Tài liệu Đo lường và phân tích tín hiệu điện cơ hỗ trợ chẩn đoán một số bệnh lý về cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ---------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN MỘT SỐ BỆNH LÝ VỀ CƠ Ngành Kỹ thuật y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS. Dương Trọng Lượng Chữ ký của GVHD Viện: Điện tử - Viễn thông Học viên thực hiện: Đỗ Thị Nhung Khóa: CH2020B Lớp : 20BKTYS HÀ NỘI - 2022 20202626M TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN MỘT SỐ BỆNH LÝ VỀ CƠ Ngành Kỹ thuật y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS. Dương Trọng Lượng Chữ ký của GVHD Viện: Điện tử - Viễn thông Học viên thực hiện: Đỗ Thị Nhung Khóa: CH2020B Lớp : 20BKTYS HÀ NỘI - 2022 ii 20202626M CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -----------------------------BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Đỗ Thị Nhung Đề tài luận văn: ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN MỘT SỐ BỆNH LÝ VỀ CƠ Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh Mã số HV: 20202626M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày….........................………… với các nội dung sau: - Chỉnh sửa chính tả, lỗi tiếng Anh, đánh số công thức và bổ sung trích dẫn - Bổ sung thêm vào dữ liệu các thông tin chẩn đoán của bác sỹ - Thiết bị phương pháp đo diễn giải rõ ràng hơn Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm 2022 Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG iii ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN MỘT SỐ BỆNH LÝ VỀ CƠ Giáo viên hướng dẫn Ký và ghi rõ họ tên iv LỜI CẢM ƠN Qua quá trình học tập và làm luận văn, mặc dù gặp một số khó khăn nhất định nhưng đến nay em đã hoàn thành khóa học và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân - là chỗ dựa tinh thần, tạo động lực lớn cho tôi trong quá trình làm luận văn. Em cũng xin chân thành cảm ơn tới thầy TS. Dương Trọng Lượng đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình em trong quá trình làm luận văn. Em cũng xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô của bộ môn CNĐT & Kỹ thuật y sinh (tên gọi cũ), nay là Khoa Điện tử - Trường Điện Điện tử - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã trang bị cho em những kiến thức chuyên môn thuộc lĩnh vực kỹ thuật y sinh. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới các Y Bác sỹ - Khoa thăm dò chức năng, Bệnh viện Đại học Y Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi thu thập dữ liệu. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới lãnh đạo Khoa Điện tử - Trường Điện Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện, môi trường học tập, nghiên cứu cho tôi. Học viên v TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn trình bày về các phương pháp đo lường và kỹ thuật phân tích tín hiệu điện cơ, hỗ trợ bác sĩ chẩn đoán một số bệnh lý về cơ. Trong y học, điện cơ đồ (EMG) là kỹ thuật được sử dụng để đánh giá chức năng của dây thần kinh và cơ bằng cách ghi lại hoạt động điện của cơ xương. Đây là một phương pháp kiểm tra quan trọng dùng để chẩn đoán các rối loạn thần kinh-cơ. Điện cơ đồ thường được sử dụng để đánh giá các rối loạn hệ thần kinh ngoại biên. Điện cơ đồ được thực hiện bằng cách cắm một điện cực kim (kim rất nhỏ) xuyên qua da vào mô cơ và sau đó ghi lại hoạt động điện của cơ trên máy tính. Kết quả thu được cho phép bác sĩ chuyên khoa thần kinh chẩn đoán các hoạt động bất thường của cơ hoặc dây thần kinh nếu có. Phương pháp kiểm tra này giúp phân biệt giữa bệnh lý rễ thần kinh và bệnh lý về cơ. Dữ liệu