ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2004, том 30, № 6, с. 62-69
УДК 615.847:612.766
НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МЫШЦ ПРИ ХОДЬБЕ ЧЕЛОВЕКА В НОРМЕ
© 2004 г. А. С. Витензон, К. А. Петрушанская
Федеральный научно-практический центр медико-социальной экспертизы и реабилитации инвалидов, Москва
Поступила в редакцию 22.10.2003 г.
Методом внесения кратковременных возмущений в биомеханическую структуру ходьбы с одновременной регистрацией электрической активности мышц установлено существование у человека ин-траспинальной локомоторной программы, состоящей из периода торможения, когда афферентные воздействия не могут реализоваться, и периода возбуждения, когда они способны проявиться. В электромиографическом профиле мышц нижних конечностей при ходьбе по горизонтальной поверхности и по лестнице следует выделять три зоны. Зона М (максимальная активность) и зона У (умеренная активность) относятся к периоду центрально запрограммированного возбуждения, а зона Н (низкоамплитудная активность) - к периоду центрально запрограммированного торможения. Различие первых двух зон заключается в том, что в зоне М активность является регулярной, тогда как в зоне У активность нерегулярна и колеблется по величине в зависимости от биомеханических условий. Устойчивость активности в зоне М определяется, по-видимому, совокупным действием спи-нального генератора локомоторных движений, циклических супраспинальных влияний и различной, прежде всего, проприорецептивной афферентацией от конечности. Усиление активности в зоне У преимущественно зависит от афферентных влияний.
В существующей литературе отсутствует общая концепция изменения электромиографического (ЭМГ) профиля мышц как при нормальной, так и при патологической ходьбе. Большинство авторов ограничивается описанием регулярных волн активности мышц и их биомеханического эффекта в локомоторном цикле [1-5].
Между тем, при некоторых ситуациях регулярные волны активности изменяются по амплитуде, длительности и фазе; возможно также исчезновение или появление отдельных волн, не свойственных ходьбе в среднем оптимальном темпе. Строго говоря, эти последние нельзя считать коррек-ционными в отличие от регулярных силовых [6], так как они возникают при вполне определенных условиях, видоизменяющих кинематику и динамику ходьбы.
В настоящем исследовании сделана попытка разработать общую концепцию изменения ЭМГ-профиля мышц при ходьбе человека на основе синтеза нейрофизиологических и биомеханических данных, полученных при изучении локомо-ций.
МЕТОДИКА
В работе были использованы две методики. Первая из них была направлена на определение изменений электрической активности ряда мышц при внесении кратковременных возмущений в биомеханическую структуру ходьбы. При этом
регистрировали в натуральном и интегрированном виде ЭМГ двух мышц (четырехглавой бедра и полусухожильной), угловые перемещения в коленном (КС) и тазобедренном (ТБС) суставах, по-дограмму. Электрическую активность мышц отводили поверхностными электродами в виде латунных чашечек диаметром 10 мм с межэлектродным расстоянием 40 мм. Биопотенциалы мышц усиливали прибором УБП-01 и с помощью интегратора с частотным кодом измеряли величину активности. Угловые перемещения записывали посредством электрогониометров.
Для внесения кратковременных возмущений в структуру ходьбы был разработан ортопедический аппарат, снабженный электромагнитным устройством и электронной системой управления, что позволяло осуществить принудительное торможение или выключение движения в КС в любую фазу шага в течение 100-500 мс [7].
Вторая методика заключалась в регистрации электрической активности шести мышц нижней конечности (икроножной, передней большебер-цовой, четырехглавой бедра, двуглавой бедра, полусухожильной и большой ягодичной) при ходьбе по горизонтальной дорожке и по лестнице вверх и вниз. Испытуемые ходили по дорожке в 14 м с алюминиевым покрытием и по лестнице, имеющей семь ступенек высотой 0.15 м. При этом регистрировали электроподограмму и электромио-грамму. Электроподограмму записывали с помо-
щью специальных сандалий с металлическими контактами в пяточной и носковых частях.
Для регистрации электрической активности мышц использовали поверхностные электроды, усилитель биопотенциалов УБФ-4 и устройство, позволяющее ввести в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) не натуральную ЭМГ, а ее огибающую при очень малой постоянной времени (5 мс).
