегралов R(ф), а по оси абсцисс - сдвиги во времени ф.

При автокорреляционном анализе исходная ЭМГ дублируется и затем перемножается «сама на себя». При ф = 0 все фазы ЭМГ совпадают и интеграл будет иметь наибольшее значение. Его величина принимается за 1. При сдвиге ЭМГ относительно себя по оси t автокорреляционная функция начнет уменьшаться вследствие все меньшего совпадения фаз. При некотором значении ф автокорреляционная функция оказывается равной 0. Далее при увеличении ф ЭМГ оказываются в противофазе, и автокорреляционная функция станет меньше нуля. Если кривая периодична, то дальнейший сдвиг ее во времени снова вызовет все большее совпадение фаз, и автокорреляционная функция снова будет возрастать, затем снова уменьшаться и т. д. Автокорреляционная функция оказывается также периодичной с той же длительностью периода, что и исходная функция. Если исходная функция содержит в себе случайные и периодические компоненты, то последние будут выявлены на автокоррелограмме. Если исходный процесс непериодичен, то автокорреляционная функция быстро затухает, т.е. приходит к 0.

При взаимно корреляционном анализе ЭМГ находится интеграл произведения двух разных функций. Если они полностью независимы и отношение фаз случайно, взаимно корреляционная функция при любом ф равна 0. Если процессы связаны и фазы двух кривых при некотором ф совпадают чаще, чем это обусловлено законом случайного распределения, то взаимно корреляционная функция при этом ф будет положительной.

Для того чтобы величина взаимно корреляционной функции не зависела от изменений ЭМГ или усиления электромиографа, производится ее нормировка, т. е. она выражается в долях от усредненной мощности обоих процессов:

(6)

В результате нормирования величина корреляции становится относительной (она выражает долю синфазных электрических явлений в общей электрической активности). Взаимно корреляционная функция выражается графически как зависимость R_норм(ф) (рис. 2).

Рисунок 2 - Взаимно-корелляционные функции двух ЭМГ двуглавой мышцы плеча: 1 - сильно выраженный полиомиелит; 2 - слабо выраженный полиомиелит; 3 - норма

Корреляционные функции характеризуют устойчивые статистические свойства ЭМГ. Некоторые из этих свойств в трактовке ЭМГ имеют служебное, феноменологическое значение, но среди них есть и такие, которые открывают новые интересные пути нейрофизиологического анализа работы нейромоторного аппарата.

В автокорреляционных функциях ЭМГ представляют интерес следующие параметры:

скорость затухания, характеризующая степень регулярности колебаний ЭМГ, наличие или отсутствие в ней периодических процессов;

время от начала координат до первого пересечения функции с нулевой линией (эта величина тесно связана с длительностью колебаний ЭМГ и близка к 1/4 средней длительности одного двухфазного колебания).

Использовать метод корреляционного анализа для определения длительности колебаний нецелесообразно, поскольку эту величину можно получить гораздо проще инструментальным или визуальным путем.

Наибольшее значение в ЭМГ имеют параметры взаимно корреляционных функций двух разных ЭМГ:

1. Максимальная величина взаимно корреляционной функции (коэффициент корреляции), который характеризует связь процессов во времени, степень их синфазности. Интерференционная ЭМГ является результатом суммирования потенциалов многих ДЕ, расположенных в области отведения. Хотя выделить в ней потенциал действия отдельной ДЕ нельзя, но источником каждого колебания интерференционной ЭМГ является потенциал действия ДЕ. Дисперсия во времени разрядов, связанная с их проведением от мотонейронов, сравнительно невелика. Поэтому статистическое определение отношения фаз двух интерференционных ЭМГ дает возможность вскрыть отношение во времени между ПД двух групп ДЕ (и, следовательно, мотонейронов), если эти две ЭМГ отражают разряды разных ДЕ. Благодаря этому взаимно корреляционный анализ открыл большие возможности в исследованиях синхронизации разрядов мотонейронов.

2. Сдвиг максимума по оси ф. Максимум взаимно корреляционной функции может наблюдаться не только при ф = 0, но и со сдвигом. Этот сдвиг означает, что между двумя ЭМГ существует связь, но одна из них запаздывает относительно другой. Усредненная величина этого запаздывания характеризуется величиной сдвига, по его направлению можно судить о том, какая ЭМГ запаздывает. Небольшой сдвиг может быть обусловлен различием пути проходимого возбуждения до одной и другой пары электродов. Поэтому значительным можно считать сдвиг более 3 - 4 мс.

Для измерения корреляционных функций применяют специальные приборы, получившие название коррелометров или коррелографов. Под коррелометрами понимают приборы, измеряющие отдельные ординаты корреляционной функции, а под коррелографами - устройства, регистраторы которых дают график всей функции корреляции - коррелограмму. Однако чаще название коррелометр служит общим для всех измерителей корреляционных функций.

Классифицировать коррелометры можно по различным признакам: принципу действия, схемным и конструкторским особенностям, форме представления сигналов при определении корреляционной функции, виду показывающего или регистрирующего устройства, диапазону граничных частот спектра случайного процесса, который может быть использован данным прибором.

