Оценка и контроль функционального состояния нервномышечной системы и длительность сеанса электростимуляции

23 Марта в 20:58 909 0


Введение. Краткий литературный обзор. Обоснование целей и задач исследования.

Электростимуляция нервно-мышечных структур получила чрезвычайно широкое распространение при лечении и коррекции двигательных нарушений различного генеза, а также в области профилактики последствий гипокинезии и в спортивной медицине.

В последние годы электростимуляция довольно активно внедряется в косметологию, коррекцию и реконструкцию фигуры.

Анализ многочисленных публикаций о применении электростимуляции мышц в клинической и спортивной практике показывает, что подавляющее большинство их посвящено обоснованию параметров и режимов стимулирующих сигналов и режимов стимуляции.

В то же время весьма важный вопрос об оптимальной длительности сеанса электростимуляции, наиболее адекватной для процессов восстановления или улучшения функции нервно-мышечных структур, еще требует своего решения.

Так, продолжительность сеанса электростимуляции определяется умозрительно и, по современным методикам, колеблется от 10 до 30 минут, не отличаясь от длительности большинства физиотерапевтических процедур.

Основные фундаментальные положения метода электростимуляции разработаны еще не до конца, электростимуляция у различных субъектов проводится по общим стандартным рекомендациям. Между тем, у каждого из пациентов имеются существенные различия в функциональном состоянии нервно-мышечных структур. При этом процедура электростимуляции, незначительно влияющая на нервный аппарат и мышцы в одних случаях может иметь чрезмерную длительность в других , тем более больного человека (приводя к истощению нервных приборов, изменениям биохимизма мышц и нежелательным последствиям) и недостаточную продолжительность в третьих.

В таких условиях электростимуляция даже оптимальными по форме и режиму подачи импульсов не только не способна улучшить состояние пациента, но и может оказать повреждающее, угнетающее воздействие на нервно-мышечные структуры.

Отсутствие обоснованных критериев выбора времени сеанса электростимуляции на практике приводит к получению отрицательных результатов и дискредитации метода в глазах как больных так и специалистов.

В то же время недостаточное по времени воздействие на нервно-мышечный аппарат сопровождается малым лечебным или стимулирующим эффектом.

В процессе элекростимуляционного воздействия функциональное состояние нервно-мышечного аппарата меняется. Мышца утомляется и ее сократительная способность падает. Это физиологическое явление и должно быть положено в основу разработки электростимуляторов с биологической обратной связью (БОС).

БОС представляет собой комплекс процедур, при проведении которых осуществляется непрерывный, тщательный мониторинг физиологических показателей с помощью компьютерной (или иной) техники в реальном масштабе времени.

Результаты, полученные экспериментаторами и врачами свидетельствуют о существенном росте интереса к методам биоуправления, разнообразным возможностям его применения в клинике.

Система БОС - одна из форм биотехнического управления (в русскоязычной литературе часто используется термин "адаптивное биоуправление"). Теоретической основой адаптивного биоуправления является теория автоматического регулирования и формальных противоречий не имеет. Однако на пути практического решения мы сталкиваемся с рядом трудностей.

Основная из них состоит в том, что "средняя физиологическая норма" здорового человека, полученная на основе обследования большого числа лиц, оказывается весьма приближенной и не может быть использована при аппаратном контроле состояния конкретного индивидуума. Как показали многочисленные исследования физиологическая норма является сугубо индивидуальной и зависит от: возраста, пола, генетических и фенотипических особенностей, привычной среды обитания и др.

Общепринятые в медицине средние показатели физиологической нормы и вариации параметров функциональных систем могут быть использованы в качестве обобщенной оценки здоровья популяции. Для осуществления строгого контроля за динамикой функционального состояния человека требуется точное измерение индивидуальных вариаций параметров основных функций организма.

