Оптимизация исследования функциональной активности мышц нижней конечности с применением спекл-оптики

Оптимизация исследования

I W W

функциональной активности мышц нижнеи конечности с применением спекл-оптики

Василевская Л.А.1, Дик С.К.2, Яшин К.Д.2, Салими Задех М.М.2

Республиканский научно-практический центр неврологии и нейрохирургии, Минск, Беларусь 2Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Минск

Vasilevskaya L.1, Dick S.2, Yashin K.2, Salimi Zadeh M.2

1Republican Research and Clinical Center of Neurology and Neurosurgery, Minsk, Belarus 2Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, Minsk

Optimized study of the functional activity of the muscles of the lower limb with the use of speckle optics

Резюме. Было исследовано тоническое состояние мышц у 20 здоровых людей. Определены спекл-оптические показатели мышечного тонуса в покое, в условиях статической нагрузки, после проведения динамической нагрузки и в условиях релаксации. Изучена сократительная активность мышц в постактивационном периоде. Полученные на примере здоровых людей объективные данные тонического состояния передней большеберцовой мышцы могут быть использованы в клинике для сравнения с результатами обследования пациентов с заболеваниями двигательной сферы и патологией нервно-мышечного аппарата в качестве показателей нормы, а также в спортивной медицине.

Ключевые слова: функциональная активность мышц, передняя большеберцовая мышца, спекл-оптика.

Медицинские новости. - 2018. - №6. - С. 84-88. Summary. Tonic state of muscles was studied in 20 healthy people. Speckle-optical indices of muscle tone at rest, under static load conditions, after dynamic loading and under relaxation conditions are determined. The contractile activity of muscles in the postactivational period was studied. Objective data of the tonic state of the anterior tibial muscle, obtained wtth healthy people, can be used in the clinic for comparison wtth the results of the examination of patients wtth diseases of the motor system. Keywords: functional muscle activity, anterior tibialis muscle, speckle optics. Meditsinskie novosti. - 2018. - N6. - P. 84-88.

При клиническом обследовании пациентов с заболеваниями нервной системы, сопровождающимися поражением позвоночника или спинного мозга, а также с патологией нервно-мышечного аппарата или нарушениями в двигательной сфере актуальным является исследование функционального состояния скелетных мышц, определение их тонической активности. Объективная оценка функциональной активности мышц у этих пациентов возможна при наличии количественных показателей, установленных у здоровых людей и принятых за норму.

Для характеристики тонического состояния мышц, их ригидности и других свойств в клинической практике применяются шкалы, которые основаны на субъективных ощущениях испытателя при выполнении пациентом пассивных движений с определением мышечной силы по 6-балльной шкале (от 0 до 5). Исследование мышечного тонуса в состоянии покоя и при сокращении мышц проводится врачом при неврологическом осмотре на основании выявления сопротивления мышц обследуемого при непроизвольных движениях в суставах

конечностей и оценивается в баллах [2, 7]. Однако это не дает возможность получить объективную характеристику нарушений функциональной активности пораженных мышц, в частности, количественное представление об их тоническом состоянии, контрактильных и релаксационных свойствах.

Используемая в экспериментальных и клинических исследованиях миото-нометрия недостаточно пригодна для объективизации мышечного тонуса и оценки функционального состояния мышц, поскольку является малоинформативной. Так, в отличие от данных спекл-оптической миографии, при различных реакциях, сопровождающихся изменением положения тела, с помощью миотонометрии не выявлено четкой направленности сдвигов изучаемых параметров [1].

Нервные процессы, лежащие в основе мышечной деятельности, изучают методом глобальной электромиографии (ЭМГ) [6, 9]. С помощью интерференционной ЭМГ и электронейромиографии определяют электрофизиологический паттерн состояния периферического нервно-мышечного аппарата, исследуя

соотношения электрических процессов возбуждения и торможения. Однако при этом не учитывают изменения биомеханических параметров мышц, в частности, тонус и сократительные свойства мышечных волокон, обеспечивающих двигательную активность, что и ограничивает информативность этих методов [11]. Необходимость объективизации биомеханических характеристик мышц обусловлена еще и сведениями о том, что при утомлении, некоторых формах нарушения обмена веществ или кровоснабжения развиваются значительные изменения тонуса мышц при нормальной генерации потенциала действия. Поэтому наряду с ЭМГ-исследованиями актуальным является изучение и биомеханических параметров мышечного тонуса для достаточно полного представления о функциональном состоянии мышц и систем, непосредственно регулирующих их деятельность.

