анализ электромиографических сигналов при дозированных

Вестник БГУ. Сер. 1. 2 0 0 7 . № 3
УДК 615.47: 616.172.7
А.В.
СИДОРЕНКО,
А.П.
СЕЛИЦКИЙ
АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМИОГРАФИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
ПРИ ДОЗИРОВАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ
It has been inferred that the correlation dimension d and Kolmogorov entropy E were adequate and
expressed determined the changes of the human muscles processing influenced by physical loading.
С у щ е с т в у ю щ и е а в т о м а т и з и р о в а н н ы е с и с т е м ы у п р а в л е н и я и о б р а б о т к и инфор­
м а ц и и о р и е н т и р о в а н ы п р е ж д е в с е г о н а р е ш е н и е з а д а ч а н а л и з а с и г н а л о в исследуе­
м о г о о б ъ е к т а [ 1 , 2 ] , в о с н о в у о б р а б о т к и к о т о р ы х , к а к п р а в и л о , п о л о ж е н ы стацио­
н а р н о с т ь и л и н е й н о с т ь с и с т е м , а обраб о т к а и н ф о р м а ц и и п р о и з в о д и т с я с п о м о щ ь ю
58
Физика
Ф у р ь е - п р е о б р а з о в а н и й . З а д а ч а з н а ч и т е л ь н о у с л о ж н я е т с я , е с л и и с с л е д у е м ы й дина­
м и ч е с к и й о б ъ е к т н е л и н е е н . Н е о б х о д и м о т а к ж е у ч и т ы в а т ь , что с л о ж н ы е нелиней­
ные с и с т е м ы одновременно обладают как детерминированными, так и хаотически­
ми динамическими свойствами.
М е т о д ы нелинейной динамики, в отличие от традиционных, позволяют выявить
с т р у к т у р н ы е о с о б е н н о с т и с л о ж н ы х с и г н а л о в и о п р е д е л и т ь и х к о л и ч е с т в е н н ы е из­
м е н е н и я в п р о ц е с с е ф у н к ц и о н и р о в а н и я р а д и о л о к а ц и о н н ы х с и с т е м [ 3 ] , с и с т е м свя­
зи [ 4 ] , т у р б о к о м п р е с с о р о в [5]. В р а б о т е [ 5 ] , к п р и м е р у , п о к а з а н о , ч т о п а р а м е т р ы та­
кой
методологии
можно
использовать
при
распространении
ударных
волн
в
процессе работы турбокомпрессора. Однако в применении к объектам биофизики
подобная задача практически не решалась [6].
Т р а д и ц и о н н о а н а л и з э л е к т р о м и о г р а м м п р о в о д и л с я с п е к т р а л ь н ы м [7] и т у р н а м п л и т у д н ы м м е т о д а м и [8], ч т о н е в с е г д а п о з в о л я е т в ы я в и т ь в л и я н и е ф а к т о р о в ,
в ы з ы в а ю щ и х н е с т а ц и о н а р н о с т ь к о л е б а н и й . Е с л и а м п л и т у д а п и к а с и г н а л а превы­
ш а е т а м п л и т у д у в ы б р а н н о г о п о р о г о в о г о з н а ч е н и я , п о с л е к о т о р о г о п р о и с х о д и т из­
менение
направления
сигнала,
такое
изменение
называется
турном.
Турн-
а м п л и т у д н ы й а н а л и з п о з в о л я е т о ц е н и т ь к о л и ч е с т в о з н а ч и м ы х п и к о в ы х потенциа­
л о в э л е к т р о м и о г р а м м ы и их а м п л и т у д у .
Цель работы - установление параметров, адекватно определяющих изменение
состояния биофизических объектов, характеризующихся одновременно периодиче­
ской и хаотической реакцией на внешнее воздействие.
В
качестве
объекта
исследований
были
использованы
электромиограммы,
сложные биоэлектрические сигналы, отображающие процессы функционирования
н е р в н о - м ы ш е ч н о й с и с т е м ы о р г а н и з м а ; в н е ш н е е в о з д е й с т в и е - д о з и р о в а н н а я физи­
ческая нагрузка.
Материал и методика
О б р а б а т ы в а л и с ь и а н а л и з и р о в а л и с ь и н т е р ф е р е н ц и о н н ы е п о в е р х н о с т н ы е элек­
т р о м и о г р а м м ы 1 0 з д о р о в ы х ч е л о в е к , п р е д с т а в л я ю щ и е с о б о й с о в о к у п н о с т ь потен­
ц и а л о в д е й с т в и я м ы ш е ч н ы х в о л о к о н , э л е к т р и ч е с к а я а к т и в н о с т ь к о т о р ы х регистри­
руется
с
помощью
поверхностных
электродов.
Биоэлектрические
сигналы
регистрировались в лабораторных условиях разработанным нами информационнои з м е р и т е л ь н о м к о м п л е к с о м [9]. Д о з и р о в а н н а я ф и з и ч е с к а я н а г р у з к а г р у п п м ы ш ц
о б е с п е ч и в а л а с ь н а б о р о м г р у з о в от 1 до 16 кг.
