RESEARCH DESCRIPTION

Project Name: การสร้างเครื่องขยายสัญญาณที่มีคุณสมบัติเฉพาะทางการแพทย์สำหรับประเมินความล้มเหลวในการทำงานของระบบประสาท (Invention sample and hold amplifier for evaluating the activation failure of nervous system)

Researcher: Orawan Prasartwuth

Organization:Associated Medical Sciences/Physical Therapy

Time:1 October 2006 - 30 September 2007

RESEARCHER

  1. Orawan Prasartwuth (Head of project)

BUDGET

  1. BioMedical Engineering Center 100,000 Baht

ABSTRACT

 
  • ที่ผ่านๆมา ในอดีต ความพยายามเข้าใจกลไกการสั่งงานหรือการควบคุมการทำงานของระบบประสาทต่อกล้ามเนื้อ อาศัยการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณไฟฟ้าของกล้ามเนื้อ ที่รู้จักกันในชื่อที่ว่า Myoelectrical activity or electromyography, EMG โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การวัดขนาดของสัญญาณไฟฟ้าของกล้ามเนื้อ (Amplitude of EMG signals) ซึ่งเปรียบเสมือนตัวแทนของ พลังประสาททั้งหมดที่ส่งมายังกล้ามเนื้อ (Total activation) ต่อมามีรายงานผลงานวิจัยพบว่า กล้ามเนื้อส่วนใหญ่ในร่างกายของเรานั้น ความสัมพันธ์ของแรงที่เกิดจากการทำงานของกล้ามเนื้อไม่ได้มีความสัมพันธ์ในลักษณะเชิงเส้นตรง (Non-linear relationship) กับสัญญาณไฟฟ้าของกล้ามเนื้อ (Solomonow et al 1990; Madeleine et al 2002) แต่กลับมีความสัมพันธ์ในลักษณะที่ในช่วงแรกของการออกแรง คือ 0-75% ของแรงสูงสุดจากการหดตัวของกล้ามเนื้อ, Maximal voluntary contraction, MVC) มีความสัมพันธ์ในลักษณะที่เมื่อแรงเพิ่มขึ้น สัญญาณไฟฟ้าของกล้ามเนื้อเพิ่มขึ้นตามกัน แต่ต่อมาสัญญาณไฟฟ้าจะเข้าสู่สภาวะคงที่ไม่ว่าแรงจะเพิ่มขึ้นจนถึง 100% ก็ตาม ความสัมพันธ์นี้มีลักษณะเกือบจะเป็นเส้นตรงนี้ นักวิจัยทางทางสรีรประสาทวิทยา ได้ให้คำอธิบายว่าในช่วงแรก ความสัมพันธ์ของแรงและสัญญาณไฟฟ้าของกล้ามเนื้อที่ออกแรงจนถึง ~75% ของแรงสูงสุด เซลล์ประสาทสั่งงาน ที่เรียกว่า Motor units ทำงานในลักษณะที่พยายามรวมพล (Recruitment of motor units) ในขณะที่ช่วงสุดท้าย ~75-100%MVC, Motor units ทำงานในลักษณะที่ปรับเปลี่ยนความถี่ในการปล่อยกระแสประสาท (Frequency modulation) ดังนั้นจึงทำให้ความสัมพันธ์มีลักษณะคงที่ (Plateau) ด้วยเหตุนี้เอง การศึกษาวิจัยที่อาศัยสัญญาณไฟฟ้าของกล้ามเนื้อโดยเฉพาะอย่างยิ่งขณะที่กล้ามเนื้อทำงานในระดับสูงจึงมีข้อผิดพลาดอยู่ระดับหนึ่ง ในการพยายามที่จะเข้าใจว่าสาเหตุของการล้มเหลวที่เกิดจากสร้างแรงของกล้ามเนื้อนั้นว่ามีสาเหตุเกิดจากความบกพร่องของระบบประสาท หรือความจำกัดของกล้ามเนื้อ จึงไม่สามารถที่จะใช้สัญญาณไฟฟ้าของกล้ามเนื้อได้
  • จากปัญหาที่กล่าวมาข้างต้นนี้ จีงเป็นที่มาที่ทำให้เกิดการคิดค้นและพัฒนา การตรวจสอบประสิทธิภาพการสั่งงานหรือการควบคุมการทำงานของระบบประสาทต่อกล้ามเนื้อวิธีใหม่ ที่อาศัยการวัดแรง แนวความคิดของการวัดวิธีใหม่นี้เชื่อว่า เมื่อเราออกแรงเต็มความสามารถ (Maximum effort) หรือ 100%MVC แล้ว ถ้าผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปเพิ่มหรือเสริมการทำงานของเซลล์ประสาทสั่งงาน ก็จะไม่สามารถทำให้เกิดแรงใดๆ เพิ่มขึ้นอีกเป็นอันขาด ในทางตรงกันข้าม ถ้าผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปเพิ่มหรือเสริมการทำงานของเซลล์ประสาทสั่งงานแล้วพบว่าสามารถทำให้เกิดแรงเพิ่มขึ้นจากเดิมได้ แสดงว่าเซลล์ประสาทสั่งงาน นั้นไม่ได้ทำงานเต็ม 100% และแรงที่เพิ่มจากเดิมที่ว่านี้เรียกว่า Superimposed twitch (ดังแสดงในรูปที่ 1) และเมื่อนำมาเปรียบเทียบกับการผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าสู่กล้ามเนื้อขณะที่กล้ามเนื้ออยู่ในภาวะพักหรือผ่อนคลาย ซึ่งแรงที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า Resting twitch ตามสูตรการคำนวณข้างล่างนี้ จะทำให้เราทราบว่า ระดับการสั่งงานของ Motor unit นั้นเป็น 100% หรือไม่ เรียกการวัดนี้ว่าการวัด Voluntary activation

