Меню

Методы исследования электрической активности мышц

Лекция № 16. Электромиография и методы изучения движений

Электромиография – метод регистрации электрической активности мышц, возникающей в результате их возбуждения. С помощью ЭМГ изучаются двигательные функции человека и животных.

Прежде чем излагать метод электромиографии, обсудим вообще методы исследования движений человека. С давних пор основным приёмом исследования движений человека являлось измерение и регистрация различного рода механических проявлений работы мышц. Широкое распространение получили динамометрия и эргография. Динамометрия измеряет силу мышц, а эргография регистрирует величину работы мышц. Динамометры и динамографы дают возможность измерить и записать силу сокращения тех или иных мышечных групп. Разнообразные приборы, которые можно условно отнести к к группе эргографов, позволяют получать запись углового или линейного перемещения во времени с учётом производимой работы при несложных движениях, главным образом типа сгибания – разгибания. Однако динамометры и эргография пригодны лишь для исследования упрощённых «лабораторных» движений, а не естественных двигательных актов человека. Но ещё в конце позапрошлого века Марей, Фишер и другие исследователи разработали основы циклографической методики изучения двигательной активности. Эта методика заключается в многократном фотографировании отмеченных специальными метками или лампочками движущихся звеньев тела с последующим анализом записей в микроинтервалах времени.

В 30-х годах прошлого века циклографическая методика была усовершенствована и развита советским учёным Н.А. Бернштейном, который особенно подробно разработал приёмы анализа циклографических записей и создал циклограмметрию. Циклограмметрия даёт возможность вычислить и изобразить графически как функцию времени положение, скорость и ускорение любой точки тела в процессе движения. В сочетании с определением массы движущихся звеньев тела это позволяет вычислить величину сил, приложенных к различным точкам тела. Циклограмметрия и сейчас используется при обработке кадров широко применяемой при измерении движений киносъёмке. Новым шагом в развитии методов изучения механических параметров движения является использование датчиков, преобразующих неэлектрические величины в электрические. К ним относятся реостатные датчики, пьезодатчики и т.д. С их помощью может производиться непрерывная регистрация изменений суставных углов и развиваемых сил в ходе естественных движений. Развитие вычислительной техники позволяет применить в физиологии движений автоматическое дифференцирование с помощью электронных устройств. Благодаря этому можно при регистрации механограммы смещения одновременно получать непрерывные записи первой и второй производных по времени, т.е. скорости и ускорения.

Физиологи установили, что в мышцах непрерывно возникают импульсы электрических потенциалов. В методе ЭМГ для регистрации этих импульсов используются специальные электроды. Различают суммарную ЭМГ и ЭМГ отдельных двигательных единиц. Двигательная единица (ДЕ) состоит из мотонейрона, аксона этого мотонейрона и мышечных волокон. В одну двигательную единицу входят много мышечных волокон. Например, в одной двигательной единице, входящей в состав икроножной мышцы, мотонейрон объединяет 1640 мышечных волокон, а в мышцах глаз в одну двигательную единицу входят 5 – 10 волокон. Маленькие ДЕ характерны для мышц, осуществляющих тонкие движения. У скелетных мышц, как правило, в одном мышечном волокне находится один нервно-мышечный синапс. Как правило, каждое мышечное волокно входит в одну двигательную единицу. Электромиографические исследования оказали, что в одной и той же мышце есть волокна разных двигательных единиц. На рисунке изображена схема двигательной единицы.

