Εισαγωγή στη Βιοϊατρική Τεχνολογία και Ανάλυση Ιατρικών Σημάτων Ηλεκτρομυογραφία ρμ γρφ Επ. Καθ.. Γ. Ματσόπουλος Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 1

Ηλεκτρομυογραφία Ηλεκτρομυογραφία: είναι η τεχνική καταγραφής του ηλεκτρικού δυναμικού του μυός, όταν διεγείρεται για συστολή (είτε εκούσια, είτε ανακλαστικά). Ηλεκτρομυογράφημα (EMG - ΗΜΓ): είναι η καταγραφή του ηλεκτρικού δυναμικού του μυός. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 2

Χρήση του ΗΜΓ για: Ηλεκτρομυογραφία 1. Μελέτη μυϊκής λειτουργίας Kινησιολογική Hλεκτρομυογραφία Tρόπος εκτέλεσης κινήσεων διαφόρων μελών σώματος Μέγεθος εξωτερικών ή εσωτερικών ροπών ή δυνάμεων που δρουν σε ένα μέλος του σώματος. 2. Καταγραφή δυναμικού μυών (π.χ. χ στομάχου, κύστεων) ) για τη μελέτη προκλητών παραμορφώσεων ή τη μεταβολή του όγκου τους. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 3

Βασικά Δομικά Στοιχεία Σκελετικού Μυός Μυϊκή Ίνα: βασική μονάδα - χωριστή κυψελίδα που απαρτίζεται από πολλούς πυρήνες. Μυϊκή δέσμη: ομάδα μυϊκών ινών. Συνδετικοί ιστοί μεταξύ των μυϊκών ινών. Κάθε μυϊκή δέσμη καλύπτεται εξωτερικά από ένα δυνατό συνδετικό ιστό. Μυϊκές δέσμες διαφορετικών διαστάσεων. Ολόκληρος ο μυς καλύπτεται εξωτερικά από ένα πιο δυνατό επίστρωμα συνδετικού ιστού. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 4

Βασικά Δομικά Στοιχεία Σκελετικού Μυός Ένας τυπικός σκελετικός μυς μπορεί να επιμηκυνθεί, έχοντας διάμετρο από 10-60 μm και μήκος από μερικά mm μέχρι μερικά cm, φτάνοντας μερικές φορές και τα 30 cm (μακρύς μυς). Οι μυϊκές ίνες εκτείνονται από τη μία άκρη του μυ στην άλλη, αλλά συχνά η έκταση αυτή συνοδεύεται με τη μεταβολή μέρους του μήκους του μυός καταλήγοντας σε τενοντώδεις ή άλλους συνδετικούς ιστούς. Ο επίπεδος πυρήνας των μυϊκών ινών βρίσκεται κάτω από τη μυϊκή-κυτταρικήκυτταρική μεμβράνη και διαιρείται σε νέες ίνες, τα μυο- ινίδια (διαμέτρου 1 μm περίπου). Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 5

Βασικά Δομικά Στοιχεία Σκελετικού Μυός Τα μυο-ινίδια διατάσσονται σε ζώνες / μπάντες: Ι-μπάντες: : Ισοτροπικές Α-μπάντες: Ανισοτροπικές Ζ-μπάντες: Ανισοτροπικές Αν ο μυς συσταλλεί: Ι-μπάντες: : συρρικνώνονται Α-μπάντες μπάντες: : παραμένουν αμετάβλητες Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 6

Βασικά Δομικά Στοιχεία Σκελετικού Μυός Κάθε μυο-ινίδιο αποτελείται από σύνολο μυονημάτων. Διαχωρίζονται εγκάρσια από τις Η-ζώνες (περιλαμβάνονται στις Α-μπάντες) ) σε σειριακές επαναλαμβανόμενες περιοχές που ονομάζονται σαρκομερίδια (sarcomeres), με μήκος εξαρτώμενο από τη δύναμη που εφαρμόζεται στο μυ. Ένα σαρκομερίδιο βρίσκεται μεταξύ 2 Ζ-ζωνών (δομές πρωτεϊνών). Δύο τύποι μυονημάτων σε κάθε σαρκομερίδιο: λεπτά μυονήματα διαμέτρου 5nm που ονομάζονται μόρια ακτίνης και μυονήματα διαμέτρου 12nm που ονομάζονται μόρια μυοσίνης Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 7

Βασικά Δομικά Στοιχεία Σκελετικού Μυός Η διάταξη και η αλληλοσυσχέτιση των νημάτων ακτίνης και μυοσίνης επηρεάζουν τη μεταβολή του μήκους του μυός, όταν αυτός υπόκειται στην εφαρμογή ερεθίσματος. Τα νήματα ακτίνης τοποθετούνται έτσι σε σχέση με τις Ζ-ζώνες, έτσι ώστε το μισό τμήμα βρίσκεται στο ένα σαρκομερίδιο και το άλλο μισό στο γειτονικό του. Στις Ι-μπάντες έχουμε μόνο ακτίνη. Στις Α-μπάντες η μυοσίνη και η ακτίνη επικαλύπτονται. Στην Η-ζώνη έχουμε μόνο μυοσίνη. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 8

Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 9

Μόριο Μυοσίνης Μόριο μυοσίνης: αποτελείται από: - Μακριά ουρά (2 νήματα τυλιγμένα το ένα γύρω από το άλλο) σε μήκος 80 nm - Λαιμός μήκους 60 nm - Διπλή κεφαλή Σύνδεσμοι μεταξύ ουράς, λαιμού και κεφαλής κίνηση κάποιου βαθμού Τα τμήματα της κεφαλής μπορούν να περιστρέφονται σύμπλεγμα με ακτίνη (actomyosin complex), δυνατότητα ολίσθησης (sliding filament mechanism). Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 10

Νήμα Ακτίνης Αποτελείται από: - Ακτίνη - Τροπομυοσίνη - Τροπονίνη Ακτίνη: μόριο πρωτεϊνης. 400 μόρια σχηματίζουν αλυσίδα από χάντρες 2 τέτοιες αλυσίδες πλεγμένες αποτελούν το νήμα ακτίνης Τροπομυοσίνη: νήμα που τυλίγεται γύρω από την ακτίνη Τροπονίνη: ένα μόριο κάθε 40nm Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 11

Μηχανισμός Ολίσθησης Μυονήματος Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 12

Νευρική ώση Μετατροπή χημικής ενέργειας σε μηχανική Μυϊκή συστολή Κίνηση ανθρώπινου σώματος. Ο ενεργειακός μετασχηματισμός πραγματοποιείται στις μυϊκές ίνες που λειτουργούν μέσω της βούλησης, δηλ. ενεργοποίηση κεντρικού νευρικού συστήματος. Νευρική ώση (διέγερση) διέγερση): ηλεκτροχημική διαταραχή που δημιουργείται σε ένα νευρικό κύτταρο από ηλεκτρικά, χημικά ή μηχανικά ερεθίσματα και μεταφέρεται κατά μήκος του νευρωάξονα. Μεταβολές στην πόλωση της κυτταρικής μεμβράνης (αντλία Καλίου-Νατρίου). ) Στο εσωτερικό κυττάρου: αρνητικά φορτισμένα ιόντα (ιόντα) Στην εξωτερική μεμβράνη: θετικά φορτισμένα ιόντα (κατιόντα κατιόντα) Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 13

Μετάδοση Διέγερσης Η νευρική ώση μεταδίδεται από το κεντρικό σύστημα με το νευροάξονα του κινητικού νευρικού κυττάτου στην τελική κινητική πλάκα που αποτελεί τη νευρωμυϊκή σύνδεση. Τελική Τλ ήκ Κινητική Πλάκα: ειδική περιοχή της μυϊκής ίνας στους γραμμωτούς μύες στην οποία καταλήγει ο κλάδος ενός νευρίτη,, ο οποίος και νευρώνει τη μυϊκή ίνα. Η Τελική Κινητική Πλάκα αποτελεί τη Νευρομυϊκή Σύναψη: η θέση λειτουργικής επαφής μεταξύ μιας μυϊκής ίνας και της νευρικής απόληξης που νευρώνει αυτή. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 14

Σχηματική παράσταση κινητικής μονάδας: νευρώνας με νευρικές ίνες, τελικές κινητικές πλάκες και μυϊκές ίνες Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 15

Σχηματική παράσταση κινητικής μονάδας: νευρώνας με νευρικές ίνες, τελικές κινητικές πλάκες και μυϊκές ίνες Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 16

1. Η νευρική ώση φτάνει στην κινητική πλάκα. 2. Εκπόλωση νευρικής ίνας. 3. Απελευθέρωση ακετυλοχολίνης (χημικός μεταβιβαστής) μέσω συναπτικών κυστιδίων. 4. Διάχυση ακετυλοχολίνης στην εξωκυτταρική συναπτική σχισμή μήμ μεταξύ νευρικής και μυϊκής μεμβράνης. 5. Ένωση με υποδοχείς στη μεμβράνη της τελικής πλάκας. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 17

Δυναμικό Δράσης Παραγωγή μυϊκής ώσης (μεταβίβαση διαδικασιών εκπόλωσης κατά μήκος της μυϊκής ίνας). ) Δημιουργία Δυναμικού Δράσης της Μυϊκής Ίνας (Single Fiber Ati Action Pt Potential til- SFAP) που μεταδίδεται από την τελική κινητική πλάκα κατά μήκος της μυϊκής ίνας. Κινητική Μονάδα: οι μυϊκές ίνες που νευρώνονται από την ίδια κινητική νευρική ίνα. Δυναμικό Δράσης Κινητικής Μονάδας (Motor Unit Action Potential - MUP): άθροισμα δυναμικών δράσης των μυϊκών ινών μιας κινητικής μονάδας και είναι το ηλεκτρικό σήμα που παράγεται στις μυϊκές ίνες σαν αποτέλεσμα της επιστράτευσης της αντίστοιχης κινητικής μονάδας. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 18

Δημιουργία μυϊκών δυναμικών, εκπόλωση και επαναπόλωση κατά την εφαρμογή διεγέρσεων (1, 2) Για την πρόκληση μυϊκών δυναμικών θα πρέπει η διέγερση να είναι μεγαλύτερη από ένα κατώφλι. Η διέγερση 1 δεν προκαλεί μυϊκό δυναμικό, ενώ η διέγερση 2 προκαλεί εκπόλωση και επαναπόλωση.. Στο κάτω μέρος του σχήματος απεικονίζονται οι μετακινήσεις των προκλητών δυναμικών κατά μήκος μιας μυϊκής μεμβράνης: κατάσταση ηρεμίας (1) εκπόλωση (2) δημιουργία μυϊκού δυναμικού κατά μήκος της μεμβράνης βά (3). Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 19

