Использование компьютерной электромиографии для ранней и дифференциальной диагностики экстрапирамидных заболеваний

Декабрь 1, 2015 / Комментарии 0

Одним из методов исследования двигательной функции человека является запись электрической активности мышц человека — электромиограмма (ЭМГ). Сигналы электрической активности мышц, отведенные поверхностными электродами, содержат информацию как о состоянии самой мышцы, так и об управлении двигательным актом. Электромиограмма (ЭМГ) имеет широкий частотный спектр с максимальной площадью в диапазоне 50-200 Гц. В то же время спектры механограммы (сигнала, отражающего изменение суставного угла) или суставного тремора здорового человека лежат в диапазоне 8-20 Гц, а частоты патологического тремора еще ниже, 4-9 Гц. Вследствие этого в исследованиях управления двигательной активностью человека интерес представляет та часть сигнала ЭМГ, которая создает эту активность, т.е. низкочастотная часть спектра ЭМГ.

В Институте проблем управления РАН был создан метод компьютерной регистрации и количественной оценки тремора человека при поддержании неизменного суставного угла. Метод позволяет из широкого спектра электромиограммы выделить тот частотный диапазон сигнала, который создает двигательный акт. Путем большой серии экспериментальных исследований, как с участием животных, так и человека, из сигнала ЭМГ был выделен сигнал, создающий двигательную активность. Такой сигнал назван огибающей ЭМГ (ОЭМГ). Сигнал ОЭМГ формируется путем детектирования ЭМГ и фильтрации. Разработанный метод позволяет проводить анализ частотных составляющих ОЭМГ, лежащих в полосе от 0 до 40 Гц. Таким образом, ОЭМГ создается в той области частот, которая соответствует треморным движениям сустава. Это позволяет использовать сигналы ОЭМГ в исследованиях двигательных расстройств при экстрапирамидных нарушениях.

На рис. 1 приведен пример спектра ОЭМГ, характеризующий тремор мышцы лучезапястного сустава (m.extensor carpi radialis longus) здорового испытуемого.

р1

Разработанный метод использовался в исследованиях ряда клинических форм экстрапирамидных нарушений, в том числе болезни Паркинсона (БП). Методика позволяет регистрировать и обрабатывать одновременно до 4 сигналов ЭМГ. Сигналы ЭМГ регистрируются стандартными накожными электродами с мышц лучезапястных (m.extensor carpi radialis longus) и голеностопных суставов (m. tibialis anterior) правой и левой стороны. Далее на компьютере проводится формирование сигнала ОЭМГ и его спектральный анализ. Для статистической надежности в процессе одного обследования регистрируется до 20 одноминутных реализаций ЭМГ. Таким образом, в ходе одного обследования накапливаются массивы, состоящие из 20 спектров ОЭМГ для каждой исследуемой мышцы, и по ним строятся средние спектры («портрет»), определяющие характерные особенности двигательных проявлений. Кроме портрета для каждой мышцы определяются среднестатистические значения определенных спектральных параметров. Этими параметрами являются: частота пика Fp, т.е. значение частоты максимальной точки спектра; мощность пика Аp2, т.е. высота максимальной точки спектра, А02 — мощность нулевой составляющей спектра, т.е. средний уровень напряжения мышцы. Кроме того, подсчитывается значение Km = Ар2/Аd2, названное «коэффициент тремора» (где Аd2 — среднее значение мощности всех частот спектра за исключением Аp2 и А02). Значение этого коэффициента определяет превалирование тремора над остальными составляющими сигнала. Так, для нормального физиологического тремора «коэффициент тремора» лежит в диапазоне от 5 до 12. Для параметра Fp строятся полигоны распределений, на которых определяются максимальные значения — мода (Fmod), указывающая на основную частоту тремора. Полигон распределения позволяет оценить диапазоны изменений частоты пика. Напомним, что основная частота нормального физиологического тремора для мышц лучезапястного сустава 9-12 Гц, а для мышц голеностопного сустава 8-11 Гц.

Исследования больных БП на разных стадиях заболевания Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН проводил совместно с Институтом неврологии РАМН, кафедрой невропатологии Академии последипломного образования МЗ РФ, Московским областным научно-исследовательским клиническим институтом им. М.Ф. Владимирского. В этих исследованиях были выявлены основные информационные признаки, отражающие состояние двигательного аппарата человека и сформированы диагностические критерии (маркеры) двигательных нарушений. Большой объем проведенных исследований (более 500 обследований) позволил выделить статистически достоверные диапазоны значений спектральных параметров для разных групп больных с экстрапирамидными нарушениями и в частности различных форм и стадий БП. Полученные диагностические маркеры различных форм БП позволяют также проводить индивидуальный подбор фармакотерапии.

Клиника БП складывается из так называемой триады двигательных нарушений: тремора, мышечной ригидности и гипокинезии. В чистом виде один из симптомов встречается крайне редко, обычно у больных проявляется смешанная симптоматика. Поэтому в клинике в зависимости от преобладания одного симптома и выраженности сопутствующего диагностируются различные формы заболевания: дрожательно-ригидная, ригидно-дрожательная, ригидно-акинетическая форма и т.п.