Мышечные волокна являются генератором силы. Передача силы при сокращении происходит как вдоль линии действия, так и в направлении окружающих мышцу фиброзных футляров и апоневрозов. Мышечная клетка обладает

специфическим качеством - сократимостью (укорочение). Поскольку объем мышцы при ее укорочении практически не изменяется, то сокращение сопровождается увеличением толщины [3]. Эти биомеханические изменения можно зарегистрировать с помощью применения лазерных технологий. В последние годы появились публикации о возможности изучения мышечной активности методом спекл-оптической миографии в эксперименте и клинике с количественной оценкой контрактильных, релаксационных и других свойств мышечных волокон [4, 5, 8, 10]. Однако предлагаемые функциональные тесты с применением статической (максимальное произвольное сокращение мышцы) или динамической (чередование сокращения и расслабления) нагрузок не всегда приемлемы для объективной оценки сократительных свойств исследуемых мышц, особенно у пациентов с нервно-мышечной патологией вследствие значительного снижения у них мышечного тонуса, а в условиях выполнения этих тестов исследователю трудно контролировать усилие, с которым испытуемый выполняет разгибание стопы или кисти. В связи с этим мы посчитали целесообразным с целью объективизации функциональной активности мышц нижней конечности у здоровых людей применить тест сокращения с усилением для количественной оценки динамики показателей спекл-оптической миограммы.

Материалы и методы

Тоническое состояние мышц исследовано у 20 здоровых добровольцев, медиана возраста которых равна 48 (43; 58) годам.

Разработан алгоритм исследования биомеханических параметров мышц голени у здоровых добровольцев с применением метода спекл-оптической диагностики функциональной активности передней большеберцовой мышцы -разгибателя стопы с определением сократительных и релаксационных свойств. Исследования проводили в условиях выполнения тестов с функциональной нагрузкой различного характера (статической нагрузкой - напряжением мышц при максимальном произвольном сокращении передней большеберцовой мышцы в условиях разгибания стопы и динамической нагрузкой - измере-

нием тонуса мышц после 20-кратного сгибания и разгибания стопы в ранний период релаксации). Изучали также постактивационные изменения с регистрацией спекл-оптических показателей биомеханических характеристик исследуемых мышц при повторном их произвольном сокращении после динамической физической нагрузки. С целью улучшения объективизации изменений функционального состояния мышц при исследовании сократительной активности разработан тест сокращения с усилением. Во время его выполнения при разгибании стопы ассистент своей ладонью пытается привести стопу испытуемого в горизонтальное положение, при этом обследуемый оказывает сопротивление на протяжении 15 секунд, в течение которых регистрируется спекл-оптическая миограмма. Этот тест позволяет исследователю контролировать усилие, с которым испытуемый выполняет разгибание стопы. Результаты исследования, полученные во время проведения теста, сравнивают с результатами исследования мышц в состоянии покоя до выполнения нагрузки для оценки контрактильных характеристик мышц испытуемого, а также в течение 30 секунд после окончания теста для выявления постактивационных изменений (период релаксации).

Исследование здоровых добровольцев проводили в положении лежа, приемно-осветительный датчик прибора располагали в верхней трети тыльной поверхности голени на 6-7 см ниже дистального края мениска коленного сустава и на 2 см латеральнее боль-шеберцовой кости в точке наибольшего напряжения (в условиях разгибания стопы) передней большеберцовой мышцы и регистрировали флуктуации интенсивности спекл-поля, рассеянного кожей, освещенной источником лазерного излучения над исследуемой мышцей контрлатеральных конечностей.

