информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Вход в систему

Недавно присоединились

  • Ольга Панова
  • Сергей Посохов
  • Roman Polostnikov
  • Абдусаламов Магом...
  • Комиссаров Мэлор ...
аватар: Аль-кавати Ахмед Абдо

Электрический сигнал мышц. Электромиограмма (ЭМГ) - это электрический сигнал (ЭС) мышц, который регистрируется электродами различного типа: внутримышечными (игольчатые электроды), поверхностные электроды одно или биполярные. 
После прихода нервного импульса к концевой пластинке (место контакта веточки двигательного нерва и мышцы, рисунок 1 А) происходит деполяризация (в течение 0,5 мс) постсинаптической мембраны мышечного волокна. Деполяризация мембраны мышечных клеток обусловлена движением внутрь ионов Na+ (рисунке 1 Б). Процесс деполяризации распространяется в обе стороны от концевой пластинки со скоростью 2-6 м/c (рисунок 1В). Расположенные в этом поле электроды регистрируют напряжение (электрический потенциал) мышечных волокон. Если электроды расположить вдоль мышечных волокон, то электрический сигнал  волокон по форме будет биполярным и знак первой волны будет зависеть от расположения электрода по отношению к волокнам. ЭС волокон с моторными пластинками, расположенными справа от электродов, имеют отрицательный знак, слева – положительный (рисунок 1 Б). 
Схематическое представление электромиограммы отдельных двигательных единиц и суммарная миограмма мышцы представлены на рисунке 2.  
Амплитуда ЭС зависит от диаметра волокон,  расстояния от  активированного мышечного волокна, размеров регистрируемой области и фильтрующих свойств электродов. Для тканей человека амплитуда ЭС возрастает  пропорционально V=ka1,7, где а радиус мышечного волокна и k -  константа. Снижение амплитуды сигнала обратно пропорционально расстоянию до активного волокна и регистрируемой площади. Фильтрующие свойства биполярных электродов зависят от размеров, расстояния между электродами и материала изготовления.

А

 

Б                                                                                         В

  
Рисунок 1 -  А – мышечные волокна и моторные пластинки; Б – схематическое представление деполяризации мышечной клетки; В - суммарный электрического сигнала отдельного волокна и ДЕ   

 

Рисунок 2  А – поверхностная миограмма отдельной ДЕ msoleus (человека);   Б - ЭМГ msoleus (человека) при максимальном усилии.
 

Двигательная единица (ДЕ) состоит из мотонейрона, располагающегося в спинном мозге, двигательного нерва  и иннервируемых им волокон. Электрический потенциал одной ДЕ с помощью поверхностной миографии можно зарегистрировать только при очень слабых усилиях (рисунок 2 А). Электрическая активность ДЕ состоит из ЭС нескольких волокон, поэтому он по форме отличается от ЭС отдельного волокна (рисунок 2 Б ). 
При произвольных или рефлекторных сокращениях ДЕ рекрутируются согласно принципа размера Хеннемана от мелких ДЕ в начале сокращения, до больших ДЕ - при произвольных максимальных усилиях. При силе мышцы, равной 75% от максимальной,  рекрутируются  почти все ДЕ. Волокна различных ДЕ случайным образом расположены по анатомическому сечению мышцы (суммарная площадь ДЕ в 10-30 раз превышает площадь волокон мышцы). Регистрируемый поверхностными электродами сигнал есть сумма ЭС отдельных волокон, так и различных ДЕ. Поэтому поверхностная ЭМГ- сигнал по форме  значительно отличается от формы ЭС одной ДЕ (рисунок 2).  
Амплитуда электрического сигнал мышц зависит от числа рекрутированных ДЕ и их синхронизации. С ростом силы мышцы увеличивается частота импульсации мотонейронов от 7-12 имп/с при 0,25* Fmax, до 65-100 имп/с при 0,75*Fmax (m. tibialis anterior) происходит рекрутирование почти всех ДЕ. Дальнейший прирост силы ост силы возможен за счет синхронизации работы ДЕ. У лиц, занимающихся физическими упражнениями силовой направленности, синхронизация ДЕ более выражена. Поэтому при произвольных усилиях, амплитуда ЭМГ меняется почти линейно с ростом силы от 100-200 мкВ при минимальных, до 700-1000 мкВ при произвольных максимальных усилиях (Fmax). Однако наибольшая амплитуда поверхностной ЭМГ наблюдается при электрическом раздражении мышцы (вызванное сокращение, М – ответ)  и превышает амплитуду ЭМГ при Fmax в несколько раз, что есть следствие не только ортодроммного рекрутирования ДЕ, но и их синхронизации (рисунок 3).

