Невыразительность и сравнительное однообразие ЭМГ картин о норме являются следствием того, что в норме совершаются одно временно не один, а несколько управленческих актов, т. е. как бы независимо работает не один, а несколько управляющих механизмов, передающих команды по одним и тем же эфферентным путям. Выключение некоторых отдельных управленческих систем в условиях нервно-мышечных патологий расчищает картину, делает ее более ясной и лучше «наблюдаемой» .
В основе понятия биоэлектрического образа движения лежит тот факт, что все движения (даже простейшие) реализуются группами мышц, вследствие чего обычно нельзя выделить какой-либо один «активный» участок для отведения ЭМГ. Понятие биоэлектрического образа движений уже четко просматривалось в работах тех исследователей, которые занимались проблемой биоэлектрического управления протезом конечности . Этим же понятием оперируют при рассматриваемом нами биоэлектрическом управлении движениями человека.
На процесс выполнения движений существенное влияние оказывают условия, при которых происходит движение. Если в процессе выполнения конкретного движения изменить внешние условия (например, положение частей тела человека), то двигательный образ выразит реакцию как на само изменение условий (переходный процесс), так и на результат этого изменения спустя некоторое время (установившийся процесс). Иными словами, тому же движению человека при новых внешних условиях будет соответствовать новый двигательный образ, «созданный» с учетом новых условий. Поэтому на практике обычно чрезвычайно трудно в точности повторить одно и то же относительно сложное движение многократно. Очень трудным является и получение конкретных величин составляющих двигательного образа, так как для этого необходимо измерить силу и скорость сокращения всех мышц, участвующих в движении в каждый момент времени. Электромиографический образ, представляющий собой электрический аналог движения, может быть получен путем одновременного снятия электромиограмм мышц, участвующих в движении. Хотя одновременное отведение электромиограмм всех мышц, участвующих в данном движении, также наталкивается на определенные технические трудности (например, связанные с взаимным влиянием электромиограмм в каналах отведения), получение электромиографического образа все же возможно.
Поэтому важно рассмотреть вопрос о соответствии электрической компоненты мышечной активности силе и скорости сокращения мышцы.
Ортодоксальный метод требует исчерпывающего знания характеристик огромного многообразия биоэлектрических сигналов. Возможности этого метода ограничены ввиду отсутствия подобной информации. При недетерминистском подходе принимается, что все биоэлектрические образы относятся к одному из двух статистических классов, причем каждый образ содержит множество переменных. Исследования по распознаванию комбинаций биоэлектрических сигналов мышц, возникающих при различных движениях, приводят к выводу о возможности различения некоторых двигательных актов с помощью биоэлектрического образа.
Сделана попытка идентификации движений тела с помощью определения формы электрических сигналов, связанных с этими движениями (при многоканальной регистрации).
В поисках закономерностей проявления биоэлектрического образа немалую роль играют вопросы, связанные с определением порога выделения биоэлектрического образа, т. е. с определением усилий, при которых возникает четкое различие в активности мышц, характеризующее биоэлектрический образ.
Выбор мест отведения и подачи стимулирующих сигналов. Управление движениями в организме основано на формировании в ЦНС двигательных программ и их передаче по эфферентным путям к исполнительным органам - мышцам, отвечающим на поступление к ним нервных импульсов реакцией возбуждения, проявляющейся в виде механических и электрических феноменов.
При искусственном управлении движениями на основе биоэлектростимуляции мышц нужно, во-первых, обеспечить отведение ЭМГ мышц, участвующих в программном движении, и, во-вторых, провести обработку отведенных миопотенциалов, в результате которой они были бы превращены в сигналы управления электростимуляцией мышц.
Успешная реализация системы биоэлектрического управления движениями связана прежде всего с вопросом о выборе мест отведения командных сигналов. Поиски таких мест продиктованы стремлением получить наиболее выгодное соотношение сигнал/шум. Первостепенное значение приобретает вопрос о выборе тех мест отведения сигналов, которые обеспечивают получение информации, наиболее полно отражающей структуру произвольного движения.
Согласно современным представлениям, управление движениями человека и животных осуществляется многоуровневой иерархически организованной системой. Остановимся на возможности использования нервных команд, поступающих к мышцам при произвольных движениях, для целей управления.
