Керування фізіологічними функціями на основі електричної стимуляції.

Вступ

Рухова функція людини - одна з найбільш складних і розвинутих функцій, що склалися в результаті тривалого філогенеза. Рухові команди формуються в корі та інших рухових цнетрах головного мозку людини на основі афферентної інформації, яка отримується в результаті дії зовнішнього середовища.

За визначенням І. М. Сєчєнова, значна частина зовнішніх виявів мозкової діяльності зводиться до одного лише явища - м’язового руху. Іншими словами, процес взаємодії людини з навколишнім середовищем в значній мірі реалізується рухами.

Питання про керування рухами людини в останній час привертає увагу великого кола спеціалістів - лікарів, фізіологів, інженерів. Цікавість до керування руховими функціями чи впливу на них з ціллю виправлення тих чи інших паталогічних відхилень виникла не тільки на основі чисто наукової цікавості, але й як практична необхідність. Актуальність цієї проблеми пов’язана з тим, що вже є можливість застосування штучних систем керування для відновлення та компенсації втрачених рухових функцій, а також з необхідністю надання допомоги при рухах та тренуваннях м’язів людини.

При деяких захворюваннях нервової системи, особливо тих, що супроводжуються порушенням рухових функцій, невід’ємною частиною загального комплексу лікувальних міроприємств було і залишається застосування електростимуляційної терапії. Однак традиційні методи стимуляції (імпульсними токами різної форми) не вирішують повністю задачу по реабілітації хворих з руховими порушеннями. Цим пояснюється цікавість, що виявляється спеціалістами до систем керування рухами людини, в основу яких покладено принцип електричної стимуляції м’язів. Це пов’язано з тим, що вже доведена ефективність використання таких систем для відновлення та компенсації втрачених рухових функцій, а також досягнуто деяких успіхів їх застосування в спорті та для тренування м’язів людини.

Керування фізіологічними функціями на основі електричної стимуляції.

Що ж розуміють під стимуляцією взагалі і які особливості електростимуляції? Під стимуляцією розуміють будь-який вплив на живий об’єкт з метою змінити його діяльність.

В лікувальних цілях електростимуляція дає можливість:

1) попередити м’язову атрофію;

2) збільшити силу м’язового скорочення;

3) підтримати денервування м’язового волокна в хорошому функціональному стані на протязі періоду, який необхідний для настання реінервації;

4) покращити кровозабезпечення м’язів та інших тканин.

Вибір електростимуляції, як одного із засобів лікування та профілактики травматичних захворювань опорно-рухового апарату в спортсменів визначається тим, що окрім зміцнення м’язового апарату, цей метод дозволяє отримати такі терапевтичні ефекти як анальгезію та гіперемію.

Щоб відновити втрачені рухові навики, потрібно одночасно стимулювати декілька м’язів по визначенній програмі. Навіть в самі прості рухи задіюється декілька м’язів, які працюють в чітких часових співвідношеннях. Тому важливим етапом в побудові електростимулятора був перехід до багатоканальних електростимуляторів.

Систему електростимуляції можна зробити функціонально білш гнучкою, якщо замість фіксування програм мати можливість вільно керувати роботою стимулятора. Для цього в якості керуючих сигналів в загальному випадку може бути використаний той чи інший фізіологічний параметр організму, в тому числі і електроміограма (ЕМГ), що несе інформацію про ступінь м’язового скорочення. такі стимулятори отримали назву біостимуляторів чи електростимуляторів з біокеруванням. Поніття біостимуляції пов’язують з поняттям функціональної стимуляції.

Серед біокерючих стимуляторів розрізняють стимулятори порогового типу, що працюють по принципу " так-ні" і пропорціонального типу. Одним із способів підвищення функціональності електростимуляторів є перехід від порогових стимуляторів до пропорційних.

Принципи біокеруючої стимуляції пропорційного типу реалізовані в розробленому в Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова пристрої " Міотон". Принцип дії пристрою показано на рисунку 1.

Рисунок 1. Блок-схема одноканального пристрою " Міотон"

Відмінною рисою пристрою " Міотон" є те, що в якості програми керування стимулюючим сигналом в ньому використовується істинна ЕМГ керуючих м’язів донора. Ця відмінність разом з багатоканальністю дозволяє враховувати в програмі керування просторово часові відношення закономірностей участі різних м’язових груп донора у виконанні рухів. Сигнали, що відводяться при виконанні руху від тих або інших м'язів донора за допомогою поверхневих шкірних електродів, після визначених перетворень керують амплітудою стимулюючих сигналів, що потім підсилюються і подаються на ідентичні м'язи реципієнта. У випадку застосування пристрою «Міотон» в якості програми керування роботою м'язів реципієнта використовується та послідовність включення працюючих м'язів донора і тих змін його м'язових зусиль, що спостерігаються при виконанні необхідного природного рухового акта. Реципієнт при відповідному підборі величини збуджуючих сигналів практично повторює рух донора. Оскільки сигнал від донора може бути заздалегідь записаний у блоці магнітної пам'яті, то з'являється можливість багаторазово повторювати записаний алгоритм руху або робити попередній «монтаж» з метою поновлення визначених рухів. Завдяки наявності в пристрої «Міотон» декількох каналів і застосуванню в них в якості керуючих впливів перетвореної активності м'язів, що задають програму рухів, електростимуляції піддається відразу кілька м'язів людини (реципієнта), рухами якого керують у такій послідовності, у якій вони скорочуються в природних умовах. Це дозволяє нав'язувати реципієнтові ряд основних рухів і підвищити ефективність реабілітації при порушеннях рухових функцій, зв'язаних з поразкою центральної і периферичної нервової системи.

