Способ анализа биоэлектрического сигнала скелетных мышц
METHOD FOR ANALYZING THE BIOELECTRICAL SIGNAL OF SKELETAL MUSCLES

Изобретение относится к гуманитарной и ветеринарной медицине и может быть использовано для диагностики функционального состояния скелетных мышц.
Близким по сущности является спектральный анализ, который представляет собой декомпозицию на гармонические составляющие (sin… и cos…) и позволяет получить амплитудно-частотные характеристики сигнала. [Райгайян Р.М. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход / Р.М. Райгайян. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 440 с.].
Еще одним близкое по сущности является вейвлет-преобразование, которое представляет собой разложение сигнала на вейвлеты, имеющие определенную форму. Использование данного анализа позволяет получать ряд смещений показателей амплитуды и ширины сигнала путем вычисления интеграла Фурье по системе базисных функций:
сконструированных из материнского (исходного) вейвлета обладающего определенными свойствами за счет операций сдвига во времени (b) и изменения временного масштаба (а) [Райгайян Р.М. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход / Р.М. Райгайян. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 440 с.].
Недостатками данных методов являются неполная информация при анализе сигналов и сложная система обработки данных.
Наиболее близким к предлагаемому способу является метод частотно- временного преобразования. Данный метод реализуется на базе быстрого оконного преобразования Фурье. При этом исследуемый сигнал делится на временные отрезки («окна») небольшой длительности, в пределах которых его можно считать стационарным. Временные отрезки получили название квазистационарных сегментов, а подход к обработке - анализ по коротким интервалам [с. 106]. Для проведения количественного анализа ЭМГ-сигналов, рассчитывают параметры частотно-временного представления суммарной электромиограммы: нижняя граничная частота, медианная частота,’ верхняя граничная частота, эффективная ширина спектра. Дополнительно вычисляется средняя амплитуда сигнала. Определение частотных параметров производится автоматически по результатам вычисления спектрограммы электромиографического сигнала (ЭМГ-сигнала) на основе разработанного программного обеспечения в среде MathLab [с. 107]. [Меженная М.М., Осипов А.Н., Ильясевич И.А., Давыдова Н.С., Давыдов М.В., Кульчицкий В.А. Метод частотно-временного анализа суммарной электромиограммы в оценке функционального состояния нервно-мышечного аппарата человека. // Проблемы физики, математики и техники, 2012. №1 (10), С.107-112].
Недостатками метода являются применимость только для стационарного сигнала, неточность вычисления в связи с усреднением частоты в заданном «временном» окне и большая сложность вычислений.
Техническим результатом заявляемого способа является отсутствие требований к стационарности сигнала, повышение точности вычислений и снижение сложности вычислений.
Технический результат достигается тем, что способ анализа ЭМГ-сигнала скелетных мышц, характеризующийся тем, что ЭМГ-электроды располагают на середине мышечного брюшка и фиксируют эластичным бинтом либо приклеивают, записывают ЭМГ-сигнал в память принимающего устройства и отображают среднее значение сигнала, сигнал делят на временные отрезки и выбирают амплитудные уровни U1, U2 и U3, величина которых кратна среднему значению модуля сигнала, подсчитывают количество импульсов, превышающие заданные пороговые уровни на указанных временных отрезках в промежутках между указанными амплитудными уровнями, при этом импульсы, которые не превысили уровень U1, не'учитываются, импульсы, которые превысили уровень Ш, но не превысили уровень U2, относят к низковольтным, импульсы, которые превысили уровень U2, но не превысили уровень U3, относят к средним, а импульсы, которые превысили уровень U3, относят к высоковольтным, по количеству импульсов напряжения, превысивших пороговые амплитудные уровни, судят о параметрах пачек импульсов, пришедших от двигательных единиц мышцы.
Использование в способе подсчета количества импульсов (частоты) в промежутках между амплитудными уровнями, величина которых кратна среднему значению сигнала абсолютной величины (без учета знака - модуля), позволяет определить активность разных двигательных единиц (ДЕ) в определенные промежутки времени при сокращении мышцы, тем самым характеризовать участия ДЕ в мышечном сокращении, что приводит к применимости для нестационарного сигнала и повышению точности вычислений.