về EMG nhận được, là cơ sở để phân tích, chẩn đoán, điều trị, phục hồi chức năng, các bệnh liên quan đến thần kinh cơ, theo dõi sự vận động của người luyện tập thể thao, hoặc sử dụng làm tín hiệu điều khiển cho robot giả lập, mô phỏng theo cử chỉ của người, hỗ trợ trong phát triển chi giả có thể kiểm soát. HỌC VIÊN Ký và ghi rõ họ tên vi MỤC LỤC DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................ix DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................... x DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................xi MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ ...................................................... 3 1.1 Giải phẫu sinh lý về hệ cơ ....................................................................................... 3 1.1.1 Cơ xương (cơ vân) ........................................................................................... 3 1.1.2 Cơ trơn.............................................................................................................. 5 1.1.3 Cơ tim ............................................................................................................... 6 1.2 Nguồn gốc của tín hiệu điện cơ .............................................................................. 8 1.2.1 Phản ứng hóa điện của synap thần kinh – cơ ................................................... 8 1.2.2 Điện thế màng tế bào...................................................................................... 10 1.3 Các đặc trưng của tín hiệu điện cơ ........................................................................ 11 1.4 Ứng dụng trong lâm sàng của tín hiệu điện cơ ..................................................... 13 1.4.1 Một số bệnh lý liên quan tới cơ...................................................................... 13 1.4.2 Chẩn đoán bệnh lý về cơ ................................................................................ 15 1.4.3 Dùng tín hiệu EMG đo bằng điện cực kim ở các chi để nhận biết một số dấu hiệu bệnh lý.................................................................................................................. 16 1.5 Kết luận chương .................................................................................................... 17 CHƯƠNG 2. ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ ............................... 18 2.1 Giới thiệu chương ................................................................................................. 18 2.2 Phương pháp đo lường tín hiệu điện cơ xâm lấn .................................................. 18 2.3 Phương pháp đo lường tín hiệu điện cơ không xâm lấn ....................................... 20 2.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu điện cơ.................................... 22 2.4.1 Nhiễu .............................................................................................................. 22 2.4.2 Chất lượng mạch đo tín hiệu điện cơ ............................................................. 22 2.5 Một số giải pháp cải thiện chất lượng tín hiệu điện cơ ......................................... 23 2.5.1 Giải pháp cải thiện chất lượng tín hiệu điện cơ bằng phần cứng ................... 23 2.5.2 Giải pháp cải thiện chất lượng tín hiệu điện cơ bằng bộ lọc số ..................... 24 vii 2.6 Phương pháp phân tích định lượng tín hiệu điện cơ ............................................. 25 2.6.1 Phân tích Wavelet .......................................................................................... 