肌电原理与应用

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1、肌电原理与应 用 *1肌电-骨骼肌兴奋时，由于肌纤维 动作电位的产生、传导和扩布，而发生电位 变化称为肌电。肌电图-用适当的方法将骨骼肌兴 奋时发生的电位变化引导、记录所得到的图 形，称为肌电图(electromyogram, EMG)。 肌电与肌电图的概念肌电与肌电图的概念1 1 骨骼肌的电活动骨骼肌的电活动1.1 1.1 骨骼肌的静息电位与动作电位骨骼肌的静息电位与动作电位1.1.1 1.1.1 静息电位静息电位正常骨骼肌纤维在静息状态下肌纤维膜内外存在正常骨骼肌纤维在静息状态下肌纤维膜内外存在 电位差，膜内为负，膜外为正，这一电位差称为静息电位差，膜内为负，膜外为正，这一电位差称为静息

2、电位。电位。猫的骨骼肌肌纤维的静息电位猫的骨骼肌肌纤维的静息电位 为为-79.5-79.5毫伏；毫伏；鼠的骨骼肌肌纤维的静息电位鼠的骨骼肌肌纤维的静息电位 为为-99.8-99.8毫伏；毫伏；豚鼠的骨骼肌肌纤维豚鼠的骨骼肌肌纤维 为为-85.5-85.5毫伏；毫伏；小白鼠的骨骼肌肌纤维为小白鼠的骨骼肌肌纤维为-61.0-61.0-88.9-88.9毫伏；毫伏；人类骨骼肌肌纤维为人类骨骼肌肌纤维为 -65-65-87.4-87.4毫伏。毫伏。1.1.2 1.1.2 动作电位动作电位肌纤维兴奋时，产生的可传导的电位变化称为 动作电位。 动作电位的幅度为100120毫伏,持续 时间为24毫秒。 细胞

3、内记录的动作电位为单相负波，波幅为100 -120mv持续时间较长；细胞外记录的动作电位为双 相波，波幅为1.8mv，明显低于细胞内记录。 1.2 正常的肌电活动1.2.1 电静息正常骨骼肌完全放松时没有电活动，所描记出的肌电图表现为一条直线，称为电静息。 1.2.2 插入电位（插入电活动）插入电位-当插入电极或移动已插入 肌肉的电极时，可出现一些持续时间很短 、波幅很低的电位变化。这种电位变化称 为插入电位或插入电活动。插入电位的时限为1-3ms，波幅为 100v。插入电活动的持续时间较短，平 均持续时间为300ms。当电极停止移动后 插入电位即消失。 1.2.3 终板电位在终板区进行肌电记

4、录，肌肉不受到刺激也可出现自发电活动。这些电活动以终板噪声和终板电位的形式出现。终板噪声的特点是基线不稳定。出现终板噪声时，如果轻轻移动电极常可出现单个的终板电位。终板电位呈单相或双相。终板电位的幅度可达250v，其时限为1-5ms。终板噪声就是来源于远距离的终板电位。 1.3 运动单位电位运动单位电位的波形根据运动单位电位离开基线的次数可将其分为单相、双相、三相及多相波。正常肌电图的三相波占80%，单相波占15%，多相波占5%。影响运动单位电位的因素： 电极与肌纤维的相对距离、方向和位置运动单位电位的波形与针电极和活动的肌纤维的相对距离、方向及位置不同有关。影响运动单位电位的因素： 运动单位

5、中的肌纤维的密度和运动单位的大小电位的幅度不仅和活动的肌纤维的距离有关，而且也取决于参与活动的肌纤维的数量。因此，运动单位电位的波幅是肌纤维密度大小的尺度。运动单位电位的幅度还同运动单位的大小有关。 影响运动单位电位的因素： 肌肉的收缩程度肌肉的收缩程度不同运动单位电位的电压 也不同，轻度肌肉收缩时肌电电压较低，收缩 程度加大时，电压增加。这是由于肌肉轻度收 缩时，一般只动员少数兴奋阈值较低的运动单 位参与工作。这些运动单位一般属于慢肌运动 单位，兴奋时其电位幅值较低。收缩程度加大 时，往往可动员阈值较高的运动单位参与工作 。这些运动单位一般是快肌运动单位，兴奋时 其电位幅值较高。另外，肌肉进