Δυναμικό Δράσης Δυναμικό ηρεμίας: αρνητικά στην εσωτερική επιφάνειας της μμβρ μεμβράνης και θετικό στην εξωτερική επιφάνειας της μμβρ μεμβράνης. Εκπόλωση: απότομη απώλεια του αρνητικού δυναμικού του εσωτερικού της ίνας. Ιόντα Νατρίου διαπερνούν τη μεμβράνη λόγο νευρικής ώσης προς το εσωτερικό μεταφέροντος θετικά φορτία Μί Μείωση του φυσιολογικού αρνητικού δυναμικού ηρεμίας Στιγμιαίο θετικό δυναμικό: δυναμικό αναστροφής Επαναπόλωση: επαναφορά της αρνητικού δυναμικού ηρεμίας της μεμβράνης Σταματά η μετακίνηση ιόντων Νατρίου Μετακίνηση ιόντων Καλίου προς τα έξω Αύξηση θετικότητας εξωτερικά Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 20

Δυναμικό Δράσης Μέσω της εκπόλωσης,, η νευρική ώση φτάνει στην κινητική πλάκα. Δημιουργία δυναμικού στην τελική κινητική πλάκα. Παραγωγή μυϊκού δυναμικού δράσης που μεταφέρεται και στις δύο κατευθύνσεις κατά μήκος της μυϊκής ίνας. Μεταβίβαση δυναμικού δράσης μέσω κυκλικής μετακίνησης των φορτίων. Μετακίνηση νευρικής διέγερσης σε όλο το μήκος του κυττάρου. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 21

Ηλεκτρομυογράφημα Ηλεκτρική καταγραφή διέγερσης του μυός: ηλεκτρομυογράφημα (ΗMΓ-EMG) με χρήση: 2 ηλεκτρόδια στην επιφάνεια του δέρματος, ή Βελονοειδή ηλεκτρόδια μέσα στο μυ. Το ηλεκτρομυογράφημα είναι μία τεχνική καταγραφής των αλλαγών του ηλεκτρικού δυναμικού του μυός, όταν διεγείρεται για συστολή. Είναι το αλγεβρικό άθροισμα όλων των συμπεριλαμβανομένων δυναμικών δράσης των κινητικών μονάδων ενός μυ,, τα οποία μεταδίδονται κατά μήκος των μυϊκών ινών που βρίσκονται μεταξύ των ηλεκτροδίων καταγραφής. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 22

Καταγραφή ΗΜΓ σήματος Βασικό Block Diagram ΗΛΕΚΤΡΟΜΥΟΓΡΑΦΟΥ Σημείο Απαγωγής 1 μεγάφωνο ψηφιοποίηση Σημείο Απαγωγής 2 Ενισχυτής Χαμηλού Φίλτρα καταγραφικό Θορύβου Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 23

Καταγραφή Δυναμικών Τυπική διάταξη μέτρησης της χρονικής μεταβολής του δυναμικού δράσης που διαδίδεται από την κινητική πλάκα της νευρικής ίνας προς τις δύο κατευθύνσεις της μυϊκής ίνας. Το μικροηλεκτρόδιο είναι μονωμένο εκτός της αιχμής του και το ηλεκτρόδιο αναφοράς βρίσκεται στο εξωκυττάριο υγρό. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 24

Ηλεκτρόδια Επιφανειακά ηλεκτρόδια (surface electrodes) Hλεκτρόδια βάθους (indwelling intramuscular electrodes) Επιφανειακά ηλεκτρόδια: αποτελούνται από μεταλλικό δίσκο (συνήθως αργύρου/χλωριούχου αργύρου), έναν αυτοκόλλητο δίσκο και είναι μονωμένα σε όλο το μήκος τους, εκτός από το σημείο επαφής τους. Τοποθετούνται πάνω στο δέρμα, στην περιοχή του αντίστοιχου μυ, με χρήση ηλεκτρολυτικής λ κρέμας. Ανίχνευση μέσης δραστηριότητας επιφανειακών μυών ενώ παράλληλα μεταβάλλοντας (μειώνοντας) τις διαστάσεις του δίσκου τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μυϊκή καταγραφή μυών μικρότερων ρ διαστάσεων. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 25

Ηλεκτρόδια - Δύο (2) ηλεκτρόδια τοποθετούνται στον επιμήκη άξονα του μυός. -Kαταγράφεται η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων. -Hλεκτρόδιο αναφοράς (σε κάποιο ουδέτερο σημείο, π.χ. στο μέτωπο). Καταγραφή αλγεβρικού αθροίσματος όλων των δυναμικών δράσης των κινητικών μονάδων, που μεταδίδονται κατά μήκος των μυϊκών ινών και που βρίσκονται μεταξύ των δυο ηλεκτροδίων. Η τιμή του αθροίσματος των δυναμικών δράσης εξαρτάται: Μέγεθος ηλεκτροδίων Απόσταση τοποθέτησης ηλεκτροδίων Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 26

