MIO-A

Centralni nadzor človeških gibov je slabo raziskan, predvsem zaradi njegove kompleksnosti in velikega števila prostostnih stopenj živčnih kodov, ki nadzirajo krčenje skeletnih mišic. Slednje lahko preučujemo s snemanjem električne aktivnosti mišic na površini kože, torej z analizo površinskih elektromiogramov (EMG). Ti ponujajo številne prednosti pred klinično bolj uveljavljenimi igelnimi preiskavami, med drugim večjo ponovljivost meritev, večje pacientovo udobje in boljše sprejemanje preiskav, nižje stroške in manjše tveganje za okužbe.

Zaradi zgoraj navedenih prednosti se površinski EMG vedno bolj uporablja v nevroznanosti, rehabilitaciji, patofizioloških preiskavah, usposabljanju športnikov in pri naprednejših vmesnikih človek-stroj, predvsem za nadzor aktivnih protetičnih naprav. Glavni izziv vseh teh aplikacij je natančna identifikacija motoričnih ukazov iz posnetih signalov EMG. Površinski signali EMG so namreč sestavljeni iz velikega števila akcijskih potencialov, ki jih prispevajo osnovne funkcionalne enote mišic, t.i. motorične enote (ME). Centralni živčni sistem nadzoruje mišično krčenje s spreminjanjem števila aktivnih ME in njihovih hitrosti proženja, oblika akcijskih potencialov pa je s stališča centralnega nadzora nepomembna. Zaradi večfazne oblike akcijskih potencialov ME in njihovega asinhronega proženja, posnete površinske signale EMG pogosto obravnavamo kot zelo interferenčne, mišične aktivacije pa ocenimo iz energijskih ovojnic signalov EMG. Ta pristop nudi zelo omejen vpogled v centralni nadzor skeletnih mišic, predvsem zaradi občutljivosti signalov EMG na obliko akcijskih potencialov ME. Slednja je odvisna od mišične anatomije, podkožnega tkiva in stopnje mišične skrčitve in je eden izmed glavnih razlogov za v literaturi poročano veliko variabilnost in slabo ponovljivost meritev površinskih signalov EMG.

Negativni vpliv akcijskih potencialov ME je bil v do sedaj objavljenih študijah gibanja popolnoma prezrt. Še več, energijske ovojnice signalov EMG so bile uporabljene za vzpostavitev precej razširjene teorije mišičnih sinergij. Slednja trdi, da je sočasna aktivacija dveh ali več mišic modulirana z enim ukaznim signalom centralnega živčnega sistema. To naj bi močno poenostavilo upravljanje človeških gibov, saj zmanjšuje število prostornih stopenj, ki jih nadzirajo možgani.

V projektu uvajamo unikatno rešitev omenjenega problema obdelave signalov EMG in sicer razvoj in validacijo računalniških postopkov za realnočasovno ločitev informacij o obliki akcijskih potencialov ME od informacij o njihovih prožilnih vzorcih, ki tvorijo živčni kod. Omenjeno metodologijo bomo uporabili pri preučevanju kontrolnih strategij skeletnih mišic zgornjih okončin zdravih in hemiparetičnih preiskovancev. S tem naslavljamo tako metodološke kot fiziološke pomanjkljivosti trenutno uveljavljene teorije mišičnih sinergij. Z metodološkega vidika ni jasno, v kolikšni meri opredeljeni vzorci mišičnih aktivacij odsevajo skupne geometrijske spremembe preiskovanih mišic in ne njihovih skupnih vzbujanj. Iz fiziološkega vidika je bilo pokazano, da 10% - 15% delež variabilnosti ovojnic signalov EMG, ki ga ne moremo pojasniti s pomočjo sinergij, nosi informacije, ki so bistvenega pomena za zmanjševanje funkcionalnih napak gibanja. Trenutno uveljavljen model mišičnih sinergij je torej le grob pribljižek dejanskega stanja. Cilj projekta je raziskati in pojasniti omenjena znanstvena vprašanja.

Z namenom demonstracije njihove primernosti za analizo okvar centralnega živčnega sistema bomo razvite tehnike uporabili pri analizi patoloških vzbujanj mišic zgornjih udov v hamiparetičnih bolnikih. Ugotovljena patološka odstopanja bomo sistematično primerjali s funkcionalnimi napakami gibov, ki jih bomo ocenili s pomočjo haptično nadzorovanega rehabilitacijskega robota UHD. S tem bomo zagotovili boljšo informacijsko podporo rehabilitacijskim postopkom in bolje izkoristili bolnikov rehabilitacijski potencial.

missing
Slika 1: A - Velikost in oblika akcijskega potenciala motorične enote (APME), kot ga zaznajo trije pari bipolarnih elektrod, ki so nameščeni na površini kože nad dvoglavo mišico biceps brachii pri dveh različnih kotih komolčnega sklepa. Izmerjeni APME iste motorične enote je veliko močnejši pri popolnoma iztegnjenem komolčnem sklepu (levo) kot pri popolnoma skrčenem komolčnem sklepu (desno); B - Simulacija učinka sprememb oblik APME zaradi skrčitve komolčnega sklepa (iz popolnoma razširjenega na levi strani v celoti upognjen komolčni sklep na desni strani) na površinske signale EMG ob konstantnem 30% mišičnem vzbujanju. Energijska ovojnica simuliranega signala je prikazana v črni barvi; C - enako kot v B, vendar s kompenzacijo oblik APME (iz pridobljenih EMG signalov so bile oblike APME odstranjene z posebnim računalniškim algoritmom); D – trenutne frekvence proženja petih motoričnih enot med koncentrično in ekscentrično fazo dinamične skrčite dvoglave mišice biceps brachii v zdravem mladem preiskovancu. Vpliv spreminjajočih se oblik APME je bil odstranjen s tehniko razcepa signalov EMG na prispevke posameznih motoričnih enot in ugotovljene hitrosti proženja motoričnih enot ponujajo zelo natančen vpogled v mišična vzbujanja med gibanjem ter rehabilitacijo.