Применение моделей для функциональной оценки мышечной силы при помощи стимуляции

Исследование мышечной силы является жизненно важной задачей. Мышца – сложный механизм. Внешние проявления её силы и движения являются результатом действия тысячи мышечных волокон, которые работают на основе множества структурных и активных протеинов, активация которых обусловлена биохимическими процессами.

Поэтому исследование силы мышц необходимо дня определения состояния организма человека, выявления слабости или излишнего тонуса мышц, диагностики заболеваний и оценки эффективности проводимого лечения. Использование конкретного исследовательского подхода определяется тяжестью заболевания или клиническими обстоятельствами.

Большинство мышечных тестов основываются на измерении полной силы мышцы или мышечной группы. Более детальный метод исследования мышечной функции включает в себя разработку мышечной модели мышечной активности и проведение экспериментов для определения параметров модели.

Существует множество моделей, но наиболее оптимальная из них – мускульная модель Хилла [1]. Графическое изображение модели представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Мускульная модель Хилла

В данной модели сократительный элемент содержит активный элемент с динамическими свойствами и следующими соотношениями: сила-скорость и сила-длина. Последовательный элемент – присущий мышце внутренний эластический момент, а параллельный момент представляет пассивную соединительную ткань.

Большинство методов, используемых для количественного определения силы мышц, основываются на том, что для проведения диагностики необходимо совершение усилий самим пациентом [2]. Но бывают ситуации, когда такие добровольные усилия не возможны.

В связи с этим, целью работы явилось изучение исследования мышечной силы для определения непроизвольных изометрических сокращений мышцы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

·     поиск метода, предусматривающего активацию работы мышц извне;

·     оценка эффективности метода;

·     возможность реализации метода повсеместно.

В случаях, когда больным трудно использовать свои силы в полном объеме, помочь в оценке мышечной силы может метод, при котором добровольное сокращение мышцы пациентом не требуется.

Кроме того, в отличие от добровольной активации, использование электрической активации для возбуждения мышцы удобно и потому что имеется контроль исходных данных. Тестирование может проводиться в изометрических условиях для определения набора постоянных и меняющихся динамических характеристик, а так же для нахождения активных и пассивных соотношений между силой и длинной, силой и скоростью.

При помощи модели, представленной на рисунке 2 можно определить активные и пассивные свойства при помощи кратких воздействий контролируемых стимулов. В данной модели активный элемент содержит набор движений и динамик активации, ккоторые многократно воздействуют с активными характеристиками и затем суммируются с пассивными характеристиками для определения мышечной силы.

Рисунок 2. Модель для определения мышечных свойств при помощи стимуляции

При использовании такого метода производится стимуляция работы мышц, то есть вызов их непроизвольного сокращения. Мышца активируется неинвазивно стимуляцией двигательного нерва. Схема установки для выполнения данной методики изобравжена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема установки для оценки силы мышц при электростимуляции

Фиксирующее устройство удерживает определенную часть тела в необходимой позиции, ограничивающей движение: отведение или сгибание пальца, сгибание руки в локтевом суставе. Стимуляция мышечных точек, отвечающих за сокращение, происходит при помощи поверхностных электродов. Используется единичный раздражитель, вызывающий судорожное сокращение или титаническое сокращение (если используется короткая череда импульсов с интервалом 5 мс). Измерения изометрического крутящего момента осуществляется при помощи тензодатчиков.

При помощи определённого программного обеспечения все данные, примерный вид которых изображен на рисунке 4, выводятся на экран и одновременно проводится их анализ.

Рисунок 4. Пример вывода данных, необходимого исследователю для последующего анализа состояния мышечной силы: а – волны мышечного крутящего момента; б – вводимый мышечный стимул

На графике показана примерная волна крутящего момента мышц-сгибателей у здорового человека.

Параметры, которые можно определить данным методом, занесены в таблицу 1.

Таблица 1.

Нормальные значения параметров

Для оценки эффективности метода, определим его ограничения:

·     невозможность активации мышц и нервов, которые находятся глубоко, поверхностными электродами;

·     мышцы могут продуцировать крутящий момент конечности в измеряемом направлении;

·     отсутствие добавочного стимула к мышцам-антогонистам, которые будут изменять измеряемые силы.

Чтобы определить возможность повсеместного применения, рассмотрим, какие элементы входят в прибор:

1.  Стабилизирующее устройство, удерживающее конечность в определенном положении.

2.  Датчик силы, который способен определить крутящий момент, совершаемый мышцей или группой мышц.

3.  Аппаратные устройства для нервной стимуляции, усиления и обработки сигнала

4.  Компьютер для подачи стимула

5.  Программное обеспечение для записи, анализа отражения сигнала

Достаточно не сложная материальная база, относительно недорогое оборудование позволяют применять данный метод в клиниках различного уровня.

Таким образом, данный метод является достаточно эффективным, в условиях, когда человек сам не способен сократить свою мышцу в полную силу. Но в случаях, когда такого ограничения нет, следует пользоваться методами, которые определяют силу при помощи добровольных усилий.