Биофизические основы метода ЭМГ(Электромиография)

Введение 3
1. Понятие электромиографии. Методика проведения электромиографии. 4
1.1. Методика проведения электромиографии 5
1.2. История становления Электромиографии 7
2. Биофизика мышечного сокращения 8
3. Получение электромиограммы 10
4. Запись электромиограммы 18
5. Математическое описание сигнала электромиограммы 21
Заключение 25
Список литературы 26

При нарушении работы двигательных блоков или спинного мозга возникают аномальные паттерны ЭМГ [2].

Запись электромиограммы
Значительный объем информации о биоэлектрическом состоянии мышц скрывается в наблюдении пространственного распределения потенциалов в мышцах. К сожалению, это не является клинически осуществимым. Так как чтобы получить с высоким разрешением трехмерные образцы пространственного распределения потенциала, потребуется вставить сотни электродов в мышцы. Чтобы свести к минимуму дискомфорт пациента, в рутинных процедурах ЭМГ обычно используют только один электрод, который вставляется в разные регионы мышцы. Как только сигнал из активной двигательной единицы проходят мимо электрода, он его регистрирует.
Чтобы увеличить количество диагностической информации, несколько наборов ЭМГ исследований могут быть выполнены с использованием электродов с различными характеристиками записи. Рисунок 17 иллюстрирует три из самых популярных ЭМГ электродов - игольчатые электроды. Концентрические и монополярные электроды имеют промежуточный диапазон пиков и используются в обычных записях ЭМГ. Электрод одного волокна является более современным нововведением. Он имеет очень маленький диапазон пиков и используется для получения записей из одного или двух мышечных волокон. Макро электрод, который является канюлей либо концентрического либо одноволоконного электрода в комбинации с дистанционным электродом сравнения, снимает потенциалы на всех двигательных единицах некоторой территории [11].
Рисунок 17. Игольчатые электроды для подкожных записей ЭМГ.
Концентрические Электрод ЭМГ
Адриан и Бронк разработал концентрический электрод (см. рис.17), чтобы получить меньший диапазон считывания, чем у проволочных электродов. Современная версия концентрического электрода состоит из провода платины или нержавеющей стали, расположенного внутри просвета канюли из нержавеющей стали с наружным диаметром около 0,5 мм. Наконечник имеет скошенный на 15 до 20 градусов угол.
Концентрический электрод соединен с дифференциальным усилителем. Благодаря функции асимметричной чувствительности, форма волны из записанных потенциалов будет варьироваться, если электрод поворачивается вокруг своей оси. Эта проблема не наблюдается у осесимметричного монополярного электрода.
Спонтанная активность в расслабленных мышцах, и двигательном блоке с аномальной внешности формой волны моторных единиц потенциалов оценивается на основе количественных характеристик формы сигнала определенного на рисунке 18.
• Амплитуда определяется наличием активных волокон в непосредственной близости от
наконечника электрода.
• Время нарастания является возрастающей функцией от расстояния между электродом и ближайшим активным мышечным волокном.
• Число фаз указывает на сложность управляющего воздействия и степень смещения между волокнами.
Рис. 18. Определение количественных характеристик волны ЭМГ записанных с концентрического ЭМГ электрода.
МУП область определяется как расстояние под кривой в интервале между началом и концом. Количество МУП фазы определяется как количество базовых переходов плюс один..
Одноволоконный ЭМГ электрод
На рисунке 17 представлен одноволоконный электрод, он состоит из торцевой крышки, 25-мкметрового провода, который проходит через отверстие на канюлю и оканчивается стальной иглой. Из-за небольшого размера вывода, биоэлектрический источник может улавливать сигнал на 300 мкм от бокового порта, затем сигнал усиливается дифференциальным усилителем. Для дальнейшего повышения селективности, записанные сигналы высокой частоты фильтруются на частоте 500 Гц, чтобы удалить низкочастотную фоновую активность от дальних волокон.
Из-за очень небольшого диапазона пика, одноволоконный электрод редко записывает потенциалы более чем из одного или двух волокон той же двигательной единицы. Из-за непосредственной близости от волокон, ловятся потенциалы больших амплитуд и с малым временем нарастания. Когда два потенциала из одной двигательной единицы объединяются, то небольшое изменение в их межпотенципльном интервале (IPI) могжет быть измерено (рис. 19). Среднее IPI
Рис. 19. Измерение межпотенциального интервала (IPI) между одноволоконными потенциалами, зарегистрированными одновременно
от двух волокон из одного двигательного блока.