28 2.6.2 Phương pháp tiếp cận tần số - thời gian ......................................................... 28 2.6.3 Mô hình hồi qui .............................................................................................. 29 2.6.4 Trí tuệ nhân tạo .............................................................................................. 30 2.6.5 Thống kê bậc cao ........................................................................................... 30 2.6.6 Các thông số định lượng ................................................................................ 30 2.7 Thiết bị ghi đo tín hiệu điện cơ xâm lấn NEUROWERK 4 KÊNH ..................... 34 2.7.1 Giới thiệu về thiết bị....................................................................................... 34 2.7.2 Hình ảnh và mô tả các khối của thiết bị ......................................................... 35 2.7.3 Phần mềm điều khiển của thiết bị .................................................................. 36 2.7.4 Thông số kỹ thuật của thiết bị ghi đo tín hiệu EMG xâm lấn NEUROWERK 4 kênh 40 2.8 Kết luận chương .................................................................................................... 42 CHƯƠNG 3. DỮ LIỆU TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ VÀ MỘT SỐ .......................................... 44 3.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 44 3.2 Dữ liệu tín hiệu điện cơ của người tình nguyện đo tại phòng Lab ....................... 46 3.3 Dữ liệu tín hiệu điện cơ thu thập từ Bệnh viện ..................................................... 51 3.4 Mối liên hệ giữa tín hiệu điện cơ và một số bệnh lý về cơ ................................... 65 3.4.1 Thời gian tiềm vận động ngoại vi và tốc độ dẫn truyền vận động (Distal Motor Latency – DML & Motor Conduction Velocity – MCV) ................................ 65 3.4.2 Tốc độ dẫn truyền cảm giác (Sensory Conduction Velocity – SCV) ............ 65 3.4.3 Sóng F, thời gian tiềm và tần số ..................................................................... 65 3.4.4 Phản xạ H (H-reflex) ...................................................................................... 66 3.4.5 Hoạt động điện do đâm kim (Insertional activity) ......................................... 66 3.4.6 Hoạt động điện tự phát (spontaneous activity) .............................................. 66 3.4.7 Điện thế của đơn vị vận động (motor unit action potentials – MUP/MUAP)67 3.4.8 Hình ảnh kết tập (recruitment pattern) ........................................................... 67 3.5 Kết luận chương .................................................................................................... 68 KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 70 viii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ANN Artifical Neural Network Mạng nơron nhân tạo AR AutoRegressive Tự hồi quy ECG Electrocardiography Tín hiệu điện tim EEG Electroencephalography Tín hiệu điện não EMG Electromyography Tín hiệu điện cơ iEMG intramuscular Electromyography Tín hiệu điện cơ kim MUAP Motor Unit Action Potential Điện thế hoạt động đơn vị vận động QEMG Quantitative Electromyography Định lượng tín hiệu điện cơ RMS Root Mean Square Giá trị hiệu dụng sEMG surface Electromyography Tín hiệu điện cơ bề mặt ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình ảnh cấu trúc của cơ vân ................................................................................ 