Функциональная схема системы адаптивного управления (по Дж.Милсуму, 1972)
Функциональная схема системы адаптивного управления (по Дж.Милсуму, 1972)

Следующей трудностью является отсутствие портативных электронных устройств, позволяющих осуществлять контроль за динамикой нескольких физиологических параметров одновременно в сопоставлении с их исходными индивидуальными значениями. Поддержание определенного функционального состояния обеспечивается взаимодействием ряда систем организма, следовательно, системы контроля должны позволять оценивать это взаимодействие и сравнивать его с "паттерном состояния". Отдельные физиологические переменные могут быть стабильными, а потому мало информативными для контроля за изменением состояния отдельного органа, системы и организма в целом.

Основными показателями функционального состояния мышц являются:
  • сила сокращения;
  • скорость сокращения;
  • работоспособность.
Из классической физиологии известно, что в эксперименте на отпрепарированной мышце мы можем отследить изменение функционального состояния при различных условиях эксперимента. Так при электростимуляции нервно-мышечного препарата, мы можем первые признаки утомления наблюдать по увеличению продолжительности фазы расслабления. По мере утомления уменьшается и амплитуда сокращения, а еще больше увеличивается фаза расслабления.

Эта закономерность была взята на вооружение изобретателями в надежде разработать программируемый самонастраивающийся электростимулятор с обратной связью.

Схема последовательности изменения параметров одиночного сокращения нервно-мышечного препарата при утомлении
Схема последовательности изменения параметров одиночного сокращения нервно-мышечного препарата при утомлении


Однако, несмотря на, то что было получено авторское свидетельство на изобретение, практически замысел реализовать не удалось. Не увенчались успехом попытки реализовать идею использования для БОС биоэлектрическую активность мышц (ЭМГ) из-за сложности технического решения.

Более успешно БОС применяется при функциональной электростимуляции для восстановления лекомоций у больных с параплегией.

После инсультов и спинно-мозговых травм часто утрачивается способность к управлению нижними конечностями. Это резко ограничивает самостоятельность больных в повседневной жизни. Во многих странах ведутся работы в направлении восстановления утраченных функций путем использования нейропротезов - устройств, создающих электрическую стимуляцию мышц в обход поврежденных звеньев нервной системы.

В работах применение систем функциональной нервно-мышечной стимуляции (ФНС) для восстановления функций парализованных нижних конечностей рассматривается с точки зрения управления такими системами. В отличие от способов, основанных на возбуждении рефлекторных реакций, их подход предусматривает непосредственное электростимуляционное управление парализованных мышц. При помощи ЭВМ разработанные авторами образцы ФНС дают парализованным пациентам возможность ходить до 8 км в день, преодолевать препятствия, подниматься и спускаться по лестнице.

В этой связи весьма актуальным является поиск объективных, научно обоснованных критериев, которые позволили бы определить, в какой момент времени целесообразно прекращать миостимуляцию для получения максимального положительного результата у данного субъекта. Так, Н.И. Путилин указывал, что необходим надежный контроль за эффектом электростимуляции, который давал бы возможность прекратить воздействие на нервно-мышечный аппарат и не допустить перехода утомления в переутомление, особенно опасное при патологических состояниях. Трудности решения проблемы усугубляются тем, что электромиографические данные не могут быть использованы для этой цели, а также необходимостью достигать при электростимуляции определенную степень утомления для повышения работоспособности путем тренировки.

Система многоканальной электростимуляции с обратной связью
Система многоканальной электростимуляции с обратной связью

Перед нами стояла задача изучить изменения температуры кожи в области сокращающихся мышц в процессе их произвольной работы и электростимуляции и сопоставить их с данными объективного контроля с помощью глобальной и интегральной электромиографии и динамометрии и субъективными ощущениями исследуемых в динамике определенного режима мышечных сокращений при электростимуляции и активной мышечной деятельности .

При этом мы исходили из имеющихся в литературе сведений о том, что локальное повышение температуры является следствием усиления термогенеза работающей мышцы и увеличения регионального кровотока.

Материал и методика исследования

С помощью интегральной и глобальной электромиографии (ЭМГ), термографии, динамометрии и стимуляционной электронейромиографии (ЭНМГ) обследовано 25 здоровых испытуемых в возрасте то 19 до 29 лет. Проведено 3 серии опытов.

