运动生理学实验理论肌电的测定与分析运动生理学教研室周越 博士 副教授 l第一节第一节 肌电图的测试分析原理肌电图的测试分析原理l第二节 表面肌电图的应用l第三节 肌电图分析软件的使用2 l骨骼肌在兴奋时，会由于肌纤维动作电位的传导骨骼肌在兴奋时，会由于肌纤维动作电位的传导和扩布而发生电位变化，这种电位变化称为和扩布而发生电位变化，这种电位变化称为肌电肌电l用适当的方法将骨骼肌兴奋时发生的电位变化引用适当的方法将骨骼肌兴奋时发生的电位变化引导、放大并记录所得到的图形，称为导、放大并记录所得到的图形，称为肌电图肌电图一、肌电图定义3 4 5 NoraxonNoraxon TelemyoTelemyo 2400T G2 2400T G2 遥测肌电图仪遥测肌电图仪6 引导肌电信号的电极分类： 引引导导肌肌电电信信号号的的电电极极可可分分为为两两大大类类，，一一类类是是针电极针电极，另一类是，另一类是表面电极表面电极1.1.针电极针电极2.2.表面电极表面电极7 l轻度用力时用针电极从轻度用力时用针电极从2020个不同部位记录到的正常个不同部位记录到的正常人肱二头肌的运动单位电人肱二头肌的运动单位电位位 不同程度收缩时骨骼肌肌电不同程度收缩时骨骼肌肌电图（表面电极引导）图（表面电极引导） 8 二、EMG信号的特征与处理l幅度范围：放大前 0–10 mV (+5 to -5) l有效频率范围：0 - 500 Hz l主要频率范围：50 – 150 Hz9 信号处理的一般概念l采集频率采集频率l信噪比（信噪比（Signal-to-noise ratio））–EMG信号的能量与噪音信号的比例。
l信号失真（信号失真（Distortion of the signal））–EMG signal should be altered as minimally as possible for accurate representation10 电信号噪音特征l电子设备固有噪音–所有电器均有，使用高质量设备可减少–频率范围：0 – 几千 Hzl环境噪音–电磁幅射源（无线电广播、电线、荧光灯）–主要频率：50 Hz–幅度：1 – 3倍 EMG signall运动伪迹–电极与皮肤、电极线缆–可以合适的线路减少–频率范围：0 – 20 Hz11 通过电极和放大器减少信号干扰l差动（微分）放大–减少电磁辐射噪音–双电极输入l电极的稳定性–电极的化学稳定性–电极的移动、排汗、湿度变化等l随着电极品质的提高，对皮肤处理、剃除毛发的要求在下降12 差动（微分）放大Differential Amplification13 EMG 电极的放置 一般在肌腹中间不要靠近肌腱、不要在肌肉边缘、要与肌肉平行14 不同放置部位的EMG结果15 参考电极的放置（接地）l尽可能远离记录电极l电中性组织 （多骨组织）l良好的电极接触（大尺寸、良好的粘合接触）16 滤波器类型l便件滤波器–模拟电路：放大器、电阻、电容l软件滤波器–数字滤波器（数学运算）17 滤波器的种类LPFilter20 Hz250 Hzl低通过滤波lLow pass filter (LP)18 BPFilter20 Hz250 Hzl带通滤波lBand pass filter (BP)Filter19 BS20 Hz250 Hzl带阻滤波器lBand stop filter (BS)–Example: 50 Hz filter50 Hz20 相位移动Phase Shiftl过滤器引起相位改变–通过过滤器时，频率成份的时间延迟–也可能会产生波形扭曲l通过电路的改进、过滤窗口的选择去除Shift21 肌电整流类型Rectification Raw EMGFull-waveRectified EMGHalf-wave Rectified EMGDelete22 积分IntegrationArea Under a CurveUnits = mV - msec23 EMG 幅度分析均方根振幅Root Mean Square24 过零率Number of Zero Crossingsl信号通过零值基线的次数。