4 Hình 1.2 Một số loại cơ trơn. a) Cơ trơn nhiều đơn vị, b) Cơ trơn một đơn vị.................... 5 Hình 1.3 Hình ảnh cấu trúc của cơ trơn................................................................................ 6 Hình 1.4 Hình ảnh cơ tim ..................................................................................................... 7 Hình 1.5 Hình ảnh các tế bào cơ tim .................................................................................... 7 Hình 1.6 Giải phẫu của synap thần kinh ............................................................................ 10 Hình 1.7 Điện thế màng tế bào ........................................................................................... 11 Hình 1.8 Dạng sóng của tín hiệu iEMG và sEMG ............................................................. 12 Hình 1.9 Một số hình thái của đơn vị vận động điện thế hoạt động của cơ thể hiện một số bệnh lý về cơ. a) Bình thường, b) Bệnh thần kinh, c) Bệnh rối loạn cơ............................. 16 Hình 2.1 Thu nhận tín hiệu điện cơ sử dụng điện cực kim cắm qua da tại cánh tay.......... 19 Hình 2.2 Thu nhận tín hiệu điện cơ sử dụng điện cực kim cắm qua da tại khu vực bàn tay ............................................................................................................................................ 19 Hình 2.3 Các loại điện cực kim có thể sử dụng: A-Điện cực sợi cơ đơn, B-Điện cực kim đồng tâm, C-Điện cực kim đơn, D-Điện cực kim lớn ........................................................ 20 Hình 2.4 Thu nhận tín hiệu điện cơ bề mặt tại bắp tay (cơ 2 đầu và cơ 3 đầu).................. 21 Hình 2.5 Thu nhận tín hiệu điện cơ bề mặt tại bụng tay .................................................... 21 Hình 2.6 Hệ thống đo tín hiệu EMG và hỗ trợ chẩn đoán bệnh lý về cơ ........................... 25 Hình 2.7 Sơ đồ khối của phương pháp phân tích Wavelet ................................................. 29 Hình 2.8 Dạng sóng và các tham số của mỗi đoạn APS .................................................... 31 Hình 2.9 Hình ảnh của thiết bị ghi đo tín hiệu điện cơ xâm lấn NEUROWERK 4 kênh .. 35 Hình 2.10 Module trung tâm của thiết bị ........................................................................... 36 Hình 2.11 Giao diện màn hình tổng quát của thiết bị......... Error! Bookmark not defined. Hình 2.12 Cửa sổ lựa chọn bệnh nhân tự động hiển thị khi chương trình được bắt đầu ... 37 Hình 2.13 Giao diện cửa sổ quản lý thông tin bệnh nhân .................................................. 38 Hình 2.14 Giao diện lựa chọn phương pháp đo EMG........................................................ 38 Hình 2.15 Giao diện đo EMG ở dạng hoạt động tự phát (Spontaneous activity) .............. 39 Hình 2.16 Giao diện màn hình chuyển giữa 3 dạng đo EMG ............................................ 39 Hình 2.17 Một số dạng điện thế hoạt động của đơn vị vận động ....................................... 39 Hình 3.1 Bệnh nhân được thực hiện ghi đo điện cơ đồ và đo tốc độ dẫn truyền của dây thần kinh ............................................................................................................................. 46 Hình 3.2 Loại điện cực không xâm lấn dùng 1 lần ............................................................ 47 x DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Sự khác nhau giữa ba loại cơ ................................................................................ 8 Bảng 1.2 Một số biểu hiện bệnh lý thể hiện ở tín hiệu iEMG [6,9, 11-14]........................ 