Использование в способе подсчета количества импульсов за промежутки времени (0,5-1 с) выбираемые с учетом динамики изменения характеристик ЭМГ-сигнала во времени (максимального изменения количества импульсов в соседних временных промежутках) позволяет определить динамику активности ДЕ, согласно периоду их рефрактерности, а также анализировать работу ДЕ при разных типах мышечных сокращений и близости расположения ДЕ к электродам, что приводит к повышению точности вычислений.
Использование простых алгоритмов, применяемых для анализа больших объемов данных, не требующих больших вычислительных ресурсов (памяти и производительности микропроцессора), снижают сложность вычислений.
Способ анализа биоэлектрического сигнала скелетных мышц путем подсчета количества импульсов в промежутках между амплитудными уровнями за короткие отрезки времени заключается в следующем. Для регистрации ЭМГ используется традиционная, общепринятая техника. Применяются электроды любой конструкции. Перед их наложением необходимо обработать участок кожи (выбрить волосяной покров, протереть кожу спиртом-ректификатом, смазать электродным гелем или любым солевым раствором). Выбривание можно не применять, если использовать разработанные электроды для поверхностной электромиографии [Патент РФ №81060 МПК А61В 5/04].
Электроды располагают на середину мышечного брюшка, фиксируют эластичным бинтом либо приклеивают.
Запись проводят в течение необходимого промежутка времени согласно поставленным задачам и используемого алгоритма тестовых движений.
Сигнал записывается в память принимающего устройства и анализируется. В программе отображается среднее значение сигнала, согласно которому сигнал разбивается на участки заданного периода, и выбираются уровни величиной кратному среднему значению сигнала абсолютной величины (без учета знака - модуля).
Временные отрезки зависят от типа мышцы. Периоды, за которые проходит импульс, должны соответствовать периоду подсчета количества импульсов.
Способ анализа основан на подсчете количества импульсов, превышающих заданные пороговые уровни за относительно короткие временные отрезки. На Рис. 1 показан отрезок ЭМГ, разделенный по времени на два участка (0 - t1 и t1 - t2), и имеющий три пороговых уровня по величине сигнала (U1, U2 и U3).
Подсчет импульсов ведется следующим образом (см. Рис. 1): если ЭМГ-импульс не достиг нижнего уровня, то он не считается. Если достиг U1, но не достиг уровня U2 - импульс считается низковольтным. Если импульс достиг уровня U2, но не достиг уровня U3 - считается средним импульсом, а если достиг уровня U3 - высоковольтным импульсом.
Например, для первого временного отрезка 0 - t1 (см. Рис. 1.): число низковольтных импульсов - 5, средних - 1, высоковольтных - 2.
Для второго временного отрезка t1 - t2: число низковольтных импульсов - 9, средних - 2, высоковольтных - 0.
Для анализа электрических сигналов мышц, предварительно записанных и сохраненных в файле, например, типа.wav используется программа для ЭВМ «Анализ электромиограммы» [Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2022618615].
В файле *.wav может быть записан сигнал с одного или с двух каналов регистрирующего устройства (одной или двух мышц). Такую запись можно выполнить, например, с помощью ноутбука, на котором запущена программа «Sound Forge» (программа редактора звуков) и к линейному входу звуковой карты подсоединены два усилителя биопотенциалов, входы которых через электроды соединены с поверхностью кожи над исследуемой мышцей.
После запуска программы и загрузки файла с записью ЭМГ, в окне программы будет представлена следующая информация (см. Рис. 2).
На Рис. 2 отображены два биоэлектрических сигнала записанных одновременно по двум каналам. В данном окне изображение сигнала можно сжимать/растягивать, нажимая на кнопки со стрелочками под надписью «сжатие графиков», и смещать по горизонтальной оси влево/вправо, нажимая на кнопки со стрелочками под надписью «смещение графиков». При этом отображаются величины количества раз сжатия и смешения в пикселях.
