Исследование влияния прижатия электродной системы на сигналы электроимпедансной миографии и морфофункциональные изменения тканей предплечья в процессе мышечного сокращения

А.В. Кобелев; А.Н. Брико; В.В. Каправчук; В.А. Попова; Т.А. Гойдина; Е.В. Масленникова; С.И. Щукин

doi:10.18127/j15604136-202205-10

Исследование влияния прижатия электродной системы на сигналы электроимпедансной миографии и морфофункциональные изменения тканей предплечья в процессе мышечного сокращения

А.В. Кобелев¹, А.Н. Брико², В.В. Каправчук³, В.А. Попова⁴, Т.А. Гойдина⁵, Е.В. Масленникова⁶, С.И. Щукин⁷

научная статья УДК 612.014.421.7 Страницы: 85-93 doi.org/10.18127/j15604136-202205-10

^1,2,3,4,5,7 Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (Москва, Россия)
⁶ Научно-образовательный медико-технологический центр МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

Ключевые слова: Миография прижатие морфофункциональные изменения электрический импеданс лабораторный комплекс стенд ультразвуковое исследование электродная система

Аннотация

Постановка проблемы. На сегодняшний день сигналы электрического импеданса показывают свою информативность в задачах биоуправления ортезами и протезами предплечья при распознавании базовых жестов кисти. Однако, для эффективного решения задач биоуправления с использованием сигнала электрического импеданса, важно учитывать его зависимость от параметров и условий регистрации, которые приводят к неверной интерпретации управляющего сигнала и ошибкам в управлении роботизированными устройствами. Давление электродной системы при электроимпедансных измерениях влияет как на величину сопротивления электрод–кожа, так и на качество регистрации сигналов. Вариабельность прижатия электродной системы к кожным покровам приводит к изменениям сигнала электрического импеданса, не связанным с выполнением действия кисти.

Цель работы – исследование влияния прижатия электродной системы к кожным покровам предплечья на регистрацию сигнала электроимпедансной миографии в процессе мышечного сокращения.

Результаты. В диапазонах давления электродной системы на поверхность кожи от 0 до 250 Па (2 мм рт. ст.) наблюдается наибольшее изменение сигнала электрического импеданса при мышечном сокращении, причём форма сигнала электрического импеданса отражает угол сгибания кисти. При таком давлении прижатия в процессе мышечного сокращения утончается подкожно-жировая клетчатка. Дальнейшее увеличение давления электродных систем на поверхность кожи приводит к существенному искажению формы сигналов электрического импеданса, при котором определить степень сгибания кисти уже не представляется возможным. В этом случае толщина подкожно-жировой клетчатки остаётся постоянной, изменяется только взаимное расположение мышц.

Практическая значимость. Полученные данные позволили установить, как меняются границы тканей предплечья в процессе мышечного сокращения. Давление, оказываемое электродной системой на кожные покровы, и связанный с ней характер изменения границ тканей предплечья при мышечном сокращении следует учитывать при разработке систем управления бионическими устройствами на основе регистрации сигналов электрического импеданса.

Поступила: 22.06.2022
Одобрена: 24.06.2022
Принята: 28.09.2022

Для цитирования

Кобелев А.В., Брико А.Н., Каправчук В.В., Попова В.А., Гойдина Т.А., Масленникова Е.В., Щукин С.И. Исследование влияния прижатия электродной системы на сигналы электроимпедансной миографии и морфофункциональные изменения тканей предплечья в процессе мышечного сокращения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2022. T. 25. № 5. С. 85-93. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604136-202205-10

