«Калакутский Л.И., Абрамов Д.А., Белянин Ф.А., Никонов А.В. Важным направлением в диагностике опорно-двигательного аппа­ рата является измерение параметров биоэлектрической ...»

4

ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЬЮ ТЕРНЫЙ МИОГРАФ

Калакутский Л.И., Абрамов Д.А., Белянин Ф.А., Никонов А.В .

Важным направлением в диагностике опорно-двигательного аппа­

рата является измерение параметров биоэлектрической активности мышц

- электронейромиография. Целью настоящей работы является создание

аппаратно-программных средств регистрации и оценки параметров электромиографического сигнала (ЭМГС), снимаемого с поверхностных элек­

тродов .

Электронейромиография (ЭМГ) - метод, основанный на регист­ рации и анализе биологической активности мышечных и периферических нервных волокон, как спонтанной так и обусловленной электрической стимуляцией нерва или мышцы. Электронейромиографическому исследо­ ванию доступны практически все отделы периферической нервной систе­ мы и скелетной мускулатуры /1/ .

ЭМГС складывается из совокупности биоэлектрических процессов, проходящих в мышце и распространяющихся по ней как по электриче­ скому проводнику. Результатом напряжения мышечных волокон является возникновение разностей потенциалов, которые регистрируются аппара­ турой .

Различают два метода регистрации ЭМГС:

• Точечная электромиография: используются игольчатые электро­ ды, которые вводятся под кожу. Применяется для исследования ло­ кальных зон и отдельных мышечных волокон .

• Суммарная электромиография: используются накожные электро­ ды, представляющие собой проводящие пластины, накладываемые в проекции исследуемых м ы ш ц /2/ .

В соответствии с задачами исследования, касающимися изучения активности скелетной мускулатуры, в данной работе был выбран второй метод .

Комплекс для регистрации электромиографического сигнала вклю­ чает в себя аппаратную часть, предназначенную для регистрации физио­ логической информации и персональный компьютер (ПК) для обработки сигнала, хранения и отображения данных. Аппаратура содержит первич­ ный преобразователь ЭМГС, регистрируемого с поверхности тела паци­ ента при помощи электродов, устройство для предварительной обработки и преобразования сигнала с целью передачи его в персональный компью­ тер .

Первичный преобразователь ЭМГС Электрод 1 ;• | Каскады усиления АЦП Инструментальный • ! переменного i-разрядов усилитель I напряжения Электрод 2 ь Электрод 3 Оптическая Микроконтроллер развязка i ПК Рисунок 1 - Ф ункциональная схема электронного-компьютерного миографа К современным электронейромиографическим установкам предъ­ являются требования по точности измерений, высокому коэффициенту усиления и коэффициенту подавления синфазной помехи, низкому уров­ ню шумов, электробезопасности /3/. Принципиальным требованием явля­ ется необходимость регистрации и обработки сигнала в реальном масш та­ бе времени. Вследствие этого основными условиями к каналу связи с ПК являются: минимальная потеря информации и обеспечение необходимого быстродействия .

Существуют различные способы подключения периферийного уст­ ройства к ПК. Наиболее универсальным и распространенным является интерфейс RS-232, который удовлетворяет как по скорости передачи ин­ формации, так и по простоте создания электрической развязки. Преобра­ зование сигнала в цифровую форму подразумевает наличие аналогово­ цифрового преобразователя. Так как осуществляется лишь визуальная оценка электромиографической кривой, то использование 8-ми разрядно­ го АЦП вполне оправдано .

Первичный преобразователь ЭМГС включает в себя инструмен­ тальный усилитель, активный подавитель синфазной помехи и два каска­ да усиления переменного напряжения .

Функциональная схема устройства приведена на рисунке 1. Сигна­ лы с электродов через ФНЧ (частота среза 600 Гц), поступают на входы инструментального усилителя с коэффициентом усиления равным 5 и собственными шумами, приведенными ко входу, не более 15 мкВ, В схе­ му инструментального усилителя включен активный подавитель с коэф­ фициентом передачи 10, который уменьшает синфазную помеху, возни­ кающую в цепи электродов вследствие влияния электромагнитных помех .

Каскады усиления переменного напряжения собраны по схеме неинвертнруюшего усилителя с емкостной обратной связью. При усилении осущ е­ ствляется частотная фильтрация сигнала. Коэффициенты усиления двух каскадов составляют 10 и 25. Таким образом, общее усиление устройства составляет 1500 .

