информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 1 гость.

Вход в систему

аватар: саиф мохаммед гамиль

Канал обработки миографического сигнала

Светлана К.

 

Содержание:                                                                                 
 
Введение                                                                                                       
Цель работы                                                                                                 
Глава I. Теоритическая часть                                                                      
1.     Строение мышц                                                                                    
2.     Сокращение мышц                                                                               
3.     Биоэлектрические потенциалы                                                            
   3.1 Потенциал покоя                                                                         
   3.2 Потенциал действия                                                                    
   3.3 Постсинаптические потенциалы                                                 
4. Приборы, регистрирующие биоэлектрическую активность мышц  
4.1  Основные параметры серийно выпускаемых миографов         
Глава II. Практическая часть                                                                      
1.    Блок схема регистратора                                                               
2.    Принципиальная схема                                                                  
3.    Расчёт элементов схемы                                                                 
Заключение                                                                                                  
Список литературы                          

 

Введение

 
 
Мышцы (musculi) — активная часть двигательного аппарата человека. Кости, связки, фасции образуют его пассивную часть.
Сократимая часть мышцы, образованная мышечными волокнами, с обоих концов переходит в сухожилие. С помощью сухожилий мышцы прикрепляются к костям скелета. Сухожилия построены из оформленной плотной волокнистой соединительной ткани, они очень прочны.
Мышцы и группы мышц окружены соединительнотканными оболочками — фасциями. Фасции покрывают также целые области тела и конечностей и получают название по этим областям. Фасциальные футляры состоят из неоформленной плотной волокнистой соединительной ткани, поэтому они очень прочные и отлично противостоят механическому растяжению при сокращении мышц.
Скелетные мышцы взрослого человека составляют 40% от всей массы его тела. У новорожденных и детей на мышцы приходится не более 20—25% массы тела, а в старости отмечается постепенное уменьшение массы мускулатуры до 25—30% от массы тела. Всего в теле человека около 600 скелетных мышц.
Все скелетные мышцы нашего тела: мышцы головы, туловища и конечностей, состоят из мышечной ткани. Сокращение таких мышц происходит произвольно.[1]
Биопотенциалы мышц представляют форму биоэлектрической  активности, характеризуемую наиболее широким диапазоном колебаний амплитуды и частотного спектра. Такие потенциалы можно регистрировать, и тем самым диагностировать поражения нервно-мышечной системы.
Цель работы
·          Изучить миографический сигнал
·          Выполнение КП осуществляется путём модификации представленных схем под требуемый биосигнал и расчет её основных элементов.
Глава 1. Теоретическая часть
 
 
1.1Строение мышц
 
Мышцы — это органы тела, состоящие из мышечной ткани, способной сокращаться под влиянием нервных импульсов. Они  обеспечивают разнообразные движения при перемещении человека в пространстве, сохранение равновесия, дыхательные движения, сокращения стенок внутренних органов, голосообразование и др.[1]
Структурно-функциональной единицей мышцы является мышечное волокно (Рисунок1) - огромная клетка, имеющая форму протяженного цилиндра с заостренными краями. Длина мышечного волокна чаще всего соответствует длине целой мышцы и достигает 14 см, а диаметр равен нескольким сотым долям миллиметра. Волокно покрыто эластичной оболочкой-сарколеммой и состоит из саркоплазмы, структурными элементами которой являются: митохондрии, рибосомы, трубочки, ретикулум, различные включения и миофибриллы, которые отвечают за механизм сокращения.
Миофибриллы — нитевидные структуры, состоящие из саркомеров. Каждый саркомер имеет длину около 2 мкм и содержит два типа белковых филаментов: тонкие миофиламенты из актина и толстые филаменты из миозина. Границы между филаментами (Z-диски) состоят из особых белков, к которым крепятся ±концы актиновых филаментов. Миозиновые филаменты также крепятся к границам саркомера с помощью нитей из белка титина (тайтина). С актиновыми филаментами связаны вспомогательные белки — небулин и белки тропонин-тропомиозинового комплекса. У человека толщина миофибрилл составляет 1-2 мкм, а их длина может достигать длины всей клетки (до нескольких сантиметров). Одна клетка содержит обычно несколько десятков миофибрилл, на их долю приходится до 2/3 сухой массы мышечных клеток.