При керуванні рухами по типу донор — реципієнт, здійснюваному за допомогою пристрою «Міотон», система электростимуляции стає функціонально більш гнучкою.

" Міотон" - функціонально більш гнучка система керування, яка має переваги перед електростимуляторами. Таким чином, " Міотон" можна класифікувати як розімкнуту систему неперервного та пропорціонального біоелектричного керування. Спосіб обробки програмного сигналу дозволяє непреривно здійснювати керування. Оператор може довільно давати команди про виконання деякого руху донора, змінювати характеристику керуючих сигналів. Параметри стимулюючого сигналу змінюються пропорційно змінам значень характеристик м’язів донора.

" Міотон" - розімкнута система керування, оскільки роль зворотнього зв’язку в ній фактично виконує оператор.

Проведені спостереження по багатоканальній електростимуляції м’язів у хворих з паралітичними захворюваннями дозволяють привести деякі методичні рекомендації:

1) тренування згинаючо-розгинаючих рухів дистальних відділів кінцівок з метою покращення пропріоцетивної афферентації;

2) тренування великих розмашистих рухів направленних на розробку " динамічного стереотипу";

3) тренування окремих ослаблених м’язових груп та м’язів.

Для здійснення згинаючо-розгинаючих рухів зап’ястя електроди потрібно накладати послідовно на рухомі точки ліктьового та променевого розгиначів та згиначів зап’ястя.

При тренуванні глобальних рухів в основному рекомендується використовувати методику розвитку та тренування крокових рухових навиків по спеціально підготовленній програмі. Для руки рекомендується послідовне згинання в плечевому, ліктьовому та променевозап’ястному суглобах. Для цього електроди накладаються на проекцію рухових точок середньої порції дельтевидного м’яза, супінаторового передпліччя та розгиначів суглоба.

При біоелектростимуляції м’язів необхідно уникати монотонних тренувань рухів і розвивати з кожною новою процедурою різноманітність по часу та характеру рухових навиків, використовуючи різні параметри стимулюючого сигналу, різні вихідні положення та інше.

На курс лікування при порушенні рухових функцій, пов’язаних із захворюваннями центральної нервової системи, рекомендується відпускати 20-30 процедур тривалістю від 20 до 30 хвилин кожна. За період однієї процедури кожна рухова точка стимулюючого м’яза може подразнюватися не більше 15 разів. Результати лікування можуть бути слідуючими:

- покращення загальної рухливості;

- набуття нових рухових навиків, розвиток статично-динамічних функцій, оволодіння побутовими навиками, підвищення сили м’язів кінцівок;

- часткова нормалізація м’язового тонуса, підвищення м’язової сили та опір м’язів навантаженню.

Існує декілька методик біоелектричної дії:

1) біоелектричне керування з метою дії на згинально-розгинаючу функцію м’язів зап’ястя та стопи;

2) біоелектростимуляція м’язів плечевого пояса;

3) біоелектростимуляція з метою обробки крокових рухів;

4) біоелектростимуляція мімічної мускулатури;

5) вибір програми біоелектростимуляції найбільш вигідних груп м’язів для відновлення потрібних рухів кінцівок та тулуба.

В останні десятиліття намітилася тенденція використання електростимуляції не тільки для лікування хворих людей, а й для здорових. При цьому намагаються досягти в основному двох цілей: компенсації дії несприятливих екстремальних умов, а також отримання додаткового тринувального ефекту. Останнє й пояснює цікавість до використання електростимуляції в спортивних тренуваннях.

Тренування м’язів за допомогою електростимуляції у спортсменів та у неспортсменів розвиває не тільки м’язову силу, а й підвищує дієздатність та витривалість м’язів. Ріст довільної м’язової сили пов’язують в основному з робочою гіпертрофією стимулюючих м’язів.

Багатоканальність пристрою " Міотон" та можливості використовувати гнучку програму керування, в основі якої покладено природні рухи, дозволили застосовувати пристрій " Міотон" в іншій області. Цей пристрій був використанний в спеціальних умовах тренування м’язів людини.

Для запису програм біоелектричного керування використовували багатоканальний підсилювач біопотенціалів м’язів, що входить в пристрій " Міотон". Крім того, для запису програм біоелектричного керування на магнітну плівку було розроблено пристрій, що складається із плівкопротяжного механізму.

