2.2. Телеметрические методы контроля
2.2.1. Формирование информационного сигнала
Импедансная миография (ИМГ) — новая технология неповреждающего исследования нервно-мышечной системы человека, основанная на компьютерной регистрации механического тонуса исследуемой мышцы с высоким временным разрешением, в частности в процессе ее реакции на задаваемый стимул. Основа подхода заключается в том, что в качестве тонических характеристик мышц используются упругие и вязкие характеристики поверхностных тканей, раздельное измерение которых реализуется через измерение их механического импеданса с помощью специализированных программно-аппаратных комплексов. Импедансная миография открывает новые возможности для изучения нервно-мышечной системы человека и для разработки новых клинических методов ее диагностики и контроля хода лечения, дополняя возможности применяющихся для этих целей механомиографических и электромиографических методов.
На рис. 1 приведены примеры записей упругих и вязких характеристик мышц предплечья при их внешней чрезкожной электрической стимуляции. Серии импульсов электрического возбуждения подавались на мышцы, а также на АЦП для записи в компьютер. Регистрация вязкоупругих характеристик мышц производилась с помощью портативного устройства “Вибрационный вискоэластометр”. Записи подобного типа позволяют отслеживать изменения реакции мышц при изменении параметров стимуляции. Они могут быть использованы для изучения характеристик возбудимости мышц или для подбора режима стимуляции в ходе терапевтического воздействия.
Для данного вида исследований представляет интерес формирование понятия механического импеданса, который лежит в основе понимания многих процессов развивающихся в мышечной ткани. Обладая техническими возможностями регистрации такого параметра, а также зная механизм развития импеданса в реальных условиях деятельности организма, можно вплотную подойти к процедуре диагностики состояния мышечной ткани или формированию оценки эффективности применяемой лечебной процедуры.
Понятие механический импеданс строится на основе известных постулатов механики. Импедансные характеристики биологических мягких тканей определяются в экспериментах по вдавливанию в ткани относительно небольшого жесткого колеблющегося штампа на основе измерения кинематических характеристик штампа смещения (U), скорости (V) или ускорения (A) и силы сопротивления тканей деформированию (F).
Для полного описания свойств тканей в этих экспериментах могут быть использованы действительная и мнимая части любой одной из трёх равноправных характеристик:
комплексной жесткости K = –F/U,
комплексного механического импеданса Z = –F/V,
комплексной инерционности M = –F/A
или любая пара независимых величин, в частности, действительные части жесткости и импеданса (ReK и ReZ). Исследования импедансных свойств биологических тканей ведутся достаточно давно, а в последнее время они получили новый толчок в связи с развитием современных компьютерных средств измерений и обработки данных. Начались такие исследования еще в 40-х гг. в связи с проблемой размещения на теле человека различных контактных датчиков. Несколько позднее начались исследования импедансных свойств различных тканей, зависимости импедансных свойств тканей от их состояния и разработка способов оценки состояния тканей на основе измерения импедансных свойств.
В рамках этой проблематики новыми направлениями работы являются разработка способа реконструкции механических свойств слоистых тканей по данным спектральных импедансных измерений. Эти способы открывают новые возможности слежения за изменениями вязкоупругих характеристик тканей, в первую очередь мышц, в ходе различных физиологических и патологических процессов и в ходе развития реакции на различные тестовые воздействия. Таким образом, открываются новые возможности для проведения биомеханических и медико-диагностических исследований нервно-мышечной системы человека, например, при изучении механизма управления движением или при изучении действия различных лекарственных препаратов.
Реография — (буквальный перевод: “рео” — поток, течение и “графия” — графическое изображение). Метод исследования кровообращения, основанный на измерении пульсовой волны, вызванной сопротивлением стенки сосуда при пропускании электрического тока, применяется в диагностике различного рода сосудистых нарушений головного мозга, конечностей, легких, сердца, печени и др.
Реография конечностей используется при заболеваниях периферических сосудов, сопровождающихся изменениями их тонуса, эластичности, сужением или полной закупоркой артерий. Запись реограммы производят с симметричных участков обеих конечностей, на которые накладывают электроды одинаковой площади, шириной 1020 мм. Чтобы выяснить приспособительные возможности сосудистой системы, применяют пробы с нитроглицерином, физической нагрузкой, холодом.
Ангиокардиография. Рентгенологическое исследование полостей сердца и крупных сосудов после введения в кровяное русло контрастного вещества с помощью катетера.
Применяют для диагностики врожденных и приобретенных пороков сердца и аномалий развития магистральных сосудов. Позволяет выявить характер, локализацию порока, нарушение кровообращения. Противопоказания — острые заболевания печени и почек, тяжелые поражения миокарда, повышенная чувствительность к йодистым препаратам.
Изменения биопотенциалов, которые могут происходить спонтанно или в ответ на внешний раздражитель, изучаются на основе электрофизиологических исследований. Биотоки мозга анализируются при помощи электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и вызванных потенциалов (ВП) мышц при помощи электромиограммы (ЭМГ), кожи — при помощи кожногальванической реакции (КГР), сердца — электрокардиограммы (ЭКГ).
Низкочастотные виброакустические методы исследования биологических систем. Исторически первым возникло направление, связанное с количественными исследованиями виброакустической активности сердечно-сосудистой системы. Существенным успехом середины 70-х гг. в этом направлении были измерения в наземных условиях и в космическом полете. Измерялись абсолютные значения спектральных компонент силы, действующей на тело человека при работе сердца. Для измерения колебаний тела в условиях невесомости были разработаны пьезоакселерометры (ПАМТ), конструктивные элементы которых вплоть до настоящего времени используются не только в медицинской, но и технической вибродиагностике.