Рассмотрим коррелометр, работающий по методу перемножения, т. е. измеряющий временные корреляционные функции в соответствии с их математическим определением (5). Таким образом, коррелометр должен осуществлять относительный сдвиг (задержку) на время ф, перемножение двух напряжений U₁(t) и U₂(t) или U₁(t) и U₂(t + ф), усреднение этого произведения в течение достаточно длительного интервала Т. Структурная схема аналогового коррелометра параллельного действия приведена на рис. 3.

Рисунок 3 - Структурная схема аналогового коррелометра параллельного действия

Входное устройство, предназначенное для анализа стационарных и эргодических случайных процессов, реализации которых заданы в форме электрических напряжений, состоит из аттенюатора, эмиттерного повторителя, фильтра нижних частот, усилителя. Чтобы прибор измерял корреляционную и взаимно корреляционную функции, вход его должен быть закрытым. Для центрирования реализаций во входной цепи прибора предусматривают центрирующий фильтр (фильтр высокой частоты). В противном случае прибор определяет моментные функции. Если предполагается измерение корреляционных функций процессов, реализации которых представлены в форме графиков, написанных на бумажной ленте или фотопленке, то коррелометр должен иметь считывающее устройство, преобразующее записи в электрическое устройство, т. е. устройство ввода.

Узел регулируемой задержки - это устройство, запоминающее на некоторое время напряжение исследуемой реализации. Выходной сигнал подобного узла воспроизводит форму входного сигнала через определенный промежуток ф, называемый интервалом задержки. Узел задержки должен передавать сигнал с минимальными искажениями, т. е. модуль его коэффициента передачи должен быть близок к единице во всем спектре частот исследуемого процесса, а фазочастотная характеристика близка к линейной. Для задержки низкочастотных сигналов, какими являются биоэлектрические потенциалы мышц, применяют магнитные запоминающие устройства. Магнитная запись позволяет изменять в значительных пределах время задержки случайных процессов. В коррелометрах встречаются две разновидности подобных узлов задержки: магнитная лента и магнитный барабан. Принцип действия магнитного узла регулируемой задержки заключается в следующем: сигнал, который должен быть задержан, фиксируется с помощью записывающей головки на поверхности движущегося магнитного носителя. Через интервалы времени ф он считывается головкой воспроизведения, установленной на некотором расстоянии от головки записи. Интервал ф определяется расстоянием между головками записи и воспроизведения l и скоростью движения магнитной ленты или барабана. Дискретное изменение расстояния между головками (при данной скорости движения) дает различные значения аргумента ф. Шаг сдвига Дф целесообразно выбрать равным 2 мс, что, учитывая частотную характеристику ЭМГ, достаточно для сохранения необходимой информации.

Схемы умножения, встречающиеся в корреляционных анализаторах данного типа, аналогичны применяемым в вычислительной технике. Современная микроэлектроника располагает аналоговыми перемножителями, выполненными в виде отдельных микросхем. Регистраторами могут служить осциллографы, дисплеи ЭВМ, принтеры.

При проведении корреляционного анализа важно правильно выбрать длительность записи, которая определяется временем интегрирования. Время измерения по возможности должно быть невелико и в то же время достаточно для того, чтобы результат анализа данного отрезка ЭМГ можно было распространить на весь процесс в целом.

Это время для ЭМГ определяется экспериментально путем вычисления среднего квадратического отклонения величины корреляции при подсчете нескольких повторных записей ЭМГ в стационарных условиях при разном времени интегрирования. Можно рекомендовать, как оптимальное время интегрирования, 1 мин (среднее квадратическое отклонение 0). Однако, если по условиям опыта столь длительная запись невозможна, время можно уменьшить до 20 с (среднее квадратическое отклонение 0,02).

Рассмотрим конкретный пример применения метода корреляционного анализа для определения электромиографических критериев патологии. На рис. 9 представлены взаимно корреляционные функции двух ЭМГ двуглавой мышцы плеча в случае заболевания полиомиелитом в сильной и слабой форме 1 и 2 и у здорового человека 3. Как видно из рисунка, данные взаимно корреляционные функции отличаются коэффициентом взаимной корреляции и сдвигом максимума по оси ф. Это объясняется тем, что при заболевании полиомиелитом проявляется так называемая синхронизация разрядов мотонейронов, т. е. изменение параметров колебаний потенциала действия двигательных единиц (чрезвычайное повышение амплитуды). Исследования показывают, что у больных с последствиями полиомиелита взаимно корреляционный анализ двух ЭМГ, отведенных игольчатыми электродами от двуглавой мышцы плеча при ее слабом произвольном напряжении, выявляет высокую корреляцию. Также наблюдается сдвиг взаимной корреляционной функции по оси ф. В то же время у здоровых людей регистрируется интерференционная ЭМГ, а корреляция либо отсутствует, либо слабо выражена.

Таким образом, по коэффициенту взаимной корреляции и временному сдвигу можно судить о повышенной синхронизации двигательных единиц, что оказывается важным при определении функционального состояния нейро-моторного аппарата.

Размещено на Allbest.ru