  Рисунок 1. Мышечное волокно: 1-аксон;

 2-нервно-мышечное соединение;
3-мышечное волокно; 4-миофибриллы
Актин — сократительный белок, состоящий из 375 аминокислотных остатков с молекулярной массой 42300, который составляет около 15 % мышечного белка. Под световым микроскопом более тонкие молекулы актина выглядят светлой полоской (так называемые Ι-диски). В растворах с малым содержанием ионов актин содержится в виде единичных молекул с шарообразной структурой, однако в физиологических условиях, в присутствии АТФ и ионов магния, актин становится полимером и образует длинные волокна (актин фибриллярный), которые состоят из спирально закрученных двух цепочек молекул актина. Соединяясь с другими белками, волокна актина приобретают способность сокращаться, используя энергию, содержащуюся в АТФ.
Миозин — основной мышечный белок; содержание его в мышцах достигает 60 %. Молекулы состоят из двух полипептидных цепочек, в каждой из которых содержится более 2000 аминокислот. Белковая молекула очень велика, а её молекулярная масса доходит до 470000. Каждая из полипептидных цепочек оканчивается так называемой головкой, в состав которой входят две небольшие цепочки, состоящие из 150—190 аминокислот. Эти белки проявляют энзиматическую активность АТФазы, необходимую для сокращения актомиозина.
Актомиозин — белковый комплекс, состоящий из актина и миозина, характеризующийся энзиматической активностью АТФазы. Это значит, что благодаря энергии, освобождённой в процессе гидролиза АТФ, актомиозин может сокращаться. В физиологических условиях актомиозин создаёт волокна, находящиеся в определённом порядке. Фибриллярные части молекул миозина, собранные в пучок, образуют так называемую толстую нить, из которой перпендикулярно выглядывают миозиновые головки. Молекулы актина соединяются в длинные цепочки; две таких цепочки, спирально закрученные друг вокруг друга, составляют тонкую нить. Тонкая и толстая нити расположены параллельно таким образом, что каждая тонкая нить окружена тремя толстыми, а каждая толстая нить — шестью тонкими; миозиновые головки цепляются за тонкие нити.[2]
 
 
1.2 Сокращение мышц
 
 
Основой всех типов мышечного сокращения служит взаимодействие актина и миозина. В скелетных мышцах за сокращение отвечают миофибриллы. Сокращение происходит при увеличении концентрации в цитоплазме ионов Ca2+ в результате скольжения миозиновых филаментов. Источником энергии сокращения служит АТФ. [3]
Во время сокращения мышечного волокна, полосы миозина с помощью отростков тянут друг к другу актиновые нити. Отростки имеют молекулу АТФ, к ним поступает сигнал к сокращению. Под действием фермента, АТФ на отростке переходит в АДФ+Ф. Отросток миозина соединяется с нитью актина. Благодаря высвобождению энергии из молекулы АТФ, происходит «подтягивание» актиновых нитей друг к другу. Отросток все еще сцеплен с актиновой нитью, но уже без молекул энергии. Поступает новая молекула АТФ. Отросток миозина отцепляется от актиновой нити. Именно так происходит сокращение мышцы.(Рисунок 2)

                                                        

Рисунок 2. Сокращение мышцы
 
 
 
 
 
1.3 Биоэлектрические потенциалы
 
 
Биопотенциалы мышц представляют форму биоэлектрической  активности, характеризуемую наиболее широким диапазоном колебаний амплитуды и частотного спектра. Амплитуда  ЭМГ,  в зависимости от характера отведения и объекта исследования,  может  изменяться в пределах от величин,  ограниченных разрешающей способностью усилителя  (единицы микровольт)  до нескольких десятков милливольт.  Частота следования импульсов электрической активности мыщц колеблется в пределах 10-200 Гц.
Различают следующие основные виды Б. п. нервных и мышечных клеток: потенциал покоя, потенциал действия, возбуждающие и тормозные постсинаптические потенциалы, генераторные потенциалы.[4]
 
 
1.3.1 Потенциал покоя
 
 
У живых клеток в покое между внутренним содержимым клетки и наружным раствором существует разность потенциалов (ПП) порядка 60—90мв, которая локализована на поверхностной мембране. Внутренняя сторона мембраны заряжена электроотрицательно по отношению к наружной. ПП обусловлен избирательной проницаемостью покоящейся мембраны для ионов К+. Концентрация К+ в протоплазме примерно в 50 раз выше, чем во внеклеточной жидкости, поэтому, диффундируя из клетки, ионы выносят на наружную сторону мембраны положительные заряды, при этом внутренняя сторона мембраны, практически не проницаемой для крупных органических анионов, приобретает отрицательный потенциал. Поскольку проницаемость мембраны в покое для Na+ примерно в 100 раз ниже, чем для К+, диффузия натрия из внеклеточной жидкости в протоплазму мала и лишь незначительно снижает ПП, обусловленный ионами К+. В скелетных мышечных волокнах в возникновении потенциала покоя важную роль играют также ионы Cl-, диффундирующие внутрь клетки. Следствием ПП является ток покоя, регистрируемый между поврежденным и интактным участками нерва или мышцы при приложении отводящих электродов. Мембраны нервных и мышечных клеток (волокон) способны изменять ионную проницаемость в ответ на сдвиги мембранного потенциала. При увеличении ПП (гиперполяризация мембраны) проницаемость поверхностных клеточных мембран для Na+ и К+ падает, а при уменьшении ПП (деполяризация) она возрастает, причём скорость изменений проницаемости для Na+ значительно превышает скорость увеличения проницаемости мембраны для К+.[3]
 
 
1.3.2 Потенциал действия
 
 
Все раздражители, действующие на клетку, вызывают в первую очередь снижение ПП; когда оно достигает критического значения (порога), возникает активный распространяющийся ответ — потенциал действия(ПД). Во время восходящей фазы ПД кратковременно извращается потенциал на мембране: её внутренняя сторона, заряженная в покое электроотрицательно, приобретает в это время положительный потенциал. Достигнув вершины, ПД начинает падать (нисходящая фаза ПД), и потенциал на мембране возвращается к уровню, близкому к исходному, — ПП. Полное восстановление ПП происходит только после окончания следовых колебаний потенциала — следовой деполяризации или гиперполяризации, длительность которых обычно значительно превосходит продолжительность пика ПД. Согласно мембранной теории, деполяризация мембраны, вызванная действием раздражителя, приводит к усилению потока Na+ внутрь клетки, что уменьшает отрицательный потенциал внутренней стороны мембраны — усиливает её деполяризацию. Это, в свою очередь, вызывает дальнейшее повышение проницаемости для Na+ и новое усиление деполяризации и т.д. В результате такого взрывного кругового процесса, т. н. регенеративной деполяризации, происходит извращение мембранного потенциала, характерное для ПД. Повышение проницаемости для Na+ очень кратковременно и сменяется её падением, а следовательно, уменьшением потока Na+ внутрь клетки. Проницаемость для К+, в отличие от проницаемости для Na+, продолжает увеличиваться, что приводит к усилению потока К+ из клетки. В результате этих изменений ПД начинает падать, что ведёт к восстановлению ПП. Таков механизм генерации ПД в большинстве возбудимых тканей. Существуют, однако, клетки (мышечные волокна ракообразных, нервные клетки у ряда брюхоногих моллюсков, некоторые растительные клетки), у которых восходящая фаза ПД обусловлена повышением проницаемости мембраны не для ионов Na+, а для ионов Ca+. Своеобразен также механизм генерации ПД в мышечных волокнах сердца, для которых характерно длительное плато на нисходящей фазе ПД. Неравенство концентраций ионов К+ и Na+ (или Ca+) внутри и снаружи клетки (волокна) поддерживается специальным механизмом, т. н. "натриевым насосом", выталкивающим ионы Na+ из клетки и нагнетающим ионы К+ в протоплазму, требующим затраты энергии, которая черпается клеткой в процессах обмена веществ.[3]
Амплитуда ПД большинства нервных и мышечных волокон примерно одинакова: 110—120 мв. Длительность ПД варьирует в широких пределах: у теплокровных животных длительность ПД нервных волокон, наиболее быстро проводящих возбуждение, — 0,3—0,4 мсек, у волокон же мышц сердца — 50—600 мсек. В растительных клетках пресноводной водоросли хара ПД продолжается около 20 сек. Характерной особенностью ПД, отличающей его от других форм ответа клетки на раздражение, является то, что он возникает только при достижении раздражителем некоторого порогового значения, и дальнейшее увеличение интенсивности раздражителя уже не сказывается ни на амплитуде, ни на продолжительности ПД. Потенциал действия — один из важнейших компонентов процесса возбуждения. В нервных волокнах он обеспечивает проведение возбуждения от чувствительных окончаний (рецепторов) к телу нервной клетки и от неё — к синаптическим окончаниям, расположенным на различных нервных, мышечных или железистых клетках. Поступая в эффекторные окончания, ПД вызывает выделение определённой порции специфических химических веществ, т. н. медиаторов, оказывающих возбуждающее или тормозящее влияние на соответствующие клетки. В мышечных волокнах распространяющийся ПД вызывает цепь физико-химических реакций, лежащих в основе процесса сокращения мышц. Проведение ПД вдоль нервных и мышечных волокон осуществляется т. н. локальными токами, или токами действия, возникающими между возбуждённым (деполяризованным) и соседними с ним покоящимися участками мембраны. Токи действия регистрируются обычными внеклеточными электродами; при этом кривая имеет двухфазный характер: первая фаза соответствует приходу ПД под ближний электрод, вторая — под дальний электрод.[4]
 