В 1-ой серии опытов испытуемые активно сокращали мышцы-сгибатели правого предплечья, сжимая пальцами резиновое кольцо с максимальным усилием. Режим работы: сокращение мышц в течении 2-2.5 секунд.

Во 2-ой серии опытов испытуемые подвергались стимуляции мышц-сгибателей правого предплечья, в результате которого происходило сжатие пальцев кисти. При этом испытуемые должны были активно сокращать раздражаемые током мышцы, усиливая движения, вызываемые миостимуляцией.

В 3-ей серии опытов проводили миостимуляцию по схеме, аналогичной режиму 2-ой серии, но испытуемые получали указание не производить произвольных движений стимулируемыми мышцами. Проведение опытов 3-ей серии имело целью смоделировать состояние, близкое состоянию, возникающему при денервации.

Регистрация физиологических параметров проводилась в динамике мышечной работы или ЭС, продолжавшейся до отказа от работы вследствие значительного ослабления сокращений при появлении признаков выраженного утомления. Термография осуществлялась с помощью многоканального термографа автоматически, в заданном режиме осуществляющего графическую регистрацию кожной температуры испытуемого использовались поверхностные электроды, укреплявшиеся над сокращающимися мышцами, а также в симметричных точках интактных конечностей.
ЭМГ и ЭНМГ проводились с помощью миографической системы MG-42 "Medicor"; точность регистрации параметров составляла до 0,03 мс и 0,5 мкв.

При глобальной электромиографии оценивали амплитуду суммарной биоэлектрической активности максимального мышечного сокращения, при интегральной - записывали в условных единицах площадь электромиограммы. Стимуляционное электронейромиографическое исследование заключалось в регистрации амплитуды вызванного стимуляцией серединных нервов максимального мышечного ответа (М-ответа), а также в определении числа функционирующих двигательных единиц в мышцах предплечья и кисти.

При динамометрии с помощью пальцевого динанометра определяли величину максимального усилия стимулируемых и работающих в режиме активных сокращений мышц.

Одновременно с регистрацией параклинических параметров фиксировали ощущения испытуемых, сведения о времени появления и нарастания субъективных признаков утомления заинтересованных мышц и общей реакции организма.

Всего проведено 72 опыта, в процессе которых постоянно регистрировали параметры функционального состояния нервно-мышечных структур испытуемых.

Результаты исследования

Проведено 38 опытов, в которых у испытуемых предварительно определяли фоновые параметры, затем испытуемые начинали производить мышечные сокращения в заданном режиме при многократном определении параметров функционального состояния нервно-мышечной системы и температуры.

При анализе полученных данных выявлены следующие закономерности. У всех испытуемых обнаруживалась определенная зависимость в изменениях температурных кривых, показателей динамометрии и электромиографии, а также субъективных проявлений утомления.

Так, в начальном периоде работы температура над работающими мышцами повышалась весьма интенсивно, примерно на 0,2-0,4 и более градусов за каждые 3 минуты (температурные параметры в одной и той же точке регистрировалась через каждые 1,5 минуты). В первой фазе этого периода максимальная мышечная сила, развиваемая работающими мышцами, обычно повышалась по сравнению с исходной. Затем по мере нарастания ощущения утомления и падения работоспособности, выражавшемся в снижении показателей динамометрии и амплитуды максимального мышечного сокращения, прирост температуры в единицу времени становился все менее выраженным, и подъем кривой, становясь все менее крутым, переходил в плато.

Характеризуемый период работы мышц отражен на рисунке, к нему относятся участки графиков между точками А и Б. В конце периода А-Б обычно уже недостаточно силы, развиваемой при сокращении мышцами предплечья, для поддержания величины максимального усилия на постоянном уровне; поэтому в мышечное сокращение начинают включаться новые, не работавшие первоначально мышцы предплечья и плеча, происходит как бы генерализация площади, захватываемой мышечным сокращением. Это проявляется повышением температуры над не работавшими ранее мышцами, появлением и возрастанием их биоэлектрической активности.