Алгоритм спекл-оптического исследования биомеханических параметров мышц

Спекл-оптические миограммы передней большеберцовой мышцы регистрировали в состоянии покоя и в условиях выполнения функциональных нагрузок:

• во время произвольного максимального разгибания стопы (оцени-

вали показатели сначала в состоянии покоя, а затем при сокращении мышцы) - тест со статической физической нагрузкой;

• в постактивационном периоде после 20-кратного сгибания и разгибания стопы в голеностопном суставе для изучения процессов утомления -тест с динамической физической нагрузкой;

• в период произвольного максимального разгибания стопы после теста с динамической физической нагрузкой с целью выявления постактивационных изменений сократительного ответа - состояние релаксации мышцы;

• тест сокращения мышц с усилением.

Расчет спектров производили в диапазоне частот 10-50 Гц. В качестве амплитудно-частотных параметров спектра анализировали мощность спектра й (МС), полосовой коэффициент КЬ, среднюю частоту спектра и частоту основной спектральной гармоники <>0, на которой регистрируется максимальная амплитуда спектра. Оценку контрак-тильной функции исследуемой мышцы проводили, рассчитывая прирост или снижение значений показателей спекл-оптической миограммы, выраженные в процентах, в условиях выполнения теста со статической нагрузкой (покой - сокращение) по формуле, например, для средней частоты спектра

прирост/снижение = (<>/Ф1 -1)*100 (1),

где <1.> - показатель сокращения мышцы в течение функционального теста, - показатель в фоне.

Способность к релаксации исследуемых мышц определяли, сравнивая прирост или снижение спекл-оптических параметров, выраженных в процентах, в течение 30 секунд после 20-кратного разгибания и сгибания стопы с результатами, наблюдаемыми в состоянии покоя до проведения теста с динамической физической нагрузкой по формуле, например, для средней частоты спектра <>

прирост/снижение = (</>/-1)*100 (2),

где Ф2 - показатель тонуса после выполнения теста с динамической физической нагрузкой, <Ь1 - показатель в фоне.

После теста с динамической физической нагрузкой в постактивационном периоде вновь регистрировали показатели спекл-оптической миограммы в период произвольного максимального разгибания стопы. Постактивационные изменения сократительного ответа оценивали по формуле, например, для средней частоты спектра <>:

прирост/снижение = (Ф3/Ф2-1)*100 (3),

где Ф3- показатель тонуса во время сокращения мышцы в постактивацион-ном периоде после выполнения теста с динамической физической нагрузкой, Ф2 - показатель тонуса в состоянии покоя в постактивационном периоде после выполнения теста с динамической физической нагрузкой.

Аналогичные расчеты проводили для изучения изменений и других спекл-оптических показателей.

Статистическую обработку полученных результатов осуществляли с применением пакета прикладных программ STATISTICA 10.0. Основной массив данных обрабатывали с помощью непараметрических методов исследования. Результаты представляли в виде медианы и интерквар-тильного интервала Ме (2 50/00 7 5 0/00). При сравнении зависимых выборок применяли критерий Вилкоксона. Абсолютные числа и относительные величины учитывали в процентах (%). Статистически значимыми считали значения р<0,05.

Спекл-оптические показатели функционального состояния мышц регистрировали с помощью лазерного устройства Speckle-SСAN для неинвазивной оценки биохимических характеристик мышц и поверхностной микрогемодинамики [11].

Полученные у здоровых людей данные исследования мышечной активности с учетом выявления качественных изменений тонического состояния мышц конечностей при различных функциональных состояниях могут быть использованы в клинике для сравнения с результатами обследования пациентов с заболеваниями двигательной сферы и патологией нервно-мышечного аппарата в качестве показателей нормы и с целью объективной оценки и определения направленности из-

I Спекл-оптические показатели тонуса передней большеберцовой мышцы в различных условиях функциональной активности, Ме

Функциональное состояние мышцы Спекл-оптический показатель

Мощность спектра S, отн. ед. Средняя частота спектра <>, Гц Полосовой коэффициент Юз

1. Исходные значения

2. Сокращение мышцы со статической физической нагрузкой 2180 (1740; 2930) р=0,016 24,6 (22,4; 27) р=0,001 0,52 (0,4; 0,6) р=0,001

3. Состояние покоя после теста с динамической физической нагрузкой 2530

4. Сокращение мышцы после теста с динамической физической нагрузкой 2040 (590; 2500) р1=0,02 25 (23; 27,5) р=0,001, р,<0,001 0,56 (0,45; 0,7) р=0,001, р,<0,001

Примечание: р - достоверность различий показателей по сравнению с таковыми в состоянии покоя; р1 - показатель по отношению к состоянию покоя после теста с динамической физической нагрузкой.

менений параметров сократительной функции мышц и их усталостных характеристик.

Результаты и обсуждение

При сопоставлении значений спекл-оптических показателей на правой и левой нижних конечностях у здоровых людей в состоянии покоя и в условиях выполнения различных тестов асимметрии изучаемых параметров на контрлатеральных конечностях не установлено. Результаты спекл-оптического исследования тонуса передней больше-берцовой мышцы у здоровых лиц суммарно на обеих ногах представлены в таблице 1.

На рисунке 1 -динамика спекл-оптических показателей в условиях сокращения передней большеберцовой мышцы в виде прироста или уменьшения их значений в процентах по отношению к исходным данным, регистрируемым в

состоянии покоя. Показано, что при сокращении мышцы в условиях выполнения теста со статической физической нагрузкой средняя частота и полосовой коэффициент возрастали по сравнению с таковыми в состоянии покоя на 5% (2, 16) и 11% (-6, 43) соответственно, р=0,001, на фоне снижения МС на 6% (-20, 9), р=0,016

Рисунок 1

Динамика спекл-оптических показателей мышечной активности большеберцовой мышцы при статической физической нагрузке

2 Динамика спекл-оптических показателей мышечной активности (прирост в процентах к исходным значениям) у здоровых лиц в условиях выполнения теста сокращения с усилением

Функциональное состояние мышцы Спекл-оптический показатель

Мощность спектра S, отн. ед Средняя частота спектра<£>, 1ц Полосовой коэффициент КЬ Частота основной спектральной гармоники <£>0

1. Состояние покоя 0 0 0 -

2. Сокращение мышцы 4 (-22; 50) 32 (13; 54) р=0,001 120 4 (0; 218) р=0,001 46 (-22; 210) р=0,04

3. Состояние покоя после сокращения 29 (-20; 52) 30 (14; 52) р=0,001 90 (42; 190) р=0,005 207 (-4; 370) р=0,01

Примечание: р - достоверность различий показателей по сравнению с таковыми в состоянии функционального покоя до сокращения мышцы.

(рис. 1). После окончания теста с динамической физической нагрузкой в виде 20-кратного сгибания и разгибания стопы в течение 30 секунд зарегистрировано постконтрак-тильное тоническое расслабление передней большеберцовой мышцы с приближением средней частоты спектра и полосового коэффициента к исходным значениям функционального покоя.

На следующем этапе исследования тонической активности мышц в условиях ее повторного сокращения после динамической нагрузки постак-тивационный сократительный эффект по направленности сопоставим с динамикой показателей во время сокращения мышцы при проведении теста со статической нагрузкой и проявляется в возрастании <1> и КЬ на 8% (2; 15) и 24% (6; 40) соответственно, р<0,001 и снижении МС на 6% (-20; 5), р=0,02 (см. рис. 1). Причем статистически значимых различий прироста или снижения значений между показателями в состоянии сокращения мышц до проведения теста с динамической физической нагрузкой и повторного сокращения мышц после его выполнения не выявлено (р>0,05), хотя отмечается тенденция к более высоким показателям и КЬ при сокращении после динамической нагрузки.