Рисунок 3 - Амплитуда M-ответа msoleus; 1- латентный период рефлекса – время от начала стимула до первого (негативного или позитивного) отклонения рефлекторной волны; 2- длительность – от начала первого (негативного или позитивного) отклонения до полного возврата рефлекторной волны к изолинии; 3 - максимальная амплитуда рефлекса – величина рефлекса от максимального позитивного пика до максимального негативного пика

Применения метода поверхностной биполярной в электромиографии в биомеханических исследованиях
Электромиография один из наиболее часто встречающихся информативных методов оценки функционирования мышц в биомеханических исследованиях. Поверхностную (накожную) биполярную электромиографию при исследовании двигательных действий человека применяют с целью: 
а) определения временных периодов активности мышц; 
б) оценки величин развиваемых мышечных усилий; 
в) по экстремумам электрической активности определяют профиль силы тяги мышц; 
г) оценивают начало и степень мышечного утомления.
Необходимо отметить что, несмотря на существенное повышение качества миографов: увеличение входного сопротивления до 20 M и более; широкий спектр пропускания частот; аппаратное вырезание 50 Гц наводки; уменьшение габаритов оборудования до компактных размеров; использование предусилителей вместе с электродами - амплитудные характеристики ЭМГ существенно зависят от положения электродов на мышце и методики снятия и обработки накожной миограммы. Для повышения надежности и достоверности информации при регистрации поверхностной миограммы разработаны определенные метрологические правила, связанные с постановкой электродов на мышцы, положением земляного электрода, фильтрации входного ЭМГ-сигнала и т. п. [Winter D.A., etal., 1982]: кожа должна быть зачищена от ороговевшего слоя  и жира бритвой и спиртом; электроды должны быть Ag/AgCl; площадь поверхности электрода 50-60 мм; расстояние между электродами 20-30мм; располагаются параллельно волокнам; фильтрация сигнала:  нижняя 3дБ точка 10-30 Гц, верхняя 3дБ точка – 1000 Гц; 50-60 Гц наводки вырезаются аппаратно; частота оцифровки поверхностной ЭМГ 1000-1500 Гц.

Причины искажения ЭМГ сигнала
            К источникам искажения ЭМГ-сигнала относятся электрофизические, механические (форма, строение и способ крепления электродов) устройство записи и частота оцифровки миограммы, и анатомические факторы: 
1. Электрофизические причины:
         1.1) статическое электрическое поле, образующееся вследствие использования эластической одежды испытуемыми;
         1.2) электромагнитные поля частотой 50-60 Гц, возникающие от работающих приборов, например: мониторов компьютеров, электромиографа и другого оборудования;
         1.3) экранированные провода, идущие от электродов к усилителям, при перемещении в электромагнитном поле, генерируют электроток напряжением несколько мкВ;
         1.4) «тепловой электропоток», возникающий в месте контакта электродов и кожи;   
         1.5) «шум», создаваемый первичными усилителями;
         1.6) «затекание» биоэлектрического сигнала. Посторонний электросигнал от других мышц, распространяемый по поверхности кожи в англоязычной литературе, называют muscle cross-talk [Basmajian, 1979].
2. Механические причины:
2.1) особенности крепления электродов;
2.2) качество подготовки поверхности кожи к регистрации ЭМГ;
2.3) конструкция электродов (площадь, форма поверхности электрода) и материал изготовления;
2.4) положение электродов на мышце, ориентация относительно волокон и межэлектродное расстояние.
3. Влияние анатомических и морфологических факторов на поверхностную миограмму:
3.1) сила мышцы и  ЭМГ; 
3.2) влияние морфологических особенностей строения мышц;
4. Устройство записи миограммы:
 - аппаратная полоса пропускания миографа и;
 - частота оцифровки электрического сигнала мышц.