17 Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của thiết bị ghi đo tín hiệu EMG xâm lấn NEUROWERK 4 kênh .................................................................................................................................... 40 Bảng 3.1 Kết quả chẩn đoán dựa trên các số liệu đo điện cơ của 21 bệnh nhân ................ 52 xi MỞ ĐẦU Tín hiệu y sinh hay tín hiệu điện sinh học cơ thể người có thể được hiểu là tín hiệu điện thu nhận được từ bất kỳ cơ quan hay tổ chức nào trong cơ thể mà nó thể hiện sự thay đổi về vật lý của cơ quan hay tổ chức đó. Tín hiệu này thường là một hàm của thời gian và có thể mô tả theo thuật ngữ biên độ, tần số và pha. Tín hiệu điện cơ (Electromyography – EMG) là tín hiệu y sinh được tạo ra do sự co của các cơ, biểu thị hoạt động của thần kinh cơ trên cơ thể người. Hệ thần kinh luôn điều khiển sự hoạt động của cơ như co, giãn. Do đó, tín hiệu điện cơ có thể được xem như là tín hiệu phức tạp, được điều khiển bởi hệ thần kinh và phụ thuộc vào đặc tính giải phẫu sinh lý của cơ. Năm 1943, Weddell và cộng sự đưa ra thuật ngữ tín hiệu điện cơ đồ (Electromyography – EMG) để mô tả các ứng dụng lâm sàng sử dụng việc xét nghiệm đối với hệ thống cơ xương hay còn gọi là cơ vân. Các bệnh lý liên quan tới cơ có thể gây ra những khuyết tật thể chất nghiêm trọng, có thể dẫn tới mất khả năng vận động thậm chí có thể tử vong. Ở nước ta, số lượng người mắc các bệnh lý về cơ khá nhiều, nhu cầu về khám và điều trị của những người này là rất đa dạng. Trong số các bệnh nhân bệnh cơ, có nhiều bệnh nhân đã được chữa khỏi, hoặc giảm mức độ bệnh tật nhờ được phát hiện và điều trị kịp thời. Do đó, mặc dù bệnh lý về cơ không phổ biến như các bệnh khác như bệnh tim, bệnh ung thư, bệnh tiểu đường, bệnh mất trí nhớ,...nhưng các bệnh lý về cơ vẫn cần phải được quan tâm và điều trị kịp thời. Tín hiệu EMG được ứng dụng nhiều trong y học như giúp đánh giá mức độ tổn thương thần kinh cơ giúp bác sĩ đưa ra phác đồ điều trị phù hợp. EMG còn sử dụng trong phát triển chip EHW, tương tác máy tính với con người, v.v. Dữ liệu về EMG nhận được, là cơ sở để phân tích, chẩn đoán, điều trị, phục hồi chức năng, các bệnh liên quan đến thần kinh cơ, theo dõi sự vận động của người luyện tập thể thao, hoặc sử dụng làm tín hiệu điều khiển cho robot giả lập, mô phỏng theo cử chỉ của người, hỗ trợ trong phát triển chi giả có thể kiểm soát. Hiện nay trên thị trường cũng như trong một số bệnh viện đa khoa tuyến tỉnh, tuyến Trung Ương có thiết bị đo tín hiệu EMG, với hai phương pháp đo lường đó là phương pháp không xâm lấn dùng điện cực bề mặt đo ở bề mặt da, và phương pháp xâm lấn dùng điện cực kim để đo ở trong da. Tuy nhiên thiết bị này có giá thành rất cao nên việc đầu tư thiết bị này cho phòng nghiên cứu chuyên ngành kỹ thuật y sinh của một số trường Đại học trong nước là gần như không thể. Điều này góp phần hạn chế việc học tập, nghiên cứu thực tế của sinh viên, của cán bộ về đo lường, thu nhận, phân tích tín hiệu điện cơ. Chính vì những lý do trên, tác giả đã mạnh dạn thực hiện luận văn với đề tài là “Đo lường và phân 1 tích tín hiệu điện cơ hỗ trợ chẩn đoán một số bệnh lý về cơ”. Nội dung của luận văn này bao gồm 3 chương: Chương 1, tác giả trình bày về Lý thuyết tín hiệu điện cơ; Chương 2, Đo lường và phân tích tín hiệu điện cơ; Chương 3 - Dữ liệu tín hiệu điện cơ và một số bệnh lý. 2 CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ 1.1 Giải phẫu sinh lý về hệ cơ Hệ thống cơ được cấu tạo bởi các tế bào chuyên biệt gọi là sợi cơ. Chức năng chủ yếu của chúng là khả năng co bóp. Cơ bắp, gắn