Микроконтроллер АТ89С51, тактируемый кварцевым резонатором на частоте 12 МГц, управляет работой АЦП и осуществляет непрерывную передачу данных в ПК через встроенный последовательный приемопере­ датчик. Эксперименты показали, что частота дискретизации, равная 600 Гц, является оптимальной с точки зрения информативности сигнала и ми­ нимизации вычислительных затрат .

В процессе испытания аппаратуры были использованы накожные электроды двух типов: жесткие многоразовые электроды с присосками, изготовленные из неокисляемых сплавов, и одноразовые мягкие электро­ ды итальянской фирмы Felichita. Предпочтение отдано вторым, так как в результате напряжения мышц и смещения кожи, у них практически не изменяется качество контакта электрод-кожа. Электроды присоединяются к устройству экранированными кабелями длиной до 2 м .

Для уменьшения влияния электромагнитных помех питающей сети, в конструкцию устройства введено экранирование силовых кабелей, бло­ ка питания и усилителя, что значительно улучшило отношение сиг­ нал/шум в тракте усиления .

Программа ПК осуществляет чтение данных со скоростью 7200 бит/с, фильтрацию, обработку, отображение на экран и сохранение в файл .

Удаление сетевой наводки осуществляется программным путем, с помощью одного из двух цифровых фильтров:

адаптивного компенсатора сетевой помехи;

заграждающего фильтра высокого порядка;

Испытания показали, что с этой задачей лучше справляется заграж­ дающий фильтр с полосой заграждения 46-54 Гц. С помощью ФВЧ (час­ тота среза 4 Гц) производится удаление постоянной составляющей и НЧ помех .

Электромиографический сигнал представлен в графическом режи­ ме с разрешением 640x480 пикселей с частотой горизонтальной развертки

0.66 Гц. Обновление экрана происходит за 1.5 секунды, и на нем вмешает­ ся весь цикл напряжения и расслабления мышцы. Разрешение по верти­ кальной оси зависит от амплитуды сигнала и может выбираться автомати­ чески. На рисунке 2 показаны электромиографические сигналы, зарегист­ рированные с трицепса и бицепса руки (соответственно сверху и снизу) .

Для получения диагностической информации о состоянии мышц необхо­ дима количественная оценка паттерна электромиографической кривой:

1. Оценка частоты следования спайков активности: число пересече­ ния с нулевой линией или частота следования спайков. Частота связа­ на со степенью напряженности мышцы и лежит в диапазоне 1.. 170 Гц .

Здесь возможен анализ спектра и определение средней частоты .

2. Оценка амплитуды интерференционной ЭМГ, которая вычисля­ ется как средняя за выбранное время (больше 10 с) .

3. Оценка амплитуды огибающей путем интегрирования, так как площадь является наиболее адекватной мерой электрической активно­ сти мышц /4/ .

Для исследования вызванной электрической активности мышц желательна синхронизированная работа электромиографа и электрости­ мулятора /5/, а также наличие нескольких каналов для исследования мышц антагонистов /6/ .

Разработанная аппаратура позволяет осуществлять оценку со­ стояния мышечных структур, отражающую степень напряженности мыш­ цы. В результате исследования реакции мускулатуры на внешнее воздей­ ствие различной силы и направления определяется тонус мышечных тка­ ней, являющийся важным диагностическим критерием в ЭМГ 111 .

Список использованных источников ). Гехт Б.М. Теоретическая и клиническая электромиография. Л.: Наука, 1990. - 189 с .

2. Бадалян Л.О., Скворцов И.А. Клиническая электронейромиография. М.: М едици­ на. 1 9 8 6.-3 6 8 с .

3. Гладков А.А. Теоретические основы электромиографии. Л.: Наука. 1975. - 180 с .

4. Бабкин Г1.С., Гехт Б.М., Полуказаков С.Н. Автоматический анализ игольчатой ЭМ Г в диагностике нейро-мышечных заболеваний // Невропатология и психи­ атрия - 1986. -№ 11. С 1623-1628 .

5. Коуэн Х„ Брумлик Дж. Руководство по электромиографии и электродиагностике .

М.: М едицина, 1975. - 188 с .

6. Персон Р.С. Мышцы антагонисты в движениях человека. М.: Наука, 1965. - 112 с .

7. Гехт Б.М., Касаткина Л.Ф., Самойлов М.И.. Санадзе А.Г. Электромиография в ди ­ агностике нервно-мышечных заболеваний. Таганрог: ТРТУ, 1997. - 370 с .