На рис. 2 приведены типичные спектральные «портреты» ОЭМГ мышц лучезапястного сустава больных БП с доминированием тремора, ригидности и гипокинезии. Так, дрожательная форма БП (см. рис. 2а) характеризуется высокоамплитудным пиком в области от 3 до 6 Гц, что клинически выражается высокоамплитудным патологическим тремором (дрожанием). Смещение пика в область более высоких частот до 9 Гц свидетельствует о ригидности. При этом амплитуда пика уменьшается. Акинетическая форма БП характеризуется отсутствием пика и равномерностью амплитуд (см. рис. 2в). Следует отметить, что пик физиологического тремора человека лежит в диапазоне 9-12 Гц.

р2

Особенности различий симптоматик больных проявляются как в виде «спектральных портретов», так и в отличиях спектральных параметров. В зависимости от формы заболевания, а именно — от преобладания в клинически смешанной форме — тремора, ригидности или гипокинезии, отмечались изменения в характеристиках ОЭМГ. В частности у пациентов с преобладанием тремора мода в распределении частот пиков (Fmod) находится в области 3-6 Гц, при этом чем меньше частота, тем более выражен симптом дрожания. С увеличением частоты тремора к дрожанию присоединяется симптом ригидности. При преобладании в клинике ригидности над тремором и гипокинезией Fmod находится в пределах от 6 до 9 Гц, а при превалировании в клинике гипокинезии над тремором и ригидностью мода лежит в диапазоне от 9 до 40 Гц. Аналогично были определены диапазоны значений амплитудных характеристик тремора. Однако известно, что моносимптоматика у больных БП встречается редко и наблюдается обычно на начальных стадиях заболевания. Разработанная методика позволяет диагностировать как «чистые», так и «смешанные» формы БП.

Остановимся подробнее на выявлении ранних признаках БП. Исследование клинически здоровой стороны больных гемипаркинсонизмом показало, что уже на ранних этапах, когда отсутствуют внешние признаки заболевания, в спектрах ЭМГ в области низких частот, характерных для БП, появляются дополнительные низкоамплитудные пики. Наличие такого патологического пика совместного с пиком физиологического тремора не дает внешних проявлений заболевания, т.е. амплитуда патологического тремора настолько мала, что визуально он не заметен и врач его не диагностирует. При развитии динамики заболевания патологический пик растет по амплитуде и полностью замещает пик физиологического тремора. На этой стадии болезнь дает внешние проявления и клинически диагностируется. Таким образом, одним из ранних маркеров заболевания может служить низкоамплитудный пик в патологической области частот. На рис. 3 приведены примеры спектральных портретов ОЭМГ мышц клинически больной (правая сторона) и клинически интактной (левая сторона) больной М, 1935 г.р. (DS правосторонний гемипаркинсонизм, дрожательная форма). На рис. 3а показаны усредненные спектры ОЭМГ для мышц лучезапястных суставов, а на рис. 3б — для мышц голеностопных суставов правой и левой стороны. Как видно из приведенных «спектральных портретов», на правой стороне больной выделяется четкий пик в области 5,47 Гц. Среднее значение мощности этого пика для мышцы разгибателя лучезапястного сустава (СDЕ) 390±95 мкВ2, а мышцы разгибателя голеностопного сустава (ТЭЕ) 220±34 мкВ2. Коэффициент тремора Кm соответственно 47 и 38. Полученные значения диагностических маркеров четко указывают на дрожательную симптоматику, что и не противоречит клиническому диагнозу. В то же время, на клинически здоровой левой стороне также наблюдается пик в области 5,47 Гц. Мощность этого пика значительно меньше, чем на правой стороне (5,9±2,1 мкВ2 — для мышцы лучезапястья и 41±17 мкВ2 — для мышцы голеностопа), поэтому визуально тремор на левой стороне не выявляется. Однако наличие этого патологического пика свидетельствует о начале заболевания и на левой стороне. Начальная стадия ригидно-акинетической симптоматики выявлена у другой больной — больная А, 1956 г.р., DS — правосторонний гемипаркинсонизм, дрожательная форма. На рис. 4 приведен спектральный «портрет» ОЭМГ мышц лучезапястного сустава обеих сторон этой больной. На правой стороне (СDЕ) отмечен пик Fp=5,47 Гц мощностью Ap2=112 мкВ2, а на левой (СFЕ) — пик на частоте Fp=7,03 Гц мощностью Аp2=2,82 мкВ2. Наряду с пиком небольшой мощности (Fp=7,03 Гц) на спектре левой стороны отмечается характерное для гипокинезии равномерное плато.

Таким образом, обследования большого массива больных с различными формами и стадиями БП позволило установить соответствия количественных оценок определенных параметров электромиограммы, формам и стадиям заболевания.