6、行较大强度收 缩时，肌纤维往往产生同步活动，而使肌电电 位幅值加大。 影响运动单位电位的因素： 电极的种类用双心针电极所引导的动作电位电压较 同心针电极高。 电极离活动肌纤维的距离电极离活动的肌纤维越近电压越高，反 之就越低。 缺氧和低温温度下降和缺氧时，肌电电压下降。增 加运动单位电位时限。温度改变1C时运动 单位电位时限可增加10-30%。 影响运动单位电位的因素： 年龄随着年龄的增长运动单位电位时限增 大。 肌肉的机能状态肌肉疲劳时肌电幅度升高，疲劳初期 运动单位电位时限缩短，这是因为疲劳时 运动单位同步放电的结果。在肌肉过度疲 劳时，肌肉内环境紊乱，机能下降，可使 动作单位的产生与传导

7、受阻，造成运动单 位的时限增大。2 骨骼肌电活动的 引导与测试 2.1 肌电的引导Piper用表面电极引导出了骨骼肌随意收缩时 的肌电Adrian和Bronk(1926)发明了同心针电极，并 引导出了运动单位电位。在此基础上Basmajian等又发展为诱导型针电 极。Buchthal等再进一步发展为多导电极。另外，用微电极引导单肌纤维的电活动也被广 泛应用。 引导肌电的电极可分为两大类，一类是针电极 ，另一类是表面电极。针电极（也叫插入电极）由于记录肌电的目的不同，针电极又分 为许多种，即同心针电极、双心针电极、单 针电极、多道针电极。 同心针电极这种电极的直径一般为0.3-1mm。用于记 录

8、骨骼肌动作电位的针电极直径一般为0.5- 0.6mm，主电极的斜面积为0.07平方毫米。如 果进行单肌纤维的肌电检查，所用的针电极 的主电极面积要求为0.005-0.001平方毫米。 针电极 双心针电极用这种电极可记录较小范围内的肌肉电 变化。可引导单个运动单位的电位。用双心 针电极所测出的运动单位电位一般比用同心 针电极引导的范围更小。所记录的电位在两 电极间的距离小于0.5mm时，波幅比同心针电 极为小，如果间距大于0.5mm，则大于同心针 电极。由于两引导电极的表面积相等，在测 量时这种电极可获得较好的共膜抑制比。针电极 普通针电极记录时将电极插入肌肉中作双极引导，无 关电极可用一表面电

9、极并接地即可。也可用两 个针电极同时插入肌肉内进行双级引导。 多导针电极在一个针管内装有许多根相互绝缘的金属 丝。每根金属丝的末端间隔相等的距离排列在 针管开放的一侧。各金属丝作为引导电极，针 管作为辅助电极。针电极的优点是：可引导运动单位甚至单个肌纤维的 电位变化；能研究肌肉内深部某一束肌纤维的 功能。不足是：所测试的区域小，不能反应整块肌 肉的机能状态；会造成一定程度的损伤，并会产生 疼痛；不适合测量运动时的肌电变化。 埋入电极将一细的金属细丝埋入肌肉内就可进行肌电记录。这种电极的优点是，可引导出深层肌肉的电位变化，引导的范围比同心针电极广，而比表面电极的引导范围小。用埋入电极可引导出多个

10、运动单位电位。 微电极测量肌电的微电极直径一般为25-30。引导肌电时将微电极插入肌肉中进行双极引导。微电极的优点：、由于电极非常细，插入肌肉中不产生疼痛。、较容易插入和拔出肌肉。 表面电极 一般的表面电极是由两片Ag-AgCL金属片组成的。测试时一般将电极置于肌腹处或肌肉运动点处,。将电极沿肌纤维的走行方向平行放置，两电极间隔2-3厘米，进行双极引导。 表面电极的优点是：方便易行，不会造成损伤，容 易被受试者接受；用表面电极所测到的肌电变化 可反应整块肌肉的机能状态；适用于测量运动时的肌电变化 。因此用表面电极来测量肌电的方法 被广泛应用于体育科学研究中。 不足是：引导出的肌电是许多运动单位

