УДК 612.833
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМИОГРАФИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ У ДЕТЕЙ РАННЕГО ВОЗРАСТА С ДВИГАТЕЛЬНЫМИ НАРУШЕНИЯМИ
© 2015 г. Е. С. Жванский1,3, О. Н. Цышкова2, А. А. Гришин3, 4, Ю. П. Иваненко5,
Ю. С. Левик3,1, Е. С. Кешишян2
Московский физико-технический институт (ГУ) 2Московский НИИ педиатрии и детской хирургии Минздрава РФ 3Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН, Москва 4 ООО "КОСИМА", Москва 5Лаборатория нейромоторной физиологии, IRCCS Santa Lucia Foundation, Рим, Италия
E-mail: evgeny.zhvansky@yandex.ru Поступила в редакцию 14.04.2014 г.
Исследовали нейромышечные характеристики у детей раннего возраста в норме и при формирующихся двигательных нарушениях методом поверхностной электромиографии.
Было обследовано 76 детей в возрасте от 6 месяцев до 3 лет: 61 ребенок с двигательными нарушениями (13 — с атонически-астатической формой детского церебрального паралича (ДЦП), 48 — со спастическими формами ДЦП) и 15 детей без двигательных нарушений. У ребенка в положении лежа проводилось пассивное сгибание и разгибание коленных и тазобедренных суставов, регистрировалась электромиографическая (ЭМГ) активность основных групп мышц бедра и голени. Особенности ЭМГ-активности оценивались с помощью вейвлет-преобразования и дальнейшего анализа полученных временных зависимостей. В результате выявлены параметры, связанные с диагнозом у детей раннего возраста с двигательными нарушениями.
Ключевые слова: ДЦП, диагностика, ранний возраст, мышечная активность, спектр ЭМГ, вейвлет-анализ.
Б01: 10.7868/80131164615010154
Анализ мышечного тонуса играет важную роль при диагностике формирующихся двигательных нарушений у ребенка первого года жизни. Такой анализ имеет ряд сложностей, связанных, в том числе, с субъективностью оценок. Нарушения могут проявляться в наличии физиологического гипертонуса в первом полугодии жизни, синдрома "мышечной дистонии", отсроченной манифестации (так называемого "светлого промежутка"), симптомокомплекса "вялый ребенок". Такой симптомокомплекс может трансформироваться к 2—6 месяцам в ригидно-спастические изменения или быть проявлением целого ряда заболеваний, таких как генетические синдромы, первично-мышечная патология, ней-рометаболические нарушения.
Патофизиологические механизмы двигательных нарушений разнообразны и трудны для понимания в связи со сложностью архитектоники движения, многообразием топики поражений, незрелостью миелинизации стволовых и подкорковых образований нервной системы и проявлением феномена диашиза [1]. Однако для своевре-
менного назначения адекватного лечения необходимо раннее выявление двигательных нарушений. Таким образом, разработка объективных количественных методов диагностики на ранних стадиях заболевания до формирования патологических двигательных автоматизмов является актуальной задачей [1].
Интерференционная (поверхностная) электромиография (ЭМГ) уже давно используется для анализа состояния двигательной системы. При многоканальной регистрации она дает возможность комплексной оценки активности одновременно нескольких мышц (агонистов и антагонистов) в процессе движения [2], а также пространственно-временные характеристики мышечных синергий [3]. Основным преимуществом в сравнении с другими методами ЭМГ (стимуляцион-ной и игольчатой) является ее неинвазивность и безболезненность. Стандартные методики определения состояния двигательной системы, связанные с выполнением произвольных и непроизвольных движений или измерением скоростей проведения, являются неточными в применении
50 ЖВАНСКИЙ и др. Средние (SD) для параметров возраст, вес, рост
Группа N Пол (м/ж) Возрастной диапазон, мес. Возраст, мес. Вес, кг Рост, см
Спастическая форма ДЦП 48 26/22 8-36 24(10) 10(2) 83(8)
Атонически-астатическая 13 7/6 8-36 24(8) 11(2) 85(7) форма ДЦП
Здоровые 15 11/4 6-34 21(9) 10(2) 78(9)
к детям в раннем возрасте [4, 5]. Отсутствие специальных методик для детей раннего возраста вызвано сниженными скоростями проведения из-за незаконченной миелинизации нервных волокон и тем, что маленький ребенок не может выполнять произвольные движения по команде.
Базовые исследования электрической активности мышц методом поверхностной ЭМГ были проведены Ю.С. Юсевич в 50-60-х годах. В типологической классификации Ю.С. Юсевич (1958 г.) [6] выделяется 4 типа поверхностной ЭМГ: I тип характерен для нормальной мышцы, II тип — разреженная ЭМГ при поражении мотонейронов, III тип отмечается при супрасегмен-тарных процессах и включает два подтипа: IIIa — частые ритмические разряды при треморе, IIIb — усиление "активности покоя" как при экстрапирамидной ригидности, так и при спастической фазе пирамидного паралича, IV тип характеризуется биоэлектрическим "молчанием" мышцы при попытке произвольного сокращения. Данная типология отражает крайние варианты нормы и патологии, но не учитывает переходные и пограничные формы, что значительно ограничивает диагностические возможности методики в настоящее время [2].