 

 

Снижение влияния электрофизических факторов на амплитуду
поверхностной миограммы
Влияние электрофизических факторов, таких как: статическое электрическое поле, тепловой электропоток, электромагнитное поле - на форму ЭМГ можно значительно снизить, если:
- использовать предуселители, как можно ближе расположив их к регистрирующим электродам (как это сделано в миографии НМФ Биософт, рисунок ;
- в качестве нижней 3 дБ точки использовать частоту отсечки сигнала, равную 50 Гц или, при нижней 3 дБ, равной 10-30 Гц  аппаратно вырезать  частоту 50 Гц режекторным фильтром; 
- с целью снижения влияния артефактов, таких как: перемещение экранированных проводов в электромагнитном поле или нарушение контакта электрода и мышцы, которые могут периодически или спонтанно появляться и значительно искажать электрический сигнал мышц, миограмму следует обработать медианным фильтром.

Оценка «затекания» электрического сигнала между мышцами
(muscle cross-talk )
Наиболее «опасным», из приведенных причин искажения миограммы, является взаимовлияние каналов, т.е. наведение миограммы от соседних мышц или «muscle cross-talk».
Влияние величины электрической активности соседних мышц на амплитуду ЭМГ изучаемой мышцы оценивают с помощью комбинированной

методики регистрации ЭМГ, состоящей из поверхностных и игольчатых электродов. Так в работе [Rajulu S. L. (1990)] была зарегистрирована ЭМГ-активность у m. triceps surae на поверхностных электродах при одновременном отсутствии миоэлектрической активности на игольчатых. Появление миограммы на поверхностных электродах при отсутствии сигнала на игольчатых свидетельствует о растекании миосигнала по поверхности голени. 
Для определения взаимовлияния каналов «muscle cross-talk» был проведен следующий эксперимент: определили ЭМГ мышц m. gastrocnemius lateralis, m. gastrocnemius medialis, m. soleus, m. tibialis anterior при сгибании/разгибании в голеностопном суставе  Контрольные электроды были установлены в верхней части медиальной поверхности  большеберцовой кости (facies medialis) по середине между точками снятия ЭМГ на m. tibialis anterior и m. gastrocnemius medialis. По амплитуде миограммы на электродах, прикрепленных к facies medialis можно оценить величину cross-talk между мышцами. На рисунки 6 представлены инвертированные ЭМГ мышц голени. Движение в суставе было следующим: c 0,51 до 1,70 c – разгибание в голеностопном суставе; c 1,701 до 2,70 c – сгибание в голеностопном суставе; 2,7 до 3,50 c – разгибание в голеностопном суставе.     На нижнем графике рис. 46 представлены амплитуды сигнала в «нейтральной» в смысле мышечной активности поверхности большеберцовой кости. При разгибании в голеностопном суставе ЭМГ в контрольной точке (наводка от m. triceps surae) составляет в среднем 100-180 мкВ, при тыльном сгибании стопы «затекание» ЭМГ от m. tibialis anterior несколько увеличило амплитуду наводки в контрольной точке facies medialis от 140-200 мкВ. Отсюда следует вывод, что между соседними мышцами синергистами или антагонистами происходит затекание миоэлектрических сигналов, деформирующее реальный ЭМГ-сигнал.

Рисунок 4- Распространение накожного электрического сигнала по поверхности голени

среднем 100-180 мкВ, при тыльном сгибании стопы «затекание» ЭМГ от m. tibialis anterior несколько увеличило амплитуду наводки в контрольной точке facies medialis от 140-200 мкВ. Отсюда следует вывод, что между соседними мышцами синергистами или антагонистами происходит затекание миоэлектрических сигналов, деформирующее реальный ЭМГ-сигнал.