Включение дополнительной мускулатуры в движение, осуществляется первоначально меньшим числом мышц, свидетельствует о появлении и прогрессировании утомления в первоначально работающих мышцах и контролирующих их центрах нервной системы, а также о снижении дифференцированности этого движения. Кроме того, при этом возрастают затраты энергии на движение, которое в начальной фазе опыта выполнялось более экономно. В конце периода А-Б возрастает утомление, несмотря на подключение дополнительной мускулатуры, происходит падение величины максимального мышечного усилия. Однако в этой конечной фазе периода А-Б еще возможно уменьшение или исчезновение субъективных признаков утомления, то есть возможна адаптация и подъем показателей динамометрии.

Изменение функциональных показетелй в процессе электростимуляции мышц предплечья
Изменение функциональных показетелй в процессе электростимуляции мышц предплечья:
1 - самочувствие; 2 - показатели силы сгибатели срединного и безымянного пальцев при супрамаксимальной стимуляции через нерв; 3,4 - показатели температуры кожи над стимулируемыми мышцами в различных точках; 5 - показатели силы сгибания срединного и безымянного пальцев при максимальном волевом усилии; 6 - амплитуда М-ответа

Адаптация эта, однако, имеет нестойкий характер, и при ней во всех случаях не достигается величины исходных параметров.

Через короткий период (Б-В) состояние адаптации к мышечной нагрузке сменяется резким падением показателей функционального состояния нервно-мышечных структур (период В-Г). При этом, несмотря на продолжающуюся мышечную работу, не происходит повышения температуры над её работающими мышцами или наступает даже понижение её.

Температура, регистрируемая в наших исследованиях, определяется двумя факторами: кровотоком через работающие мышцы и метаболическими процессами в них. Мы полагаем, что при определенной продолжительности мышечной работы постоянной интенсивности вслед за нарастанием кровообеспечения мышцы термогенеза достигаются их максимальные показатели, перестают расти кровоснабжение мышцы и интенсивность обменных процессов в мышечной ткани. В этой связи плато на кривых теплообразования, по-видимому, следует рассматривать как достижение некоторого константного уровня в кровообеспеченности и обмене веществ в мышце. Период адаптации сегмента А-Б может отражать изменения в соотношении аэробных и анаэробных процессов мышце.

Падение силы мышечного сокращения (период В-Г) является следствием его неадекватного энергообеспечения работающих мышц в условиях продолжающихся сокращений.

Необходимо разграничить состояние компенсируемого и некомпенсируемого утомления, возникающих в процессе мышечных сокращений. Мы исходим из того, что состояние, при котором еще возможна адаптация (то есть поддержание на высоком уровне волевого мышечного сокращения, является компенсируемым утомлением. От него отличаем состояние некомпенсированного утомления, при котором падение показателей при дальнейшем продолжении мышечных сокращений не сопровождается возникновением адаптации, а наоборот, приводит к еще более выраженному ухудшению функции мышцы, возникновению чувства сильного утомления, появлению мышечных болей и утрате способности мышцы совершать эффективную работу.

Как показано на графике, вслед за периодом В-Г следует отказ от работы вследствие сильного утомления, невозможности сокращения мышц и осуществления произвольной мышечной деятельности, падения силы сокращения до 0. Хотя сила сокращения при стимуляции их через нерв, остается еще довольно высокой. Как указано выше, динамика изменений температурных кривых и функциональных показателей мышечной деятельности, а также субъективных ощущений в процессе мышечной работы у различных испытуемых была одинаковой, варьировало лишь время эксперимента, то есть длительность работы до полного её прекращения от 25 до 45-55 минут.

При постановке опытов 1 -ой серии принимали во внимание то очевидное обстоятельство, что выявленные закономерности будут иметь место при ином режиме работы, в частности, при электростимуляции с наличием активных произвольных мышечных сокращений (серия 2) или без них (серия 3).

На основании данных, полученных в опытах 1-ой серии, могут быть сделаны следующие выводы.

1. Субъективное ощущение усталости не может служить критерием для прекращения сеанса электромиостимуляции, так как на фоне возникающего чувства мышечного утомления наблюдаются несколько периодов адаптации к мышечной деятельности.