Вариативность частотного спектра сигнала поверхностной ЭМГ во время сокращения мышц наблюдалась впервые Пипером [7], обнаружившим уменьшение выраженности основных гармоник зарегистрированного сигнала поверхностной ЭМГ при максимальном произвольном сокращении, как следствие утомления мышц. В последующих исследованиях определялись изменения частотных характеристик ЭМГ-сигнала с помощью различных спектральных признаков, таких как средняя частота [8], медианная частота [9].
Из экспериментальных данных, предоставленных Мерлетти и соавт. [10], ясно, что использование спектральных изменений сигнала ЭМГ, как меры мышечного утомления, дает более объективную оценку по сравнению с клиническими методами, основанными на снижении механической силы.
Показано также, что с помощью методов нелинейного анализа ЭМГ можно на первых месяцах
жизни выявить детей с синдромом двигательных нарушений [11].
Возникшее и оформившееся в последнее время направление, связанное с вейвлет-анализом и теорией вейвлет-преобразования [12, 13], стремительно завоевывает популярность в разных областях, в том числе и медицине. Так, вейвлет-пре-образование успешно применяется для выявления эктопических сердечных сокращений и очистки электрокардиографического (ЭКГ) сигнала от шумов. Кроме того, некоторые авторы сообщают о применении вейвлет-преобразования в электроэнцефалографии (ЭЭГ) [14].
В настоящий момент в мире известны способы нейрофизиологической оценки двигательных нарушений в возрасте от 3 лет [15]. Также существуют методы оценки характеристик мышц у детей с двигательными нарушениями в возрасте старше 6 лет. В литературе описывается метод разделения изменений, вызванных детским церебральным параличом (ДЦП), и нормы при помощи анализа средних спектральных частот мышц-антагонистов и мышц-синергистов [16]. Временные частоты соответствующих мышц извлекаются из вей-влет-преобразования электромиограмм, и затем в каждый момент времени строится зависимость средней спектральной частоты одной мышцы от частоты другой.
Целью настоящего исследования являлась объективизация оценки двигательных функций у детей раннего возраста (до 3 лет) с нарушениями моторики при помощи методов поверхностной электромиографии. Также в задачи исследования входило изучение взаимосвязи между электромиографическим сигналом и характером заболевания у ребенка.
МЕТОДИКА
Были обследованы 76 детей в возрасте от 6 месяцев до 3 лет: 13 — с атонически-астатической формой ДЦП (гипотонус), 48 — со спастическими формами ДЦП (гипертонус), 15 здоровых детей (таблица).
Для каждой ноги регистрировалась ЭМГ-ак-тивность латеральной широкой мышцы бедра (vastus lateralis — VL), двуглавой мышцы бедра (biceps femoris — BF), передней большеберцовой (tib-
ialis anterior — TA) и икроножной мышцы (gastrocnemius — GS). Во время регистрации ЭМГ ребенку в положении лежа проводилось сгибание и разгибание коленных и тазобедренных суставов по типу упражнения "велосипед".
Заметим, что из выбранных четырех мышц только латеральная широкая мышца бедра (VL) гарантированно изменяет длину при таком пассивном движении. Поэтому ее ЭМГ была в первую очередь выбрана для дальнейшего анализа.
ЭМГ регистрировались с помощью восьмика-нального электромиографического усилителя УМГ2-8 с частотным диапазоном от 10 Гц до 1 кГц. Диаметр электродов составлял 10 мм, межэлектродное расстояние — 20 мм.
Фильтрация сигнала от сетевых наводок 50 Гц осуществлялась согласно выражению:
Л/1) = A(t) - A(t - 0.02),
где A(t) — исходный сигнал ЭМГ. Таким образом, из текущего сигнала вычитался такой же сигнал, сдвинутый на 0.02 с вперед. Также сигнал фильтровался от низкочастотных артефактов до 20 Гц.
Временной интервал, в котором изучался сигнал, составлял около 20 с и выбирался вручную так, чтобы в течение этого интервала имело место устоявшее периодическое движение в отсутствие произвольного сопротивления ребенка этому движению. Расчет вейвлет-преобразований, выполняемых стандартными способами для длительного промежутка времени, требует больших вычислительных мощностей.
Спектр сигнала ЭМГ предполагался ограниченным диапазоном 20—500 Гц, поэтому, в соответствии с теоремой Котельникова (Найквиста— Шеннона), была выбрана частота оцифровки сигнала 1 кГц. Спектр Фурье строился в области 20-500 Гц.
На основе анализа сигнала ЭМГ вычислялись следующие параметры: 1) максимальная скорость изменения спектральной мощности и 2) относительное время активного состояния мышцы.
Преобразование Фурье сигнала ЭМГ A(t) F[A ]( w) = — J A (t) e~iwtdt
— да
лежит в основе вейвлет-преобразования:
W[A](w, t) = — f w,t - t)A(t)e—WTdx. Т2я J
Частным случаем вейвлет-преобразования является оконное преобразование Фурье
W[A ]( w, t) =
—-— f y (т - t)A(x)e~'wxdx,
Т2П J
где у(х — 0 — оконная функция, в нашем случае, в 500 точек (0.5 секунд). Преобразование Фурье строится для такого окна с дальнейшим смещением на 10 точек (0.01 секунды). Окно не прямоугольного вида, а со сглаженными в ноль краями с помощью двух функций Ферми—Дирака:
х ( t ) = A ( t) -
1
1
„ „ = A ( 'M о ,
f(t1 -t) fit -t2)
1 + e1 1 + e
где tj — начало акт
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.