Εφαρμογή της ακτινοβολίας λέιζερ στην ανίχνευση των αυτόματων απονευρωτικών δυναμικών των μυών

Abstract

We used the laser Doppler spectroscopy to detect the hyperactivity of musclefibers which is due to the presence offibrillations, positive waves and fasciculations.The suggested method relies upon the dynamic scattering of light by movingparticles such as the contracted muscle fibers, which causes a Doppler shift of theoriginal frequency. For resolution of small alterations in frequency the heterodynedetection was used. 173 normal first dorsal interosseous muscles were examined aswell as 109 denervated ones which were diagnosed to have abnormal findings by theconventional method of electromyography (EMG). The results showed that thepresence of fasciculations resulted in larger differentiation from normal muscles,which was proportional to the number of fasciculations. According to the standarderror of the mean, denervated muscles with fasciculations, as a group, do not haveany overcovering, with normal muscles. Muscles which only have fibrillations andpositive waves present a clear tendency to pathological deviations, however,according to the standard error of the mean, as a group, they present overcoveringwith the group of normal muscles. The group of denervated muscles with nospontaneous activity shows the smallest differentiation from normal muscles. Theexistence of muscle atrophy reduces the differentiation of denervated muscles,proportionally to the severity of atrophy, whereas the parameter of muscle thicknessdoes not influence the results. The larger sensitivity of the method towards thedetection of fasciculations, compared to fibrillations and positive waves, is beingjustified by the fact that fasciculations cause contraction to a much larger number ofmuscle fibers and therefore the Doppler shift is more significant, so that thedispersion of frequency of the detected light is larger. The findings ofthis study canbe used as a basis for further improvement of the painless and noninvasive laserDoppler spectroscopy in order to be used into action as an alternative method ofthepainful and invasive EMG.