Апаратура для відображення програм біоелектричного керування включала пристрій для відтвореня потенціалів з магнітної плівки та пристрій біоелектричного керування рухами " Міотон".

Для оцінки якості відображення рухів у реціпієнтів у відповідності з рухами, що робив донор, була розроблена методика проведення порівняльних експерементальних досліджень. Була записана програма біоелектричного керування рухами тулуба шляхом реєстрації ЕМГ від різних м’язів. Синхронно із записом програми біоелектричного керування рухами відбувалася зйомка дорожного стану з допомогою кінокамери, що знаходилася поряд з донором. Досліджуваний реціпієнт знаходився перед екраном на який з допомогою кінопроекту проектувався раніше знятий фільмовий ролик. Позаду досліджуваного розміщувалася апаратура для біоелектричного керування, проекції фільмового ролика та реєстрації стабілограм. Реєстрація стабілограм відбувалася в положенні " сидячи", " стоячи" на платформі в стані спокою; при біоелектричному керуванні рухами і т.д.

Отримані результати свідчили про ефективність біоелектричного керування та показу кінофільма для забезпечення як біомеханічного так і смислового компоненту відтворених рухів.

Вказаний комплекс дій може бути рекомендований для застосування у фізичному тренуванні з метою підвищення його ефективності.

Метод багатоканального програмного біоелектричного керування дозволяє в деякому ритмі визивати комплексні пластичні рухові акти. При цьому руховий акт відбувається за рахунок збудження тих же груп м’язів, які беруть участь у виконанні рухів в нормальних умовах. Програмне керування з почерговою ритмікою наростання й ослаблення активності допомагає розслабити м’язи після скорочення - фактору, що необхідний для виконання слідуючих скорочень. Залучення до роботи декількох функціонально зв’язаних м’язів сприяє більш рівномірному та правильному розподіленню збудження та розслаблення різних м’язів. Все це дозволяє враховувати функціональні відносини динамічних груп, що знаходяться в постійній готовності до виконання рухових актів.

Основною перевагою систем біоелектричного керування пропорційного типу, до яких відноситься пристрій «Міотон», є те, що в них людина одержує можливість довільно дозувати біоелектричний сигнал. Однак створення системи пропорційного керування вимагає вирішення ряду принципових питань, серед яких немаловажними є вибір способу виділення необхідної або бажаної інформації з біоелектричного сигналу і способу перетворення інформативного параметра біоелектричного сигналу в сигнал, керуючий стимулюючим сигналом.

Для вибору способу виділення інформації необхідно володіти характеристиками сигналу. Які ж основні параметри електричної активності м'язів? З якісної точки зору ЕМГ насамперед характеризується амплітудним і частотним параметрами. Середнє значення амплітуди інтерференційної ЕМГ при поверхневому відведенні коливається в межах 20— 200 мкВ. При максимальних напругах м'яза величина электричних коливань ЕМГ може складати 1—2 мВ. З зовнішніх факторів на величину амплітуди головним чином впливають величина площі відведення і міжелектродна відстань. У найбільш загальному виді чим більша площа електродів і міжелектродна відстань, тим більша реєструюча активність S.

Знання частотних характеристик ЕМГ є важливим для вибору раціональної смуги пропускання з погляду відношення сигнал-шум і обробки ЕМГ для біоелектричного керування.

Більше число досліджень визначає діапазон максимальних амплітуд спектра ЕМГ у межах 70—200 Гц. Виходячи з даних про смугу частот ЕМГ, можна зробити вибір частотної смуги пропускання підсилюючих пристроїв, що використовуються при розробці БЕСК. Що стосується обмеження діапазону пропускання на вищих частотах, то фактично всі дослідники обмежують смугу частотами 800—1500 Гц. Використовувати інтерференційну ЕМГ безпосередньо для керування неможливо. Тому попередньо її потрібно піддати обробці з метою виділення корисної інформації про рух. Потенціали ЕМГ повинні бути відповідним чином підсилені і перетворені у форму, придатну для керування.

Використання біопотенціалів для керування висуває до методів обробки сигналів ще одну вимогу — високу швидкість аналізу даних потенціалів. Без цього неможливо ефективно використовувати біопотенціали для керування, тому що протягом часу обробки параметри біологічної системи можуть істотно змінитися. Тому для біоелектричного керування типовий такий режим, при якому відбуваються безперервний добір і аналіз корисної інформації з негайним використанням результатів цього аналізу для керування.

При біоелектричному керуванні рухами основною метою є те, щоб м'яз реагував на керуючі сигнали в такий же спосіб, як реагує нормальний м'яз на надходження до нього нервових імпульсів порушення. Успіх рішення цієї проблеми багато в чому визначається вирішенням задач, пов'язаних з формуванням алгоритму скорочення м'яза, близького до природнього. Для цього насамперед необхідно розташовувати відомості про ті залежності, що зв'язують електричний і механічний ефекти активації нормального м'яза.