l在进行FFT运算前曾广泛应用25 EMG EMG 频谱分析频谱分析Frequency Frequency SpectrumSpectruml快速傅利叶转换Fast Fourier Transform (FFT)l平均功率频率MPF是所有频率成份功率的平均值对应的频率中位频率（ Median Frequency）是把功率谱曲线分成功率或面积相同的两部分的频率26 运动单位的同步化Motor Unit Synchronization非同步化活动减少EMG幅度运动单位的同步化增加了EMG幅度27 运动单位同步化时EMG幅度与力28 标准化Normalizationl是否可以直接比较不同受试者的EMG呢？l影响因素–不同的肌肉横断面–不同的肌肉长度–不同的快慢肌纤维比例–不同的肌纤维募集方式–不同的肌纤维激动频率29 标准化方法l用最大用力值来标准化l用最大用力值的百分比表示亚极量用力，如 50%、75%等l一般用最大随意收缩（isometric MVC）30 lMVC 时的股四头肌积分肌电值= 5.76 mV - msecl50% 亚极量收缩时积分肌电值 = 2.13 mV - msec2.13 mV - msec5.76 mV - msec=比例:.3731 电机械延迟Electromechanical Delay (EMD)lEMD是指EMG开始到产生力量之间的延迟。
l延迟的生产与电活动要沿T横管系统传入、肌浆网释放钙离子、Actin-Myosin crossbridges的形成、一系列弹性成份的牵拉有关32 猫行走时比目鱼肌的EMG信号Force直接从跟腱 (achilles tendon)测得在EMG开始约70 ms后产生力，EMG结束后约70时力终止33 l第一节 肌电图的测试分析原理l第二节第二节 表面肌电图的应用表面肌电图的应用l第三节 肌电图分析软件的使用34 一、利用肌电测定神经的传导速度一、利用肌电测定神经的传导速度 如果在神经通路的两个或两个以上的点上给予电如果在神经通路的两个或两个以上的点上给予电流刺激，从该神经所支配的肌肉上记录诱发电流刺激，从该神经所支配的肌肉上记录诱发电位，然后根据下列公式可计算出神经的传导速位，然后根据下列公式可计算出神经的传导速度 V=S/tV=S/tl式式中中:V:V为为神神经经传传导导速速度度，，单单位位为为米米/ /秒秒；；t t为为两两刺刺激激点点从从刺刺激激开开始始到到肌肌肉肉开开始始收收缩缩的的时时间间差差，，单单位位为为秒秒；；S S为为两两刺刺激激点点之之间间的的距距离离，，单单位位为为米。
米 35 l尺神经运动神经传导速度的测定尺神经运动神经传导速度的测定lS1S1：：肘部的刺激电极肘部的刺激电极 S2S2：：腕部的刺激电极腕部的刺激电极 R R：：记录电记录电极极 36 二、利用肌电图研究肌肉疲劳二、利用肌电图研究肌肉疲劳l肌肌肉肉疲疲劳劳时时其其肌肌电电活活动动也也会会发发生生变变化化，，因因此此可可以用肌电来研究肌肉疲劳的发生及机制以用肌电来研究肌肉疲劳的发生及机制l(1)(1)肌肉工作过程中肌电幅值的变化肌肉工作过程中肌电幅值的变化l 肌肌电电幅幅值值是是指指肌肌电电信信号号的的振振幅幅大大小小在在肌肌电电研研究究过过程程中中，，反反应应肌肌电电幅幅值值的的指指标标有有积积分分肌肌电电(EMG)(EMG)和均方根振幅和均方根振幅(RMS)(RMS)37 38 在在在在肌肌肌肌肉肉肉肉等等等等长长长长收收收收缩缩缩缩至至至至疲疲疲疲劳劳劳劳的的的的研研研研究究究究过过过过程程程程中中中中发发发发现现现现，，，，在在在在一一一一定定定定的的的的范范范范围内，肌电幅值随着肌肉疲劳程度的加深而增加围内，肌电幅值随着肌肉疲劳程度的加深而增加。