Когда одноволоконный электрод записывает потенциалы от большого числа волокон, это обычно означает, что боковое отверстие находится рядом с кластером волокон (реиннервированных) или, что положительный вывод близок к волокнам, находящимся в процессе расщепления.
Макро EMG
У макро-электрода, канюля из одного волокна или концентрического электрода используется как положительный вывод, в то время как электрод сравнения может вводится либо подкожно или сниматься дистанционно с поверхности электрода. В связи с большой ведущей поверхностью, этот электрод измеряет как ближние, так и дальние поля. Тем не менее, сигнал получается очень слабый по амплитуде, поэтому макро электрод должен быть соединен с электронным усредителем.

Математическое описание сигнала электромиограммы
Все ЭМГ считаются стационарными случайными процессами с нулевым средним в ходе продолжающегося фоновой активности и во время тихого периода, который следует за H-рефлексом. В этих предположениях квадратный корень из дисперсии равен среднеквадратичному отклонению.
Пусть мышцы, как предполагается, имеют постоянный фон ЭМГ активности Rbс (рис. 20) со среднеквадратичным отклонением γ, представленного Rb [12].
Эта деятельность вызывает перекрестные помехи сигнала РБК на мышце-мишени. Это часть Rb, где γ это неотрицательное действительное число, меньше, чем 1:
(1)
Если Tb показывает уровень сигнала, записанный от мышцы-мишени (Tb) при фоновой активности (см. 1б и г), то предлагаемый индекс перекрестных помех определяется как доля от общего объема мышечной активности, что обусловлено перекрестными помехами:
(2)
CI определено в формуле, аналогично обратному соотношению сигнал-шум
При наличии перекрестных помех от целевой и удаленнй мышцы.
Из приведенных выше уравнений:
(3)
Задача состоит в том то, чтобы оценить, как это может быть достигнуто с помощью измерений уровней активности целевой мышцы в течение периода молчания.
Рис. 20. ЭМГ записи, полученные от субъекта во вертикальном положении.
На рисунке (а) изображена ЭМГ записи с удаленной мышцы. Три верхние отдельные записи, получены в ответ на каждый электрический стимул. За ними следуют
ниже в виде суперпозиции 50 отдельных трасс. На рисунке (б) ЭМГ записи с целевой мышца (ТА). Эквивалент суперпозиция 50-ти отдельным записям ЭМГ следуют три отдельных примера записей. Обратите внимание на H-рефлекс, записанный на расстоянии от электродов. На рисунке (в, г) показаны разложения тех же записей от (а) и (б) соответственно. Затененные регионы представляют 50 мс периоды (Rb, Rs, Tb и TS) использующиеся для оценки индекса перекрестных помех CI.
Фон ЭМГ активности записан в мышцы-мишени (Tb) - это сумма внутренней активности самой (Ti) целевой мышцы, перекрестных помех от удаленной мышцы (Rbc) и перекрестных помех от других мышц (Obc) . Эти случайные сигналы, коррелируют и, следовательно, дисперсия Tb является суммой дисперсий из Ti, Rbc и Оbc:
(4)
Во время периода молчания, целевой мышцы, ЭМГ (Ts) равна сумме переходных помех от удаленной мышцы. В этот период проявляется внутренняя активность самой (Ti) мышцы и перекрестных помех от других мышц (ОВС). Обратите внимание, что здесь предполагается, что деятельность целевой мышцы и других мышц что является причиной перекрестных помех (для удаленной мышцы исключение) не влияет на стимул, который вызывает период молчания в мышце.
