CC BY
174
_Доклады БГУИР_
2012 № 2 (64)
УДК 615.847; 612.741.1
МЕТОД И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АДАПТИВНОЙ ЭЛЕКТРОМИОСТИМУЛЯЦИИ НА ОСНОВЕ СУММАРНОЙ ЭЛЕКТРОМИОГРАФИИ НЕРВНО-МЫШЕЧНОГО АППАРАТА ЧЕЛОВЕКА
М М. МЕЖЕННАЯ, А Н. ОСИПОВ, М.В. ДАВЫДОВ, Н С. ДАВЫДОВА
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 16 января 2012
Разработаны метод и техническое обеспечение адаптивной электромиостимуляции на основе анализа амплитудно-частотных параметров суммарной электромиограммы стимулируемой мышцы. Аппарат электромиостимуляции осуществляет воздействие стимулирующими сигналами различной сократительной способности с учетом индивидуального функционального состояния нервно-мышечного аппарата человека и выполняет контроль эффективности терапевтических процедур. Предложенный метод позволяет повысить информативность диагностики нервно-мышечного аппарата человека посредством автоматического частотно-временного анализа суммарных электромиограмм, а также повысить эффективность профилактики и лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата человека за счет согласования параметров сигнала электромиостимуляции с физиологическими характеристиками стимулируемой мышцы. Полученные результаты представляют интерес для инженеров, специализирующихся в области разработки систем электромиографии и элек-тромиостимуляции.
Ключевые слова: адаптивная электромиостимуляция, электромиостимулятор, суммарная электромиография, электромиограмма, нервно-мышечная система, опорно-двигательный аппарат, частотно-временной анализ, спектрограмма.
Введение
Физиологический эффект электромиостимуляционной терапии зависит от начального функционального состояния нервно-мышечного аппарата и выбора параметров воздействующего сигнала. На сегодняшний день остаются актуальными задачи поиска научно-обоснованных принципов определения параметров воздействия и синтез сигналов электромиостимуляции с заданными терапевтическими свойствами на основе разработанных критериев.
Создание новой медицинской техники и аппаратных методов лечения должно опираться на возможности современных технологий и глубокое понимание явлений, происходящих при взаимодействии технических средств и живого организма [1-3]. Перспективным подходом при этом является применение биотехнической обратной связи. По контуру биотехнической обратной связи передаются электрические параметры, характеризующие биологическое состояние объекта. На основе данной информации в соответствии с целевой функцией производится автоматическое управление параметрами сигнала воздействия. Таким образом, осуществляется согласование параметров биообъекта и технических компонентов системы, выработка оптимального лечебного воздействия [4].
В соответствии с вышеизложенным эффективная электромиостимуляция должна быть основана на согласовании параметров стимула с физиологическими характеристиками стимулируемых мышц. Объективным диагностическим показателем функционального состояния мышечных групп служат параметры электромиографического (ЭМГ) сигнала [5-6]. В связи с этим целесообразно разрабатывать лечебно-диагностические комплексы, предусматривающие
оценку функционального состояния нервно-мышечного аппарата методом электромиографии, синтез сигналов электромиостимуляции, адекватных индивидуальному состоянию мышечных групп, контроль эффективности терапевтического воздействия.
Основной задачей, от решения которой зависит эффективность электромиостимуляци-онной терапии, является выработка критериев формирования стимулирующего воздействия. Проведенные авторами исследования выявили целесообразность использования в качестве критерия синтеза стимулирующего сигнала амплитудные и частотные параметры суммарной электромиограммы стимулируемой мышцы, полученные в результате частотно-временной обработки ЭМГ-сигнала и отражающие функциональное состояние мышечной ткани [7-8].
В данной работе разработаны метод адаптивного управления миостимулирующими свойствами сигнала воздействия на основе анализа амплитудно-частотных характеристик суммарной электромиограммы стимулируемой мышцы и техническое обеспечение аппарата элек-тромиостимуляции, функционирующего в соответствии с данным методом.