liền với xương hoặc các cơ quan nội tạng và mạch máu, chịu trách nhiệm vận động. Gần như tất cả các chuyển động trong cơ thể đều là kết quả của quá trình co cơ. Các trường hợp ngoại lệ là hoạt động của lông mao, trùng roi trên các tế bào sinh tinh và sự di chuyển của amip của một số tế bào bạch cầu [1]. Hoạt động tích hợp của khớp, xương và cơ xương tạo ra các chuyển động rõ ràng như đi bộ và chạy. Các cơ xương cũng tạo ra các chuyển động tinh tế hơn dẫn đến các biểu hiện trên khuôn mặt, chuyển động mắt và hô hấp khác nhau. Ngoài vận động, co cơ còn thực hiện một số chức năng quan trọng khác trong cơ thể như tư thế, ổn định khớp và sinh nhiệt. Tư thế, chẳng hạn như ngồi và đứng, được duy trì do co cơ. Các cơ xương liên tục thực hiện các điều chỉnh tốt để giữ cơ thể ở vị trí cố định. Gân của nhiều cơ kéo dài qua các khớp và bằng cách này góp phần vào sự ổn định của khớp. Điều này đặc biệt rõ ràng ở khớp gối và khớp vai, nơi mà gân cơ là yếu tố chính giúp ổn định khớp. Sản xuất nhiệt, để duy trì nhiệt độ cơ thể, là một sản phẩm phụ quan trọng của quá trình chuyển hóa cơ. Gần 85 phần trăm nhiệt sinh ra trong cơ thể là kết quả của quá trình co cơ [1]. Trong cơ thể, có ba loại cơ: cơ xương (cơ vân), cơ trơn (smooth muscle) và cơ tim (Cardiac muscle). 1.1.1 Cơ xương (cơ vân) Cơ xương, gắn liền với xương, chịu trách nhiệm cho các chuyển động của xương. Phần ngoại vi của hệ thống thần kinh trung ương kiểm soát các cơ xương. Do đó, những cơ này được kiểm soát một cách có ý thức, hoặc tự nguyện. Đơn vị cơ bản là sợi cơ có nhiều nhân. Các sợi cơ này có vân (có các vệt ngang) và mỗi sợi hoạt động độc lập với các sợi cơ lân cận. Cơ xương có cấu tạo bởi những sợi cơ bao gồm 2 phần:  Phần thịt hay gọi là phần bụng  Phần gân bám vào xương hay da Cơ xương có ở một số vị trí trên cơ thể người như: Vùng đầu, mặt, cổ, thân (body) và các chi. Cấu trúc của cơ vân được thể hiện trong Hình 1.1 3 Màng tế bào Mạch máu Vỏ bọc mô liên kết Sợi cơ Bó cơ Mô liên kết Dây chằng Xương Hình 1.1 Hình ảnh cấu trúc của cơ vân Trong đó, mỗi cơ được bao quanh bởi một vỏ bọc mô liên kết được gọi là epimysium; Fascia: mô liên kết bên ngoài epimysium, bao quanh và ngăn cách các cơ; Mỗi bó sợi cơ được gọi là một fasciculus và được bao quanh bởi một lớp mô liên kết gọi là màng tế bào (perimysium); mỗi tế bào cơ riêng lẻ, được gọi là sợi cơ, được bao quanh bởi mô liên kết được gọi là endomysium; tendon- dây chằng; blood vessels - mạch máu. Các chức năng chính của cơ xương diễn ra thông qua quá trình kết hợp kích thích-co bóp nội tại của nó. Khi cơ được gắn với gân xương, sự co lại của cơ dẫn đến chuyển động của xương đó cho phép thực hiện các chuyển động cụ thể. Cơ xương cũng cung cấp hỗ trợ cấu trúc và giúp duy trì tư thế của cơ thể. Cơ xương cũng hoạt động như một nguồn lưu trữ các axit amin có thể được sử dụng bởi các cơ quan khác nhau của cơ thể để tổng hợp các protein cụ thể cho cơ quan. Nó cũng đóng một vai trò trung tâm trong việc duy trì nhiệt điều hòa và hoạt động như một nguồn năng lượng trong quá trình đói. 4 1.1.2 Cơ trơn Cơ trơn, được tìm thấy trong thành của các cơ quan nội tạng rỗng như mạch máu, đường tiêu hóa, bàng quang và tử cung, chịu sự kiểm soát của hệ thống thần kinh tự chủ. Cơ trơn không thể được kiểm soát một cách có ý thức và do đó hoạt động không chủ ý. Tế bào cơ không có vân (trơn) có hình thoi và có một nhân trung tâm. Cơ trơn co bóp chậm và nhịp nhàng. Tế bào cơ trơn dày 3-10 µm và dài 30-200 µm. Tế bào chất đồng nhất là bạch cầu ái toan và bao gồm chủ yếu là các myofilaments. Nhân