 
1.3.3 Постсинаптические потенциалы
 
 
Постсинаптические потенциалы (ПСП) возникают в участках мембраны нервных или мышечных клеток, непосредственно граничащих с синаптическими окончаниями. Они имеют амплитуду порядка несколькихмв и длительность 10—15 мсек. ПСП подразделяются на возбуждающие (ВПСП) и тормозные (ТПСП). ВПСП представляют собой местную деполяризацию постсинаптической мембраны, обусловленную действием соответствующего медиатора (например, ацетилхолина в нервно-мышечном соединении). При достижении ВПСП некоторого порогового (критического) значения в клетке возникает распространяющийся ПД. ТПСП выражается местной гиперполяризацией мембраны, обусловленной действием тормозного медиатора. В отличие от ПД, амплитуда ПСП постепенно увеличивается с увеличением количества выделившегося из нервного окончания медиатора. ВПСП и ТПСП суммируются друг с другом при одновременном или последовательном поступлении нервных импульсов к окончаниям, расположенным на мембране одной и той же клетки.[3]
 
1.4 Приборы, регистрирующие биоэлектрическую активность мышц
 
 
Электромиография метод электрофизиологической диагностики поражений нервно-мышечной системы, состоящий в регистрации электрической активности (биопотенциалов) скелетных мышц.[6]
Для исследования миографического сигнала используют приборы электромиографы.
В настоящее время электромиограф – это компьютерная система, которая записывает биопотенциалы, усиливает их, обсчитывает амплитуду, частоту и длительность латентных периодов, снижает «шумы», проводит стимуляцию и анализ.[5]
Регистрация потенциалов производится при помощи накожных или игольчатых электродов.
Различают спонтанную электромиограмму, отражающую состояние мышц в покое или при мышечном напряжении (произвольном или синергическом), а также вызванную, обусловленную электрической стимуляцией мышцы или нерва. Электромиораф позволяет проводить топическую диагностику поражения нервной и мышечной систем, оценивать тяжесть, стадию, течение заболевания, эффективность применяемой терапии.
Аппаратура для электромиографии состоит из двух основных блоков — электромиографа и электростимулятора. Электромиограф усиливает мышечные биопотенциалы и обеспечивает минимальный уровень помех («шумов»). Возможность усреднения кривых, высокий коэффициент усиления при низком уровне «шумов» обеспечивают возможность использования этих аппаратов и при записи и анализе стволовых и корковых вызванных потенциалов. [7]
Отведение потенциалов действия мышцы осуществляют при помощи поверхностных электродов, накладываемых на кожу над исследуемой мышцей, или игольчатых, вводимых в мышцу. Поверхностные электроды представляют собой парные металлические пластины (олово, серебро, и др.) размером 10×5 мм, которые накладывают на расстоянии друг от друга 20—25 мм для взрослых и 10—15 мм для детей.
Они используются для регистрации биоэлектрической активности значительного участка мышцы, включающего десятки и сотни функционирующих единиц, результирующая электромиограммы носит название глобальной. Игольчатый электроды применяются для локального отведения биопотенциалов отдельных двигательных единиц (локальная электромиограмма). Оба метода отведения используются самостоятельно или в сочетании.(Рисунок 3)

