Лекция 5 Диагностические приборы и системы для исследованная биоэлектрической активности организма. Электромиографы.
Исследование активности мышц путём регистрации биопотенциалов, возникающих при их работе, называют электромиографией (ЭМГ).
Биопотенциалы с поверхности мышц обычно снимаются с помощью накожных электродов. Эти электроды используются для регистрации поверхностной ЭМГ, характеризующей уровень общей активности и тонуса отдельных мышц или группы мышц как в состоянии покоя, так и при различных видах мышечных напряжений.
Когда требуется получить сигналы большей величины или исследуют движения группы мышечных волокон, иннервированных одним мотонейроном, применяют вкалываемые в биоткань игольчатые электроды. Они, как правило, вводятся внутримышечно. С их помощью хорошо регистрируется потенциал двигательных единиц (ПДЕ). Он формируется мышечными волокнами, входящими в состав конкретной двигательной единицы при выполнении соответствующих двигательных действий. Длительность ПДЕ составляет 3…12 мс, величина – 0,3…1,5 мВ. В зависимости от силы мышечный сокращений ПДЕ следует с частотой 5…60 Гц. Основными параметрами ПДЕ, оцениваемыми при диагностике, являются: длительность всплеска, величина всплеска, количество положительных и отрицательных пиков колебаний. Наибольшее значение имеет величина ПДЕ.
При проектировании усилителей для регистрации электромиограмм следует учитывать следующее: 1) при исследовании ЭМГ с помощью внутримышечных электродов амплитуда сигналов может меняться от 0,3 до 100 мВ; сопротивление таких электродов велико, что требует использования высокоомных (до сотен МОм) входных каскадов усилителя; 2) при использовании накожных электродов амплитуда сигнала лежит в пределах 0,1…1 мВ; электродное сопротивление не превышает десятка КОм.
Различные типы электромиограмм занимают полосу частот от 1 до 2000 Гц. Если усилитель миограмм проектируется для использования внутримышечных и накожных электродов, то он должен имеет входное сопротивление не менее 100 МОм, низкий уровень напряжений внутренних шумов, приведённых ко входу (соизмеримый с усилителями ЭЭГ), и широкий динамический диапазон по амплитуде, что достигается использованием механизмов переключения коэффициентов усиления.
Анализ схемотехнических решений, используемых в усилителях для регистрации ЭМГ, показывает, что они аналогичны решениям, используемым в усилителях для ЭКГ и ЭЭГ. Отличительной особенностью миографов является то, что количественной оценки мышечной активности исходный сигнал интегрируется (усредняется) аппаратными или программными средствами.
В компьютерном варианте исполнения общая структура миографа аналогична компьютерным электрокардиографам и электроэнцефалографам.
Мышечные биопотенциалы снимаются электродной системой (ЭС), усиливаются усилителями биопотенциалов (УБП), преобразуются аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровой код и через плату интерфейсов (ПИ) передаются в ПЭВМ. При многоканальном съёме ЭМГ в схему включается аналоговый мультиплексор, управляемый со стороны ПЭВМ. При необходимости управления параметрами (например, при программируемом изменении коэффициентов усиления) используется схема управления усилителями (СУУ).
В состав промышленных электромиографов обычно входит стимуляторная приставка (СП), которая позволяет обследовать мышцу не только в состоянии покоя и произвольного движения, но и определить реакцию на искусственное электрическое раздражение. Благодаря ей удаётся проводить электронейромиографию (ЭНМГ). Термин «электронейромиография» характеризует методы изучения вызванных потенциалов мышц (стимуляционная электромиография) и нерва (стимуляционная электронейромиография).
При подаче на мышцу электрического импульса, величина которого достаточна для возбуждения всего двигательного комплекса, все мышечные волокна сократятся одновременно, формируя биопотенциалы возбуждённых волокон. В результате будет зарегистрирована сравнительно чёткая их равнодействующая. В результате будет зарегистрирована сравнительно чёткая из равнодействующая. Длительность её около 10 мс. Без внешней электростимуляции, например при движении, возбуждение двигательных комплексов происходит в разное время из-за различной скорости распространения импульсов в отдельные волокна. Поэтому равнодействующая биопотенциалов имеет большую длительность (100 мс и более). Форма её будет менее чёткой, а величина существенно меньшей.
Вызванные потенциалы отводятся с помощью электродов, расположенных на известном расстоянии друг от друга. Зная расстояние между электродами и разницу во времени между сигналами, можно рассчитать скорость распространения возбуждения у отдельных мышц. У здорового человека скорость распространения составляет 40…60 м/с, у больного падает до 10 м/с. Для определения рефракторной фазы мышц (латентный период) применяют раздражение двумя импульсами. Если второй импульс слишком быстро следует за первым, то мышца находится в рефракторном состоянии и на новое раздражение не реагирует. Если время между импульсами увеличить, то за некоторое значение времени, которое называют критическим, мышца «воспринимает» пару импульсов как два самостоятельных импульса. Критическое время у здорового человека 60…200 мс.
Для определения числа функционирующих двигательных единиц (ДЕ) в стимулирующую часть электромиографа включают блоки, позволяющие получать напряжения, плавно меняющиеся во времени. При этом наблюдается ответная реакция, характеризующаяся дискретным увеличением силы тока в двигательный акт включаются всё новые двигательные единицы.
Рассмотрим схему автономного портативного нейростимулятора.
Аппарат может работать в двух режимах TOF (стимуляция пачкой из четырёх импульсов) и DBS (стимуляция двойными пачками). Формирование временных параметров входных сигналов обеспечивает микропроцессор (МП), который управляет работой всего устройства по командам, поступающим от устройства управления (УУ). Источник питания (ИП) содержит батарею и стабилизатор напряжения. Преобразователь (ПН) формирует напряжение, необходимое для работы выходного каскада (ВК) прибора.
В периодическом режиме запуска период следования стимулов составляет 10 с, при этом длительность импульсов стимуляции составляет 200 мкс. В режиме TOF частота импульсов в пачке составляет 2Гц. В режиме DBS количество импульсов в пачке – три. Частота следования импульсов в пачке 50 Гц. Максимальная амплитуда тока стимуляции при активной нагрузке 1кОМ не менее 60 мА.
Кроме вышеупомянутых режимов, для оценки нейромышечной активности используют режимы: ST (стимуляция одиночными импульсами), T (тетаническая стимуляция), PTC (посттетаническая стимуляция с подсчётом ответов).
В режиме ST-стимуляции используют одиночный импульс с амплитудой 50…60 мА и частотой не более 1 Гц. При T-стимуляции воздействие осуществляется импульсами с частотой следования 50…100 Гц при длительности воздействия около 5 с. PTC стимуляция представляет собой комбинацию из T- и ST- стимуляций. В большинстве случаев для стимуляции формируются прямоугольные импульсы, частота которых может меняться от 0,05 до 2 мс. Величина напряжения плавно регулируется от 0 до 100…500 В. Импульсы могут быть одиночными или следовать пачками.
Для решения задач определения стойкого нарушения передачи возбуждения от двигательного нерва к мышце, например во время наркоза, используются системы мониторинга нейромышечной блокады, которые могут выполняться как автономные приборы или включаться в состав компьютерных комплексов (через блок сопряжения).