Метод адаптивной электромиостимуляции на основе анализа амплитудно-частотных параметров суммарной электромиограммы стимулируемой мышцы
При разработке метода адаптивного управления параметрами стимулирующего сигнала, основополагающими выступили следующие положения: взаимосвязь амплитудно-частотного коэффициента суммарной электромиограммы и функционального состояния стимулируемой мышцы, установленная авторами [8]; взаимосвязь функционального состояния мышцы и мио-стимулирующих свойств воздействующего сигнала, требуемых для проведения эффективной электротерапии [9]. Сущность метода заключается в выборе стимула с миостимулирующими свойствами, адекватными по своему физиологическому действию индивидуальному функциональному состоянию нервно-мышечного аппарата человека.
Разработанный метод адаптивного управления миостимулирующими свойствами сигнала воздействия включает следующие этапы: 1) диагностика функционального состояния нервно-мышечного аппарата человека; 2) контроль эффективности электромиостимуляционной терапии; 3) синтез сигнала электромиостимуляции с требуемыми миостимулирующими свойствами; 4) проведение сеанса электромиостимуляционной терапии (рис. 1).
На этапе диагностики функционального состояния нервно-мышечного аппарата человека выполняется регистрация суммарной электромиограммы стимулируемой мышцы, построение спектрограммы методом частотно-временного преобразования и расчет амплитудно-частотного коэффициента ЭМГ-сигнала. При этом частотно-временная обработка электромио-граммы и определение амплитудно-частотных параметров производится в соответствии с разработанной авторами методикой [7-8].
Качественный (визуальный) анализ суммарной электромиограммы производится посредством построения спектрограммы. Вывод спектрограммы в режиме реального времени позволяет врачу контролировать процесс проведения процедуры электромиографии, дает возможность усилить диагностическую значимость количественных данных (например, выполнить визуальную оценку способности мышцы к тоническому напряжению) и использовать полученную информацию на этапе конкретизации параметров стимуляции (например, при установке амплитуды стимула).
Количественный анализ суммарной электромиограммы основан на расчете амплитудно-частотного коэффициента AFK, равного отношению средней амплитуды ЭМГ-сигнала Аауг к средней эффективной ширине спектра и вычисляемого по результатам частотно-
временной обработки:
АЖ = Лаг / Ь[агг .
Целесообразность использования такого показателя выявлена в результате проведенных авторами исследований амплитудных и частотных параметров электромиограмм в норме и при патологии [8]. Установлено, что в норме ЭМГ-сигнал характеризуется высокими значениями амплитуды и более узкой эффективной шириной спектра по сравнению с патологией. Тогда отношение амплитуды к эффективной ширине спектра есть показатель, учитывающий
основные параметры биоэлектрического сигнала (амплитуду и частоту), причем значение этого показателя в норме существенно больше, нежели при патологии.
Рис. 1. Метод адаптивной электромиостимуляции на основе анализа амплитудно-частотных параметров суммарной электромиограммы стимулируемой мышцы
Этап контроля эффективности электромиостимуляционной терапии выполняется при проведении следующих после первого сеансов электротерапии и предусматривает наличие диагностической информации, полученной на первом этапе. Контроль эффективности электро-миостимуляционной терапии базируется на анализе динамики изменения состояния нервно-мышечного аппарата. Для этого выполняется визуальное сравнение текущей и исходной спектрограмм врачом с целью усиления диагностической значимости количественных данных, а также рассчитывается относительное изменение амплитудно-частотного коэффициента под действием электромиостимуляционной терапии:
^К = (AFKl - AFK0) / AFK0,
где AFK¡ - амплитудно-частотный коэффициент ЭМГ-сигнала, зарегистрированного перед текущим сеансом электромиостимуляции, AFK0 - амплитудно-частотный коэффициент исходной электромиограммы, зарегистрированной до начала курса электромиостимуляционной терапии.
