Лекция № 16. Электромиография и методы изучения движений

Электромиография – метод регистрации электрической активности мышц, возникающей в результате их возбуждения. С помощью ЭМГ изучаются двигательные функции человека и животных.

Прежде чем излагать метод электромиографии, обсудим вообще методы исследования движений человека. С давних пор основным приёмом исследования движений человека являлось измерение и регистрация различного рода механических проявлений работы мышц. Широкое распространение получили динамометрия и эргография. Динамометрия измеряет силу мышц, а эргография регистрирует величину работы мышц. Динамометры и динамографы дают возможность измерить и записать силу сокращения тех или иных мышечных групп. Разнообразные приборы, которые можно условно отнести к к группе эргографов, позволяют получать запись углового или линейного перемещения во времени с учётом производимой работы при несложных движениях, главным образом типа сгибания – разгибания. Однако динамометры и эргография пригодны лишь для исследования упрощённых «лабораторных» движений, а не естественных двигательных актов человека. Но ещё в конце позапрошлого века Марей, Фишер и другие исследователи разработали основы циклографической методики изучения двигательной активности. Эта методика заключается в многократном фотографировании отмеченных специальными метками или лампочками движущихся звеньев тела с последующим анализом записей в микроинтервалах времени.

В 30-х годах прошлого века циклографическая методика была усовершенствована и развита советским учёным Н.А. Бернштейном, который особенно подробно разработал приёмы анализа циклографических записей и создал циклограмметрию. Циклограмметрия даёт возможность вычислить и изобразить графически как функцию времени положение, скорость и ускорение любой точки тела в процессе движения. В сочетании с определением массы движущихся звеньев тела это позволяет вычислить величину сил, приложенных к различным точкам тела. Циклограмметрия и сейчас используется при обработке кадров широко применяемой при измерении движений киносъёмке. Новым шагом в развитии методов изучения механических параметров движения является использование датчиков, преобразующих неэлектрические величины в электрические. К ним относятся реостатные датчики, пьезодатчики и т.д. С их помощью может производиться непрерывная регистрация изменений суставных углов и развиваемых сил в ходе естественных движений. Развитие вычислительной техники позволяет применить в физиологии движений автоматическое дифференцирование с помощью электронных устройств. Благодаря этому можно при регистрации механограммы смещения одновременно получать непрерывные записи первой и второй производных по времени, т.е. скорости и ускорения.

Одним из таких методов, преобразующих мышечные сокращения в электрический сигнал, является электромиография. В 1882 г. русский физиолог Введенский демонстрировал и в 1884 г описал в статье свой известный опыт с телефонным прослушиванием потенциалов действия мышц человека. В 1907 г. немецкий исследователь Г. Пипер впервые зарегистрировал потенциал действия мышц с помощью струнного гальванометра. Это было рождение нового метода исследования двигательной функции человека - электромиографии. В начале изучались упрощённые движения, моделирующие ту или иную несложную деятельность двигательного аппарата – сгибание и разгибание, статическое напряжение и т.п. Это объяснялось необходимостью избегать таких движений, которые могли бы вызвать смещения электродов и возникновение в связи с этим грубых артефактов.

Физиологи установили, что в мышцах непрерывно возникают импульсы электрических потенциалов. В методе ЭМГ для регистрации этих импульсов используются специальные электроды. Различают суммарную ЭМГ и ЭМГ отдельных двигательных единиц. Двигательная единица (ДЕ) состоит из мотонейрона, аксона этого мотонейрона и мышечных волокон. В одну двигательную единицу входят много мышечных волокон. Например, в одной двигательной единице, входящей в состав икроножной мышцы, мотонейрон объединяет 1640 мышечных волокон, а в мышцах глаз в одну двигательную единицу входят 5 – 10 волокон. Маленькие ДЕ характерны для мышц, осуществляющих тонкие движения. У скелетных мышц, как правило, в одном мышечном волокне находится один нервно-мышечный синапс. Как правило, каждое мышечное волокно входит в одну двигательную единицу. Электромиографические исследования оказали, что в одной и той же мышце есть волокна разных двигательных единиц. На рисунке изображена схема двигательной единицы.

