МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ИНТЕРВАЛА СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ

Ан.А.Шалманов, А.В.Григоренко, Ал.А.Шалманов

Механический ответ мышцы на электрическое раздражение (возбуждение) возникает с задержкой. Изучение временной задержки между началом электромиограммы (ЭМГ) и механическим ответом мышцы представляет интерес с нескольких точек зрения. Прежде всего это один из возможных путей познания механизмов управления мышечной активностью и изучения неоднозначности между ЭМГ мышц и их механическим ответом. Определение величин электромеханического интервала (ЭМИ) необходимо также для установления временных констант ЭМГ фильтров, поскольку интегрированная электромиограмма часто используется в качестве косвенного показателя силы тяги мышц [3,4]. И наконец, измерение временной задержки как в начале сокращения, так и во время расслабления мышцы может быть использовано для тестирования состояния нервно-мышечного аппарата человека и животных [1].

Результаты экспериментальных исследований [2-4] показывают, что запаздывание механического ответа мышцы в ответ на электрический сигнал связано с процессами активации и распространения возбуждения в мышечных волокнах и биомеханическими свойствами структурных элементов мышцы.

Дальнейшее изучение факторов, влияющих на величину ЭМИ и других показателей, отражающих состояние и сократительные свойства нервно-мышечного аппарата человека, необходимо как с точки зрения изучения фундаментальных проблем биомеханики и нейрофизиологии, так и для решения прикладных задач.

Цель настоящей работы заключается в том, чтобы разработать методику регистрации электромеханического интервала и исследовать влияние некоторых факторов на его величину.

Задачи исследования:

1. Проверить влияние условий отведения и параметров усилителя биопотенциалов на величину ЭМИ.

2. Изучить влияние положения тела и внешней нагрузки на изменение ЭМИ.

Методика и организация исследования

Электромеханический интервал определялся у трехглавой мышцы голени при быстром подошвенном сгибании стопы в ответ на звуковой сигнал. Испытуемый находился в положении сидя на стуле, высота которого изменялась так, чтобы углы в коленном и тазобедренном суставах были равны 90°, а угол в голеностопном суставе - 110°. Пятка правой ноги опиралась на тензометрированную пластину, а передняя часть стопы на подставку, высоту которой можно изменять. Испытуемый по команде должен быстро согнуть ногу в голеностопном суставе. При выполнении этого движения регистрировали падение силы давления пятки на опору и электрическую активность трехглавой мышцы голени. Во время эксперимента испытуемый мог наблюдать электрическую активность мышц на экране осциллоскопа и контролировать свои действия.

Сигналы с тензоусилителя (ТУП-12М) и электромиографа (MG440) поступали на вход аналого-цифрового преобразователя, а с него в компьютер (Роботрон СМ 1910) для последующей обработки. Преобразование сигнала осуществлялось с частотой 1922 считывания в секунду по каждому каналу. Сбор данных осуществлялся в течение 2 с. За это время спортсмен успевал выполнить движение.

Электромеханический интервал определяли следующим образом. Во время латентного периода двигательной реакции рассчитывали среднее значение и стандартное отклонение величины выходного сигнала биопотенциалов по каждому каналу. Эти величины в дальнейшем использовали для определения начала появления электрической активности мышц. Пороговым значением считалось отклонение выходного сигнала на две сигмы от средней величины. Так определяли начало ЭМИ, а его окончание соответствовало моменту начала падения силы давления пятки на опору. Для определения этого момента во время латентного периода рассчитывали среднюю силу давления на опору и момент ее уменьшения на 2% от этой величины. Отметим, что этому же моменту соответствует начало тяги трехглавой мышцы голени за кость, само же движение стопы начинается позже, то есть тогда, когда момент силы тяги мышц превысит момент силы тяжести звеньев ноги относительно плюснефаланговых суставов. Следовательно, от момента окончания ЭМИ до отрыва пятки от опоры также проходит время, которое мы условно назвали время разгрузки, поскольку в течение этого временного интервала уменьшается сила давления на опору.

Задача первого эксперимента состояла в том, чтобы проверить влияние положения электродов на мышце на величину электромеханического интервала. Для этого электроды располагали в пяти местах на латеральной и медиальной икроножных мышцах и в четырех местах на камбаловидной мышце. На икроножных мышцах электроды крепили в середине брюшка, на 2 см выше и ниже и на 2 см латеральнее и медиальнее средней точки. На камбаловидной мышце электроды располагали латеральнее и медиальнее пяточного сухожилия вблизи икроножных мышц и на 2 см ниже этого места. Во всех случаях электроды клеили вдоль хода мышечных волокон, межэлектродное расстояние было постоянным и равнялось 2,5 см.