Д л я а н а л и з а с и г н а л о в п р и м е н я е т с я м е т о д з а д е р ж а н н о й к о о р д и н а т ы [ 1 0 ] . С це­
л ь ю а д а п т а ц и и а л г о р и т м а д а н н о г о м е т о д а о т н о с и т е л ь н о и н т е р ф е р е н ц и о н н ы х по­
в е р х н о с т н ы х э л е к т р о м и о г р а м м н а м и р а з р а б о т а н о п р о г р а м м н о е о б е с п е ч е н и е [9]. В
основе алгоритма лежит представление о том, что временной ряд, определяемый
зарегистрированным
электромиографическим
с и г н а л о м , з а в и с я щ и м о т о д н о й пере­
м е н н о й (времени), является одномерной проекцией фазовой траектории порождае­
м о й э т и м с и г н а л о м д и н а м и ч е с к о й с и с т е м ы . С и с т е м а х а р а к т е р и з у е т с я д в у м я пара­
м е т р а м и : к о р р е л я ц и о н н о й р а з м е р н о с т ь ю d и э н т р о п и е й К о л м о г о р о в а Е: п е р в ы й
о п и с ы в а е т с т е п е н ь с л о ж н о с т и с и с т е м ы , в т о р о й х а р а к т е р и з у е т е е с т а б и л ь н о с т ь , ко­
т о р а я о п р е д е л я е т с я с т е п е н ь ю р а с х о д и м о с т и ф а з о в ы х т р а е к т о р и й в ф а з о в о м про­
странстве. Кроме этого, используется построение фазовых диаграмм исследуемых
э л е к т р о м и о г р а м м [ 1 1 ] . П р о и с х о д я щ и е в м ы ш ц а х п р о ц е с с ы а н а л и з и р у ю т с я спек­
т р а л ь н ы м к о р р е л я ц и о н н ы м м е т о д о м [7].
При
обработке
электромиографических
метода задержанной координаты
сигналов рассчитывались
параметры
и с п е к т р а л ь н о г о к о р р е л я ц и о н н о г о м е т о д а : d, Е,
с п е к т р а л ь н а я п л о т н о с т ь м о щ н о с т и к о м п о н е н т с и г н а л а с а м п л и т у д о й н е м е н е е 0,7
от м а к с и м а л ь н о й а м п л и т у д ы
- с п е к т р а л ь н а я п л о т н о с т ь м о щ н о с т и в пол­
ном диапазоне частот электромиограммы,
— спектральная плотность мощности
i-й к о м п о н е н т ы э л е к т р о м и о г р а м м ы , i = 1,..., n - ч и с л о с п е к т р а л ь н ы х к о м п о н е н т с
59
В е с т н и к Б Г У . С е р . 1. 2 0 0 7 . № 3
амплитудой
спектра
не
менее
0,7
от максимальной
амплитуды),
максимальная
частота
[11].
Результаты и их обсуждение
Результаты
исследований
представлены для и н т е р ф е р е н ц и о н н ы х поверхност­
ных электромиограмм двух типов м ы ш ц 10 здоровых человек.
Из
фазовых диаграмм (рисунок),
полученных
при обработке поверхностных
э л е к т р о м и о г р а м м г р у п п м ы ш ц biceps branchii, с л е д у е т , ч т о с у в е л и ч е н и е м д о з и р о ­
в а н н о й н а г р у з к и в п р е д е л а х от 1 кг ( с м . р и с . а) до 7 кг ( с м . р и с . 6) п р о и с х о д и т воз­
растание области заполнения диаграммы. При дальнейшем увеличении нагрузки до
16 кг (см. рис. в) происходит качественное изменение ф о р м ы локализации фазовой
д и а г р а м м ы в с т о р о н у с н и ж е н и я з а н и м а е м о й п л о щ а д и . И н ы м и с л о в а м и , и м е е т ме­
с т о к а ч е с т в е н н о е и з м е н е н и е , ч т о , п о - в и д и м о м у , м о ж н о о б ъ я с н и т ь п р о я в л е н и е м эф­
фекта усталости указанной группы мышц.
И з д а н н ы х т а б л и ц ы в и д н о , ч т о с в о з р а с т а н и е м ф и з и ч е с к о й н а г р у з к и н а иссле­
д у е м у ю г р у п п у м ы ш ц b i c e p s b r a n c h i i д о 1 6 к г к о р р е л я ц и о н н а я р а з м е р н о с т ь анали­
з и р у е м ы х э л е к т р о м и о г р а м м с н и ж а е т с я на 2,8 %, в 1,7 р а з а у м е н ь ш а е т с я и з н а ч е н и е
э н т р о п и и К о л м о г о р о в а . Т а к и м о б р а з о м , ф и к с и р у е т с я п е р е х о д д и н а м и ч е с к о й систе­
м ы в б о л е е с т а б и л ь н о е с о с т о я н и е с м е н ь ш и м ч и с л о м с т е п е н е й с в о б о д ы . Э т о позво­
л я е т э к с п р е с с н о о х а р а к т е р и з о в а т ь и п о л у ч и т ь к о л и ч е с т в е н н у ю м е р у с т е п е н и уста­
лости мышцы.