Измеряемые параметры обрабатывали с частотой 200 раз в секунду при помощи 12-разрядного АЦП с погрешностью 1-2 разряда специальной программой и записывали на жесткий диск ПЭВМ в виде файлов для длительного хранения. Одновременно регистрировали электрическую активность четырех мышц и электроподограмму правой и левой нижних конечностей [8]. В результате обработки на компьютере были получены кривые распределения электрической активности мышц в течение цикла ходьбы (ЭМГ-профиль мышц). Исследования были проведены на 10 здоровых испытуемых. Полученные графики ЭМГ-профиля мышц являлись результатом усреднения полученных данных.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Изменения электрической активности мышц под влиянием нарушений активности в коленном суставе при ходьбе были многократно исследованы с участием пяти здоровых испытуемых. В каждом опыте регулярно изменяли фазу и длительность остановки, чтобы исключить возможность образования условного сенсомоторного рефлекса. Остановку движения осуществляли при разной величине угла разгибания или сгибания в коленном суставе в переносную фазу шага. Одновременно регистрировали электрическую активность четырехглавой мышцы бедра и полусухожильной мышцы (рис. 1, А). Преждевременное сильное возбуждение четырехглавой мышцы бедра наступало лишь при определенных условиях опыта (рис. 1, Б). Такими условиями являлись следующие: а) значительная величина угла сгибания в коленном суставе, близкая к максимальной при ходьбе; б) вторая половина переносной фазы, начиная с 75% цикла; в) определенная длительность остановки движения (свыше 100-200 мс); г) время приближения замыкания сустава к моменту появления активности четырехглавой мышцы бедра в предопорный период. При этом никакой реакции со стороны полусухожильной мышцы бедра не было отмечено.
При замыкании КС обычно наблюдали также быстрое сгибание в ТБС (из-за перераспределения кинетического момента между смежными звеньями ноги голени и бедра), вследствие чего
N-
0.5 с
Рис. 1. Изменение параметров ходьбы при фазовом выключении движений в коленном суставе (КС): А -обычная ходьба, Б - остановка движений в КС в середине переносной фазы, В - остановка движений в КС в конце опорной фазы.
ПП - подограмма правой ноги, ЧМ и ПСМ - интегрированная и натуральная ЭМГ правой четырехглавой мышцы бедра и правой полусухожильной мышцы, КУ - коленный угол, ОТМ - отметка о выключении движений в КС.
центр масс (ЦМ) нижней конечности поднимался выше. Анализ циклограмм движений нижних конечностей показал, что в интервале 70-100% цикла ходьбы, т.е. во второй половине переносной фазы, вектор опорной реакции все ближе перемещается к переднему отделу стопы опорной ноги.
По-видимому, остановка движения в коленном суставе, подъем ЦМ ноги, сдвиг вектора опорной реакции к концу опорного контура, увеличение сил инерции, способствующее движению вперед, создает ситуацию возможного нарушения равновесия. Все это, вероятно, является сигналом для раздражения различных проприорецепторов нижней конечности и, возможно, определяет упреждающую реакцию четырехглавой мышцы: появление ее повышенной активности с опережением на 40 мс в предопорную фазу шага. Дальнейшее возрастание активности мышцы в опорную фазу шага следует рассматривать как проявление миостатического рефлекса, поскольку речь идет
А
Б
ПП
чм
ПСМ
— ПЛ
— ТБУ
— КУ
в
1000 мкВ
.......
500 имп/с = 50 мкВ
угол 60°
0.5 с
Рис. 2. Изменение параметров ходьбы при варьировании длительности замыкания коленного сустава (КС): А - обычная ходьба, Б - замыкание КС на время свыше 100 мс, В - замыкание КС на время, меньшее 100 мс.
ПП - подограмма правой ноги, ПЛ - подограмма левой ноги, ЧМ и ПСМ - интегрированная и натуральная ЭМГ мышц, соответственно: четырехглавой мышцы бедра, полусухожильной мышцы, КУ и ТБУ -коленный и тазобедренный межзвенные углы; стрелкой обозначено начало замыкания в суставе.
о наступании на опору полусогнутой ноги в момент резкой активации растянутой четырехглавой мышцы бедра. Отметим, что любая остановка движения в коленном суставе на более ранней стадии, т.е. в фазе сгибания, не вызывает никакой ответной реакции со стороны этой мышцы. Однако, если остановку движения в коленном суставе производят в конце опорной фазы, препятствуя тем самым сгибанию в суставе, то с коротким латентным периодом появляется вспышка активности полусухожильной мышцы (рис. 1, В).
При установлении генеза этой реакции примем во внимание следующие факты: 1) реакция возникает в условиях, крайне неблагоприятных для выработки временной связи вследствие варьирования фазы и длительности раздражения; 2) ответные изменения активности четырехглавой мышцы бедра сразу же приобретают дифференцированный характер, т.е. зависят от фазы шага, величины угла, при которых включается тормоз и т.п.; 3) латентный период ответа, в отличие от латентного периода условного рефлекса, не уменьшается, а увеличивается с повышением си-
лы раздражения (величины угла, при котором происходит замыкание сустава).
Большая часть приведенных данных свидетельствует против произвольного генеза реакции. Лишь один признак как будто прямо указывает на ее условно-рефлекторное происхождение - длительный латентный период 250-300 мс, если остановка в КС происходит на вершине коленного угла. Но он может получить иное толкование, если допустить, что афферентные влияния не могут быть реализованы в те фазы шага, когда наблюдается "биоэлектрическое молчание" или низкоамплитудная электрическая активность мышцы. При этих обстоятельствах реакция окажется просто отсроченной до той фазы шага, при которой развивается возбуждение мышц.
Чтобы проверить это предположени
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.