Список источников

Rutkove S.B. Electrical impedance myography: background, current state, and future directions // Muscle & Nerve: Official Journal of the American Association of Electrodiagnostic Medicine. 2009. V. 40. Iss. 6. P. 936–946. doi: 10.1002/mus.21362
Tarulli A.W. et al. Electrical impedance myography in the assessment of disuse atrophy // Archives of physical medicine and rehabilitation. 2009. V. 90. Iss. 10. P. 1806–1810.
Al-Harosh M.B., Shchukin S.I. Peripheral vein detection using electrical impedance method // Journal of Electrical Bioimpedance. 2017. V. 8. Iss. 1. P. 79–83.
Malakhov A.I., Tikhomirov A.N., Shchookin S.I., Kaplunova V.Y. The precordial electrical impedance methods possibilities in the evaluation of local heart chambers contractility // EMBEC & NBC. 2017. P. 759–762.
Shiffman C.A., Aaron R., Rutkove S.B. Electrical impedance of muscle during isometric contraction // Physiological Measurement. 2003. doi: 10.1088/0967-3334/24/1/316
Sanchez B., Rutkove S.B. Electrical Impedance Myography and Its Applications in Neuromuscular Disorders // Neurotherapeutics. 2017. V. 14. Iss. 1. P. 107–118. doi: 10.1007/s13311-016-0491-x
Rutkove S.B. Electrical impedance myography: Background, current state, and future directions // Muscle and Nerve. 2009. V. 40. Iss. 6. P. 936–946. doi: 10.1002/mus.21362
Kusche R., Ryschka M. Combining Bioimpedance and EMG Measurements for Reliable Muscle Contraction Detection // IEEE Sensors Journal. 2019. V. 19. Iss. 23. P. 11687–11696. doi: 10.1109/JSEN.2019.2936171
Кобелев А.В., Щукин С.И. Антропоморфное управление протезом предплечья на основе электроимпедансной миографии // Физические основы приборостроения. 2019. Т. 8. Вып. 4. С. 62–68. doi: 10.25210/jfop-1904-062068
Zhang Y., Xiao R., Harrison C. Advancing hand gesture recognition with high resolution electrical impedance tomography // Proceedings of the 29th Annual Symposium on User Interface Software and Technology. 2016. P. 843–850.
Брико А.Н., Парновская А.Д., Каправчук В.В. и др. Параметрическая оценка морфологических изменений тканей предплечья при выполнении базовых действий кистью на основе МРТ: Методические аспекты // Биомедицинская радиоэлектроника. 2021. № 5. С. 6–16.
Wang L.L., Ahad M., McEwan A., Li J., Jafarpoor M., Rutkove S.B. Assessment of alterations in the electrical impedance of muscle after experimental nerve injury via finite-element analysis // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2011. V. 58. Iss. 6. P. 1585–1591.
Taji B., Chan A.D., Shirmohammadi S. Effect of pressure on skin-electrode impedance in wearable biomedical measurement devices // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2018. V. 67. Iss. 8. P. 1900–1912.
Tarulli A.W., Chin A.B., Lee K.S., Rutkove S.B. Impact of skin-subcutaneous fat layer thickness on electrical impedance myography measurements: An initial assessment // Clinical neurophysiology. 2007. V. 118. Iss. 11. P. 2393–2397.
Störchle P. et al. Standardized ultrasound measurement of subcutaneous fat patterning: high reliability and accuracy in groups ranging from lean to obese // Ultrasound in medicine & biology. 2017. V. 43. Iss. 2. P. 427–438.
Al-Harosh M.B., Shchukin S.I. The venous occlusion effect to increase the accuracy of electrical impedance peripheral veins detection // EMBEC & NBC. 2017. P. 538–541.
Albulbul A., Chan A.D. Electrode-skin impedance changes due to an externally applied force // 2012 IEEE international symposium on medical measurements and applications proceedings. 2012. P. 1–4.
Grimnes S., Martinsen Ø.G. Sources of error in tetrapolar impedance measurements on biomaterials and other ionic conductors // Journal of Physics D: Applied Physics. 2006. V. 40. Iss. 1. P. 9.
Shiffman C.A., Aaron R., Rutkove S.B. Electrical impedance of muscle during isometric contraction // Physiological Measurement. 2003. V. 24. Iss. 1. P. 213. doi: 10.1088/0967-3334/24/1/316
Колесников В.П. Основы интерпретации электрических зондирований. М.: Научный мир. 2007. 248 с.
Goidina T., Kobelev A., Gulyaev Y. Precision Electrode System for Electrical Impedance Myography // 2020 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT). 2020. P. 143–146. doi: 10.1109/USBEREIT48449.2020.9117748

[1] Rutkove S.B. Electrical impedance myography: background, current state, and future directions // Muscle & Nerve: Official Journal of the American Association of Electrodiagnostic Medicine. 2009. V. 40. Iss. 6. P. 936–946. doi: 10.1002/mus.21362

[2] Tarulli A.W. et al. Electrical impedance myography in the assessment of disuse atrophy // Archives of physical medicine and rehabilitation. 2009. V. 90. Iss. 10. P. 1806–1810.