Известно, что наряду с моторной зоной коры, дающей начало пирамидной системе, важную роль в формировании произвольных движений играют и другие корковые поля, отделы ЦНС, объединяемые обычно в экстрапирамидную систему. Уже по этой причине нельзя считать, что существует одна, строго локализованная область, ответственная за инициацию первичных двигательных команд. Далее полагают, что начальные двигательные команды содержат лишь самые главные характеристики будущего движения («скелет движения»), пополняющиеся необходимыми деталями по мере включения в деятельность других нервных центров - базальных ганглиев, ядерных структур мозгового ствола, ретикулярной формации, мозжечка. По этим причинам, а также в связи с техническими трудностями отведения и выделения из электроэнцефалограммы информации, относящейся к произвольным движениям, в настоящее время не представляется возможным использовать сигналы нервных структур, ответственных за инициацию движения.
Можно использовать нервные команды произвольных движений, отводя соответствующую электрическую активность не в ЦНС, а на периферии. Так, вполне доступно отведение сформированных двигательных команд от двигательных нервов, которые являются выходом ЦНС. В этом случае мы воспринимаем сигналы, прошедшие все этапы формирования. Однако и здесь возникают существенные трудности. Во-первых, периферические нервы являются обычно смешанными, включающими волокна двигательных и чувствительных нервных клеток. Поэтому при отведении такой активности мы будем иметь дело не только с двигательными командами, но и с сенсорными сигналами (эфферентные и афферентные команды). Во-вторых, суммарная электрическая активность нервного ствола обычно содержит эфферентные команды, адресованные не к одной, а к нескольким мышцам.
В силу приведенных соображений наиболее удобным оказывается отведение двигательных команд непосредственно от мышцы. В этом случае регистрируемая активность имеет достаточно точный адрес, она прошла все уровни формирования. Технически значительно проще и надежнее отводить импульсы от мышцы, чем от нерва. Наконец, амплитуда миограммы при используемых на человеке приемах отведения больше, чем амплитуда нейрограммы. Речь идет не об отведении электрической активности отдельной двигательной единицы (ДЕ), которая в силу ряда причин не может служить характеристикой активности всей мышцы и избирательное отведение от которой представляется сравнительно сложной задачей, а об отведении интерференционной ЭМГ поверхностными электродами, которая обусловлена сложением множества случайных некогерентных потенциалов отдельных ДЕ. В этом случае производится измерение некоторой функции от общего числа возбужденных в данный момент времени ДЕ. Такая интерференционная ЭМГ дает возможность участие мышц в различных движениях, последовательность их включения и выключения, интегральный уровень возбуждения, соотношение активности мышц в разные периоды формирования двигательных навыков и т. д. Таким образом, для задач биоэлектрического управления движениями отведение ЭМГ поверхностными электродами оказалось наиболее удобным.
При поверхностном отведении электроды располагаются на поверхности кожи тела, измеряя тем самым разность потенциалов между точками электрического поля, образованного на поверхности активностью генераторов, находящихся в глубине ткани. Изменение величины потенциалов в зависимости от удаления электродов от источника колебаний подчиняется общим законам проведения. Потенциала в объемном проводнике. Например, при удалении от источника на 0,36 мм амплитуда потенциала ДЕ уменьшается в 10 раз.
Поверхностные электроды характеризуются большей поверхностью отведения, удобны в изготовлении и эксплуатации и не травмируют пациента. В простейшем случае такой электрод состоит из двух металлических неполяризующихся дисков (например, из серебра, покрытого слоем хлористого серебра), укрепленных на некотором расстоянии друг от друга на одной изолирующей основе. Крепят такие электроды над так называемой двигательной точкой мышцы с помощью резиновых ремней или лейкопластыря. Для уменьшения сопротивления между электродами и кожей применяются различные электропроводимые пасты и растворы.
При электростимуляции с помощью поверхностных электродов различают стимуляцию «мышечную» и «нервную» (прямую и непрямую). Такое разделение условно, поскольку по мере увеличения интенсивности стимула наступает сначала возбуждение афферентных нервных волокон, а затем эфферентных, которые в свою очередь возбуждают мышцы. Порог возбуждения непосредственно мышечной ткани при этом обычно не достигается. Условно можно считать, что мы имеем дело с мышечной стимуляцией, когда раздражают двигательные точки мышц, имеющие минимальные пороги возбуждения (при этом можно возбуждать отдельные мышцы), и с нервной стимуляцией, когда электрод на коже располагают над нервным стволом (при этом часто стимулируются целые группы мышц, иннервируемые данным нервом, что не всегда необходимо).