表面肌电图的分析与应用研究

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1、4表面肌电图的分析与应用研究表面肌电（surfaceelectromyography,sEMG）图在电生理概念上虽然与针电极肌电图相同，但表面肌电图的研究目的，所使用的设备以及数据分析技术与针电极肌电图是有很大区别的。相对与针电极肌电图而言，其捡拾电极为表面电极。它将电极置于皮肤表面，使用方便，可用于测试较大范围内的EMG信号。并很好地反映运动过程中肌肉生理生化等方面的改变。同时，它提供了安全、简便、无创的客观量化方法，不须刺入皮肤就可获得肌肉活动有意义的信息，在测试时也无疼痛产生。另外，它不仅可在静止状态测定肌肉活动，而且也可在运动过程中持续观察肌肉活动的变化；不仅是一种对

2、运动功能有意义的诊断方法，而且也是一种较好的生物反馈治疗技术[50]。4.1肌电（electromyography,EMG）信号的产生原理及模式4.1.1肌电信号的产生原理肌肉收缩的原始冲动首先来自脊髓，然后通过轴突传导神经纤维，再由神经纤维通过运动终板发放冲动形成肌肉收缩，但每根肌纤维仅受一个运动终板支配，该运动终板一般位于肌纤维的中点。当神经冲动使肌浆中Ca2+浓度升高时，肌蛋白发生一系列变化，使细胞丝向暗带中央移动，与此相伴的是ATP的分解消耗和化学能向机械功的转换，肌肉完成收缩。在肌肉纤维收缩的同时也相应地产生了微弱的电位差，这就是肌电信号的由来。人体骨骼肌纤维根据功

3、能分为Ⅰ型慢缩纤维，又称红肌，亦即缓慢-氧化型肌纤维；Ⅱa型和Ⅱb型快缩纤维，又称白肌。“红肌”力量产生较慢，其特点是ATP产生是氧化代谢产生的（即其含有较高的氧化能力），可以维持较长的工作时间，作用主要为保持耐力。快肌纤维则主要是无氧酵解（糖原代谢）途径，故在相对较短的时间内，易产生疲劳和乳酸堆积[46]。所以，不同纤维类型因其收缩类型不同，能量代谢改变不同，生理作用不同，故其收缩时的肌电信号也有不同特征，故而肌电信号反过来也可相应反映耐力、生化改变，也就是疲劳度、代谢等方面的情况。4.1.2表面肌电信号产生的模式肌肉内组成单一运动单位的肌纤维，都被包围在兴奋和未兴奋的众多

4、肌纤维及其它导电性良好的体液和组织中，各肌纤维动作电位的产生和传导都会在其外部介质中形成“容积导体导电”现象。产生动作电位的各肌纤维形成一个共同的电场。神经与肌肉动作中，动作电位传导的速度是有限的，组成单一运动单位的各肌纤维又有一定的几何分布，因此，这个电场随着兴奋的传递和传导，在每一瞬间均有不同的空间和时间的分布。在活体上通过电极记录肌肉的电活动，实际记录的就是这一电场的活动。各肌纤维在检测点间引起电位的总和构成运动单位动作电位（Motorunitactionpotential，MUAP）。由于在神经轴突上的电发放是脉冲序列，所以在检测点间引起的电位波动是动作电位序列，记为

5、MUAPT，肌肉中各独立的运动单位产生的MUAPT的总和即构成了生理肌电EMG。生理肌电信号非常微弱，幅度在100~5000μv，针电极肌电放大器的频带一般为20~1000Hz，针电极记录的肌电信号的频带一般在1000~10000Hz。sEMG信号实质上是多个运动单位、动作单位的代数和，采用的表面电极使肌电信号的能量主要集中在1000Hz以下，其波幅典型地在1~5000μv之间，表面肌电放大器的频带一般为10~500Hz。波士顿大学神经肌肉研究中心发现利用双极型模型的肌电频谱分布在20~500Hz，绝大部分频谱集中在50~150Hz之间[51]。但，信号最终还是要受中枢神经系

6、统控制的。肌电图与肌肉收缩之间有着密切的关系，一般情况下，当肌肉轻度收缩时，肌电信号相对较弱，频率也低；当肌肉强力收缩时，肌电信号较强，频率高。4.2表面肌电的常用分析方法4.2.1时域分析时域分析是将肌电信号看作时间的函数，用来刻画时间序列信号的振幅特征[52]。该方法将肌电信号表达成记录点的电位－时间曲线，可以计算信号的均值、绝对值积分平均值（IAV）、幅值的直方图、过零次数（ZC）、均方根（RMS）、方差（VAR）、AR参数化模型、三阶原点矩的绝对值、四阶原点矩、自相关函数等作为特征量来反映信号振幅在时间维度的变化。常用的时域分析指标主要有：积分肌电值（integrat

7、edEMG，IEMG）IEMG是指所得肌电信号经整流滤波后单位时间内曲线下面积的总和，它可反映肌电信号随时间进行的强弱变化，在时间不变的前提下该值还可反映运动单位的数量多少和每个运动单位的放电大小[53~54]。积分肌电主要用于分析肌肉在单位时间内的收缩特性。均方根值（root-mean-square，RMS）RMS值是反映神经放电的有效值，其大小决定于肌电信号振幅值的变化，一般认为与运动单位募集和兴奋节律的同步化有关。在临床和康复医学研究中，常被应用于实时、无损伤地反映肌肉活动状态，其数值变化通常与肌