Поскольку даже слабое напряжение мышцы требует возбуждения некоторого количества мотонейронов, то при любом напряжении мышцы в каждом участке могут быть возбуждены волокна, принадлежащие различным двигательным единицам. При этом электрические потенциалы в отдельных ДЕ появляются не одновременно, а с разной степенью запаздывания одна относительно другой. Установлено, что число синхронно работающих ДЕ составляет от 2 до 18% от общего числа возбуждённых ДЕ в мышце. При максимальном сокращении мышцы эта доля доходит до 30%. Следовательно, в норме суммарная ЭМГ является результатом как синхронно, так и асинхронно работающих ДЕ. Таким образом, суммарная ЭМГ представляет собой результат алгебраического суммирования электрических потенциалов. Число биопотенциалов (импульсов, спайков) может изменяться от нескольких до 300 в секунду, амплитуды от 150 до 6000 мкВ. Длительность отдельных колебаний потенциала мышцы составляет от 2 до 36 мс. Частоты импульсов 10 – 30 Гц и при сильных напряжениях до 50 Гц. Пример электромиограммы показан ниже.

Для обработки сигналов ЭМГ используют спектральный анализ или вычисляют корреляционную функцию сигналов. Кроме того, для характеристики активности мыщц используют такие характеристики как длительность импульса, частота их следования, амплитуды и другие величины.

Читайте также:  Доклад на тему кости и мышцы для 4 класса

В физиологии труда используется тот факт, что между механическим напряжением мышц и их электрической активностью имеется определённая пропорциональность. Это позволяет оценивать степень механического напряжения тех мышечных групп, которые невозможно прямо подвергнуть механическому измерению степени их механического напряжения или которые выполняют действия в комплексе с другими мышечными группами. Определяя ЭМГ при разных типах организации трудового процесса, находят, при каком из них биоэлектрическая активность меньше и, следовательно, меньше напряжение мышц. Эта организация трудового процесса и представляется более рациональной. Известны примеры применения электромиографии для оценки рациональности рабочего места машинистки, операторского пульта, при производстве перфорированных карт для ЭВМ и др. Лундерфельд в 1951 г. изучал методом ЭМГ работу мышц машинистки. Автор выявил ряд закономерностей координации мышечной деятельности и сделал практические выводы об организации рабочего места, об используемых технических средствах и т.д.

В электромиографии применяются много типов отводящих электродов. Условно их можно разделить на электроды с малой отводящей поверхностью (игольчатые), обеспечивающие локальность отведения, и поверхностные с относительно большой площадью. Игольчатые электроды вводятся в мышцу и позволяют регистрировать потенциал одной или нескольких двигательных единиц. Впервые такой электрод создали в 1929 г. Эндрюс и Бронк. Концентрический игольчатый электрод представляет собой стальную канюлю, сходную с иглой для подкожных инъекций, в которую вводят проволочку из платины или нержавеющей стали, изолированную по всей поверхности. Обнажённым остаётся только торец проволочки, расположенный в плоскости среза канюли, который служит для отведения биопотенциалов из глубины мышцы. Отводящая поверхность в тком электроде равна сотым идаже тысячным долям квадратного миллиметра. Канюля является вторым электродом. Иногда делаются биполярные электроды. Внутри канюли располагается два электрода. Для физиолических исследовний используются также мультиэлектроды. Рис. Делается до 14 отверстий в канюле и в них вводят проволочки для отвода сигналов.

На многоканальном приборе можно одновременно регистрировать несколько сигналов в ряде точек мышцы, находящихся на заданном и строго фиксированном расстоянии друг от друга. Мультиэлектрод применяется в основном для определения размеров территории, занятой волокнами одной двигательной единицы. Поверхностные электроды имеют площадь

20 – 59 мм 2 и предназначены для регистрации суммарной электромиограммы. Иначе она называется ещё интерференционной ЭМГ и создаётся сигналами от нескольких двигательных единиц.

Если мышцы не напрягаются, то это не значит, что от них не идут импульсы ЭМГ. Фоновое состояние мышц называется тонусом. При этом на ЭМГ идут периодически спайки, т.е. в ДЕ идут нервные импульсы. В частности это проявляется в позной активности мышц. Позная активность – это действие мышц по поддержанию положения тела или одних его звеньев во время движения других. С помощью ЭМГ изучалась утомляемость мышц. В частности, в двуглавой мышце, когда долго поддерживается груз, частота следования импульсов уменьшается, а амплитуда импульсов растёт. Это указывает на синхронизацию импульсов в отдельных двигательных единицах.