[3] Al-Harosh M.B., Shchukin S.I. Peripheral vein detection using electrical impedance method // Journal of Electrical Bioimpedance. 2017. V. 8. Iss. 1. P. 79–83.

[4] Malakhov A.I., Tikhomirov A.N., Shchookin S.I., Kaplunova V.Y. The precordial electrical impedance methods possibilities in the evaluation of local heart chambers contractility // EMBEC & NBC. 2017. P. 759–762.

[5] Shiffman C.A., Aaron R., Rutkove S.B. Electrical impedance of muscle during isometric contraction // Physiological Measurement. 2003. doi: 10.1088/0967-3334/24/1/316

[6] Sanchez B., Rutkove S.B. Electrical Impedance Myography and Its Applications in Neuromuscular Disorders // Neurotherapeutics. 2017. V. 14. Iss. 1. P. 107–118. doi: 10.1007/s13311-016-0491-x

[7] Rutkove S.B. Electrical impedance myography: Background, current state, and future directions // Muscle and Nerve. 2009. V. 40. Iss. 6. P. 936–946. doi: 10.1002/mus.21362

[8] Kusche R., Ryschka M. Combining Bioimpedance and EMG Measurements for Reliable Muscle Contraction Detection // IEEE Sensors Journal. 2019. V. 19. Iss. 23. P. 11687–11696. doi: 10.1109/JSEN.2019.2936171

[9] Кобелев А.В., Щукин С.И. Антропоморфное управление протезом предплечья на основе электроимпедансной миографии // Физические основы приборостроения. 2019. Т. 8. Вып. 4. С. 62–68. doi: 10.25210/jfop-1904-062068

[10] Zhang Y., Xiao R., Harrison C. Advancing hand gesture recognition with high resolution electrical impedance tomography // Proceedings of the 29th Annual Symposium on User Interface Software and Technology. 2016. P. 843–850.

[11] Брико А.Н., Парновская А.Д., Каправчук В.В. и др. Параметрическая оценка морфологических изменений тканей предплечья при выполнении базовых действий кистью на основе МРТ: Методические аспекты // Биомедицинская радиоэлектроника. 2021. № 5. С. 6–16.

[12] Wang L.L., Ahad M., McEwan A., Li J., Jafarpoor M., Rutkove S.B. Assessment of alterations in the electrical impedance of muscle after experimental nerve injury via finite-element analysis // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2011. V. 58. Iss. 6. P. 1585–1591.

[13] Taji B., Chan A.D., Shirmohammadi S. Effect of pressure on skin-electrode impedance in wearable biomedical measurement devices // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2018. V. 67. Iss. 8. P. 1900–1912.

[14] Tarulli A.W., Chin A.B., Lee K.S., Rutkove S.B. Impact of skin-subcutaneous fat layer thickness on electrical impedance myography measurements: An initial assessment // Clinical neurophysiology. 2007. V. 118. Iss. 11. P. 2393–2397.

[15] Störchle P. et al. Standardized ultrasound measurement of subcutaneous fat patterning: high reliability and accuracy in groups ranging from lean to obese // Ultrasound in medicine & biology. 2017. V. 43. Iss. 2. P. 427–438.

[16] Al-Harosh M.B., Shchukin S.I. The venous occlusion effect to increase the accuracy of electrical impedance peripheral veins detection // EMBEC & NBC. 2017. P. 538–541.

[17] Albulbul A., Chan A.D. Electrode-skin impedance changes due to an externally applied force // 2012 IEEE international symposium on medical measurements and applications proceedings. 2012. P. 1–4.

[18] Grimnes S., Martinsen Ø.G. Sources of error in tetrapolar impedance measurements on biomaterials and other ionic conductors // Journal of Physics D: Applied Physics. 2006. V. 40. Iss. 1. P. 9.

[19] Shiffman C.A., Aaron R., Rutkove S.B. Electrical impedance of muscle during isometric contraction // Physiological Measurement. 2003. V. 24. Iss. 1. P. 213. doi: 10.1088/0967-3334/24/1/316

[20] Колесников В.П. Основы интерпретации электрических зондирований. М.: Научный мир. 2007. 248 с.

[21] Goidina T., Kobelev A., Gulyaev Y. Precision Electrode System for Electrical Impedance Myography // 2020 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT). 2020. P. 143–146. doi: 10.1109/USBEREIT48449.2020.9117748

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи