Общие требования предъявляемые к стимуляторам мышц человека в многоканальная электростимуляция опорно-двигательного аппарата

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Общие требования предъявляемые к стимуляторам мышц человека в многоканальная электростимуляция опорно-двигательного аппарата»

МИНСК, 2008

В случае биоуправляемой стимуляции опыт использования электрических сигналов для управления движением показывает, что выбор вида и параметров стимуляции должен базироваться на ряде показателей, которые могут быть объединены в три группы: 1) физиологические, характеризующие субъективное восприятие сигналов и влияние их на процессы в организме; 2) функциональные, характеризующие качество выполнения движения (сила сокращения, точность и объем движения); 3) технические (минимальное потребление энергии, возможность регулирования управляющего сигнала и т. д.). Сравнение различных видов стимулирующих сигналов с точки зрения их использования в системах управления движениями возможно только на основании предварительного выбора оптимальных параметров внутри одного вида по трем перечисленным выше показателям. С этой целью проанализированы различные параметры синусоидального стимулирующего сигнала и прямоугольных импульсов (одно- и двухполярные) и охарактеризованы их достоинства и недостатки при биоэлектрическом управлении движениями человека. В ходе исследования амплитудных и частотных характеристик некоторых электрических и механических параметров активности нервно-мышечных групп предплечья была изучена эффективность синусоидальных стимулирующих сигналов в диапазоне частот 100 Гц — 10 кГц (рис. 1).

Рисунок 1 – Блок-схема снятия амплитудных и частотных характеристик сокращений мышц предплечья.

Результаты исследований показали,что независимо от частоты стимула амплитудные характеристики мышечного напряжения (момент) в большим диапазоне усилий сохраняют приблизительно линейный характер (рис. 2). В околопороговой области наблюдается значительная нелинейность. Такая зависимость соответствует общеизвестным физиологическим данным, полученным на изолированных мышцах.

Рисунок 2 – Зависимость силы сокращения мышц предплечья от интенсивности стимуляции при частоте:1 — 500 Гц; 2 — 200 Гц: 3 — 5000 Гц

Характерную область «насыщения» при сверхмаксимальных раздражениях, когда дальнейшее увеличение интенсивности раздражения не приводит к увеличению ответной реакции, у большинства испытуемых получить не удалось из-за возникновения сильных болевых ощущений. Лишь у некоторых испытуемых в области 2—5 кГц можно было достигнуть насыщения, которое наступало при увеличении силы раздражения более чем в три раза относительно пороговой.

Аналогичные соотношения между стимулом и реакцией наблюдались при прямой внутримышечной стимуляции, когда при увеличении амплитуды раздражающего импульса разряд ЭМГ увеличивался и достигал максимума при величине стимула, превышающей пороговую втрое. Дальнейшее увеличение амплитуды стимула приводило к уменьшению амплитуды разряда .

Отношение силы раздражения, вызывающего болевую реакцию, к пороговой (у) на данной частоте (пределы комфортной зоны) характеризует диапазон интенсивностей, в котором можно изменить сигнал управления. Это отношение максимально в области 2—5 кГц к составляет 2,5—3. При увеличении и уменьшении частоты стимуляции пределы комфортной зоны сужаются. Чем больше у, тем точнее можно дозировать движение. Поэтому там, где требуется получить более высокую точность движения, предпочтение отдается области 2—5 кГц.

Межэлектродное сопротивление (сопротивление стимулируемых нервно-мышечных групп с учетом сопротивления прохождению стимулирующего сигнала через кожу и жировую прослойку) в диапазоне частот 500 Гц — 10 кГц не претерпевает существенных изменений в зависимости от интенсивности стимула (2 и 3 на рис. 3). Наоборот, в диапазоне 100—200 Гц с ростом амплитуды стимула межэлектродное сопротивление уменьшается. На низких частотах 100—500 Гц изменяется и характер сопротивления. С ростом стимула возрастает его активный компонент, на что указывает уменьшение угла сдвига фаз между током и напряжением стимуляции. В области 2—10 кГц наблюдается относительная независимость фазовых сдвигов от интенсивности стимула.

Рисунок 3 – Изменение межэлектродного сопротивления в зависимости от интенсивности стимуляции при частоте: 1 — 200 Гц; 2 — 500 Гц; 3 — 5000 Гц.

Исследование частотных характеристик мышц предплечья показало, что для различных испытуемых область частот, при которых пороговые напряжения минимальны, и при неизменной интенсивности стимула достигается наибольший момент в лучезапястном суставе, занимает диапазон 2—5 кГц (рис. 4 – 5).

Максимальное мышечное напряжение (момент) наблюдается при частотах, совпадающих с максимумом фазовых сдвигов (рис. 6). Указанная закономерность сохраняется в широком диапазоне интенсивностей стимула. Как правило, при длительной стимуляции оптимальная частота снижается, а максимум мышечного напряжения становится слабо выраженным. Поэтому наиболее простым способом определения оптимальной частоты стимула для данного индивидуума является измерение (разовых сдвигов. В ряде случаев фазовые сдвиги между током и напряжением стимуляции достигают максимальных значении в области 4—5 кГц и далее при увеличении частоты остаются постоянными. В таких случаях оптимальная частота, на которой мышечное напряжение максимально, совпадает с минимальной частотой, на которой указанные фаз