Опять же, эти случайные процессы предполагаются некоррелированными, в результате чего
(5)
Вычитание (5) из (4) дает:
(6)
Деятельность мышцы уменьшается в во время периода молчания по отношению к уровню фона, то есть:
(7)
В первом приближении, гипотеза линейности (см вперед) дает отношение
(8)
Сочетание (7) с (8) дает
(9)
Возведение в квадрат (1) и (9) и подстановка их в (6) дает
(10)
которые вместе с (7) приводит к
(11)
Наконец, (11) в (3) дает выражение для CI, которая зависит от измеренного уровня RMS во время фоновых и тихих периодов от управления и мышцы-мишени:
(12)
Для того чтобы понять сигнал EMG , необходимо оценить некоторые фундаментальные аспекты физиологии. Мышечные волокна иннервируются в группы, называемые двигательными единицами, которые при активации генерируют потенциал действия двигательной единицы . Активация от центральной нервной системы повторяется непрерывно до тех пор, пока требуется, чтобы мышца генерировала силу.
Заключение
В ходе проделанной работы были рассмотрены фундаментальные биофизические процессы, лежащие в основе метода электромиографии. Были рассмотрены методы получения сигнала ЭМГ и его основные характеристики. Сигнал ЭМГ является электрическим проявлением нервно-мышечной активности, связанной с сокращающейся мышцей . Данный сигнал представляет собой ток, генерируемый ионным потоком, проходящим через мембрану мышечных волокон , который распространяется через промежуточные ткани , чтобы достигнуть поверхность обнаружения электрода , расположенного снаружи. Это сложный сигнал, который зависит от анатомических и физиологических свойств мышц и схемой регулирования нервной системы , а также от характеристик используемой аппаратуры для его обнаружения и наблюдения.
Был рассмотрен метод получения сигнала электромиограммы. Было выявлено, что основной метод определения скорости проведения импульса (СПИ) по нерву это стимуляция нервного ствола в двух точках (проксимальной и дистальной) с дальнейшим измерением разности латентных периодов вызванных мышечных ответов или ответов чувствительных волокон нервов.
Рассмотрены основные типы электродов . Концентрические и монополярные электроды имеют промежуточный диапазон пиков и используются в обычных записях ЭМГ. Электрод одного волокна является более современным нововведением. Он имеет очень маленький диапазон пиков и используется для получения записей из одного или двух мышечных волокон. Макро электрод, который является канюлей либо концентрического либо одноволоконного электрода в комбинации с дистанционным электродом сравнения, снимает потенциалы на всех двигательных единицах некоторой территории.
Рассмотрены математические основы сигнала электомиограммы, основные формулы, описывающие процесс мышечного сокращения.
Список литературы
1. Рубин Л. Р. Электродиагностика// Многотомное руководство по неврологии..-М.: Медгиз, 1962.- Т. 2. - С. 355-385.
2. Водолазский Л. А. Основы техники клинической электрографии. - М.: Медицина, 1966.-272 с.
3. Зенков Л.Р., Ронкин М.А. Функциональная диагностика нервных болезней. - М.: Медицина, 1991 - 623 с.
4. Гехт Б, М, Касаткина Л. Ф., Кевиш А. В. Электромиграфия с использованием игольчатых электродов в анализе структуры и функционального состояния двигательных единиц при нервно-мышечных заболеваниях// Журн. невропатол. и психиатр. - 1980. -Т. 80. № 6. - С. 822-829.
5. LeFever RS, De Luca CJ. Proc Annu Conf Eng Med Biol1976;18:56.
6. Buchthal, F. and H. Schmalbruch. 1980. Motor unit of mammalian muscle. Physiological Reviews, 60:90-142.
7. Косицкий Г.И. Физиология человека. – М.,1985.
8. Рангайян Р.М. Анализ биомедицинских сигналов: практический подход. – М., 2007.
9. Шайдук А.М., Останин С.А. Моделирование электромиографического сигнала средствами LabVIEW // Известия АлтГУ. – 2011. – №1 (65).
10. Шайдук А.М., Останин С.А. Восстановление параметров электромиографического сигнала средствами LabVIEW // Известия АлтГУ. – 2011. – №1 (69).
11. Шайдук А.М., Останин С.А., Юсупов Е.Р.Экспериментальное обнаружение средней частоты следования миоимпульсов по поверхностной электромиограмме // Журнал радиоэлектроники. – М., 2011. – №9.
12. Basmajian, J. V. and C. J. De Luca, eds. 1985. Muscles Alive: Their Functions Revealed by
Electromyography, 5th ed. Williams and Wilkens, Baltimore, 561 pages
10