Расчет величины изменения амплитудно-частотного коэффициента относительно первоначального значения позволяет учесть исходное функциональное состояние стимулируемой мышцы, а как результат - обеспечить сопоставимость данных как для пациентов с нарушением двигательных функций, так и для здоровых людей, решающих задачу тренировки нервно-мышечного аппарата.
При получении величины относительного изменения амплитудно-частотного коэффициента менее -0,1 выводится сообщение об ухудшении параметров стимулируемой мышцы. При получении величины относительного изменения амплитудно-частотного коэффициента свыше 0,1 выводится сообщение об улучшении параметров стимулируемой мышцы. Если рассчитанный показатель находится в пределах -0Д..0Д, то выводится сообщение об отсутствии изменений.
Анализ динамики изменения функционального состояния нервно-мышечного аппарата используется для объективной оценки эффективности применения терапевтических мероприятий и прогнозирования сроков восстановления нарушенных двигательных функций.
Этап анализа функционального состояния мышцы и синтеза сигнала электромиостиму-ляции производится в соответствии с рассчитанным на первом этапе амплитудно-частотным коэффициентом.
В качестве уровней градации индивидуального функционального состояния мышцы предлагается использовать следующие: состояние нормы, состояние ослабленных тканей, состояние патологии. Следует отметить, что диапазоны амплитудно-частотных показателей ЭМГ-сигнала при различных состояниях специфичны для каждой мышцы в силу ее морфологических и функциональных особенностей. В связи с этим предлагается:
- ставить в соответствие состоянию нормы усредненные показатели суммарной элек-тромиограммы, зарегистрированной у здоровых лиц и отражающей суммарную активность большого числа двигательных единиц;
- ставить в соответствие состоянию ослабленных тканей усредненные показатели суммарной электромиограммы, зарегистрированной у пациентов с нарушениями двигательных функций и характеризующейся значительно сниженной по сравнению с нормой биоэлектрической активностью;
- ставить в соответствие состоянию патологии усредненные показатели суммарной электромиограммы, зарегистрированной у пациентов с высокой степенью патологических изменений в мышцах и состоящей из отдельных потенциалов действия двигательных единиц или представляющей собой полное биоэлектрическое молчание. [8].
В зависимости от величины амплитудно-частотного коэффициента ЭМГ-сигнала предусмотрены следующие режимы электромиостимуляции.
1. Величина амплитудно-частотного коэффициента, равная или превышающая порог нормы АЕКпогт, свидетельствует о хорошем функциональном состоянии стимулируемой мышцы. В этом случае электромиостимуляция применяется для увеличения мышечной силы и процедура проводится в режиме тренировки, т.е. сигналами с высокой сократительной способностью (с максимальными миостимулирующими свойствами) [9].
2. Если величина амплитудно-частотного коэффициента меньше порога нормы АЕКпогт, но равна или превышает порог существенных патологических изменений АЕКраШ-ogy, то электромиостимуляция тканей проводится в режиме реабилитации. При этом используются сигналы со средней сократительной способностью [9].
3. Величина амплитудно-частотного коэффициента, не превышающая порог существенных патологических изменений AFKpatology, свидетельствует о высокой степени поражения мышцы. В таких случаях необходимо применять сигналы электромиостимуляции с низкой сократительной способностью [9].
Выбор параметров стимула, обеспечивающих требуемую сократительную способность сигнала воздействия, осуществляется на основании выявленной в работе [10] взаимосвязи ме-
жду спектральными характеристиками сигналов электростимуляции и их физиологической эффективностью при воздействии на мышечную ткань (рис. 2). Оценка сигналов осуществлялась по двум параметрам: эффективной ширине спектра сигнала F и взвешенному коэффициенту вариации УЪ. Установлено, что наиболее эффективные из известных сигналов электро-миостимуляции характеризуются равномерным распределением энергии в эффективной полосе спектра (значение коэффициента вариации УЪ менее 0,1) и шириной эффективной полосы спектра F=1 - 10 кГц.