В космическом полёте у космонавтов периодически измеряется сила мышц, выносливость и утомляемость с помощью электродинамометра. Сила измеряется как наибольшее усилие, развиваемое мышцей. Для оценки выносливости регистрируется время поддержания половины максимального усилия. Утомляемость проверяется по методу эргографии. Для этого задается темп сжатий и их сила и измеряется работа, выполненная в пределах определённого интервала времени. В космическом полёте вместе с динамограммой регистрировалась ЭМГ длинного сгибателя предплечья. (Р.М. Баевский, Физиологические измерения в космосе и проблема их автоматизации, 1971 г.). Серебряные электроды с проводящей пастой закреплялись эластичными манжетами в верхней и нижней трети предплечья. Эта методика позволяет быстро определить наступление утомления: на динамограмме это проявляется в уменьшении амплитуды сжатий, а на ЭМГ – увеличением сигнала. В советских космических исследованиях первый опыт телеметрической регистрации ЭМГ был получен во время полёта третьего советского ИСЗ. Сигнал снимался с мышцы собаки при наклонах головы. Электроды были вживлены в пластыревидную мышцу шеи.

Для передачи по линиям телеметрии был использован метод «интегральной электромиограммы». Сигнал детектировался и после этого брался интеграл по времени от продетектированного сигнала. При этом «огибающая» сигнала соответствует амплитудно-частотной характеристики ЭМГ, т.е. при равномерных частотах передающийся сигнал прямо пропорционален амплитуде, а при равных амплитудах – пропорционален частоте. Пример проинтегрированного сигнала ЭМГ можно видеть на рисунке (нижняя кривая).

Читайте также:  Как восстановить мышцы после перенапряжения

При регистрации биопотенциалов могут проявляться мешающие сигналы, например, сигналы электрокардиографии мешают ЭМГ и наоборот. В этом случае ограничивают усилитель по частоте сверху, если измерениям ЭКГ мешают сигналы ЭМГ. Исключение влияния дыхательных движений осуществляется регистрацией ЭКГ в некоторых отведениях при задержке дыхания. При регистрации ЭМГ исключение сигналов ЭКГ производится за счёт параллельной регистрации её и временного сопоставления полученных результатов.

Источник

Методика регистрации электрической активности мышц при выполнении физических упражнений (ЭМГ) Текст научной статьи по специальности « Нанотехнологии»

Текст научной работы на тему «Методика регистрации электрической активности мышц при выполнении физических упражнений (ЭМГ)»

МЕТОДИКА РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МЫШЦ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ (ЭМГ)

В.Ф. Костюченко, В. С. Степанов, С. В. Вадюхин, С. Л. Вадюхина

Огромные возможности дает сочетание электромиографии с другими методами исследования движений, такими как кино-, цикло- или стробосъемка, тензодинамо-графия. В связи с этим в настоящее время для решения проблем спортивной тренировки используются комплексные методы исследования.

Регистрация электрической активности мышц без помех в условиях зала или стадиона достигается благодаря применению усилителей биопотенциалов с достаточным коэффициентом усиления, низким уровнем шумов, симметричным входом и высоким входным сопротивлением. Для регистрации электромиограммы в спортивных упражнениях со значительным перемещением применяют предусилители, которые размещают на теле спортсмена, а также телеметрический канал.