И з т а б л и ц ы т а к ж е с л е д у е т , ч т о з н а ч е н и я п а р а м е т р о в и н т е р ф е р е н ц и о н н ы х по­
в е р х н о с т н ы х э л е к т р о м и о г р а м м , п о л у ч е н н ы х с п е к т р а л ь н ы м к о р р е л я ц и о н н ы м мето­
д о м , с н и ж а ю т с я : в ч а с т н о с т и , с п е к т р а л ь н о й п л о т н о с т и м о щ н о с т и к о м п о н е н т сигна­
ла с а м п л и т у д о й не м е н е е 0,7 от м а к с и м а л ь н о й а м п л и т у д ы в 1,4 р а з а , м а к с и м а л ь н о й
ч а с т о т ы с п е к т р а с о о т в е т с т в е н н о в 1,5 р а з а п р и в о з р а с т а н и и ф и з и ч е с к о й н а г р у з к и д о
16 кг.
Параметры интерференционных поверхностных электромиограмм групп мышц
60
Физика
Д л я группы м ы ш ц triceps musculus также наблюдается увеличение п л о щ а д и
об­л а с т и л о к а л и з а ц и и ф а з о в о й д и а г р а м м ы с у в е л и ч е н и е м н а г р у з к и д о 7 кг.
Приведенные в таблице и рассчитанные методом задержанной координаты
по­к а з а т е л и а н а л о г и ч н ы м о б р а з о м с н и ж а ю т с я в п р о ц е с с е в о з р а с т а н и я н а г р у з к и .
Одна­к о , е с л и з н а ч е н и я к о р р е л я ц и о н н о й р а з м е р н о с т и у м е н ь ш а ю т с я п р а к т и ч е с к и н а
т у ж е в е л и ч и н у (2,3 % ) п р и в о з р а с т а н и и н а г р у з к и д о 7 кг, т о э н т р о п и я К о л м о г о р о в
а сни­ж а е т с я в 3,3 р а з а , т. е. в е л и ч и н ы d и E а д е к в а т н о о п р е д е л я ю т с о с т о я н и е
м ы ш ц при физической нагрузке.
Снижаются
также
показатели,
рассчитанные
спектральным
методом анализа (см. таблицу). Вместе с тем значение
шается в 3 раза, а
корреляционным
д л я д а н н о й м ы ш ц ы умень­
- почти в 6 раз.
Р а з л и ч и я в и з м е н е н и и п а р а м е т р о в э л е к т р о м и о г р а м м д в у х г р у п п м ы ш ц biceps
branchii и t r i c e p s m u s c u l u s с в и д е т е л ь с т в у ю т о т о м , ч т о д л я t r i c e p s m u s c u l u s п о м е р е
увеличения дозированной
физической нагрузки
снижение параметров. Это объясняется
происходит более существенное
у ч а с т и е м б о л ь ш е г о к о л и ч е с т в а двигатель­
ных единиц в формировании интерференционной поверхностной
электромиограм­мы второй группы м ы ш ц по сравнению с первой.
***
Т а к и м о б р а з о м , о б н а р у ж е н о у м е н ь ш е н и е к о р р е л я ц и о н н о й р а з м е р н о с т и и энтро­
п и и К о л м о г о р о в а и н т е р ф е р е н ц и о н н ы х п о в е р х н о с т н ы х э л е к т р о м и о г р а м м п р и уве­
л и ч е н и и д о з и р о в а н н о й ф и з и ч е с к о й нагрузки на две г р у п п ы м ы ш ц : biceps branchii и
triceps musculus. Н а м и у с т а н о в л е н о, что увеличение нагрузк и до
16 кг в первом
случае и до 7 кг во в т о р о м п р и в о д и т к и з м е н е н и ю к о р р е л я ц и о н н о й р а з м е р н о с т и на
3,3 и 2,3 %, а э н т р о п и и К о л м о г о р о в а - в 1,7 и 3,3 р а з а с о о т в е т с т в е н н о .
1.
2.
.
.,
A.H.//
. 2004. 4. . 76.
. .,
. .
. M H . , 1987.
.
. .
. M . , 2002.
4.
. .,
. .
. M . , 2002.
5.
A.M.//
. 2005. 4. . 5.
6.
. .
. .,
. E.
. M . , 1987.
8.
.H.,
. .
., 2001.
9.
. .,
. .,
. . //
. 2005.
11. . 53.
10.
. .,
. .,
. . //
.
l l . G r a s s b e r g e r P . , P r o c a c c i a I. // Phys. Rev. Let. 1983. Vol. 50. 5. P. 346.
­
.
., 2003. 7.
­
­
10.
.
. 65.
Поступила в редакцию 14.05.07.
-
,
.
.
-
. .
.
61