Рисунок 3. Электромиограммы при различных способах отведения потенциалов: а — игольчатый электрод; потенциалы двигательной единицы при слабом сокращении мышцы; б — накожные электроды; интерференционная электромиограмма при умеренном сокращении мышцы.
Электрическую стимуляцию мышц и нервов для исследования вызванных мышечных и невральных потенциалов осуществляют обычно с помощью поверхностных стимулирующих электродов с межэлектродным расстоянием от 10 до 20 мм. Применяют пластинчатые или вилочковые электроды в зависимости от глубины залегания стимулируемого нервного ствола. Исследованию подвергают не только те мышцы, которые наиболее патологически изменены. но и симметричные им, а также другие группы мышц, находящиеся в функциональной взаимосвязи с преимущественно пораженными. Каждую мышцу исследуют в нескольких режимах: в покое, при синергических непроизвольных мышечных напряжениях и при максимальном по силе мышечном сокращении. С мышцы, находящейся в состоянии максимально возможного расслабления, т.е. в режиме покоя, биоэлектрическая активность в норме не регистрируется. При слабом мышечном сокращении появляются осцилляции с амплитудой 100—150 мкВ. При максимальном произвольном мышечном сокращении амплитуда осцилляций индивидуальна, как и сила людей, различающихся по возрасту и физическому здоровью, и может достигать в норме 1000—3000 мкВ. В этих случаях регистрируется так называемая интерференционная кривая, обусловленная асинхронным возбуждением клеток передних рогов спинного мозга и двигательных единиц мышцы, потенциалы действия которых становятся более интенсивными и продолжительными.[6]
 
 
1.4.1 Основные параметры серийно выпускаемых миографов
 
 
Современные электромиографы — компактные компьютерные системы, с помощью которых проводят исследование по заданной программе. Аппаратура позволяет получать запись минимальных по амплитуде биопотенциалов, производить автоматический оперативный обсчет амплитуды, частоты и длительности латентных периодов, спонтанных и вызванных потенциалов мышц и нервов, осуществлять их спектральный анализ. [7]
Наиболее часто используемыми электромиографами являются Синапс и Миокоп. Ниже приведена таблица с характеристиками этих приборов.
 
 
 
 
Таблица 1- «Примеры приборов регистрации миографического сигнала и их основные параметры»


Из таблицы видим, что каждый прибор имеет свои преимущества перед другими.
 
 
 
 
Глава 2. Практическая часть
 
 
2.1Блок схема регистратора
 
 
Блок схема миографа приведена на рисунке 4.


Рисунок 4. Блок схема регистратора миографического сигнала
 
 
1.     Принципиальная схема
 
 
Пример принципиальной схемы аналоговой части регистратора миографического сигнала с частотной модуляцией построен по типовой схеме, данной руководителем курсового проекта-Рисунок 5.
Принципиальная схема частотно-модулированной части регистратора миографического сигнала представлена на рисунке 6.


Рисунок 6. Принципиальная схема частотно-модулированной части двуканального регистратора миографического сигнала с частотной модуляцией
Известно, что электрическая активность различных органов и тканей обусловлена протекающими в них процессами и, как следствие, существенно различается как по частоте, так и по амплитуде.
В качестве примера приведены данные биоэлектрической активности мышц, исследуемых с помощью электромиографа(ЭМГ), где его полоса частот (10-200) Гц ,диапазон амплитуд (100-3000)мкВ.
 