nằm ở trung tâm và có hình dạng giống điếu xì gà trong quá trình co lại. Màng tế bào hình thành các ống nhỏ giống như túi xâm nhập vào tế bào chất (tế bào chất) có chức năng tương đương với các ống T của cơ xương. Các tế bào cơ trơn được neo vào mô liên kết xung quanh bằng một lớp cơ bản. Một số loại cơ trơn được thể hiện như trong Hình vẽ 1.2 [2]. Vỡ mạch máu Những sợi cơ trung vị Màng trong Cơ trơn nhiều đơn vị Động mạch nhỏ Cơ trơn một đơn vị a) b) Hình 1.2 Một số loại cơ trơn. a) Cơ trơn nhiều đơn vị, b) Cơ trơn một đơn vị [2] Các sợi của cơ trơn, actin và myosin được xếp chồng lên nhau trong tế bào theo kiểu sắp xếp cầu thang và ở góc với nhau. Các đường màu đỏ là các sợi actin chạy nước rút từ bên này sang bên kia của tế bào, giữa các thể dày đặc và bên trong tế bào chất, cho đến sarcolemma. Các sợi myosin nằm giữa các sợi actin. Có các sợi desmin và vimentin giúp hỗ trợ cấu trúc tế bào. Do khả năng co bóp của các cơ trơn, các sợi actin và myosin trở nên nhỏ lại, giúp thu nhỏ tế bào. Cơ trơn có chức năng duy nhất là co lại trong thời gian dài hơn và giữ hình dạng hoặc lực đó. Vì vậy, chúng có mặt ở nhiều bộ phận trong cơ thể như hệ tuần hoàn, hệ tiêu hóa. Các vùng của hệ tiết niệu, hệ sinh sản, thậm chí cả mắt và da đều có cơ trơn. Ở mắt, các cơ trơn giúp thay đổi kích thước của mống mắt và hình dạng của thủy 5 tinh thể. Lông trên da tăng lên khi gặp nhiệt độ lạnh vì các cơ trơn. Cấu trúc của cơ trơn được thể hiện trên Hình 1.3. Tế bào cơ Sợi dày Hạt nhân Sợi trung gian Mô cơ Ruột non Cơ trơn Hình 1.3 Hình ảnh cấu trúc của cơ trơn 1.1.3 Cơ tim Cardiac muscle còn có tên gọi khác là myocardium (cơ tim), ở động vật có xương sống, một trong ba loại cơ chính, chỉ được tìm thấy ở tim. Cơ tim tương tự như cơ xương, một loại cơ chính khác, ở chỗ nó sở hữu các đơn vị co bóp được gọi là sarcomeres; Tuy nhiên, đặc điểm này cũng phân biệt nó với cơ trơn, loại cơ thứ ba. Cơ tim khác với cơ xương ở chỗ nó co bóp nhịp nhàng và không nằm trong sự kiểm soát tự nguyện. Sự co bóp nhịp nhàng của cơ tim được điều hòa bởi nút xoang nhĩ của tim, đóng vai trò như máy điều hòa nhịp tim của tim [3]. Cơ tim, được tìm thấy trong các thành của tim, cũng chịu sự kiểm soát của hệ thống thần kinh tự chủ. Tế bào cơ tim có một nhân trung tâm, giống như cơ trơn, nhưng nó cũng có vân, giống như cơ xương. Tế bào cơ tim có dạng hình chữ nhật. Sự co 6 bóp của cơ tim không tự chủ, mạnh và nhịp nhàng [1]. Hình dạng cơ tim được thể hiện như trong Hình 1.4 [3]. Các tế bào cơ tim được thể hiện trong Hình 1.5. Động mạch chủ Tĩnh mạch ven trên Động mạch phổi Tĩnh mạch phổi Tâm nhỉ phải Các tế bào cơ dạng đĩa Các tế bào cơ Tâm nhỉ trái Tâm thất phải Tĩnh mạch ven dưới Tâm thất trái Hình 1.4 Hình ảnh cơ tim [3] Tim Tế bào cơ Tim Hình 1.5 Hình ảnh các tế bào cơ tim [3] 7 Tế bào cơ tim tạo thành một mạng lưới tế bào phân nhánh cao trong tim. Chúng được kết nối từ đầu đến cuối bằng các đĩa xen kẽ và được tổ chức thành các lớp mô cơ tim bao bọc xung quanh các buồng tim. Sự khác nhau cơ bản giữa ba loại cơ tim, cơ trơn và cơ vân được thể hiện trong Bảng 1.1. Bảng 1.1 Sự khác nhau giữa ba loại cơ Cơ tim Cơ vân Cơ trơn Hình dạng có sọc, vằn, có nếp nhăn; các tế bào dạng nhánh Các sợi cơ có cấu tạo dạng Hình dạng có sọc, vằn, có nếp nhăn; các tế bào dạng hình ống Các sợi cơ có cấu tạo dạng Hình dạng trục thẳng, các tế bào không có sọc, nếp nhăn hay vằn. Các sợi cơ có cấu tạo dạng đơn nhân đa nhân đơn nhân Sự co cơ dạng không tự chủ Sự co cơ dạng tự chủ Sự co cơ dạng không tự chủ Hình thành các thành cơ của Mô chuyên biệt được gắn Nằm trong các cơ quan nội tim và bơm máu đến hệ tuần vào xương và cho phép di tạng khác nhau và các mạch hoàn chuyển máu để xây dựng các thành cơ 1.2 Nguồn gốc của tín hiệu điện cơ Nguồn gốc của tín hiệu điện cơ dựa trên các phản ứng hóa điện của synap thần kinh cơ dẫn đến sự thay đổi điện thế màng tề bào khi có kích thích [5-7]. 