Следовательно, по данным спекл-оптической миографии, у здоровых людей выполнение теста с динамической физической на-

грузкой существенно не влияет на контрактильные свойства мышечных волокон, способствуя расслаблению тонуса мышц голени в течение 30-се-кундного постактивационного периода с сохранением уровня сократительной активности, сопоставимой по направленности и выраженности с тонусом мышц при их сокращении, зарегистрированном до проведения динамического теста.

При проведении разработанного нами теста сокращения мышц с усилением для оптимизации и объективизации спекл-оптических параметров биомеханических характеристик передней большеберцовой мышцы предлагаемый показатель <> регистрирует частоту основной спектральной гармоники с максимальной амплитудой сигнала. Установлено, что в условиях сокращения мышц с усилением направленность изменений средней частоты спектра и полосового коэффициента в сравнении с результатами теста со статической нагрузкой сохраняется. Такова же направленность сдвигов в сторону возрастания значений и частоты основной спектраль-

ной гармоники <>0 (табл. 2). Однако амплитуда прироста этих показателей значительно превышает значения, зарегистрированные при сокращении мышц без усиления (р<0,001). Динамика и КЬ происходит при статистически не значимых изменениях мощности спектра на фоне сдвига основной спектральной гармоники <>, в область высокочастотных колебаний.

На рисунке 2 показано, что в течение 30 секунд в период расслабления после окончания теста сокращения с усилением, несмотря на тенденцию к снижению в этих условиях спекл-оптических показателей мышечного тонуса по сравнению с данными, зарегистрированными во время выполнения теста, значения прироста средней частоты спектра и коэффициента асимметрии оставались на высоком уровне, что свидетельствует о незначительном постконтрактильном тоническом расслаблении исследуемых мышц после усиленного сокращения и указывает на зависимость релаксационных свойств мышечных волокон от выраженности предшествующей физической нагрузки и ее характера.

Заключение

Таким образом, установленный паттерн спекл-оптических показателей в условиях функционального покоя и после проведения статической и динамической физической нагрузки, а также теста сокращения с усилением позволил выявить наиболее информа-

Рисунок 2

Динамика спекл-оптических показателей мышечной активности при сокращении мышцы без усиления

%

Примечание: * - различия показателей статистиче ски значимы по сравнению с исходными данными

тивные параметры спекл-оптической миограммы, которые являются биомеханическими характеристиками тонического состояния мышц. В качестве таких показателей целесообразно применять среднюю частоту спектра, полосовой коэффициент спектра, а также частоту основной спектральной гармоники fg. Использование теста сокращения с усилением особенно необходимо у пациентов с нарушением мышечного тонуса, в частности, его снижения при различных заболеваниях нервной системы, которые сопровождаются нарушением иннервации скелетных мышц, что выражается в ухудшении их функциональной активности. Динамика этих спекл-оптических показателей в виде возрастания значений <f> и Kb свидетельствует об увеличении тонуса исследуемых мышц, что может быть применено для оценки исходного функционального состояния мышц, их сократительных свойств, а также постактивационных

изменений, в частности, релаксационных и усталостных характеристик в условиях выполнения различных функциональных тестов.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Василевская Л.А. Функциональные нарушения нейромоторного аппарата, их спекл-оптическая диагностика и коррекция низкоинтенсивным лазерным излучением при некоторых заболеваниях периферической нервной системы: Дис. ... канд. мед. наук. 14.00.16 / МГМИ. - Минск, 1999. - 153 с.

2. Голубев В.Л., Левин Я.И., Вейн А.М. Болезнь Паркин-сона и синдром паркинсонизма. - М., 2004. - 416 с.

3. Гурфинкель В.С., Левик Ю.С. Скелетная мышца: структура и функция. - М., 1985. - 144 с.

4. Дик С.К. Лазерно-оптические методы и технические средства контроля функционального состояния биообъектов. - Минск, 2014. - 235 с.

5. Дик С.К., Терех А.С., Король М.М., Хлудеев И.И. и др. Спекл-оптическое устройство для оценки состояния поверхностного кровотока и биомеханических параметров мышц. Патент РБ №14011

от 2010.19.26. Афщыйны бюлетэнь. - 2010. - №4. - С.62.

