«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 .