Поскольку даже слабое напряжение мышцы требует возбуждения некоторого количества мотонейронов, то при любом напряжении мышцы в каждом участке могут быть возбуждены волокна, принадлежащие различным двигательным единицам. При этом электрические потенциалы в отдельных ДЕ появляются не одновременно, а с разной степенью запаздывания одна относительно другой. Установлено, что число синхронно работающих ДЕ составляет от 2 до 18% от общего числа возбуждённых ДЕ в мышце. При максимальном сокращении мышцы эта доля доходит до 30%. Следовательно, в норме суммарная ЭМГ является результатом как синхронно, так и асинхронно работающих ДЕ. Таким образом, суммарная ЭМГ представляет собой результат алгебраического суммирования электрических потенциалов. Число биопотенциалов (импульсов, спайков) может изменяться от нескольких до 300 в секунду, амплитуды от 150 до 6000 мкВ. Длительность отдельных колебаний потенциала мышцы составляет от 2 до 36 мс. Частоты импульсов 10 – 30 Гц и при сильных напряжениях до 50 Гц. Пример электромиограммы показан ниже.

Для обработки сигналов ЭМГ используют спектральный анализ или вычисляют корреляционную функцию сигналов. Кроме того, для характеристики активности мыщц используют такие характеристики как длительность импульса, частота их следования, амплитуды и другие величины.

В физиологии труда используется тот факт, что между механическим напряжением мышц и их электрической активностью имеется определённая пропорциональность. Это позволяет оценивать степень механического напряжения тех мышечных групп, которые невозможно прямо подвергнуть механическому измерению степени их механического напряжения или которые выполняют действия в комплексе с другими мышечными группами. Определяя ЭМГ при разных типах организации трудового процесса, находят, при каком из них биоэлектрическая активность меньше и, следовательно, меньше напряжение мышц. Эта организация трудового процесса и представляется более рациональной. Известны примеры применения электромиографии для оценки рациональности рабочего места машинистки, операторского пульта, при производстве перфорированных карт для ЭВМ и др. Лундерфельд в 1951 г. изучал методом ЭМГ работу мышц машинистки. Автор выявил ряд закономерностей координации мышечной деятельности и сделал практические выводы об организации рабочего места, об используемых технических средствах и т.д.

Отводящие электроды

В электромиографии применяются много типов отводящих электродов. Условно их можно разделить на электроды с малой отводящей поверхностью (игольчатые), обеспечивающие локальность отведения, и поверхностные с относительно большой площадью. Игольчатые электроды вводятся в мышцу и позволяют регистрировать потенциал одной или нескольких двигательных единиц. Впервые такой электрод создали в 1929 г. Эндрюс и Бронк. Концентрический игольчатый электрод представляет собой стальную канюлю, сходную с иглой для подкожных инъекций, в которую вводят проволочку из платины или нержавеющей стали, изолированную по всей поверхности. Обнажённым остаётся только торец проволочки, расположенный в плоскости среза канюли, который служит для отведения биопотенциалов из глубины мышцы. Отводящая поверхность в тком электроде равна сотым идаже тысячным долям квадратного миллиметра. Канюля является вторым электродом. Иногда делаются биполярные электроды. Внутри канюли располагается два электрода. Для физиолических исследовний используются также мультиэлектроды. Рис. Делается до 14 отверстий в канюле и в них вводят проволочки для отвода сигналов.

На многоканальном приборе можно одновременно регистрировать несколько сигналов в ряде точек мышцы, находящихся на заданном и строго фиксированном расстоянии друг от друга. Мультиэлектрод применяется в основном для определения размеров территории, занятой волокнами одной двигательной единицы. Поверхностные электроды имеют площадь ~ 20 – 59 мм² и предназначены для регистрации суммарной электромиограммы. Иначе она называется ещё интерференционной ЭМГ и создаётся сигналами от нескольких двигательных единиц.