о 10 20 30 40 50 60 70 80 Г, кГц
Рис. 2. Спектральные параметры сигналов электростимуляции:
1 - сигналы электромиостимуляции со слабым сократительным эффектом,
2 - сигналы электромиостимуляции с сильным сократительным эффектом,
3 - сигналы электроанальгезии, 4 - неэффективные сигналы электростимуляции [10]
Для сигналов электромиостимуляции с максимальными миостимулирующими свойствами взвешенный коэффициент вариации задается в пределах УЪ=0,01..0,001. При использовании сигналов со средней сократительной способностью взвешенный коэффициент вариации устанавливается в пределах УЪ=0,1..0,01. Для сигналов электромиостимуляции с низкой сократительной способностью взвешенный коэффициент вариации задается в пределах УЪ=1..0,1.
Далее выполняется конкретизация параметров стимулирующего сигнала (выбор формы огибающей стимулирующего сигнала, задание несущей частоты, максимальной амплитуды и др.) и выполняется его синтез. Затем производится проверка соответствия сигнала выбранному режиму (тренировки, реабилитации или патологии) путем автоматического расчета взвешенного коэффициента вариации УЪ стимулирующего сигнала. Если полученное значение коэффициента вариации не удовлетворяет заданному, производится корректировка параметров стимула.
Этап проведения сеанса электромиостимуляционной терапии осуществляется путем воздействия синтезированным сигналом электромиостимуляции на требуемую мышцу в течение заданного промежутка времени.
Устройство адаптивной электромиостимуляции на основе суммарной электромиографии
Исходя из разработанного метода, предложена структурная схема аппарата электро-миостимуляции с биотехнической обратной связью на основе анализа амплитудно-частотных параметров суммарной электромиограммы стимулируемой мышцы (рис. 3).
На этапе диагностики выполняется регистрация суммарной электромиограммы объекта стимуляции с помощью поверхностных электромиографических электродов, усиление и фильтрация ЭМГ-сигнала, его преобразование из аналоговой в цифровую форму. Далее производится частотно-временная обработка суммарной электромиограммы (блок быстрого оконного преобразования Фурье), результатом которой является спектрограмма, и рассчитываются амплитудно-частотные параметры ЭМГ-сигнала. Суммарная электромиограмма и соответствующая спектрограмма выводятся на устройство отображения информации в реальном режиме времени. Амплитудно-частотные параметры электромиографического сигнала рассчитываются на заданном пользователем интервале зарегистрированной электромиограммы и также выводятся на устройство отображения информации.
Рис. 3. Структурная схема аппарата электромиостимуляции с биотехнической обратной связью на основе анализа амплитудно-частотных параметров суммарной электромиограммы стимулируемой мышцы
Полученные количественные параметры суммарной электромиограммы поступают в блок расчета динамики амплитудно-частотных параметров ЭМГ-сигнала и используются при проведении повторных сеансов на этапе контроля эффективности электромиостимуляционной терапии. Для этого в вышеуказанном блоке рассчитывается относительное изменение амплитудно-частотного коэффициента, а в зависимости от полученных результатов на устройство отображения информации выводится соответствующее зафиксированной динамике сообщение.
На этапе синтеза сигнала электромиостимуляции в устройстве управления осуществляется сравнительный анализ полученного значения амплитудно-частотного коэффициента ЭМГ-сигнала и пороговых величин нормы и патологии, характерных для исследуемой мышцы. По итогам сравнения на устройство отображения информации выводится сообщение о требуемом режиме электромиостимуляции (режим тренировки, реабилитации или патологии). Далее пользователю предлагается конкретизировать параметры стимула с помощью блока ввода параметров сигнала стимуляции. Устройство управления осуществляет расчет коэффициента вариации сигнала электромиостимуляции с заданными параметрами и в случае его соответствия выбранному режиму производится запуск блока формирования сигнала стимуляции. Сформированный сигнал воздействия поступает на усилитель сигнала стимуляции, а затем - в блок контроля уровня сигнала стимуляции для обеспечения защиты пациента от превышения максимально допустимого уровня стимула. Подача сигнала на объект стимуляции осуществляется посредством стимулирующих электродов на протяжении заданного пользователем времени процедуры электр омио стимуляции.