 
1.     Расчёт элементов схемы
 
 
Рассчитаем коэффициент усиления сигнала
Ky=Ky1*Ky2
Ky= Uвых/Uвх                                                                                           
Выходное напряжение зададим Uвых=5В, а входное напряжение берем равное максимальному напряжению входного сигнала   Uвх=3мВ. Отсюда:
Ky=5В/(3*10-3)В= 1666
Зададим Ky1=16 тогда получаем Ky2=104
Так как регистратор миографического сигнала имеет 2 канала, значения соответствующих элементов каналов будет одинаковые. Найдем значения элементов для первого канала.
1)    Расчет элементов на усилителе AD8221


Рисунок 7. Усилитель AD8221
Rg=R7+R6
Rg=(49,4*103 Ом)/(Ку1-1)
Rg=3293 Ом
R6=R7=1646 Ом     =1,6 кОм
Задаем значение элементов С2=С4=1нФ, С3=10нФ. Находим R4=R5=?
ʄпроп=ʄмах=200Гц
ʄпроп=1/(2*π*R4*(2*C3+С2))
R4 =1/(2 * π * ʄпроп *(2*C3+С2)) = 36 кОм
1)    Расчет фильтра верхних частот 

Рисунок 8.ФВЧ
 
ʄпроп=ʄмin=10Гц
ʄпроп=1/(2*π*R8*C7)
Зададим С7=1мкФ  и рассчитаем R8
R8 =1/(2 * π * ʄпроп *C) = 16 кОм
 
1)    Расчет активного фильтра нижних частот AD706 

Рисунок 9. Активный ФНЧ
 
R11=R10/(Ky2-1)
Задаем R10=130кОм и рассчитываем R11
R11=130*103 Ом/(104-1) = 1,2 кОм
ʄпроп=ʄмах=200Гц
ʄпроп=1/(2*π*R9*C8)
Зададим С8=0,047мкФ,С9=0,1мФ  и рассчитаем R9
R9 =1/(2 * π * ʄпроп *C8) = 16,9 кОм
По номиналам берем ближайшее значение R9=18 кОм
Значения элементов схемы:      
R1=10кОм                                             С1=1мФ
R2=100кОм                                           С2=C4=C10=C12=1нФ
R3=1МОм                                             С3=C11=10нФ
R4=R5=R12=R13=36кОм                    С5=C13=0,1мФ
R6=R7=R14=R15=1,6кОм                   С6=C14=0,1мФ
R8=R16=16кОм                                    С7=C15=1мкФ
R9=R17=18кОм                                    С8=C16=0,047мкФ
R10=R18=130кОм                                С9=C17=0,1мФ
R11=R19=1,2кОм                                 C18=0,001нФ
R20=10кОм                                           C19=0,001нФ
R21=200кОм                                        
 
 
2.4 Технические характеристики выбранных микросхем
 
 
В курсовом проекте выбраны в аналоговой части микросхемы усилителей AD8221 и AD706. В качестве модулятора была взята микросхема ICM7555 и в качестве сумматора TLC277. Основные технические характеристики приведены в таблице 2.
Таблица 2- «Технические характеристики выбранных микросхем»

Заключение
 
 
В ходе данного курсового проекта были выполнены все технические задания.
В теоритической части приведены общие сведения о мышцах, их строении и сокращении,  биоэлектрических мышечных потенциалов и приборов их регистрации.
В практической части была создана структурная и принципиальная электрическая схемы  устройства миографа.  Был разработан канал обработки  миографического сигнала. Он позволяет производить аналоговую обработку сигнала с дальнейшей ее передачей. Аналоговая обработка полученного сигнала представляет собой фильтрацию и усиления сигнала. Для этого в данной работе был произведен расчет элементов фильтров и усилителей.

Список литературы
 
 
1.  Васильев А.Н. Мышечная система человека. – М., 1998.
2.  Шувалова Н.В. Строение человека. – М.: Олма-пресс, 2000.
3.  Бреже М. Электрическая активность нервной системы. – М., 1979. 
4.  Романова М.А., Сушкова Л.Т. Основы физиологии человека: учеб.пособие.-Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010.-107с.
5.  Бадалян Л.О. и Скворцов И.А. Электронейромиография, М., 1986
6.  http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_medicine/
7.  http://www.nedug.ru/library

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

3 + 11 =
Решите эту простую математическую задачу и введите результат. Например, для 1+3, введите 4.

Комментарии