Обработка ЭМГ

Рассмотрим интерференционную электромиограмму. Визуальная обработка общей электрической активности мышцы основана на измерении амплитуды колебаний. Можно измерять размах колебаний потенциала (от минимума до максимума). Можно также посчитать все положительные отклонения, просуммировать их за определённый промежуток времени и принять эту величину за меру активности мышц. При автоматической регистрации с помощью RC - фильтра получают огибающую сигнала. Площадь под огибающей даёт электрическую активность за время регистрации. Фактически это электрический заряд, прошедший через фильтр низких частот. Применяют также вычислительную операцию , т.е. интегрируют абсолютные значения тока за некоторый промежуток времени. Это интегральная оценка электрической активности. Так как сигнал ЭМГ является последовательностью случайных импульсов, то спектр этого сигнала представляет собой непрерывную функцию частоты. Иначе говоря, спектр сигнала сплошной, в нём нет выделенных частот. На вышеприведенном рисунке в данной лекции показаны записи ЭМ в случае работы парных мышц – разгибателей и сгибателей (бицепса и трицепса).

Если мышцы не напрягаются, то это не значит, что от них не идут импульсы ЭМГ. Фоновое состояние мышц называется тонусом. При этом на ЭМГ идут периодически спайки, т.е. в ДЕ идут нервные импульсы. В частности это проявляется в позной активности мышц. Позная активность – это действие мышц по поддержанию положения тела или одних его звеньев во время движения других. С помощью ЭМГ изучалась утомляемость мышц. В частности, в двуглавой мышце, когда долго поддерживается груз, частота следования импульсов уменьшается, а амплитуда импульсов растёт. Это указывает на синхронизацию импульсов в отдельных двигательных единицах.

Для исследования ЭМГ человека на борту летательного аппарата (в том числе в космическом полёте) используются поверхностные электроды, отводящие интерференционную ЭМГ. Датчики представляют собой металлические пластинки или чашечки из стали, серебра или цинка с отводящей поверхностью 20 – 50 мм². Два электрода приклеиваются коллодием или другим клеем к коже над мышцей, располагаясь вдоль её волокон. Диапазон регистрируемых потенциалов 500 – 3000 мкВ, длительность 2 – 10 мс. Это ориентировочные цифры. Расстояние между электродами приблизительно 20 мм. Электроды монтируются в пластмассовую рамку, чтобы расстояние между ними не менялось, и чтобы было равномерное прижатие к мышце. Тогда рамка прикрепляется к коже лейкопластырем. При исследовании работы мышц животных применяются вживляемые электроды (да ещё с радиопередатчиком).

В космическом полёте у космонавтов периодически измеряется сила мышц, выносливость и утомляемость с помощью электродинамометра. Сила измеряется как наибольшее усилие, развиваемое мышцей. Для оценки выносливости регистрируется время поддержания половины максимального усилия. Утомляемость проверяется по методу эргографии. Для этого задается темп сжатий и их сила и измеряется работа, выполненная в пределах определённого интервала времени. В космическом полёте вместе с динамограммой регистрировалась ЭМГ длинного сгибателя предплечья. (Р.М. Баевский, Физиологические измерения в космосе и проблема их автоматизации, 1971 г.). Серебряные электроды с проводящей пастой закреплялись эластичными манжетами в верхней и нижней трети предплечья. Эта методика позволяет быстро определить наступление утомления: на динамограмме это проявляется в уменьшении амплитуды сжатий, а на ЭМГ – увеличением сигнала. В советских космических исследованиях первый опыт телеметрической регистрации ЭМГ был получен во время полёта третьего советского ИСЗ. Сигнал снимался с мышцы собаки при наклонах головы. Электроды были вживлены в пластыревидную мышцу шеи.

Для передачи по линиям телеметрии был использован метод «интегральной электромиограммы». Сигнал детектировался и после этого брался интеграл по времени от продетектированного сигнала. При этом «огибающая» сигнала соответствует амплитудно-частотной характеристики ЭМГ, т.е. при равномерных частотах передающийся сигнал прямо пропорционален амплитуде, а при равных амплитудах – пропорционален частоте. Пример проинтегрированного сигнала ЭМГ можно видеть на рисунке (нижняя кривая).

При регистрации биопотенциалов могут проявляться мешающие сигналы, например, сигналы электрокардиографии мешают ЭМГ и наоборот. В этом случае ограничивают усилитель по частоте сверху, если измерениям ЭКГ мешают сигналы ЭМГ. Исключение влияния дыхательных движений осуществляется регистрацией ЭКГ в некоторых отведениях при задержке дыхания. При регистрации ЭМГ исключение сигналов ЭКГ производится за счёт параллельной регистрации её и временного сопоставления полученных результатов.