 

  • ในปัจจุบัน การใช้เทคนิคการวัด Voluntary activation นี้ได้รับการยอมรับในงานวิจัยเพิ่มขึ้นอย่าง ต่อเนื่อง ดังแสดงสรุปในตารางข้างล่างนี้
  • ตารางที่ 1 แสดงสรุปงานวิจัยในช่วงที่ผ่านมานี้ (2007-2004) ที่ใช้เทคนิคการวัด Voluntary activation

        ปี

คณะวิจัย

เรื่อง

2007

  • Garrandes, F., S. S. Colson, et al.
  • Neuromuscular fatigue profile in endurance-trained and power-trained athletes

2007

  • Biro, A., L. Griffin, et al.
  • Reflex gain of muscle spindle pathways during fatigue

2007

  • Berth, A., D. Urbach, et al.
  • Strength and voluntary activation of quadriceps femoris muscle in total knee arthroplasty with midvastus and subvastus approaches

2006

  • Taylor, B. J., S. C. How, et al.
  • Exercise-induced abdominal muscle fatigue in healthy humans

2006

  • Pucci, A. R., L. Griffin, et al.
  • Maximal motor unit firing rates during isometric resistance training in men

        ปี

คณะวิจัย

เรื่อง

2006

  • Babault, N., K. Desbrosses, et al.
  • Neuromuscular fatigue development during maximal concentric and isometric knee extensions.

2006

  • Desbrosses, K., N. Babault, et al.
  • Neural activation after maximal isometric contractions at different muscle lengths

2006

  • Gondin, J., J. Duclay, et al.
  • Soleus- and gastrocnemii-evoked V-wave responses increase after neuromuscular electrical stimulation training

2006

  • Gondin, J., M. Guette, et al.
  • Neural and muscular changes to detraining after electrostimulation training.

2006

  • Jubeau, M., R. Zory, et al.
  • Late neural adaptations to electrostimulation resistance training of the plantar flexor muscles

2006

  • Kalmar, J. M., C. Del Balso, et al.
  • Increased spinal excitability does not offset central activation failure

2006

  • McConnell, A. K. and M. Lomax
  • The influence of inspiratory muscle work history and specific inspiratory muscle training upon human limb muscle fatigue

2006

  • Molloy, C. B., A. O. Al-Omar, et al.
  • Voluntary activation failure is detectable in some myositis patients with persisting quadriceps femoris weakness: an observational study

2006

  • Prasartwuth, O., T. J. Allen, et al.
  • Length-dependent changes in voluntary activation, maximum voluntary torque and twitch responses after eccentric damage in humans

2005

  • Urbach, D., A. Berth, et al.
  • Effect of transcranial magnetic stimulation on voluntary activation in patients with quadriceps weakness

2005

  • Zory, R., D. Boerio, et al.
  • Central and peripheral fatigue of the knee extensor muscles induced by electromyostimulation

2005

  • Morton, J. P., G. Atkinson, et al.
  • Reliability of maximal muscle force and voluntary activation as markers of exercise-induced muscle damage

2004

  • Shield, A. and S. Zhou
  • Assessing voluntary muscle activation with the twitch interpolation technique

2004

  • Todd, G., R. B. Gorman, et al.
  • Measurement and reproducibility of strength and voluntary activation of lower-limb muscles
  • อย่างไรก็ตาม สัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากเทคนิคการวัด Voluntary activation นั้นมีขนาดเล็กรวมอยู่กับสัญญาณรบกวนที่มีค่าการเปลี่ยนแปลงของ amplitude ในช่วงกว้าง ทั้งยังมี Frequency band width ช่วงเดียวกัน ดังนั้นจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องอาศัยเครื่องขยายสัญญาณที่มีคุณสมบัติเฉพาะที่เรียกว่า Sample and hold amplifier (SHA) (Miles et al 1987; Hales and Gandevia 1988)
  • หลักการทำงานของเครื่องขยายสัญญาณนี้ อาศัยสัญญาณขาเข้าที่เป็นสัญญาณของแรง และเมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าเพื่อกระตุ้น กระแสไฟฟ้าจะไปสั่งให้เครื่องขยายสัญญาณนี้ รีเชต สัญญาณของแรงให้เข้าใกล้ศูนย์มากที่สุดแล้ว ขณะเดียวกันหากกระแสไฟฟ้าที่ปล่อยเข้าไป สามารถกระตุ้นการทำงานของ Motor units แล้วทำให้เกิดแรง Superimposed twitch เกิดขึ้น ซึ่งแรงนี้จะเกิดขึ้นอยู่ในช่วงเวลา 100 ms สัญญาณจากแรง Superimposed twitch จะถูกนำไปผ่านกระบวนการวิเคราะห์ต่อไป