围内，肌电幅值随着肌肉疲劳程度的加深而增加围内，肌电幅值随着肌肉疲劳程度的加深而增加 l不同持续时间股直肌、股外肌不同持续时间股直肌、股外肌IEMGIEMG的增长情况的增长情况39 (2)(2)(2)(2)肌肉工作过程中肌电信号的频谱变化肌肉工作过程中肌电信号的频谱变化肌肉工作过程中肌电信号的频谱变化肌肉工作过程中肌电信号的频谱变化l 在在肌肌肉肉工工作作过过程程中中，，肌肌电电信信号号的的频频率率特特性性可可随随着着肌肌肉肉的的机机能能状状态态的的改改变变而而发发生生变变化化反反应应肌肌电电信信号号的的频频率率特特性性的的指指标标有有平平均均功功率率频频率率(MPF)(MPF)和中心频率和中心频率(FC)(FC)肌肉疲劳前后肌电频率谱变化肌肉疲劳前后肌电频率谱变化 40 随随随随着着着着疲疲疲疲劳劳劳劳程程程程度度度度的的的的加加加加深深深深，，，，肌肌肌肌电电电电信信信信号号号号的的的的频频频频谱谱谱谱左左左左移移移移，，，，即即即即平平平平均均均均功率频率降低功率频率降低功率频率降低功率频率降低 不同持续时间股直肌、股外不同持续时间股直肌、股外肌肌电图肌肌电图MPFMPF的下降情况的下降情况 41 三、利用肌电图评价肌三、利用肌电图评价肌力力l一一般般情情况况下下，，当当肌肌肉肉以以不不同同的的负负荷荷进进行行收收缩缩时时，，其其肌肌电电信信号号IEMGIEMG同同肌肌力力成成正正比比关关系系，，即即肌肌肉肉产产生生的的张张力力越越大大IEMGIEMG越越大。
大42 lLippold (1952), Close (1972) & Bigland-Ritchie (1981)认为IEMG与张力是线性关系lZuniga and Simmon (1969) & Vrendenbregt and Rau (1973) 认为IEMG与张力是非线性关系l等长收缩isometric时EMG与力量是线性的，在等张收缩isotonic时是非线性的(Weir et al., 1992) 43 Isometric 与 Isotonic Contractions44 肌肉力量与肌电的线性关系肌肉力量与肌电的线性关系l柯菲因柯菲因(Chaffin)等人发现等人发现当肌肉用当肌肉用40%MVC以下强以下强度收缩时，肌力与肌电呈度收缩时，肌力与肌电呈线性关系线性关系60%MVC以上以上强度时，肌力与肌电也呈强度时，肌力与肌电也呈线性关系，但此时的直线线性关系，但此时的直线斜率较大而肌力在斜率较大而肌力在40%-60%MVC时，肌力与肌电时，肌力与肌电之间的线性关系往往就不之间的线性关系往往就不存在了45 离心(eccentric)收缩时EMG幅度小于向心(concentric)收缩 (Komi, 1973; Komi et al., 1987)46 在匀速屈肘运动中肌张力在匀速屈肘运动中肌张力与与IEMGIEMG的关系的关系 A A 的心收缩的心收缩 B B 离心收缩离心收缩47 四、利用肌电图分析肌纤维类型四、利用肌电图分析肌纤维类型l不不同同类类型型的的肌肌纤纤维维在在疲疲劳劳时时的的肌肌电电图图特特征征也也不不同同 。
慢慢 肌肌 纤纤 维维 百百 分分 数数 较较 高高 的的 受受 试试 者者（（ST%>59ST%>59））, ,在在各各种种负负荷荷(30%MVC(30%MVC、、50%MVC50%MVC及及79%MVC)79%MVC)至至疲疲劳劳的的工工作作中中,MPF,MPF下下降降斜斜率率比比慢慢肌肌纤纤百百分分数数较较低低的的受受试试者者(ST<49)(ST<49)要要低低，，当当负负荷荷增加时更明显增加时更明显48 lST运动单位产生的 EMG信号幅度低、持续时间长lFT运动单位产生的 EMG信号幅度高、持续时间短49 50 《《《《体育科学体育科学体育科学体育科学》》》》19901990年年0202期期 l肌纤维组成的无损测定法和仪器肌纤维组成的无损测定法和仪器 高强;尹吟青;王楠;秦光侠;马磐l研究的目的是探索一种无损测定男青年股外肌肌纤维组成的方法及研制肌纤维组成无损测定仪由43名受试者取得等长肌力及肌电图等12项指标,用逐步回归的方法从上述指标中筛选出与股外肌快肌纤维％(FT％)密切相关的3项指标,从而建立推测肌纤维组成的三元回归方程以该方程为模型,开发了肌纤维组成测定仪。