Μέγεθος Ηλεκτροδίων Διάμετρος ηλεκτροδίων καθοριστικής σημασίας: όσο μεγαλύτερη η επιφάνεια που καλύπτει το κάθε ηλεκτρόδιο τόσο μεγαλύτερη η διάρκεια του δυναμικού δράσης, το πλάτος (amplitude) του ΗΜΓ και ο μυϊκός όγκος που παρακολουθείται. Μικρότερο μέγεθος ηλεκτροδίων επιτρέπει την καταγραφή του ΗΜΓ σε ειδικούς μύες. Το μέγεθος των ηλεκτροδίων είναι αντιστρόφως ανάλογο με την αντίστασή τους. Χρήση ηλεκτροδίων διαμέτρων 1cm, 3 mm και 10 mm. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 27

Απόσταση Ηλεκτροδίων Καθορίζει ρζ το μυϊκό όγκο που παρακολουθείται. Μεγάλη απόσταση σημαίνει αύξηση του μυϊκού όγκου. Απόσταση μεταξύ δύο επιφανειακών ηλεκτροδίων ίση με 1cm: αλληλοκάλυψη αυτοκόλλητων δίσκων ηλεκτροδίων μείωση των παρεμβολών από γειτονικούς μύες («cross-talk») στο ελάχιστο. Χρήση αποστάσεων κέντρων ηλεκτροδίων: 1cm, 2cm, 2.5cm και 4cm. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 28

Τοποθέτηση Ηλεκτροδίων Πάνω στο οπτικό κεντρικό σημείο του μυός που πρόκειται να συσταλεί. Όσο πιο κοντά στο παχύ μέρος του μυός, τόσο ισχυρότερη ΗΜΓ απόκριση. Το ζεύγος των ηλεκτροδίων θα πρέπει να τοποθετείται σε μια γραμμή παράλληλη με τη διεύθυνση των μυϊκών ινών. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 29

Αντίσταση Δέρματος Απαραίτητη η μείωση της αντίστασης της συνδεσμολογίας ηλεκτροδίων-δέρματος δέρματος - Καλή προετοιμασία δέρματος. Επιτυγχάνεται μέσω απομάκρυνσης των νεκρών κυττάρων της επιφάνειας του δέρματος με ελαφρό τρίψιμο του δέρματος με τραχύ υλικό (σμυριδόπανο) και καθαρισμό του με αλκοολούχο διάλυμα. Καθώς το μέγεθος των ηλεκτροδίων έχει αντιστρόφως ανάλογη σχέση με την αντίστασή τους, στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται μικρά ηλεκτρόδια θα πρέπει συνεχώς, λόγω της υψηλότερης αντίστασής τους, το δέρμα να προετοιμάζεται σχολαστικά. Αντίσταση δέρματος: 10ΚΩ και καλύτερα 5ΚΩ. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 30

Επιφανειακά Ηλεκτρόδια Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 31

Ηλεκτρόδια Βάθους Χρησιμοποιούνται για εκτίμηση λεπτών κινήσεων και καταγραφή της ηλεκτρομυογραφικής δραστηριότητας των «εν τω βάθει» μυών. Κατασκευασμένα από ανοξείδωτο χάλυβα και μονωμένα σε όλο το μήκος τους, εκτός από την ακμή τους. Αυτή εισάγεται στο εσωτερικό του μυός για να μετρηθεί η διαφορά δυναμικού του με το εξωκυττάριο υγρό. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 32

Ηλεκτρόδια Βάθους Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 33

Ηλεκτρόδια Διάταξη λήψης και EMG με ηλεκτρόδιο ομοαξονικής βελόνας και ηλεκτρόδιο επιφάνειας δέρματος Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 34

Ενισχυτές Επιθυμητή η μη παραμόρφωση, απαλλαγή από θόρυβο (noise) και άλλες παρεμβολές (artifacts). Γραμμική ενίσχυση σε όλο το εύρος του ενισχυτή και του συστήματος της καταγραφής - μεγάλα σήματα (>5mV) ενισχύονται το ίδιο όσο και τα μικρά σήματα ( 100μV) V). Θόρυβος μπορεί να προκληθεί από διάφορες πηγές έξω από το μυ και μπορεί να οφείλεται είτε σε βιολογικούς παράγοντες είτε σε διατάξεις του εξοπλισμού. Καταγραφή ΗΚΓ όταν τα ηλεκτρόδια είναι τοποθετημένα στο θώρακα (βιολογικός θόρυβος) Θόρυβος λόγω εξοπλισμού (man man-mode mode noise) από γραμμές ισχύος, από μηχανήματα από τη διάταξη. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 35

Ενισχυτές Βασικά χαρακτηριστικά ενισχυτών εναλλασσόμενου ρεύματος (AC): 1. Κέρδος ενισχυτή και δυναμικό εύρος (Amplifier Gain / Dynamic Range) 2. Αντίσταση εισόδου (Input Impedance) 3. Απόκριση - εύρος ρς συχνοτήτων (Frequency q y Response - Bandwidth) 4. Απόρριψη κοινού σήματος (Common mode rejection) Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 36