Механические факторы, влияющие на  ЭМГ
1. Особенности крепления электродов (механические причины):смещение накожных электродов относительно первоначально положения вследствие сокращения мышцы. В изометрическом и динамическом режимах сокращения перемещение мышечных пучков может составить 3-4 см. На рисунки 6 показано перемещение мышечного m. vastus lateralis пучка при изометрическом сокращении. Это означает, что в начале мышечного сокращения измеряется электрическая активность одних волокон,  в конце других. 
2. Качество подготовки поверхности кожи к регистрации ЭМГ: обработка кожи спиртом, глубина удаления бритвой или наждачной бумагой ороговевшего слоя кожи. Приведем пример, демонстрирующий необходимость тщательной подготовки поверхности кожи перед регистрацией накожной миографии. Межэлектродное сопротивление при снятии поверхностной ЭМГ находится в диапазоне от 300  до 20000  [Vigreus, 1979], следовательно, максимальный уровень искажения сигнала миографа, с входным сопротивлением 4,5 М(миограф Medocor MG42 , производства  Венгрии), составляет: , где V- измеряемый потенциал; E – реальный потенциал; Z – входное сопротивление усилителя (4,5 М); максимальная величина межэлектродного сопротивления Z1=20000 

3. Параметры электродов (площадь, форма поверхности электрода, конструкция). Электроды бывают плоские или чашечковые. Чашечковая форма электрода предпочтительнее плоской. При вогнутой форме электрода расстояние между кожей и регистрируемой поверхностью постоянно и не зависит от силы прижатия электрода к мышце. 

Рисунки 5 - Перемещение мышечного пучка mvastuslateralis при изометрическом сокращении. Белым кружком обозначено место контакта мышечного пучка и внутреннего апоневроза. LНАЧ и LКОН –  положение хорошо визуализируемого мышечного пучка на внутреннем апоневрозе в начале и конце изометрического сокращения соответственно. Единица масштаба – 1 см
Конструкция современных «плоских» электродов фирмы 3М типа 2222 и 2248 позволяет сохранить неизменность расстояния между кожей и электродом за счет слоя губки, покрывающего поверхность электрода. 
Электроды с жесткой базой (рисунки 6) удобно использовать на мышцах, имеющих длинную и плоскую форму строения, например, m. rectus femorism. bicepsfemoriscaputlongus. На мышцах выпуклой формы, таких как m. vastus medialis, биполярный электрод с жесткой базой не обеспечивает надежный контакт с поверхностью мышцы, что существенно сказывается на качестве записи ЭМГ. Поэтому для таких мышц предпочтительнее использовать электроды с мягкой основой, например, одноразовые фирмы 3М типа 2222 и 2248.         

Рисунок 6- Форма электродов с жесткой базой, устройство крепления и технические характеристики (Электроды  производства фирмы Biometrics, Великобритания)

От площади поверхности электрода зависит, число регистрируемых двигательных единиц. Чем больше ДЕ регистрируется, тем достовернее и информативнее электромиограмма. Однако, увеличение площади регистрируемой поверхности (за счет изменения диаметра электродов) может привести к регистрации «наведенной» ЭМГ от соседних мышц (muscle cross-talk). Оптимальный диаметр поверхностного электрода составляет 5-10 мм.   
         Положение электродов на мышце, ориентация относительно волокон и  межэлектродное расстояние. Амплитуда электрического сигнала и форма спектра ЭМГ существенно зависят от положения биполярных электродов на мышце [Luca de, 1997] - смещение электродов относительно моторной зоны приводит к уменьшению амплитуды сигнала. Оптимальным принято положение электродов по середине между моторной зоной и сухожилием при межэлектродном расстоянии в 1см [Luca de, 1997]. Экспериментальные исследования на m.bicepsbrachii в лабораторных условиях показали, что при одинаковой нагрузке амплитуда ЭМГ, зарегистрированная электродами, расположенными вдоль брюшка мышцы в 1,5 выше, чем аналогичный показатель у электродов, расположенных поперек брюшка этой мышцы [Vigreuх B. et al., 1979].