11、电位的综合电位，波形复杂，不便分析；不能较细致地反映肌肉内部某部位或某一运动单位的肌电变化情况；由于皮肤的电阻较大，用表面电极所记录到的肌电会有所减弱。 3肌电的处理与分析（生物电的处理与分析） 生物电主要是指肌电、心电和 脑电等生物电信号。另外压力、力量、关节角度 变化等指标可通过传感器转变为 电信号，然后应用计算机进行测 试分析。各种生物电之间的主要差别是频率 、幅度和波形。如果能控制数据采样的频率，可实 现多种生物电信号共用一个模数转换通 道，再通过不同的数据处理与分析模块 的组合，就能实现应用计算机对生物电 信号进行测试分析。分析不同的生物电 信号及相关信号（如压力、肌力、关节 角度等

12、）。生物医学信号的特征初级信号的名称幅度范围频率范围 心电(ECG)0.01-5mV0.05-100Hz 脑电(EEG)2-200V0.1-100Hz 肌电(EMG)0.1-5mVDC-10kHz0.02-5mV5-2kHz眼震电(ENC)0.05-3.5mVDC-50Hz 视网膜电ERG)0.001-1mV0.1-200Hz 胃电EGG)0.01-1mVDC-1Hz 皮肤电反射(GSR)0.01-3mV0.01-1Hz 心音(PCG)0.005-2kHz脉搏波0.1-60Hz心冲击图(BCG)0-7mVDC_40Hz 心阻抗15-500DC-60Hz 呼吸率0.1-10Hz肌肉等张收缩DC-

13、10Hz血液容积记图DC-30Hz体温32-40DC-0.1Hz3.1 生物电测试分析的仪器设备 主机为286以上系统微型机一台 传感器肌电电极（测肌电）心电电极（测心电）脑电电极（测脑电）拉力传感器（测力量）压力传感器（测压力，如血压）关节角度测定仪（测关节角度变化） 3.1 生物电测试分析的仪器设备 生物电放大器通用生物电放大器（肌电、心电、脑 电等）专用生物电信号放大器肌电放大器心电放大器脑电放大器3.1 生物电测试分析的仪器设备 模数转换卡 (A/D卡，以SC40系列为 例） 该卡的技术指标如下：分辨率： 12BIT最高采样频率：60 KHz模入通道数： 32单端，16双端模入范围：

14、5V，10V， 0- 10V2路12BIT D/A， 5S可编程定时计数器供用户使用48BIT可编程DI/DO供用户使用外触发采集3.1 生物电测试分析的仪器设备 应变仪使用拉力、压力传感器时，需选配适 当的应变仪。 记录设备选用多导记录仪磁带记录仪磁盘记录器 显示器生物电测试分析的仪 器设备 传感器部分传感器部分 肌电电极肌电电极 心电电极心电电极 脑电电极脑电电极 压力传感器压力传感器 张力传感器张力传感器 关节角度议关节角度议生物电放大部分生物电放大部分 肌电放大器肌电放大器 心电放大器心电放大器 脑电放大器脑电放大器 应变仪等应变仪等监视部分监视部分 多道示波器多道示波器数据采集部分数

15、据采集部分 数据采集卡数据采集卡数据处理部分数据处理部分 计算机计算机输出设备输出设备 显示器显示器 记录仪记录仪3. 生物电计算机测试分析基 础电信号可分为两大类，一类是模拟 信号，另一类是数字信号。模拟信号-是指一个单一的正弦波 ，或是其组合波。是在时间和幅度上均 连续的信号。数字信号-基本上是由发生在离散 时间间隔上的“脉冲”组成。是在时间 和幅度上都不连续的信号。 生物电信号处理分析 步骤 连续的模拟信号采样后变为离散 的数字信号量化后的数据编码后的数据D/A转换输出模拟信号3. 生物电计算机测试分析基础3.2.1 数据采样在确定采样的时间间隔(T)时，要满足采样 定理。采样定理：采样频率应至少等于或大于被处 理信号中的最高频率的两倍。否则就会发生混淆 、失真现象。Fs2FmaxT1 / FsFs： 为采样频率Fmax：被处理信号中的最高频率T： 采样的时间间隔3. 生物电计算机测试分析基础3.2.1 数据采样3. 生物电计算机测试分析基础在一般的信号处理中选择采样频率为：Fs(35)Fmax在进行频域分析时，应注意频率分辨率F和 采样时间间隔T之间的关系。F1 / TNF：频率分辨率(功率谱上所代表的频带宽度 )T：采样的时间间隔N： 采样的数据量如果要进行时域分析，希望不丢掉被分析信号 的峰值，最好加大采样频率，以保证幅值的不失真