2. Динамика показателей динамометрии и ЭМГ не может предоставить критерии для решения вопроса о продолжительности сеанса электростимуляции, так как, в процессе эксперимента имеются несколько периодов падения величин этих показателей с последующим восстановлением.

3. Объективную информацию, пригодную для решения вопроса о максимальной длительности миостимуляции, можно получить на основании сопоставления изменений температурных кривых, отражающих теплообразование в работающих мышцах, с показателями функционального состояния мышечной системы и субъективными ощущениями больного или испытуемого.

При этом на основании анализа температурной кривой можно прийти к заключению, что состояние переутомления наступает на фоне стабилизации температуры (плато кривой), когда температурные показатели не обнаруживают сколько-нибудь значимых изменений или уменьшаются в процессе мышечной работы. При этом состояние равновесия обменных процессов в нервно-мышечной системе становится неустойчивым, что находит отражение в колебании функционального состояния от утомления до адаптации и наоборот.

С учетом того обстоятельства, что у больных с патологией нервно-мышечной сферы страдают механизмы компенсации, и периоды адаптации могут быть не выражены, существует реальная опасность перехода утомления у таких лиц в переутомление. В этой связи целесообразно прерывать ритмическую мышечную работу (или сеанс электростимуляции) одновременно с достижением температурной кривой своей максимальной точки, при переходе ее в плато, когда резко уменьшается прирост температуры за единицу времени ( не превышает 0,1 С за 3-4 минуты).

При прекращении прироста температуры или резком его ограничении, несмотря на продолжаюшуюся мышечную работу (равно как и миостимуляцию) достигается состояние утомления, объективно регистрируемое в виде падения показателей мышечной силы или амплитуды ЭМГ и необходимое для тренировки мышц и прироста мышечной силы. Именно по достижении плато на температурной кривой обеспечивается максимальный кровоток через сокращающуюся мышцу и максимальная интенсивность обменных процессов без опасности перехода состояния утомления в переутомление с последующим срывом компенсирующих механизмов.

Таким образом можно сформулировать следующий вывод:

4. Наиболее целесообразно заканчивать сеанс электромиостимуляции в период прекращения или резкого ограничения прироста температуры кожи, регистрируемой в области над работающими мышцами. При этом достигается оптимальный кровоток через сокращающуюся мышцу, наибольшая интенсивность обменных процессов без опасности срыва механизмов компенсации и возникновения состояния переутомления и истощения нервно-мышечных механизмов. Дозируемая таким образом мышечная нагрузка обеспечивает тренировку механизмов адаптации. Другими словами - такой режим стимуляции является оптимальным для укрепления и развития периферической кровеносной сети.

Результаты опытов 2-ой серии

Проведено 20 опытов (стимулировались мышцы-сгибатели предплечья, испытуемые получали указание активно производить возникающие при этом движения).

Динамика показателей, регистрировавшихся у испытуемых 2-ой серии, не отличались по своему характеру от изменений одноименных параметров в опытах первой серии. Отмечено, что утомление в связи с использованием миостимуляции в режиме 2,5-секундного сокращения и аналогичной паузы наступает позднее, чем при активной мышечной работе без применения стимулятора.

Результаты 3-ей серии опытов

Проведено 14 опытов со здоровыми испытуемыми, у которых стимуляции подвергали мышцы предплечья. При этом сокращения мышц под влиянием импульсов от электростимулятора не сопровождались активными движениями испытуемых.

Динамика зарегистрированных показателей не отличалась от результатов опытов предыдущих трех серий, однако величина прироста температуры была несколько меньшей.

Таким образом, электростимуляции и произвольной мышечной деятельности присущи общие закономерности динамики термогенеза, соотношения процессов утомления и адаптации, динамометрических показателей.

Заключение

Выводы, сделанные на основании наших данных, подтверждаются заключением В.Б.Лысенко и В.И.Тхоревского о том, что изменения кровоснабжения, наступающие в результате электростимуляции и физической нагрузки, идентичны.