Влияние межэлектродного расстояния на поверхностную миограмму
Электроды, применяемые для записи поверхностной миограммы при изометрическом сокращении мышц в односуставные движениях не подходят для исследования многосуставных движений, например бега и ходьбы. Главная причина – не удобство и не надежность крепления. Поэтому, для регистрации ЭМГ мышц при локомоциях использую ЭКГ-электроды с клейкой базой. Такие электроды быстро и надежно крепятся на мышцах. Поскольку ЭКГ-электроды имеют переменную базу крепления, то был проведен эксперимент по сравнению амплитуды электрического сигнала ЭКГ-электродов в зависимости от межэлектродного расстояния. Межэлектродное расстояние на мышцах верхней и нижней конечности меняли от 20 до 55 мм. Амплитуду сигнала ЭМГ измеряли при фиксированной статической нагрузке, равной  40% от максимума.
Оптимальное межэлектродное расстояние для мышц верхней и нижней конечностей составляет 30-35 мм (рисунок 8). При таком расстоянии амплитуда поверхностной миограммы обладает метрологическими признаками надежности и достоверности, т.е. меняется от измерения к измерению в пределах 5-18%. При уменьшении межэлектродного расстояния амплитудные показатели ЭМГ снижаются, при увеличении до 55 мм - увеличиваются, однако и растет величина вариативности ЭМГ сигнала (до 25%). При уменьшении расстояния между электродами до 20-25 мм вариативность сигнала заметно снижается до 5-10%, однако, при этом снижается амплитуда миограммы на 10-30%, по сравнению с оптимальным расстоянием в 30-35 мм.
Рекомендуется использовать поверхностные ЭКГ-электроды Ag/AgCl Это одноразовые электроды с клейкой базой диаметром 30 и 25 мм соответственно. Площадь регистрируемой поверхности 63 мм2. При постановке пары электродов на мышцы следует выдерживать межэлектродное расстояние 25-30 мм.

Влияние анатомических и морфологических факторов на
поверхностную миограмму
Влияние анатомических и морфологических особенностей строения мышц  таких как: диаметр и сила мышечных волокон;  расположение различного типа волокон в мышце в мышце;  физиологический поперечник мышц (сила мышцы); толщина кожно-жирового слоя между мышцей и электродом  определенным образом влияют на профиль ЭМГ.

1

Рисунок 7 - Влияние межэлектродного расстояния на амплитуду ЭМГ мышц  голени при статической нагрузке, равной 40% от максимума силы

Сила мышцы и  ЭМГ. В ряде исследований, связанных с изучением зависимостей «сила-ЭМГ» мышцы, показано, что чем больше абсолютная сила мышцы, тем меньше амплитуда поверхностной ЭМГ при стандартной нагрузке. Этому факту можно дать следующее объяснение: увеличение силы мышцы сопровождается, в том числе и гипертрофией мышечных волокон. Следовательно, при сходных величинах внешней нагрузки, в «сильных» мышцах должно рекрутироваться меньше ДЕ чем «слабых», это и приводит к снижению суммарной амплитуды ЭМГ. 
Влияние морфологических особенностей строения мышц на амплитуду ЭМГ было изучено с использованием результатов биопсии и изокинетическом динамометрии. На рисунках 8 и 9 представлены отношения амплитуд поверхностной СЭМГ и моментов в коленном и голеностопном суставах, а также поперечные размеры быстрых и медленных волокон. 

Рисунок 8 - Влияние площади мышечных волокон  на отношение СЭМГ/момент m. vastus lateralis при разгибании в коленном суставе с различной угловой скоростью

Рисунок 9 - Влияние площади мышечных волокон на отношение СЭМГ /момент m. soleus  при разгибании в голеностопном суставе с различной угловой скоростью

На одной и той же угловой скорости, при близких значениях моментов мышечных сил в суставах, наблюдали значительное уменьшение амплитуды 
СЭМГ-сигнала в случае значительной гипертрофии медленных (тип I) и быстрых (тип II) волокон (испытуемый Серг.).