р3

По разработанной методике проводились экспериментальные исследования еще двух форм экстрапирамидных расстройств — эссенциального тремора (ЭТ) и цервикальной дистании (спастической кривошеи (СК)). Эти экстрапирамидные заболевания имеют схожую симптоматику, особенно на начальных стадиях заболевания. Обработка и анализ полученного экспериментального материала позволили получить и для этих заболеваний элекромиографические маркеры. Была создана компьютерная база данных, содержащая информацию об определенных параметрах спектральных оценок ОЭМГ, полученных при каждом обследовании больного. На основе метода, используя значения диагностических маркеров, была разработана приборно-компьютерная система (ПКС) диагностики, предназначенная для помощи врачам невропатологам и нейрохирургам в сложных случаях постановки диагноза, особенно на ранних стадиях заболевания, оценки эффективности фармакотерапии при ее индивидуальном подборе, оценки эффективности хирургических или иных форм лечения, а также прогноза динамики состояния больного.

ПКС состоит из базы данных пациентов и диагностического блока. В диагностическом блоке ПКС для диагноза болезни Паркинсона предусмотрена возможность автоматической диагностики основных симптомов заболевания для каждой исследуемой мышцы — тремора (Г), ригидности (R) и акинезии (А). Таким образом, диагноз больного представляется как комбинация букв. Разные симптомы могут иметь, по оценке врача, одинаковую степень выраженности, один из симптомов может значительно преобладать, на каком-то суставе те или иные симптомы могут отсутствовать. Система для каждой мышцы больного выдает 1 или 2 буквы из набора Т, R, А в зависимости от выраженности того или другого симптома. Если один из симптомов имеет сильное преобладание, выдается одна буква, обозначающая этот симптом. Если у больного одинаково выражены два симптома, выдается набор из 2 букв. Как правило, в таком случае один из 2 симптомов имеет некоторое преобладание, тогда соответствующая ему буква ставится на 1-е место. Кроме этого, система дает информацию о начальных проявлениях тремора и ригидности. Система, используя частотные характеристики тремора, может выдать информацию о наличии этого симптома даже в тех случаях, когда амплитуда патологического тремора мала.

р4

Диагностические маркеры, на основе которых система диагностирует основную симптоматику, приведены в таблице. Корректность использованных для диагностики интервальных значений параметров была проверена специальными математическими моделями.

База данных пациентов по запросу позволяет получить сведения о числе обследований конкретного пациента, сравнить изменения параметров в динамике развития заболевания или в процессе лечения больного. Для этого предусмотрен вывод параметров в графической форме.

Кроме болезни Паркинсона в ПКС на данном этапе включены эссенциальный тремор и спастическая кривошея. Для дифференциальной диагностики используются как вышеперечисленные маркеры, так и дополнительные. После обработки результатов электромиографического обследования больного система выдает не только симптом для каждой исследуемой мышцы, но и ставит предположительный диагноз, помогая врачу в принятии решения. На рис. 5 представлено окно диагностики ПКС. В левой верхней части экрана приводится таблица обобщенных параметров для всех исследуемых мышц. В выпадающем меню справа от таблицы автоматически указывается диагноз, поставленный пациенту врачом при направлении на обследование, либо наиболее вероятный. Этот диагноз берется за основу и для него проводится проверка наличия симптомов для каждой исследуемой мышцы. Эти четыре симптома отражаются при загрузке окна диагностики в самой нижней строчке таблицы и на схематичном рисунке под ней. В текстовом окне справа от таблицы выводятся краткие сообщения, отражающие результаты дифференциальной диагностики.

р5

ПКС предназначен для использования в неврологической клинике как система компьютерной диагностики ряда экстрапирамидных заболеваний, помогающая врачу поставить наиболее точный диагноз для своевременного и эффективного оказания медицинской помощи пациенту. Система производит диагностику для каждой исследуемой мышцы. Таким образом, диагноз устанавливается раздельно для каждого сустава, мышцы которого исследуются. Это дает преимущество над общей диагностикой врачей. Также она позволяет выделить те симптомы, которые находятся на ранней стадии проявления и еще не выявляются клиническими методами. ПКС позволяет просматривать динамику изменения состояния пациента как в численных характеристиках, так и в графической интерпретации. Система позволяет оценить эффективность различных форм лечения больных. В экспериментальных целях можно отслеживать влияние того или иного препарата на различные формы болезни Паркинсона. Также с ее помощью можно точнее подобрать курс лечения для конкретного пациента. Помимо всех диагностических функций в систему включена база данных обследуемых больных. На данном этапе приборно-компьютерный комплекс используются только для трех экстрапирамидных заболеваний: болезнь Паркинсона, эссенциальный тремор и цервикальная дистония (спастическая кривошея). Полученные для этих заболеваний диагностические маркеры были получены в результате длительных экспериментальных исследований и накопления большого количества клинических исследований. Однако возможности системы могут быть расширены за счет включения диагностических маркеров, полученных для других экстрапирамидных заболеваний.

Подпишитесь на свежую email рассылку сайта!

Читайте также