1.2.1 Phản ứng hóa điện của synap thần kinh – cơ Khi một xung điện từ thần kinh α đi đến một tâm vận động (MEP), nó kích hoạt quá trình Exocytosis hay làm cạn hoàn toàn khoảng 300 lỗ trống chứa Ach trước Synap. Một lượng khoảng từ 107 đến 5x108 phân tử Ach cần để kích hoạt một điện thế hoạt động cơ. Ach khuếch tán qua khe Synap rộng từ 20 đến 30 nm trong khoảng thời gian xấp xỉ 0,5ms. Tại đây một số phân tử Ach kết hợp với các điểm tiếp nhận trên các đơn vị protein hình thành nên các đường tiếp nhận ion dưới Synap. Cứ 5 đơn vị protein phân tử khối lớn tạo thành một đường Ach gắn vào các đơn vị protein sẽ làm giãn các đường này ra thêm 0,65nm. Các đường dẫn ion mở rộng cho phép ion Na+ chảy vào. Tuy nhiên các ion Cl- vẫn bị đẩy ra vì các điện tích âm cố định ở cửa vào của đường. Như thế, màng dưới Synap đã được khử cực, tạo ra một điện thế hoạt động của sợi cơ. Lượng Ach ở khe Synap và phần bám vào vùng thu nhận nhanh chóng giảm xuống do thủy phân bởi enzyme Cholinesterase ở khe Synap và các thành phần trong phân tử của 8 chúng sẽ được tái sử dụng. Một lượng nhỏ Ach thoát khỏi khe nhờ quá trình khuếch tán và cũng bị thủy phân. Khi màng sau Synap ở ngay dưới MEP bị khử cực dưới dạng đầu ra là một xung EPP có ngưỡng rất lớn, một điện thế hoạt động cơ sẽ phát ra và truyền đi theo màng ngoài của sợi cơ. Đây chính là điện thế hoạt động tạo ra hiện tượng co cơ hoặc tổn hao sinh lực vận động. Các loại điện thế hoạt động cơ thông thường được đo bên trong tế bào ở MEP và ở điểm cách đầu MEP khoảng 2mm. Để đảm bảo tất cả các bộ phận sâu bên trong sợi cơ đều được kích thích để co rút cùng lúc và cùng một cường độ, dọc theo sợi cơ sẽ có các sợi ngang dạng ống nhỏ xoáy sâu bên trong sợi cơ gọi là ống T. Các ống T này có đầu mở để nhận dịch từ ngoài tế bào vào và cả hai đầu của ống đều nối với màng của sợi cơ. Chúng dẫn truyền điện thế họat động cơ từ phía ngoài vào khu vực sâu bên trong sợi cơ ở tất cả các vị trí dọc theo sợi cơ. Với một kích thích riêng lẻ đến từ thần kinh vận động α phân bố trên cơ, tạo ra một co giật, tức là, độ căng của cơ giảm xuống một lượng nhỏ sau đó tăng nhanh rồi lại giảm xuống dần đến không. Để duy trì lực co cơ, hệ thần kinh vận động phải tạo ra và duy trì chuỗi kích thích các sợi cơ, khi chuỗi kích thích này dừng lại cơ sẽ trở về trạng thái nghỉ. Mỗi một thần kinh vận động có một sợi trục (axon). Mỗi sợi trục sẽ tách ra nhiều nhánh, mỗi nhánh đi tới một sợi cơ (muscle fiber), phần tiếp giáp với sợi cơ được gọi là tiếp giáp thần kinh - cơ (đầu mút thần kinh hay synap). Synap thần kinh chứa nhiều ty lạp thể (là nguồn cung cấp năng lượng cho sợi cơ) và các túi nhỏ của synap. Có xấp xỉ 3105 lỗ trống ở đầu mỗi tâm vận động (MEP), mỗi lỗ trống có đường kính khoảng 40nm. Các túi đó có hình cầu và màng bào quanh, bên trong túi chứa chất dẫn truyền thần kinh (Acetylcholine - Ach). Vùng của sợi cơ nằm dưới synap thần kinh được gọi là tâm tận cùng của vận động. Trong vùng này có nhân của tế bào sợi cơ, các ty lạp thể, các ribosom và các ẩm bào. Giữa synap thần kinh và tâm tận cùng của vận động cách nhau một khoảng và nằm lõm sâu vào trong sợi cơ. Hình 1.6 mô tả giải phẫu của phân tiếp giáp thần kinh cơ (synap thần kinh). 9