Κέρδος Ενισχυτή Τα ηλεκτρομυογραφικά σήματα έχουν μέγιστο πλάτος 5mV (ηλεκτρόδια λ δ επιφανείας) ) και 10mV (ηλεκτρόδια λ δ βάθους). ) Κέρδος ενισχυτή: Gain = Vout(OutputVoltage OutputVoltage) Vin(InputVoltage) Ακριβής επιλογή κέρδους: εξαρτάται από την ανάλυση του σήματος στην έξοδο. Το ΗΜΓ μπορεί να καταγραφεί με καταγραφέα ακίδας (pen recorder) ή μαγνητική ταινία (magnetic tape) και μπορεί να αναπαρασταθεί σε παλμογράφο και σήμερα να μεταβιβαστεί σε έναν υπολογιστή. Το ενισχυόμενο σήμα δεν θα πρέπει να υπερβαίνει το εύρος εισόδου που επιτρέπεται για τα όργανα καταγραφής. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 37

Απόκριση Αντίσταση Εισόδου Η αντίσταση εισόδου εξαρτάται και από το είδος των ηλεκτροδίων και μπορεί να έχει τυπικές τιμές: Ηλεκτρόδια επιφανείας: 1ΜΩ Ηλεκτρόδια βάθους: 5MΩ Η αντίσταση εισόδου (input resistance) θα πρέπει να είναι: >10 10 ohms για DC ρεύμα >10 8 ohms για AC ρεύμα (όπως το ΗΜΓ) Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 38

Απόκριση - Εύρος Συχνοτήτων Τυπικές τιμές εύρους συχνοτήτων είναι: 1. ΗΜΓ με επιφανειακά ηλεκτρόδια: 5-1 1.000 Hz. 2. ΗΜΓ με ηλεκτρόδια βάθους:20-2.0002.000 Hz. Το μεγαλύτερο μέρος του σήματος συγκεντρώνεται στο εύρος μεταξύ 20-200200 Hz και ένα μικρό ποσοστό εκτείνεται μέχρι τα 1.000 Hz. Το εύρος ενισχυτή είναι η διαφορά μεταξύ της ανώτερης συχνότητας αποκοπής f 2 και της χαμηλότερης συχνότητας αποκοπής f 1 (cut-off frequencies). Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 39

Απόκριση - Εύρος Συχνοτήτων Η διαδικασία ασία της επιλογής κατάλληλου φίλτρου (low-pass, (owp high- pass, band-pass filters) και των χαρακτηριστικών του βασίζεται στην : ανάλυση φάσματος ενισχυτών στο πεδίο συχνοτήτων (Fourier ανάλυση) και στη συνέχεια στην προσαρμογή του εύρους του φίλτρου (filter bandwidth) στο εύρος του σήματος (signal lb bandwidth). Στην επιφανειακή ΗΜΓ θα πρέπει να αναφέρονται ο τύπος του φίλτρου και οι συχνότητες αποκοπής. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 40

Απόρριψη Κοινού Σήματος Ανθρώπινο σώμα: καλός αγωγός - Λειτουργεί ως κεραία που συλλέγει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία από τον περιβάλλοντα χώρο. Η παρεμβολή μπορεί να είναι μεγάλη παρεμποδίζεται η σωστή καταγραφή ενός ΗΜΓ. Ο διαφορικός ενισχυτής (differential amplifier), εξουδετερώνει τέτοιους θορύβους. Ο διαφορικός ενισχυτής λαμβάνει τη διαφορά μεταξύ των σημάτων που φτάνουν στις τελικές απολήξεις του (active terminals). Θεωρείται ότι η παραμόρφωση λόγω θορύβου εμφανίζεται με το ίδιος πλάτος (amplitude) και στις δύο απολήξεις. Το ανεπιθύμητο σήμα καλείται κοινό σήμα (common-modemode signal). Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 41

ΠΡΕΠΕΙ: Καταγραφή ΗMΓ Εύρος συχνοτήτων που μπορούν να καταγραφούν από το μέσο > Εύρος συχνοτήτων του χρησιμοποιούμενου ενισχυτή. Μαγνητόφωνα FM Καταγραφείς χαρτιών Παλμογράφος Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 42

Λήψη, Ενίσχυση και Καταγραφή ΗMΓ 1ο κανάλι οθόνης παλμογράφου: ΗΜΓ (μετά την ενίσχυσή του) (σε mv) 2ο κανάλι οθόνης παλμογράφου: χρονικό ολοκλήρωμα ΗΜΓ (σε mv s) Ακούγεται επίσης από μεγάφωνο Ύψος ολοκληρώματος: σχετικό μέτρο ποσότητας ηλεκτρικού φορτίου που μετακινήθηκε κατά το πέρασμα του δυναμικού δράσης. Όσο εντονότερη η εκούσια συστολή του μυός, τόσο υψηλότερη η τιμή του ολοκληρώματος. Ευκολότερη η αξιολόγηση της μυϊκής λειτουργίας διαμέσου της ολοκληρωμένης λ μορφής του ΗΜΓ. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 43