Поскольку ход окислительно-восстановительных процессов в мышцах в значительной мере определяется их кровоснабжением, становится очевидным, что наш вывод относительно наличия общности изменений мышечной силы, термогенеза и субъективно ощущаемого чувства утомления при электростимуляции и при физической нагрузке вполне правомерен.

В зависимости от состояния стимулируемых нервно-мышечных структур и различий режимов электростимуляции ( разной длительности мышечного сокращения, паузы между стимулирующими сигналами) изменяются только временные параметры исследованных функций: раннее или позднее утомление переходит в переутомление, повышается и затем понижается мышечная сила. Однако направленность сдвигов, закономерность в последовательности изменений и соотношения между изменениями теплообразования в мышцах, утомления и мышечной силы не нарушаются.

Г.Ф.Колесников ранее указывал, что при снижении любого параметра, характеризующего величину мышечного сокращения, более чем на 30% от исходного, продолжение электростимуляции нецелесообразно, так как наступает утомление. Однако величину мышечного сокращения нельзя определить при утрате произвольных движений в результате центрального или периферического паралича. Н.И.Путилин также высказывался о непригодности данных ЭМГ для решения вопроса о длительности сеанса электростимуляции и о необходимости достижения при миостимуляции некоторой степени утомления для повышения работоспособности путем тренировки. Автор предостерегал от опасности перехода утомления в переутомление.

Наши данные также свидетельствуют о том, что при решении вопроса об оптимальной длительности сеанса электростимуляции нельзя исходить из ЭМГ-результатов, так как в динамике миостимуляции или мышечной работы наличиствует несколько периодов существенного подъема и спада амплитуды ЭМГ(а также М-ответа, показателей интегральной миограммы).

Для одного больного или здорового испытуемого потеря 30% величины мышечного усилия является существенной утратой сил и показателем глубокого утомления, для другого (в зависимости от исходной величины силы, состояния нервно-мышечного аппарата, вида патологии) - не является препятствием для продолжения эффективной работы. На величину ЭМГ, а также величину максимального мышечного усилия влияют и состояние нервных центров, и способность человека к мобилизации. Мышечная сила характеризуется не только максимальной амплитудой, но и способностью более или менее длительное время сохранять величину мышечного усилия на определенном уровне.

Поэтому наиболее точные критерии для решения вопроса о прекращении сеанса электростимуляции может дать анализ теплообразования в мышцах, регистрируемого в области кожи над сокращающейся мускулатурой.

На основании изложенного следуют выводы:
1. Субъективное ощущение утомления не может служить критерием для прекращения сеанса электростимуляции, так как на фоне наступающего чувства мышечного утомления наблюдается несколько периодов адаптации к мышечной деятельности.
2. Показатели динамометрии и ЭМГ не являются критерием для решения вопроса об оптимальной продолжительности электростимуляции, так как в процессе миостимуляции имеется несколько периодов существенных колебаний этих показателей.
3. Объективную информацию, пригодную для решения вопроса о продолжительности сеанса электростимуляции мышц, можно получить на основании сопоставления изменения температуры кожи в области работающих мышц с показателями их функционального состояния и субъективными ощущениями утомления больного или испытуемого.

При прекращении прироста температуры, регистрируемой над сокращающимися мышцами, или при резком ограничении этого прироста констатируется состояние утомления, необходимое для тренировки мышц и прироста мышечной силы. В этой связи электростимуляцию под контролем электро-кожной термометрии, производящейся с области над работающими мышцами, целесообразно продолжать до момента перехода восходящей части температурной кривой в плато.

Практические рекомендации

1. Электростимуляцию следует проводить под термографическим контролем путем регистрации температуры кожи над сокращающимися мышцами.
2. Длительность сеанса электростимуляции должна определяться индивидуально при каждом сеансе миостимуляции в связи с возможностью перехода утомления в переутомление и истощение нервно-мышечных механизмов.
3. Показанием для прерывания сеанса электростимуляции служит резкое ограничение прироста температуры за единицу времени (до 0,1 С за 3-4 минуты) или его полное прекращение.

В. Ю. Давиденко
Похожие статьи
показать еще
 
Реабилитация и адаптация