肌电原理与应用课件

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1、肌电原理与应用,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,1 骨骼肌的电活动,1.1 骨骼肌的静息电位与动作电位 1.1.1 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电位差，膜内为负，膜外为正，这一电位差称为静息电位。 猫的骨骼肌肌纤维的静息电位为-79.5毫伏； 鼠的骨骼肌肌纤维的静息电位为-99.8毫伏； 豚鼠的骨骼肌肌纤维为-85.5毫伏； 小白鼠的骨骼肌肌纤维为-61.0-88.9毫伏；

2、 人类骨骼肌肌纤维为-65-87.4毫伏。,1.1.2 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。

3、 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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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。,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

11、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）。,生物医学信号的特征,3.1 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

12、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： 5V，10V， 0-10V 2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 专用分析软件,生物电测试分析的仪器设备,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

13、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,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。 Fs2Fmax T1 / Fs Fs： 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

14、意频率分辨率F和采样时间间隔T之间的关系。 F1 / TN F：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。有时可将采样频率定为大于10Fmax。但是如果进行频域分析，则采样频率不宜过大。,3. 生物电计算机测试分析基础 根据公式： F1 /TN 因为： Fs1/T T1/Fs 如果Fs越大，则T就越小。在N（采样点数）不变的情况下，则有F变大，也就是频率分辨率下降。要提高频率分辨率，就要加大采样的点数。如果T不变，N越大，则F越小，频率分辨率越高。,3. 生物电计算机测试

15、分析基础 3.2.2 A/D转换 计算机进行一般计算时，要求输入数字信号，而我们所检测到的生物电信号都是模拟信号。把模拟信号转换为数字信号的过程称为“模数转换”（analog signalsdigital signals转换，简称“A/D转换”）。,3. 生物电计算机测试分析基础 3.2.2 A/D转换 将模拟信号离散化（采样）以后，也就是说转变成离散信号后，就要对离散信号数字化。这一过程要通过A/D转换完成。 A/D转换包括两个过程。即：量化和编码,3. 生物电计算机测试分析基础 3.2.2 A/D转换 量化 所采集的离散信号此时没有物理量，必须对其进行量化，使其具有物理量。量化要通过量化器完成。,生物电信号的量化,3. 生物电计算机测试分析基础 3.2.2 A/D转换 量化 如果是8位A/D转换器，可将10v(10000mv)电压分成28256个量化电平。 电压的分辨率V10000(mv)25639.0625(mv) 如果是12位A