С 1980 г. в интересах клинической и космической медицины были начаты исследования вибраций тела человека, сопровождающих локомоционные акты. При этом было показано, что по спектрам сигналов, измеренных в соответствующих точках тела, можно оценить состояние суставных поверхностей, степень поражения костно-хрящевого аппарата, устойчивость вертикальной позы, выраженность болевого синдрома. Удалось зарегистрировать неизвестные ранее колебания статически напряженных мышц в диапазоне частот 3 кГц, вероятнее всего, связанные с движениями белковых макромолекул при мышечном сокращении.
В связи с возникновением проблемы интерфейсов для человеко-машинных систем и электронных протезов органов сформулированы идеи создания дополнительных сенсорных каналов и новые подходы к исследованию функций анализаторов, основанные на измерении случайных ошибок в их работе. Так, для бицепса человека в эксперименте продемонстрировано, что зависимость флуктуаций его напряжения от величины этого напряжения качественно совпадает с законом Вебера-Фехнера, описывающего основную для психофизики зависимость силы ощущения от величины стимула.
Исследования реологических характеристик биологических тканей, основанные на использовании низкочастотных (сдвиговых) акустических колебаний и волн, были начаты при решении метрологических проблем регистрации локальных колебаний тела человека контактными приемниками, в первую очередь акселерометрами ПАМТ. Очень быстро стало ясно, что эти исследования имеют большое самостоятельное значение для контроля тонких перестроек внутренней структуры биотканей в ходе естественных физиологических или патологических процессов, открывают новые возможности и для фундаментальных исследований нейрофизиологических механизмов контроля и управления состоянием органов и систем человека.
Основу работ, которые ведутся в этом направлении в ИПФ, составляет создание новых средств и методов исследования низкочастотных акустических волн в биотканях и эксперименты по исследованию сдвиговых линейных и нелинейных механоакустических свойств биотканей в различных условиях. Из разработанных средств измерений наиболее значимыми являются оригинальные портативные и компьютерные измерители деформационно-нагрузочных и импедансных характеристик биотканей, контактные и дистанционные средства контроля параметров поверхностных волн и сдвиговых волн в глубине тканей. Такие технические средства использованы для экспериментальных исследований действия фармакологических препаратов на легкие, печень и почки кролика, а также проводились исследования по оценке действия различных биологических химических препаратов на здоровье спортсменов.
Для интерпретации измерений и анализа механо-акустических характеристик биотканей предложены модели формирования упругих полей вибрационного источника в биологической ткани, а также микроструктурные и континуальные модели формирования акустических характеристик биотканей.
Психофизиология — пограничная область психологии, изучающая роль всей совокупности билогических свойств, и прежде всего свойств нервной системы, в детерминации психической деятельности и устойчивых индивидуально-психологических различий.
Главная задача — причинное объяснение психических явлений путем раскрытия лежащих в их основе нейрофизиологических механизмов. Психофизиология включает несколько областей исследования. Психофизиология ощущений и восприятий изучает нервные процессы в анализаторах, начиная с рецепторов и кончая корковыми отделами. Установлены специфические аппараты цветового зрения, специфические рецепторы и проводящие пути тактильной и болевой чувствительности, открыты нейроны, реагирующие на отдельные свойства зрительных и слуховых стимулов.
Психофизиология речи и мышления изучает функциональную роль разных областей мозга и их взаимосвязей в осуществлении речевых процессов. Принципиально важным стало установление тесной связи мыслительных процессов с деятельностью речедвигательного анализатора.
Психофизиология эмоций исследует нейрогуморальные механизмы возникновения эмоциональных состояний. Открыты нервные “центры” удовольствия и неудовольствия, расположенные в подкорковых областях мозга. Установлено, что важная роль в эмоциональном поведении принадлежит гормонам, выделяемым железами внутренней секреции (гипофизом, корой и мозговым слоем надпочечников и др.), а также различными биологически активными веществами.
Психофизиология внимания исследует нейрофизиологические корреляты внимания (изменение ЭЭГ и вызванных потенциалов, изменение кожно-гальванической и других реакций). Психофизиология внимания тесно связана с проблемами изучения ориентировочного рефлекса и второй сигнальной системы. Психофизиология произвольных действий вскрывает физиологическую структуру и механизмы их осуществления.
Традиционные методы. Электрофизиологические методы изучения органических функций основываются на регистрации биопотенциалов, возникающих в тканях живого организма спонтанно или в ответ на внешнее раздражение. Чаще всего используется регистрация биотоков мозга.
Отражение психофизиологических процессов в динамике ЭЭГ. Частотно-амплитудные измерения электрической активности в связи с:
активацией внимания (блокада -ритма, возрастание -ритма, изменение уровня ассиметрии фаз колебания, концентрация внимания, глубокая депрессия биопотенциалов);
эмоциональным состоянием (нет единой точки зрения; тревога слабая — усиление ритма, усиление тревоги — десинхронизация основного ритма ЭЭГ, отрицательные эмоции — усиление теста активности, положительные эмоции — ослабление теста активности);
“волной ожидания”. Изменение психофизиологического состояния отражается на электрофизиологических показателях: высокая эмоциональная напряженность — повышение амплитуды волны; неустойчивое внимание — снижение амплитуды волны.
Исследование медленных электрических процессов мозга (МЭП). При бурных эмоциях — резкое изменение.
Изучение динамики наличного кислорода (коры и глубоких структур мозга), т. е. переменного давления в структурах мозга.
Кожно-гальваническая реакция (КГР) относится к показателям изменения внимания и эмоций. Феномен Краснова — эффект изменения разности потенциалов сопротивления кожи в связи с ориентировочной реакцией и эмоциями.