Для каждого сигнала определяются и отображаются в левой части экрана: частота дискретизации, разрядность цифровых данных, длина данных и другие параметры, которые использовались при регистрации и записи ЭМГ. Определяются максимальные значения сигналов. Вычисляются средние значения суммированием абсолютных величин всех отсчетов сигнала и делением на их количество. Значения сигнала задаются в относительных единицах. При использовании ноутбука с 16-и разрядной звуковой картой, диапазон изменения сигнала = ±32767. Для нашего оборудования напряжение 1 мкВ соответствует ≈20 относительным единицам. Это соответствие определяется при калибровке прибора.
В поле для ввода текста (раскрывающийся список) выбирается начальный уровень, близкий к среднему значению сигнала. Его значение используется для задавания пороговых уровней (нижнего, среднего и верхнего) умножением начального значения на коэффициенты, которые выбираются в трех окошках (раскрывающихся списков) «Уровни» соответственно. По умолчанию начальный уровень равен 2000 относительных единиц (ОЕ). При этом первому уровню U1 на рис. 1, то есть по умолчанию U1=2000x2=4000 ОЕ=200 мкВ.
Число временных отрезков, на которые будет поделен сигнал, выбирается в окошке «число интервалов». В нем отображается количество временных отрезков, по умолчанию - 20.
Пример 1. ЭМГ регистрировалась с двуглавой мышцы плеча парой электродов, расположенных на расстоянии 2 см друг от друга. Тестовое задание: согнуть руку в локтевом суставе под углом 90° и удерживать гирю (например, весом 7 кг) в руке. Гиря не должна опускаться в течение возможно длительного времени. Представленный на рис. 4 график соответствует ЭМГ-сигналу при удержании гири в течение 36 с (Рис. 3).
После нажатия на кнопку «Analysis», а затем «Graphics» появится окно с результатами анализа (Рис. 4). Где отображено в виде цветных отрезков линии разной толщины, как распределение количества импульсов, превысивших по величине заданные уровни за временные отрезки на которые разбит весь сигнал. Обозначение дано в верхней части окна программы: отрезки красного цвета толщиной 1 pixel (pel) соответствуют низковольтным импульсам; отрезки черного цвета толщиной 2 pel соответствуют средним импульсам; отрезки голубого цвета толщиной 3 pel соответствуют высоковольтным импульсам. Цифры под этими отрезками равны максимальному числу импульсов среди всех временных отрезков данного типа. Например, число 54 - это максимальное число низковольтных импульсов, которое имеется в третьем временном отрезке.
По горизонтальной оси откладывается время. Длина каждого отрезка соответствует длительности 744 мс. Длину отрезка и, соответственно, длительность участка времени (временного окна), за которое подсчитываются импульсы, можно менять в зависимости от задач исследования.
По ЭМГ-сигналу видно, что испытуемый два раза пытался удержать гирю - в средине и в конце непрерывного сокращения (Рис. 4). По нижнему (голубому) графику для высокоамплитудных импульсов утомление мышцы проявляется значительно резче, чем по общему ЭМГ-сигналу (Рис. 3). При этом в несколько раз возрастало количество высокоамплитудных импульсов (от 2 до 34).
У испытуемого стремление удержать усилие сопровождается плавным увеличением напряжения мышцы и числа высокоамплитудных импульсов. Кроме того, имеются периодические изменения числа импульсов при сокращении мышцы с периодом около 2 с. Такие колебания наблюдаются у всех испытуемых. Как видно, они могут составлять более 50% от максимальных значений количества импульсов и, зачастую, изменение количества высокоамплитудных импульсов и низкоамплитудных находятся в противофазе.
Чередование работы поверхностных волокон мышцы (близлежащих к коже) и волокон, лежащих в глубине мышцы, вызовет колебания амплитуды и числа импульсов, достигающих установленные уровни напряжения. Подбирая величину этих уровней и длительность отрезков, за которые подсчитываются импульсы напряжения, превысившие эти уровни, можно судить о параметрах пачек (разрядов) импульсов, пришедших от двигательных единиц мышцы. Полученные при анализе значения могут быть использованы для оценки функционального состояния нервно-мышечного аппарата.