В настоящее время достаточно хорошо разработана методика отведения потенциалов и регистрации ЭМГ отдельных мышц в лабораторных условиях. К сожалению, эта методика и обеспечивающая ее аппаратура не могут в полной мере быть использованы для регистрации электрической активности мышц при спортивных движениях. Последнее обусловлено тем, что для регистрации биопотенциалов мышц при спортивных движениях допустимы только накожные электроды, а используемая аппаратура не должна мешать спортсмену выполнять движения. Кроме того, требуется, как правило, одновременная регистрация активности нескольких, участвующих в движении мышц. Перечисленные ограничения обусловили разработку специальной аппаратуры для регистрации электрической активности мышц при спортивных движениях. В разработке аппаратуры принимали участие И.М. Козлов, В.С. Иванов, О.А. Станиславский.

Рис. 1. Схема соединения блоков, входящих в устройство для регистрации биопотенциалов мышц

Используемое устройство для записи биопотенциалов мышц состоит из усилителя биопотенциалов (1), коммутационного устройства (2), соединительного кабеля

(3), блока сопряжения и встроенного контроля (4) и регистрирующего устройства (5) (рис. 1).

Оно функционирует следующим образом: биопотенциалы мышц, усиленные усилителем (1), через коммутационное устройство (2) и соединительный кабель (3) поступают на входы усилителей записи блока сопряжения и встроенного контроля (4). Выходные сигналы с блока сопряжения и встроенного контроля через соединительный кабель поступают на гальванометры светолучевого осциллографа (5), на котором и происходит регистрация исследуемых потенциалов.

Разработанное устройство отвечает требованиям, предъявляемым к методам исследования спортивных движений:

• метод и аппаратура должны обеспечивать получение достоверного результата, то есть степень точности измерений должна соответствовать цели исследования;

• метод и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть искажать результаты и мешать спортсмену.

Требования достоверности получаемого результата обеспечиваются применением операционных усилителей с достаточно большим собственным коэффициентом усиления, охваченных отрицательной обратной связью, и созданием прецизионного источника испытательных сигналов, который позволяет перед каждым экспериментом производить калибровку всего измерительного тракта. Использование микроэлектронного усилителя позволяет сделать всю измерительную часть компактной и избежать помех движению спортсмена.

Для снижения уровня помех выполнялись следующие мероприятия:

• подготовка кожи с целью уменьшения межэлектродного сопротивления;

• прочное прикрепление электродов на исследуемом участке кожи;

• расположение накожных электродов в зоне входа нерва в мышцу.

проследить изменение асимметрии электрической активности мышц верхних и нижних конечностей у тяжелоатлетов различной квалификации при выполнении толчка классического “ножницами” и толчка полуприседом, регистрировалась ЭМГ четырех мышц: правой и левой широкой наружной мышцы бедра и правого и левого латерального пучка трехглавой мышцы плеча.

При исследовании электрической активности мышц и для анализа использовались следующие характеристики электромиограмм (ЭМГ):

• длительность электрической активности мышц, которая характеризует управляющие воздействия со стороны нервной системы и длительность приложения усилий;

Читайте также:  Какой плюс в мышцах

• средняя амплитуда колебаний биопотенциалов мышц, которая характеризует величину прикладываемых усилий.

Анализу подвергались отрезки ЭМГ, соответствующие различным фазам техники толчка “ножницами” и толчка полуприседом с весом штанги, равным 50, 60, 70, 80-85% от максимального результата на соревнованиях. Обработка ЭМГ проводилась по методике Л.А. Водолажского, З.М. Золиной, С.Н. Косилова (1959).

В экспериментах по электромиографическому исследованию мышц верхних и нижних конечностей принимали участие 5 спортсменов высшей квалификации и 5 спортсменов-разрядников.

Рис. 2. Блок-схема установки для регистрации напряжения мышцы

Методика регистрации сократительных свойств мышц основана на устройстве

для оценки измерения обхватов верхних и нижних конечностей. Оно состоит из датчика, усилителя-преобразователя и регистратора (рис. 2).

Механической основой датчика является резиновая манжета, которая может одеваться на плечо, предплечье, бедро или голень испытуемого. На ней вертикально закреплены две пластины. Дистальные концы пластин зафиксированы относительно друг друга. На каждой пластине крепятся по два тензорезистора (рис. 3). На разработанное устройство получено свидетельство о рацпредложении.