Καταγραφή ΗMΓ σε υπολογιστή Μετατροπή σε ψηφιακό σήμα (μέσω κάρτας μετατροπής) Ο αριθμός των δειγμάτων που λαμβάνονται από το αναλογικό σήμα στη μονάδα του χρόνου κατά τη μετατροπή του σε ψηφιακό καλείται συχνότητα δειγματοληψίας (sampling rate). Συνολική συχνότητα: συχνότητα δειγματοληψίας καναλιού Χ αριθμό καναλιών. ΑΡΑ υψηλή συχνότητα δειγματοληψίας μεγάλος αποθηκευτικός χώρος. ΟΜΩΣ Συχνότητα δειγματοληψίας >= 2f max καταμετρημένου σήματος. Τυπικές τιμές εύρους συχνοτήτων : 0-1.000Hz (μεγαλύτερο μέρος : 20-200200 Ηz). Πρακτικά συχνότητα δειγματοληψιών > 500Hz. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 44

Επεξεργασία ΗMΓ Ενεργοποίηση ή όχι του μυός. Ποσότητα ενεργοποίησης κατά τη διάρκεια δά μιας συστολής (σε σχέση με το χρόνο). Αρχικό ΗΜΓ: Επεξεργασία α) στο πεδίο του χρόνου (Time Time-Domain Analysis) β) στο πεδίο της συχνότητας (Frequency-Domain Analysis). Μέση τιμή ΗΜΓ = 0 (το ΗΜΓ καταγράφεται από AC ενισχυτές) ΑΡΑ μη ικανοποιητικές πληροφορίες ρ χρειάζεται ανόρθωση. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 45

Επεξεργασία ΗMΓ Πλήρης ανορθωμένο ΗΜΓ (Full Full-wave rectify): Μέσω ενός ανορθωτή πλήρους κύματος που παρέχει την απόλυτη τιμή του ΗΜΓ, μέσω θετικής πολικότητας. Η μονάδα μέτρησης του πλάτους του ανορθωμένου σήματος εκφράζεται σε mv. Γραμμική ομαδοποίηση (Linear envelope detector): Απόρριψη θορύβου από το ανορθωμένο ΗΜΓ με: α) φίλτρα χαμηλών συχνοτήτων, β) Μέθοδος Κινούμενου Μέσου ή Κινούμενου Παραθύρου (Moving average window) για την απόρριψη θορύβου σε υψηλές συχνότητες (σε κάθε σημείο μέσος όρος γειτονικών σημείων) Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 46

Επεξεργασία ΗMΓ Απόρριψη θορύβου με φίλτρα χαμηλών συχνοτήτων: Προκύπτει ένα νέο σήμα που αναπαριστά αρι με αρκετή πιστότητα το αρχικό ΗΜΓ και καλείται γραμμικό περίβλημα (linear envelope). Eπιλογή της κατάλληλης συχνότητας αποκοπής του φίλτρου: ανάλογη με την f max. Εντοπισμός f max μέσω μετασχηματισμού Fourier. Συνηθέστερες τιμές: 3-6Hz. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 47

Επεξεργασία ΗMΓ Μέθοδος Κινούμενου Μέσου ή Κινούμενου Παραθύρου (Moving average window) για την απόρριψη θορύβου σε υψηλές συχνότητες: Προκύπτει το γραμμικό περίβλημα του αρχικού ΗΜΓ, όπου:»tιμή καμπύλης τη χρονική στιγμή t = μέση τιμή τιμών αρχικής καμπύλης για το χρονικό διάστημα t-τ/2 έως t+τ/2, όπου Τ είναι το χρονικό εύρος του παράθυρου.» Τ ~ 10-30 msec. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 48

Χρονική Επεξεργασία ΗΜΓ (Time-Domain Analysis) Υπολογισμός ολοκληρώματος λ ΗΜΓ = εμβαδόν επιφάνειας που βρίσκεται κάτω από την καμπύλη του πλήρως ανορθωμένου και εξομαλυμένου ΗΜΓ ως προς το χρόνο (mv sec). Ποσότητα ενεργοποίησης μυϊκής ίνας. Το ολοκλήρωμα του ΗΜΓ μπορεί να ελεγχθεί είτε για ολόκληρη τη διάρκεια της συστολής είτε για συγκεκριμένο χρονικό δά διάστημα. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 49

Χρονική Επεξεργασία ΗΜΓ (Time-Domain Analysis) Μέσο ΗΜΓ (Average EMG): (Oλοκλήρωμα ΗΜΓ) / χρόνος συστολής (mv): Υπολογισμός μιας τιμής για χρονικό διάστημα συστολής :μέση τιμή ΗΜΓ. Ρίζα μέσου τετραγώνου (Root mean square): τετραγωνική ρίζα του ολοκληρώματος του τετραγώνου του δυναμικού του ΗΜΓ ως προς το χρόνο. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 50

Επεξεργασία ΗΜΓ στο πεδίο της συχνότητας (Frequency-Domain Analysis) Ανάλυση κατά Fourier - Φάσμα ισχύος του ΗΜΓ (power spectrum). Το φάσμα ορίζεται από την ανώτερη και κατώτερη 3dB συχνότητα (συχνότητες χ η ς όπου το φάσμα πέφτει 3dB από τη μέγιστη τιμή του). Μονάδα μέτρησης του φάσματος ισχύος είναι το τετράγωνο της μονάδας μέτρησης ης του πλάτους του ΗΜΓ προς Hz (V 2 /Hz). Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 51

