ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2014, том 40, № 2, с. 119-122
= МЕТОДИКА
УДК 612.217;612.282
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ И АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМИОГРАММЫ ДЫХАТЕЛЬНЫХ
МЫШЦ ЧЕЛОВЕКА
© 2014 г. С. Д. Солнушкин1, В. Н. Чихман1, М. О. Сегизбаева1, [М. А. Погодин!1, В. Г. Александров2
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург 2Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена, Санкт-Петербург
E-mail: vg_aleks@yahoo.com Поступила в редакцию 10.07.2012 г.
В данной методической статье представлен новый аппаратно-программный комплекс, позволяющий не только зарегистрировать электромиограмму (ЭМГ) разных групп дыхательных мышц, но и провести ее амплитудно-частотный анализ с автоматическим вычислением тех параметров ЭМГ, которые позволяют определить изменение вклада в работу дыхания той или иной дыхательной мышцы и выявить начальные признаки ухудшения функционального состояния дыхательной мускулатуры. Представленный комплекс может быть использован для функциональной диагностики дыхания у больных и здоровых людей, занимающихся специфическими видами трудовой и спортивной деятельности.
Ключевые слова: электромиография, дыхательные мышцы, утомление, центроидная частота.
Б01: 10.7868/80131164614010184
Средства и методы информационных технологий в современных исследованиях системы внешнего дыхания являются необходимым инструментом для регистрации объемно-временных параметров дыхания и анализа электромиограммы (ЭМГ) дыхательных мышц [1—3]. Регистрация электрической активности разных групп дыхательных мышц необходима для оценки функционального состояния дыхательной мускулатуры, от которого зависит эффективность вентиляционной функции легких. Ухудшение функционального состояния дыхательных мышц приводит к уменьшению вентиляции и развитию гиперкапнии, что снижает физическую работоспособность и осложняет течение тех заболеваний дыхательной системы, которые сопровождаются слабостью дыхательной мускулатуры [4, 5].
Основной целью нашей работы явилось создание специального аппаратно-программного комплекса, позволяющего диагностировать развитие функциональной недостаточности дыхательных мышц на ранних стадиях. В отличие от стандартного программного обеспечения, которым снабжаются электромиографы, разработанный нами аппаратно-программный комплекс позволяет не только зарегистрировать ЭМГ дыхательных мышц, но и провести ее амплитудно-частотный анализ с вычислением тех параметров, которые
позволяют выявить начальные признаки ухудшения функционального состояния дыхательной мускулатуры.
Аппаратно-программный комплекс состоит из пневмотахографа, усилителя биопотенциалов, многоканального аналого-цифрового преобразователя и компьютера с программой ввода и анализа данных. Для записи пневмотахограммы используется пневмотахографическая трубка № 5 и преобразователь давления. Электрическая активность дыхательных мышц регистрируется одноразовыми накожными посеребренными электродами диаметром 10 миллиметров. Для регистрации электрической активности дыхательных мышц используется биполярный способ отведения биопотенциалов. Индифферентный электрод крепится на левом предплечье. В проведенных методических экспериментах биопотенциалы основной дыхательной мышцы — диафрагмы, отводились от электродов, размещенных в 7 и 8 межреберном промежутке по правой передней подмышечной линии. Электрическая активность вспомогательной дыхательной мускулатуры регистрировалась на примере правой лестничной мышцы. Электроды располагались вдоль хода волокон лестничной мышцы в треугольнике, образованном ключицей, задним краем грудино-клю-чично-сосцевидной мышцы и передним краем
120
СОЛНУШКИН и др.
Файл Обработка
2.0
0
Исслед_№_10-4-2012_12-51-34_^апп6
—1— А-
0.5 0 0.5
15 16 17 18 19 20 21 22
Электромиограмма
23
24
25
26
■JAi..-- . .11 IUI^milLI J
1
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Интегрированная временная зависимость
25
26
0.2
0
1.0
0
/V
—I-1-1—
15 16 17
~1—
25
—I—
26
18 19 20 21 22 23 Исслед_№_10-4-2012_12-51-34_^апп1
24
А "V
15 16 17
18
19
20
21
22
23
24
25 26
Рис. 1. Графический интерфейс программного модуля первичной обработки сигнала электромиограммы. Пояснения см. в тексте.
c
c
c
c
широчайшей мышцы спины справа. Электромиографический сигнал усиливался в 10 тысяч раз усилителями с оптоэлектронной развязкой и фильтровался в реальном времени с полосой пропускания 16—500 Гц.
Синхронно зарегистрированные электромиографические сигналы и пневмотахографический сигнал вводятся в компьютер с частотой дискретизации 1 кГц. Фрагменты одновременной записи сигналов преобразовываются в текстовые файлы и используются для анализа, с помощью специально разработанного программного обеспечения, которое было реализовано средствами Delphi и функционирует в среде Windows XP/7. Графический интерфейс программного модуля первичной обработки сигнала ЭМГ позволяет отобразить синхронно оцифрованные фрагменты ЭМГ и пневмотахо-граммы (рис. 1).