Рис. 3. Устройство для измерения степе- Рис. 4. Схема обработки тензодинамо-ни напряжения мышц граммы традиционным способом

При выполнении движения происходит сокращение и расслабление мышц, в результате чего меняется их поперечное сечение, при этом манжета растягивается или сжимается, что приводит к изменению сопротивления тензорезисторов датчика. Это изменение сопротивления усилителем преобразуется в изменение напряжения, которое подается на регистратор и приводит к отклонению его пера. В качестве усилителя используется стандартный блок “Топаз”, регистратором служит самопишущий прибор Н-338. Таким образом, предложенная методика позволяет установить изменения поперечника мышц во времени и дать количественную оценку процессу “сокращение-расслабление”.

Для изучения взаимодействия с инерционными силами испытуемые выполняли максимально быстрое напряжение и расслабление с различными отягощениями: 2,5 кг;

5 кг; 7,5 кг и 10 кг. Затем исследуемые выполняли напряжение и расслабление мышц против упругих сил. С этой целью использовался металлический эспандер с одной и двумя пружинами. После выполнения этого задания испытуемые выполняли аналогичные действия против сил трения с дополнительной нагрузкой в 2,5; 5,0; 7,5; 10; 12,5 и 15 кг.

В качестве иллюстрации использования предложенной методики для косвенной оценки напряжения, развиваемого мышцами плеча (сгибателями и разгибателями предплечья), представлен образец записи быстрого произвольного сгибания и разгибания в локтевом суставе с отягощением в 2,5 кг (рис. 5). На рис. 6 представлен образец обработки данных эксперимента.

Рис. 5. Тензодинамограмма изменения обхвата плеча при максимально быстром сгибании руки в локтевом суставе с отягощением 2,5 кг

Рис.6. Та же тензодинамограмма после обработки

Скорость протяжки ленты при записи тензодинамограмм варьировала от 10 мм/с до 50 мм/с. Кроме того, при проведении различных экспериментов использовалась различная степень усиления. Необходимость пересчета зарегистрированных результатов в стандартный вид потребовала применения тарировки (рис. 7), на основе которой для каждого испытуемого определялась формула для пересчета зарегистрированных результатов в унифицированный вид, которая затем использовалась в компьютерной программе.

Несмотря на небольшое количество испытуемых (три человека), сложность об-

работки данных потребовала провести не менее 6000 измерений, но проведение таких измерений оправдано в связи с полученной возможностью последующего глубокого анализа биомеханики движений.

Рис. 7. График тарировки результатов

КОНСТИТУЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛЫЖНИКОВ-ГОНЩИКОВ

Настоящее применение конституциональных схем, разработанных для характеристики и описания обычных групп, к анализу распределения соматотипов в некоторых спортивных специализациях наталкивается на известные затруднения, поскольку у спортсменов, представляющих отдельные виды спорта, наблюдается сочетание признаков и особенностей, не предусмотренных обычными схемами.

Возникновение таких особенностей, прежде всего, связано со спецификой спортивной деятельности, которая характеризуется проявлением максимальной работоспособности в усложненных условиях, чаще всего экстремальных.

Иногда в процессе соревнований победителями становятся спортсмены, далеко стоящие от предполагаемого наилучшего соматического типа для данного вида спорта. В подобных случаях сказывается влияние многих факторов и, в первую очередь, таких, как уровень физической, технической, тактической и волевой подготовки атлетов. И все же подобные ситуации являются исключением, так как в преобладающем большинстве побед добиваются спортсмены, морфологически предрасположенные к данному виду спорта.

По данным одного из ранних исследований среди лыжников-гонщиков встречаются три типа телосложения:

2. Широко-короткий: длина тела приблизительно равна 164,5 см; периметр груди равен 91,9 см и более.

Источник

Adblock
detector