Заключение
Разработаны метод и техническое обеспечение адаптивной электромиостимуляции на основе анализа амплитудно-частотных параметров суммарной электромиограммы стимулируемой мышцы. Аппарат электромиостимуляции осуществляет воздействие стимулирующими сигналами различной сократительной способности с учетом индивидуального функционального состояния нервно-мышечного аппарата человека и выполняет контроль эффективности терапевтических процедур. Для здоровых мышц, амплитудно-частотный коэффициент ЭМГ-сигнала которых равен или превышает порог нормы (AFK>AFKnorm), с целью тренировки и увеличения мышечной силы синтезируются сигналы с высокой сократительной способностью (взвешенный коэффициент вариации задается в пределах К6=0,01..0,001). Для мышц с высокой степенью патологических изменений, характеризующихся амплитудно-частотным коэффици-
ентом менее порога патологии (AFK<AFKpatology), с целью лечения синтезируются сигналы с низкой сократительной способностью (взвешенный коэффициент вариации задается в пределах РЬ=1..0,1). Для ослабленных мышц, амплитудно-частотный коэффициент ЭМГ-сигнала которых удовлетворяет условию AFKpatology<AFK<AFKnorm, с целью реабилитации синтезируются сигналы со средней сократительной способностью (взвешенный коэффициент вариации задается в пределах ^=0,1^0,01). Предложенный метод позволяет повысить информативность диагностики нервно-мышечного аппарата человека посредством автоматического частотно-временного анализа суммарных электромиограмм, а также повысить эффективность профилактики и лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата человека за счет согласования параметров сигнала электромиостимуляции с физиологическими характеристиками стимулируемой мышцы. Полученные результаты представляют интерес для инженеров, специализирующихся в области разработки систем электромиографии и электромиостимуляции.
METHOD AND TECHNICAL MAINTENANCE OF ADAPTIVE ELECTRICAL STIMULATION ON THE BASE OF GLOBAL ELECTROMYOGRAPHY OF HUMAN NEUROMUSCULAR SYSTEM
MM. MEZHENNAYA, A.N. OSIPOV, M.V. DAVYDOV, N.S. DAVYDOVA
Abstract
The adaptive electrical stimulation method and technical maintenance have been designed on the base of the amplitude and frequency parameter analyses of global electromyogram of stimulated muscle. The electrical stimulator carries out influence by the stimulating signals various reduction abilities taking into account the individual human neuromuscular system functional condition and control of the efficiency of therapeutic procedures. The results of this work can be interesting for developer of the electromyography and electrical stimulation systems.
Список литературы
1. Судаков К.В. Основы физиологии функциональных систем. М., 1985.
2. Ахутин В.М. Биотехнические системы: Теория и проектирование. Л., 1981.
3. Беркутов А.М., Жулев В.И., Кураев Г.А. и др. Системы комплексной электромагнитотерапии. М., 2000.
4. Осипов А.Н., Дик С.К., Сеньковский К.Г. //Медицинская техника. 2002. №6. С. 27-29.
5. Николаев С.Г. Практикум по клинической электромиографии. Иваново, 2001.
6. Гехт Б.М. Теоретическая и клиническая электромиография. Л., 1990.
7. МеженнаяМ.М., Давыдова Н.С., Осипов А.Н. // Современные средства связи. 2010. С. 136-137.
8. Меженная М.М., Осипов А.Н., Ильясевич И.А. и др. // Научные труды НИИ физической культуры и спорта Республики Беларусь. 2011. Вып. 10. С. 362-367.
9. Улащик В.С, Лукомский И.В. Общая физиотерапия. М., 2004.
10. Давыдов М.В. Методы и технические средства электромиостимуляции на основе импедансных характеристик биотканей. дис. к-та тех. наук 05.11.17. Мн., 2009.