         Влияние толщины подкожной жировой ткани на амплитуду ЭМГ
Амплитудные характеристики зависят от индивидуальных морфологических и анатомических особенностей строения мышечной системы. Подкожный жировой слой увеличивает расстояние между регистрирующем электродом и брюшком мышцы, и выполняет функции сопротивления, в результате чего происходит падение амплитуды ЭМГ-сигнала обратно-пропорциональна квадрату расстояния между электродами и мышцей. Кожно-жировая и мышечные ткани также обладают свойствами низкочастотных фильтров по отношению к миосигналу [Basmajian, 1979];
Если возникает необходимость сравнить амплитуду ЭМГ нескольких испытуемых, то при стандартной физической нагрузке, то необходимо учитывать расстояние между электродами и мышечным брюшком (индивидуальная толщина кожно-жировой прослойки). Толщина подкожной жировой ткани определяет калипером. Точность измерения калипером составляет 0,5-1 мм. При средних размерах жировой складки у спортсменов (например, на бедре 10-15 мм) вариативность измерений составит 5-10%. Чтобы уменьшить влияние толщины подкожного жира на амплитуду ЭМГ можно применить масштабирующий коэффициент 1/log( DКЖ),  где DКЖ - толщина кожно-жировой складки, измеренная калипером.

Устройство записи и оцифровка поверхностной миограммы
При записи ЭМГ на перьевой самописец обрезаются частоты выше 250 Гц (влияние инерция пера), при записи ЭМГ на шлейфовый осциллограф полоса пропускания верхней частоты перемещается к отметке в 750 Гц [Luca de, 1997], при записи на магнитный носитель персонального компьютера верхняя частота регистрации ЭМГ определяется скоростью опроса АЦП. Согласно теории регистрации сигналов, теоретическая частота записи временного процесса должна быть как минимум в 2 раза выше частоты среза регистрируемого сигнала. Для более надежной регистрации рекомендуют превышение частоты регистрации от 4-ех до 10 раз. Полосу аппаратного пропускания при записи поверхностной миограммы в рекомендуется выбирать в следующем диапазоне: нижняя 3дБ точка при 10-30 Гц, верхняя 3дБ точка – 500 Гц. Частота считывания 1000 Гц и более.

 

RMS сигнал и его регистрация
Поскольку ЭМГ-сигнал можно рассматривать как случайный процесс с нулевым средним значением, то для регистрации поверхностной ЭМГ можно применить  следующий способ:
1) амплитуда ЭМГ аппаратно возводится в квадрат. Этот способ записи сигнала носит название корень квадратный из среднего значения квадрата сигнала:
Амплитуда ЭМГ=,
где- ЭМГ-сигнал, зарегистрированный с помощью АЦП в точках ;
- период усреднения; N – количество отсчетов в окне длительностью .
 В англоязычной литературе такой способ записи ЭМГ называется Root Mean Square ЭМГ (сокращенно RMS).
2) усредняется аппаратно методом скользящей средней в 100 мс окне;
3) сглаженный считывается с частотой 100 Гц. 
На рисунке 10 представлены RMS-сигналы мышц голени, зарегистрированные при ходьбе разном темпе.

 

 

 

 

 

Рисунок 10 - Электромиографические (RMS) и силовые характеристики при нормальной ходьбе

 

Литература
Basmajian J. V. Muscle alive, their functions revealed by electromyography. – Williams and Wilkins, fourth edition, 1979, P. 555
         Luca de C. J.The use of surface Electromyography in biomechanics// Journal Applied Biomechanics, 1997, № 13, p. 135-163. 
         Rajulu S. L. Decomposition of electrical signals for biomechanical interpretation. - PHD Thesis, 1990, The Ohio State University, p.1- 229. 
         Vigreuх B., Cnockart J.C., Pertuzon E. Factors influenced quantified surface EMG// Journal Applied Physiology 1979, Vol. 41,  4, p. 119-129. 
       Winter D. A., Rau G., Kadefor R. Units, terms and standards in the reporting of electromyographical research.  First Interim report of ISEK Committee on EMG Terminology, 1992.

Комментарии

Отправить комментарий

Содержание этого поля является приватным и не предназначено к показу.
  • Доступны HTML теги: <a> <em> <strong> <cite> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <img> <table> <td> <tr> <hr> <div> <span> <h1> <h2> <h3> <h4> <h5> <h6> <p> <pre> <adress> <center>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Подробнее о форматировании

1 + 1 =
Решите эту простую математическую задачу и введите результат. Например, для 1+3, введите 4.

Комментарии