Η διάγνωση των νευρομυϊκών παθήσεων στηρίζεται σήμερα κυρίως στοηλεκτρομυογράφημα, μία μέθοδο με υψηλή αξιοπιστία αλλά αιματηρή και επώδυνη.Από τις σημαντικότερες πληροφορίες που δίνει το ηλεκτρομυογράφημα είναι ηανίχνευση της αυτόματης απονευρωτικής δραστηριότητας, όπως τα δεσμιδικά,ινιδικά και θετικά δεσμιδικά που χαρακτηρίζουν συνήθως τους απονευρωμένουςμυς. Ο σκοπός της μελέτης αυτής είναι η δυνατότητα ανίχνευσης των δυναμικώναυτών με τη φασματοσκοπία λέιζερ-Doppler. Η εναλλακτική αυτή μέθοδοςεφαρμόζεται πρώτη φορά για το σκοπό αυτό και είναι εύκολη, οικονομική,αναίμακτη και ανώδυνη.Μεθοδολογία: Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε σχεδιάστηκε καιστήθηκε, σύμφωνα με τις απαιτήσεις της παρούσας μελέτης, στο ΊδρυμαΤεχνολογίας καιΈρευνας ( Ι.Τ.Ε., Ι.Η.Δ.Λ.). Η χρησιμοποιούμενη πηγή λέιζερ ήτανένα διοδικό λέιζερ που εξέπεμπε στα 830 nm και το πείραμα αφορούσε τηνακτινοβόληση με αυτό του πρώτου ραχιαίου μεσόστεου 109 απονευρωμένων μυών,επιβεβαιωμένων με ηλεκτρομυογράφημα, και 173 φυσιολογικών μυών. Χάρη στοχρησιμοποιούμενο μήκος κύματος της δέσμης λέιζερ, το φαινόμενο πουκυριαρχούσε κατά τη διάδοση της ακτινοβολίας μέσα στο μυϊκό ιστό ήταν ησκέδαση. Η ένταση της δέσμης λέιζερ που προσπίπτει στο μυ ήταν διαμορφωμένηκαι είχε ημιτονοειδή μορφή με συχνότητα διαμόρφωσης 84 Hz. Κατά την έξοδό τηςαπό το μυ η δέσμη μετατρεπόταν σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω φωτοδιόδων και στησυνέχεια ένας ψηφιακός επεξεργαστής διαιρούσε το σήμα σε φασματικές γραμμέςμέσω του μετασχηματισμού Fourier (F.F.T.). Για την ανάλυση των αποτελεσμάτωνμας χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος ανίχνευσης ετεροδυνών η οποία εφαρμόζεται στιςπεριπτώσεις που υπάρχει οπτικό φαινόμενο Doppler. Η μελέτη στηρίχθηκε στοφαινόμενο της σκέδασης των φωτονίων κατά τη διέλευσή τους από τους μυς.Για την ανάλυση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκαν: (α) ο λόγος που εκφράζει το ποσοστό της ισχύος των φωτονίων που ανιχνεύτηκεστην περιοχή της συχνότητας διαμόρφωσης ως προς το σύνολο της ισχύος τωνφωτονίων που προσέπεσε στη φωτοδίοδο με διαφορετικές συχνότητες.(β) Ο λόγος που εκφράζει το ποσοστό της ισχύος των φωτονίων που ανιχνεύτηκανσε συχνότητες χαμηλότερες της συχνότητας διαμόρφωσης προς το ποσοστό τηςισχύος των φωτονίων που ανιχνεύτηκαν σε υψηλότερες συχνότητες.(γ) Το διάγραμμα μέσου όρου των διαγραμμάτων κάθε κατηγορίας μυώνΤα στατιστικά μεγέθη που χρησιμοποιήθηκαν ήταν: η μέση τιμή, η τυπικήαπόκλιση (standard deviation) και το τυπικό σφάλμα (standard error of the mean).Στο πλαίσιο της στατιστικής ανάλυσης χρησιμοποιήθηκε επίσης η ROC ανάλυση .Αποτελέσματα:1. Η ισχύς της δέσμης φωτονίων που διαπερνά τους απονευρωμένους μυς μεδεσμιδικά δυναμικά παρουσιάζει σαφώς μικρότερη τάση να παραμένει στην περιοχήτης συχνότητας διαμόρφωσης συγκριτικά με τους υγιείς αλλά και την ομάδα τωναπονευρωμένων μυών χωρίς δεσμιδικά δυναμικά. Με βάση το στατιστικό τυπικόσφάλμα δεν παρουσιάζεται αλληλεπικάλυψη στην ομάδα των απονευρωμένων μυώνμε δεσμιδικά δυναμικά με τις δύο άλλες ομάδες.2. Μετά τη διέλευση της δέσμης φωτονίων δια μέσου των απονευρωμένωνμυών η τάση της ισχύος των φωτονίων να προσπίπτουν στη φωτοδίοδο με μικρότερησυχνότητα από τη συχνότητα διαμόρφωσης είναι σαφώς μεγαλύτερη συγκριτικά μετους φυσιολογικούς μυς. Η τάση αυτή είναι μεγαλύτερη στους απονευρωμένους μυςμε δεσμιδικά και ανάλογη του αριθμού των δεσμιδώσεων. Οι τιμές των κατηγοριώναυτών με βάση το στατιστικό τυπικό σφάλμα παρουσιάζουν αλληλεπικάλυψη με τιςαντίστοιχες των φυσιολογικών.3. Η παρουσία μυϊκής ατροφίας μειώνει τις διαφοροποιήσεις τωναπονευρωμένων μυών από τους φυσιολογικούς ανάλογα με τη βαρύτητα τηςατροφίας.4. Ο παράγοντας πάχος του μυός δεν επηρεάζει τα αποτελέσματα της μεθόδου.5. Η ομάδα των απονευρωμένων μυών χωρίς αυτόματη δραστηριότητα έχει τημικρότερη διαφοροποίηση από τους φυσιολογικούς μυς. Συμπέρασμα:Η παρουσία των δεσμιδικών δυναμικών στους απονευρωμένους μυς δίνει τιςμεγαλύτερες αποκλίσεις από τους φυσιολογικούς μυς οι οποίες είναι ανάλογες με τον αριθμό των δεσμιδικών δυναμικών. Οι απονευρωμένοι μυς με δεσμιδικάδυναμικά, με βάση το στατιστικό τυπικό σφάλμα, δεν παρουσιάζουν σαν ομάδααλληλεπικάλυψη με την ομάδα των φυσιολογικών μυών. Η παρουσία των ινιδικώνκαι θετικών δυναμικών δίνουν σαφή τάση προς παθολογικές παρεκκλίσεις αλλά σανομάδα με βάση το στατιστικό τυπικό σφάλμα παρουσιάζει αλληλεπικάλυψη με τηνομάδα των φυσιολογικών μυών.Τα ευρήματά μας στηρίζονται στο ότι λόγω της δυναμικής κατάστασης τουιστού τα φωτόνια σκεδάζονται όχι μόνο από ακίνητους αλλά και από κινούμενουςσκεδαστές. Όταν τα φωτόνια σκεδαστούν από αυτούς παρατηρείται το φαινόμενοDoppler το οποίο έχει ως αποτέλεσμα να αλλάζει η συχνότητα των φωτονίων καικατ’ επέκταση και η συχνότητα διαμόρφωσής τους. Τελικά, τα φωτόνιαπροσπίπτουν στη φωτοδίοδο έχοντας συχνότητα στην περιοχή της συχνότηταςδιαμόρφωσης και άλλα με διαφορετική τιμή συχνότητας. Η μεγαλύτερη ευαισθησίατης μεθόδου που παρατηρήθηκε στην ανίχνευση των δεσμιδικών από ότι τωνινιδικών και θετικών δυναμικών, εξηγείται από το γεγονός ότι τα δεσμιδικάδυναμικά προκαλούν σύσπαση σε πολύ μεγαλύτερο αριθμό μυϊκών ινών μεαποτέλεσμα το φαινόμενο Doppler να είναι εντονότερο στην παρουσία δεσμιδικώνδυναμικών και άρα να προκαλείται μεγαλύτερη διαφοροποίηση στην κατανομή τηςισχύος της ακτινοβολίας έναντι των υγιών. Η άποψη αυτή ενισχύεται και από τογεγονός ότι η ομάδα των απονευρωμένων μυών χωρίς αυτόματη δραστηριότηταπαρουσιάζει τη μικρότερη διαφοροποίηση από τους φυσιολογικούς μυς.Τα ευρήματα της εργασίας αυτής είναι πολύ σημαντικά και μπορούν ναχρησιμεύσουν ως βάση για περαιτέρω βελτίωση της μεθόδου ώστε να μπορέσει ηλέιζερ-μυογραφία να χρησιμοποιηθεί στην πράξη ως εναλλακτική μέθοδος τουηλεκτρομυογραφήματος