Во время регистрации электромиограммы на электроды часто наводится электрический сигнал активности сердца. Первичная обработка зарегистрированной ЭМГ заключается в "редактировании неправдоподобных значений" во входных данных, позволяющем с помощью компонента LowPassFilter (из свободно распространяемой библиотеки BaseGroupeLabs) отфильтровать электрокардиографический сигнал. Алгоритм
подавления неправдоподобных выбросов, реализованный в данном компоненте, основан на ро-бастной оценке средней скорости изменения временного ряда регистрируемого сигнала. В частности, алгоритм позволяет удалить из входного сигнала наведенную помеху от сигнала электрокардиограммы. Результат работы алгоритма показан на рис. 1, где сверху представлен исходный сигнал, а под ним - сигнал после удаления наводки от электрокардиограммы. Интерфейс программы отображает также обработанную ЭМГ методом "скользящей средней" по 100 значениям в виде интегрированной временной зависимости — огибающей электромиограммы (см. рис. 1 — третья запись сверху). Четвертая запись на рис. 1 представляет инспираторную пневмотахограмму, по которой можно четко определить начало и конец вдоха. Первичная обработка позволяет качественно, визуально оценить регистрируемый сигнал ЭМГ. Получение количественных показателей отображается в другом графическом окне (рис. 2).
В окне обработки (см. рис. 2) экспериментатор, ориентируясь на начало и конец вдоха на ин-спираторной пневмотахограмме (третья запись сверху), указывает границы фрагментов электро-миограммы, протяженность которых соответ-
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ
121
Исслед_№_10-4-2012_12-51-34_СЬапп6
Действие Сохранение
Электромиограмма
0.5
0
-0.5
.....Ыя4Щ ■
«¡¡¡F
Фрагменты I Фрагмент 1 I Фрагмент 2 I Фрагмент 3
~1—
15
16
17
—I—
18
~1—
19
—I—
20
21
22
—I—
23
—I—
24
—I—
25
26
Интегрированная временная зависимость
0.2 -
0
1.5 1.0 -0.5 -0 -
16. 201 R 25 743
106.372 112.628 : \ 117.862 ,..
А—Ä——-
15
~1—
16
~1—
17
18
19
—I—
20
—I—
21
22
23
—I—
24
—I—
25
Вдох-выдох
15 16 17 18 19 20 21 22 Фрагмент 1 Фрагмент 2 Фрагмент 31| Фрагмент 4 Фрагмент 5
Спектр
23
24
25
12 10 8 H
6
42 -
0
- Центр частота 181
- Частота максимума 145
- Частота 50
- Частота 150 -Частота 250
Частота 350
I Диапазон 50—150 Гц Я Диапазон 250-350 Гц
0.51
I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Гц
26
Максимумы и 16.201:0.273
■ 20.965:0.352 > 25.743:0.242 □ MarkerGroup4
■ MarkerGroup5
Фрагменты
Фрагменты Фрагмент 1 Фрагмент 2 Фрагмент 3
26 c
Параметры —
SO"
. I 50
150
0~
sr
_l 250 : I 350
Исходные в Excel
Рис. 2. Графический интерфейс программного модуля количественной обработки сигнала электромиограммы. Пояснения см. в тексте.
c
ствуют длительности вдоха. Для каждого фрагмента ЭМГ программа вычисляет площадь под огибающей ЭМГ, максимальную амплитуду огибающей, проводит спектральный анализ этих фрагментов. Амплитудный спектр выбранного экспериментатором фрагмента входного сигнала представлен в отдельном окне интерфейса программы (см. рис. 2 — внизу слева). Программа вычисляет параметры, которые описывают специфические особенности спектра сигнала: центро-идную частоту, а также соотношение мощности высокочастотной и низкочастотной полос данного спектра. Конкретные границы частотных полос в каждом случае выставляются экспериментатором с помощью "полос прокрутки" (см. рис. 2 — внизу справа). Результаты вычислений отображаются в отдельных окнах и могут быть переданы в программу Excel.
В таблице в качестве примера изображены результаты обработки записей электромиограммы диафрагмы и лестничной мышцы во время произвольных глубоких вдохов испытателя, до и после пятиминутного теста с выполнением мышечной работы на тредбане в условиях дыхания с добавочным сопротивлением (40 см вод. ст.). В спектре ЭМГ лестничной мышцы после теста наблюдается смещение центроидной частоты и отношения мощности высоких частот к низким частотам в сторону низких частот. Как известно, смещение спектра электромиограммы в сторону низких частот является ранним признаком развития мышечного утомления [6, 7]. В спектре ЭМГ диафрагмы сдвига данных параметров в низкочастотную область не наблюдается. В то же время площадь под огибающей ЭМГ и ее максимальная амплитуда у лестничной мышцы после теста увеличивались в полтора и почти в два раза, соответ-
122 СОЛНУШКИН и др.
Изменение показателей электромиограммы (ЭМГ) до и после выполнения теста (испытуемый АБ)
Расположение электродов Время регистрации относительно теста Центроидная частота, Гц ВЧ/НЧ, отн. ед. Площадь под огибающей ЭМГ, отн. ед. Максимальное значение огибающей ЭМГ, отн. ед.
Диафрагма До 185 16.21 112.38 0.29
После 200 20.79 109.16 0.22
Лестничная До 182 8.49 214.40 0.37
мышца После 146 4.83 340.57 0.63
Примечание. ВЧ/НЧ — соотношение мощности высокочастотной и низкочастотной полос спектра электромиограммы.
ственно, тогда как у диафрагмы, наоборот, эти показатели несколько уменьшались
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.