Пример 2. ЭМГ регистрировалась с локтевого разгибателя запястья у лошади также парой электродов, расположенных на расстоянии 2 см друг от друга. ЭМГ-сигнал регистрировался до тренинга при движении животного шагом по ровной поверхности, без всадника. Представленный на рис. 6 график соответствует ЭМГ-сигналу при движении Лошади шагом (Рис. 5).
После нажатия на кнопку «Analysis», а затем «Graphics» появится окно с результатами анализа (Рис. 6). Где отображено в виде цветных отрезков линии разной толщины, как распределение количества импульсов, превысивших по величине заданные уровни за временные отрезки, на которые разбит весь сигнал. Например, число 20 - это максимальное число низковольтных импульсов.
По горизонтальной оси откладывается время. Длина каждого отрезка соответствует длительности 93 мс. Длину отрезка и, соответственно, длительность участка времени (временного окна), за которое подсчитываются импульсы, можно менять в зависимости от задач исследования.
По ЭМГ-сигналу видно, в какой степени активируются двигательные единицы разного типа в процессе мышечного сокращения (Рис. 4). В начале сокращения в большей степени активируются высокоамплитудные импульсы что видно по нижнему (голубому) графику, в конце сокращения больше проявляются низкоамплитудные импульсы (красный график), эти характеристики также проявляется значительно резче, чем по общему виду ЭМГ-сигналу (Рис. 5).
Чередование работы поверхностных волокон мышцы (близлежащих к коже) и волокон, лежащих в глубине мышцы, вызывает колебания амплитуды и числа импульсов, достигающих установленные уровни напряжения. Подбирая величину этих уровней и длительность отрезков, за которые подсчитываются импульсы напряжения, превысившие эти уровни, можно судить о параметрах пачек (разрядов) импульсов, пришедших от двигательных единиц мышцы. Полученные при анализе значения могут быть использованы для оценки функционального состояния нервно-мышечного аппарата.
Заявляемый способ анализа биоэлектрического сигнала скелетных мышц обладает применимостью для нестационарного сигнала за счет использование в способе подсчета количества импульсов (частоты) в промежутках между амплитудными уровнями, величина которых кратна среднему значению модуля сигнала, что позволяет определить активность разных двигательных единиц в определенные промежутки времени при сокращении мышцы, тем самым характеризовать степень участия ДЕ в мышечном сокращении.
Заявляемый способ анализа биоэлектрического сигнала скелетных мышц обладает высокой точностью вычислений за счет использования подсчета количества импульсов (частоты) в промежутках между амплитудными уровнями, величина которых кратна среднему значению модуля сигнала позволяет определить активность разных двигательных единиц в определенные промежутки времени при сокращении мышцы, тем самым характеризовать участия ДЕ в мышечном сокращении и за счет подсчета количества импульсов за промежутки времени (0,5-1 с) выбираемые с учетом динамики изменения характеристик ЭМГ сигнала во времени (максимального изменения количества импульсов в соседних временных промежутках) позволяет определить динамику активности ДЕ, согласно периоду их рефрактерности, а также анализировать работу ДЕ при разных типах мышечных сокращений и близости расположения ДЕ к электродам.
Заявляемый способ анализа биоэлектрического сигнала скелетных мышц обладает низкой сложностью вычислений за счет использования простых алгоритмов применяемых для анализа больших объемов данных, не требующих больших вычислительных ресурсов (памяти и производительности микропроцессора).
Заявляемый способ анализа биоэлектрического сигнала скелетных мышц путем подсчета количества импульсов в промежутках между амплитудными уровнями за короткие интервалы времени может быть использован для диагностики функционального состояния скелетных мышц при физической нагрузке, определения степени восстановления, утомления и тренированности, а также диагностики нервно-мышечных заболеваний (нарушений).
Заявляемый способ анализа биоэлектрического сигнала скелетных мышц путем подсчета количества импульсов в промежутках между амплитудными уровнями за короткие интервалы времени апробирован на кафедре анатомии, гистологии, физиологии и патологической анатомии Института ветеринарной медицины и биотехнологии ФГБОУ ВО Омский ГАУ.