Επεξεργασία ΗΜΓ στο πεδίο της συχνότητας (Frequency-Domain Analysis) Στατιστικές παράμετροι για την περιγραφή του φάσματος ισχύος: 1. Μέση Συχνότητα (f-mean) mean). 2. Ενδιάμεση Συχνότητα (f-median): διαιρεί το φάσμα σε δύο ίσα μέρη. Η ανάλυση συχνοτήτων πρακτικά χρησιμοποιείται συνήθως κατά τη μελέτη της κόπωσης, κατά τη διάρκεια της οποίας παρατηρείται αύξηση του πλάτους του ΗΜΓ, μείωση των συχνοτήτων και μετατόπιση του φάσματος προς τις χαμηλές συχνότητες. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 52

Επεξεργασία ΗΜΓ στο πεδίο της συχνότητας (Frequency-Domain Analysis) Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 53

ΗΜΓ με ηλεκτρική διέγερση Εκτός της εκούσιας συστολής, μπορεί να προκληθεί και ακούσια συστολή του μυός με εξωτερική ηλεκτρική διέγερση και να ληφθεί το αντίστοιχο ΗΜΓ. Στην προκλητή αυτή συστολή, η στιγμή και η διάρκεια του ηλεκτρικού ερεθίσματος ελέγχονται από το όργανο (διέγερση) και όλες οι μυϊκές ίνες πυροδοτούν σχεδόν ταυτόχρονα. Το ερέθισμα μπορεί να έχει ύψος 100V και διάρκεια από 01msecμέχρι 0,1msec 0,5msec. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 54

ΗΜΓ με ηλεκτρική διέγερση Το δυναμικό δράσης εμφανίζεται με καθυστέρηση σε σχέση με το ερέθισμα, λανθάνων χρόνος. Σύγκριση δυναμικών και λανθανόντων χρόνων είτε από ΗΜΓ συμμετρικών μυών του σώματος είτε ασθενών και υγιών ατόμων. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 55

Τεχνική μέτρησης ταχύτητας αγωγής σήματος σε κινητικό νεύρο Ταυτόχρονη εμφάνιση των ερεθισμάτων Τα ερεθίσματα φθάνουν στα ηλεκτρόδια λήψης σε διαφορετικές χρονικές στιγμές (ΔΤ = 4msec). Ταχύτητα αγωγής παλμού κατά μήκος του κινητικού ικού νεύρου: 0,25m/4 25m/4 10-3 s=62 62,5m/sec. Προσδιορισμός κόπωσης μυών με πολλαπλές διεγέρσεις. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 56

Ισοτονική και ισομετρική συστολή Ισοτονική συστολή: Όταν ένα βάρος εφαρμοστεί σε ένα μυ, τον αναγκάζει να ερεθιστεί και να εμφανίζει ικανή ένταση για να σηκώσει το βάρος. Η ένταση παραμένει σταθερή για τη διάρκεια της συστολής παρόλο που το μήκος του μυ αλλάζει. Ισομετρική συστολή: Αν στο μυ εφαρμοστεί μεγαλύτερο βάρος, η ένταση του μυός φθάνει σε μια κορυφή (peak), αλλά ο μυς δεν αλλάζει μήκος. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 57

Εξίσωση ηhill Μελέτη του μυ σε συνθήκες ισομετρικής συστολής Εξίσωση Hill: ( v b ) ( T a ) b ( T0 a ) Τ :η η ένταση που εφαρμόζεται στο μυ (Tension) v: ταχύτητα συστολής α,, b : σταθερές Τ 0 : η μέγιστη ένταση για την οποία το μήκος του μυ L 0 είναι σταθερό Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 58

Εξίσωση ηhill Όταν εφαρμοστεί Τ< Τ 0, ο μυς συστέλλεται και υπολογίζεται η ταχύτητα συστολής του. Η σχέση του Τ και v είναι εκθετικής μορφής. Όσο μεγαλύτερη ένταση εφαρμόζεται τόσο μικρότερη ταχύτητα καταγράφεται. Μεγαλύτερη ταχύτητα συστολής αντιστοιχεί σε μικρότερες εφαρμογές έντασης. Αδυναμία εξήγησης ης της μηχανικής συμπεριφοράς ρ του μυ ακόμη και σε κατάσταση ηρεμίας. Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 59

Καμπύλη μεταβολής έντασης μυός Τ με την ταχύτητα v Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 60

Απόδειξη της Εξίσωσης Hill Ρυθμοί ενεργειών κατά τη συστολή ενός μυός : E A S W Ε: ρυθμός αποδιδόμενης ενέργειας Α: ενεργοποίηση ή διατήρηση ενέργειας (θερμότητας) ως προς το χρόνο W: ρυθμός συστολής του μυ: : W=Tv S: ρυθμός μεταβολής θερμότητας λόγω μείωσης του μήκους του μυ Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 61

Απόδειξη της Εξίσωσης Hill Αν το μήκος του μυ = σταθερό, Ε=Α. Αν ο μυς συστέλλεται, πραγματοποιείται χημική αντίδραση και ελευθερώνεται ενέργεια ίση με S+W. Μετρώντας τα Ε και Α, υπολογίζεται ο όρος S+W: S W b ( T 0 T ) Τ 0 =max ισομετρική δύναμη και S=αv (πειραματικά) Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 62