Во втором эксперименте проверяли влияние полосы частот биоусилителя на величину ЭМИ. Были выбраны следующие диапазоны частот: 50 - 2000 гц; 50 - 10000 гц; 50 - 20000 гц; 10 - 10000 гц; 2 - 10000 гц; 200 - 10000 гц. Как и в предыдущем эксперименте испытуемые выполняли по 10 попыток на каждом диапазоне частот.

Влияние чувствительности биоусилителя на величину ЭМИ изучали в третьем эксперименте. Выбирались следующие значения этого параметра: 20, 50, 100 и 200 мкв. В использованном нами электромиографе предусмотрено дискретное изменение чувствительности прибора.

В этих экспериментах приняли участие 4 испытуемых, средний возраст которых равен 27,3±5,8 года, длина тела - 180,6±4,7 см и вес - 78,7±10,6 кг. Каждый из них выполнял по 10 попыток с утановкой как можно быстрее выполнить движение.

Вторая группа экспериментов была направлена на исследование зависимости ЭМИ от положения тела (угла в суставе) и величины внешней нагрузки.

Изменение угла в голеностопном суставе достигалось за счет изменения высоты подставки под передней частью стопы. Высота менялась в диапазоне от максимально возможного для каждого испытуемого тыльного сгибания стопы до ее наибольшего подошвенного сгибания, но при условии, что еще возможен отрыв пятки от опоры. Высота изменялась с дискретностью 17 мм, угол в голеностопном суставе измерялся гониометром перед каждой серией попыток (n=10), соответствующей той или иной высоте подставки. Угол измеряли между продольной осью голени и линией, соединяющей голеностопный сустав и плюснефаланговый сустав большого пальца. Как и в предыдущих экспериментах испытуемый должен был по сигналу быстро согнуть ногу в голеностопном суставе. Углы в тазобедренном и коленном суставах были равны 90°. Для обеспечения большей стандартности исходного положения и движения были использованы металлические направляющие, которые ограничивали движение ноги в поперечном направлении. Кроме того, при изучении влияния внешней нагрузки на величину ЭМИ по этим направляющим двигались перемещаемые в вертикальном направлении грузы.

В эксперименте приняли участие 5 испытуемых, средний возраст которых равен 26,3±3,6 лет, длина тела - 179,4±4,1 см и вес - 81,3±5,4 кг.

Изучение влияния внешней нагрузки на величину ЭМИ проводилось на тех же испытуемых и при тех же условиях, что и в предыдущем эксперименте. Отличие состояло лишь в том, что угол в голеностопном суставе не менялся - стопа располагалась горизонтально. Дополнительные грузы (9,6; 19,2; 28,8; 38,8 и 48,0 кг) в случайном порядке закрепляли на колене.

Результаты и обсуждение

Результаты дисперсионного анализа показали, что нет достоверных различий между величинами ЭМИ при рассмотренных вариантах расположения электродов на мышце. Влияние изучаемого фактора у разных испытуемых и разных мышц колебалось от 4,2 до 9,8 %. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что изменение положения электродов на мышце в изученных пределах не влияет на величину ЭМИ.

Следующим фактором является полоса частот усилителя биопотенциалов. Для большинства рассмотренных диапазонов мы не обнаружили статистически значимых различий в величинах ЭМИ. Исключение составляет диапазон частот от 200 до 10000 гц. У двух испытуемых из четырех величины ЭМИ при этом диапазоне частот достоверно отличались от других вариантов. Для проведения дальнейших исследований мы установили полосу пропускаемых частот от 50 до 10000 гц. Выбор нижней границы, равной 50 гц, обусловлен следующим хорошо известным обстоятельством. Многие исследователи, использующие электромиографическую методику, сталкиваются с трудностью получения качественной ЭМГ из-за влияния так называемых наводок. Последние возникают как при движении проводов и смещении электродов на поверхности кожи, так и в результате отрицательного влияния 50-ти герцовой составляющей сигнала от источника питания. Наиболее простой выход из ситуации фильтрация низких частот. В данном случае этот путь оправдан, поскольку ЭМИ практически не зависит от нижней границы (в пределах до 50 гц) частотного спектра биоусилителя.

Установлено значительное влияние чувствительности биоусилителя на величину ЭМИ. В таблице 1 представлены средние арифметические и стандартные отклонения значений ЭМИ для трехглавой мышцы голени у одного спортсмена.

Видно, что с повышением чувствительности усилителя ЭМИ увеличивается. Результаты дисперсионного анализа, проведенного для каждого испытуемого, показали существование статистически значимого влияния обсуждаемого фактора на величину ЭМИ. Степень влияния данного фактора для разных мышц колебалась в пределах от 26,1 до 54,4 %.

Таблица 1

Электромеханический интервал (мс) трехглавой мышцы голени при разных величинах чувствительности биоусилителя

В табл.2 в качестве примера приведены результаты дисперсионного анализа для камбаловидной мышцы у одного из испытуемых.

Таблица 2

Влияние чувствительности биоусилителя на ЭМИ камбаловидной мышцы при сгибании в голеностопном суставе.

Степень влияния фактора - 30,4% (Р<0,01).

Поскольку в эксперименте не всегда удается получить неискаженную ЭМГ при максимальной чувствительности усилителя, во всех дальнейших исследованиях мы устанавливали величину чувствительности биоусилителя, равную 50 мкВ.

Рассмотрим влияние суставного угла и внешней нагрузки на величину ЭМИ.

Результаты статистической обработки показали, что с увеличением угла в голеностопном суставе среднее ЭМИ трехглавой мышцы голени увеличивается. Изменение ЭМИ разных мышц имеет существенные индивидуальные особенности, среди которых отметим следующие.

1. Наиболее резкое увеличение ЭМИ у разных испытуемых начинается при разных углах в голеностопном суставе. Например, у одного - изменение в величине ЭМИ камбаловидной мышцы начинается при угле 120°, а у другого - при угле 140°.

2. У разных испытуемых при равных приращениях угла в суставе прирост величины ЭМИ разный.

Таблица 3

Зависимость ЭМИ (мс) латеральной икроножной мышцы от угла в голеностопном суставе

Увеличение задержки с ростом угла в голеностопном суставе обусловлено тем, что с увеличением длины мышцы изменяется состояние последовательной упругой компоненты, через которую сила тяги мышцы передается на кость. Чем больше угол тем больше необходимо потратить времени, чтобы растянуть упругую компоненту. Что же касается различий в приросте значений ЭМИ, то, по-видимому, в нем отражаются различия в упругих свойствах соединительно-тканных образований мышц у разных людей. В табл.3 представлены данные об изменении ЭМИ латеральной икроножной мышцы в зависимости от угла в голеностопном суставе.

В результате дисперсионного анализа было установлено, что у двух испытуемых нагрузка (в пределах значений, использованных в эксперименте) не влияла на величину ЭМИ. Степень влияния этого фактора для разных мышц была недостоверной и находилась в пределах 2,4 - 4,3 %. У остальных испытуемых увеличение нагрузки вызывало достоверное увеличение ЭМИ (влияние фактора - от 28,1 до 93,8%, при P<0,01). Время разгрузки возрастало с увеличением внешнего сопротивления. Величины обсуждаемых показателей для двух испытуемых приведены в таблице 4. Увеличение времени разгрузки объяснить просто, поскольку для преодоления растущего внешнего сопротивления требуется большая сила тяги, а значит и время. Что же касается влияния нагрузки на изменение ЭМИ, то для ответа на этот вопрос необходимы дополнительные исследования.

Таблица 4

Зависимость ЭМИ (мс) камбаловидной мышцы и времени разгрузки (мс) от внешней нагрузки у двух испытуемых

ВЫВОДЫ

1. При измерении электромеханического интервала необходимо указывать величину чувствительности биоусилителя, нижнюю границу полосы пропускаемых частот и способ определения начала и окончания ЭМИ.

2. На величину ЭМИ оказывает существенное влияние положение тела (угол в суставе), из которого начинается движение. С уменьшением угла в голеностопном суставе икроножные мышцы растягиваются и уменьшается ЭМИ. Эта зависимость носит ярко выраженный индивидуальный характер, что вероятно обусловлено влиянием и различиями в характеристиках последовательной упругой компоненты.

3. Получены противоречивые результаты, не позволяющие однозначно судить о влиянии внешней нагрузки на изменение ЭМИ. Этот вопрос требует дальнейшего изучения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Grottel K., Celichowski J. Contraction time and contraction delay of motor units in rat's medial gastrocnemius muscle. Biology of sport. Vol. 5, #4, PWN-Polish Scientific Publishers Warszawa, p.285-295, 1988.

2. Komi P.V., Cavanagh P.R. Electromechanical delay in human skeletal muscle.Med. Science Sport, 9, p.49, 1977.

3. Norman R.W., Komi P.V. Electromchanical delay in skeletal muscle under normal movement conditions. Acta Physiol. Scand. 106: p.241-248, 1979.

4. Viitasalo J. Neuromuscular performance in voluntary and reflex contraction with special reference to muscle structure and fatigue.Studies in sport, physical education and health 12, 59 p., 1980.

При любом использовании данного материала ссылка на первоисточник обязательна!

Шалманов Ан., А. Методика измерения электромеханического интервала скелетных мышц / Шалманов Ан. А., Григоренко А.В., Шалманов Ал. А. // Тр. учен. ГЦОЛИФКа. 75 лет : Ежегодник. - М., 1993. - С. 272-277.