6. Клинико-электромиографическая характеристика изменений мышечного тонуса при некоторых заболеваниях нервной системы / Д.Г. Шеф-фер [и др.] // Третий Всерос. съезд невропатологов и психиатров. - М, 1974. - Т.1. - С.336-338.

7. Левин О.С., Федорова Н.В., Шток В.Н. // Журнал неврологии и психиатрии. - 2003. - №2. -С.54-60.

8. Лихачев С.А., Василевская Л.А., Ващилин В.В. Способ диагностики ригидности мышц лучевого разгибателя кисти при болезни Паркинсона. Патент РБ №13502 от 2010.05.07. Афщыйны бюлетэнь. - 2010. - №4. - С.62.

9. Скардс Я.В., Гайланс Ю.Б., Паэглитис А.О. // Кровообращение в скелетных мышцах. - Рига, 1991. - С.150-156.

10. Танин Л.В., Нечипуренко Н.И., Василевская Л.А., Недзьведь Г.К., Ровдо С.Е., Танин А.Л. Лазерная гемотерапия в лечении заболеваний периферической нервной системы. - Минск, 2004. - 148 с.

11. Ходулев В.И. // Актуальные проблемы неврологии и нейрохирургии: Сб. науч. тр. / Под ред. С.А. Лихачева. - Минск, 2008. - Вып. 11. -С.371-382.

Поступила 16.11.2017 г.

ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ Адрес для переписки: Журнал «Медицинские новости»

220004, Минск, включен в электронные базы

«Медицинские новости» № 6 (285) 2018 г. ул. Короля, 51, офис 22 (7 этаж) данных «КиберЛенинка»

Рецензируемый научно-практический Тел.: (+375-17) 200-06-41 (гл. редактор), и РИНЦ eLIBRARY.ru

информационно-аналитический журнал. 200-07-01, факс: 200-07-02 Цитируемость - 6847.

Свидетельство о регистрации № 965 Velcom (+375-29) 695-94-19 Impact factor - 0,237.

выдано Министерством информации Е-mail: redakcia1995@mail.ru индекс Хирша - 12.

Республики Беларусь 9 июля 2010 года. (для рекламодателей);

Периодичность - 1 раз в месяц mednovosti1995@mail.ru Подписка: по каталогам

(для авторов) РУП «Белпочта»

Учредитель www.mednovosti.by и РУП «Белсоюзпечать»

Частное издательское индексы: 74954 (инд.),

унитарное предприятие Ответственность 749542 (вед.);

«ЮпокомИнфоМед». за достоверность Украина (ГП «Пресса»),

Юридический адрес и интерпретацию предоставленной Литва (АО «Летувос паштас»),

220018, г. Минск, ул. Якубовского, 70-5. информации несут авторы. Латвия (ООО «Подписное

УНП 191350993 Редакция оставляет агентство PKS»),

за собой право Болгария (Фирма INDEX),

Редакция по своему усмотрению РФ (ООО «Информнаука»),

Шарабчиев Юрий Талетович размещать полные тексты РФ (ЗАО «МК-Периодика»),

Ясевич Татьяна Владимировна на сайте редакции

(редактор, зам. директора) www.mednovosti.by Подписано в печать 26.06.2018 г.

Капля Марина Николаевна и в электронных базах данных Формат 60х84 1/8.

(отв. секретарь, (на сайтах) своих партнеров Гарнитура Helvetica Narrow.

маркетолог) Уч.-изд. л. 12,6.

Жданова Я.П. (редактор) По данным Google Analytics Заказ .

Колоницкая О.М. (дизайн, верстка) (май 2018 г.):

посещаемость сайта Типография: Государственное

Цена свободная. www.mednovosti.by - 88500; предприятие «СтройМедиаПроект»

Тираж распространения, включая читаемость журнала ЛП № 02330/71 от 23.01.2014

электронную подписку, 1079 экз. «Медицинские новости» - 7300. ул. В. Хоружей, 13/61, 220123, г. Минск