Απόδειξη της Εξίσωσης Hill S + W = b(t 0 -T) = αv v + Tv (α α + Τ) v = bt 0 -bt αb (α α + Τ) v= -b(α +T)+b(T + 0 + α) ( v b) ( T ) b( T0 ) Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 63

Πειραματικά βρέθηκε ότι: T A e v / B C με Α,, Β και C σταθερά Υπολογισμός ισομετρικής έντασης: bt0 v v0 v T v b v b για T=0v 0 =bt 0 /α ανώτερο όριο ταχύτητας συστολής Υπολογισμός ταχύτητας συστολής: v b 0 T T T a Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 64

Ρυθμός μςμ μεταβολής εντάσεων: T T 1 ( v / v0) c( v / v ) 0 1 0 ct0 / Ρυθμός μεταβολής ταχύτητας συστολής: v v 1 ( T / T 0 0 1 c ( T / T 0 ) c T 0 0 ) / Τ 0 εξαρτάται από το L 0 v 0 εξαρτάται σε μικρό βαθμό από το L 0 c=1 1.3-4 Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 65

Πειραματικές εξισώσεις των παραπάνω ρυθμών: T e e v / v ) ( 0 T0 1 e β=σταθερά και v e e T / T ) ( 0 v0 1 e γ=σταθερά Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 66

Προσομοίωση Μυός (Hill s Model) Ελαστικό στοιχείο Συσταλτικό στοιχείο 1. Μηδενικής έντασης - Δυνατότητα σύμπτυξης 2. Προσομοιώνει τις λειτουργίες Μυοσίνης και Ακτίνης στο Σαρκομερίδιο Ελαστικό στοιχείο 1. Σε σειρά με το Συσταλτικό στοιχείο 2. Προσομοιώνει την εσωτερική ελαστικότητα της Μυοσίνης και Ακτίνης και γειτονικών ιστών Ελαστικό στοιχείο 1. Σε σειρά με τα άλλα στοιχεία 2. Προσομοιώνει τη λειτουργία κυτταρικών μεμβρανών, μιτοχονδρίων και κολλαγόνων Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 67

Προσομοίωση Μυός (Hill s Model) Ελαστικό στοιχείο Συσταλτικό στοιχείο Ελαστικό στοιχείο Συσταλτικό στοιχείο 1. Μηδενικής έντασης - Δυνατότητα σύμπτυξης 2. Προσομοιώνει τις λειτουργίες Μυοσίνης και Ακτίνης στο Σαρκομερίδιο Ελαστικό στοιχείο 1. Σε σειρά με το Συσταλτικό στοιχείο 2. Προσομοιώνει την εσωτερική ελαστικότητα της Μυοσίνης και Ακτίνης και γειτονικών ιστών Ελαστικό στοιχείο 1. Σε παραλληλία με τα άλλα στοιχεία 2. Προσομοιώνει τη λειτουργία κυτταρικών μεμβρανών, μιτοχονδρίων και κολλαγόνων Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 68

Γεωμετρική Απεικόνιση Σαρκομεριδίου Μυός Ι/2 Μυοσίνη L M Ακτίνη Δ/2 H Δ/2 Ι/2 C Μήκος Επικάλυψης: Μ: Μήκος Μυοσίνης C: Μήκος Ακτίνης Δ: Μήκος επικάλυψης μεταξύ Ακτίνης και Μυοσίνης Η: Μήκος Η-Μπάντας Ι: Μήκος Ι-Μπάντας L: Συνολικό Μήκος Σαρκομεριδίου L 0 : Μήκος Σαρκομεριδίου για μηδενική τάση η: Ελαστική προέκταση Σαρκομεριδίου M H 2C I Μήκος Σαρκομεριδίου χωρίς ελαστική προέκταση: L M I M 2 C Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 69

Μήκος Σαρκομεριδίου με ελαστική προέκταση: L M I M 2 C Παράγωγος γ του L = Βασική Κινηματική Εξίσωση: L t t t ΤΑΣΗ (STRESS): Δύναμη σε μια μονάδα αρχικού εμβαδού (σε N/m 2 ): P A ΤΡΟΠΗ (STRAIN): Μεταβολή γεωμετρικού μεγέθους σε μια μονάδα αρχικού μεγέθους: L L Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 70

Τάση από το ελαστικό στοιχείο σε σειρά: Τάση από τα ινίδια Ακτίνης και Μυοσίνης: 1 P( L) 2 S(, ) ανάλογη του L Συνολική ήτά Τάση του Σαρκομεριδίου του μυός: 1 2 P( L) S(, ) Μεταβολή τάσης με το χρόνο: d dp dl S d S d dt dl dt dt dt d dt dp dl S dl S S ) ( ) dt ( d dt Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 71

Ειδικές περιπτώσεις ςμ μυών Ισομετρική Συστολή: L=σταθερό και dl/dt=0 d S S d ( ) dt dt Ισοτονική Συστολή: σ=σταθερό σταθερό και dσ/dt=0 d dp S dl S S d ( ) ( ) dt dl dt dt 0 Εξελιγμένες τεχνικές προσομοίωσης μυών Συσκευές για τη μέτρηση του έργου του μυός για μια συγκεκριμένη κίνηση Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας 72