该仪器所得测试结果与活检结果对比,平均误差为2.84％(SD=2.48％),有较高的精确性本研究可取代活检方法,用于运动选才作者单位】：北京体育学院;北京体育学院;北京体育学院;天津大学;天津大学51 52 《《《《中国运动医学杂志中国运动医学杂志中国运动医学杂志中国运动医学杂志》》》》19901990年年0303期期l8—17岁儿童少年股外肌肌纤维组成最大等长伸膝力量、岁儿童少年股外肌肌纤维组成最大等长伸膝力量、相对肌力及肌围的研究相对肌力及肌围的研究 尹吟青,王立山,王玮,田野,刘沙,高强l本文用活检--组化方法对153名8～17岁儿童少年(男80人,女73人)做了股外肌快肌纤维%(FT%)的研究,并同时测定了最大等长伸膝力量(MVC)、相对肌力(RMVC)及肌围(活检处腿围,C)实验发现男、女儿童及全体FT%均呈近似常态分布且性别间也无显著差异(P>0.05)还发现8～17岁儿童少年的MVC、RMVC及C均随年龄增长而增大肌力(MVC及RMVC)与股外肌FT%间只有低度相关(r=0.23,r=0.30;P<0.05),而肌力(MVC)与肌围间却有密切相关(r=0.69,P<0.01)。
53 五、利用肌电进行动作分析五、利用肌电进行动作分析 l在运动过程中可用多导肌电记录仪将肌电记录下在运动过程中可用多导肌电记录仪将肌电记录下来然后，根据运动中每块肌肉的放电顺序和肌来然后，根据运动中每块肌肉的放电顺序和肌电幅度，结合高速摄像等技术，对运动员的动作电幅度，结合高速摄像等技术，对运动员的动作进行分析诊断进行分析诊断 l分分析析某某项项运运动动技技术术，，找找出出在在完完成成该该项项动动作作时时有有哪哪些些肌肌肉肉参参加加；；各各个个肌肌肉肉用用力力程程度度怎怎样样；；顺顺序序如如何何；；直接为科学地安排教学与训练提供依据直接为科学地安排教学与训练提供依据54 绕螺时的肌电变化绕螺时的肌电变化55 56 57 某受试者40cm下落跳时股外肌(EMG1)、股二头肌(EMG2)肌电图和测力台同步记录到的对地面垂直作用力(Fz)示意图58 l上上体体竖竖直直作作主主动动起起蹲蹲时时股股四四头头肌肌的的肌肌电电图（图（2 2毫伏、毫伏、400400毫秒）毫秒）l1.1.股外肌；股外肌；2.2.股直肌；股直肌；3.3.股内肌股内肌 59 国家队射箭运动员动作技术的肌电特性国家队射箭运动员动作技术的肌电特性l中国体育科技中国体育科技 2007年年6期期l张秀丽 刘卉 刘学贞l运用美国产运用美国产Noraxon表面肌电遥测系统对国家射箭队男、表面肌电遥测系统对国家射箭队男、女各女各12名运动员进行测试。
名运动员进行测试l国家射箭队运动员在射箭动作的不同阶段尚存在部分国家射箭队运动员在射箭动作的不同阶段尚存在部分不合理的肌肉用力特点不合理的肌肉用力特点l相对来说相对来说,无论是举弓时的肌肉激活顺序、主要肌肉用无论是举弓时的肌肉激活顺序、主要肌肉用力特点力特点,还是动作的一致性还是动作的一致性,均是女子运动员较男子运均是女子运动员较男子运动员合理动员合理l以肌电以肌电RMS幅值的幅值的“标准差与平均数的比值标准差与平均数的比值”这个派这个派生指标对运动员进行多支箭肌肉用力的一致性评价较生指标对运动员进行多支箭肌肉用力的一致性评价较合理60 振动与非振动力量练习时肌电图变化的比振动与非振动力量练习时肌电图变化的比较研究较研究l西安体育学院学报西安体育学院学报 2004 21(4)l许以诚许以诚 高炳宏高炳宏 刘文海刘文海 米卫国米卫国（上海体育科学研究所）（上海体育科学研究所） l受试者在振动和非振动条件下受试者在振动和非振动条件下,分别以动力性和静力性分别以动力性和静力性两种不同方式的进行屈肘练习两种不同方式的进行屈肘练习,练习时施加不同的负荷练习时施加不同的负荷,测试肱二头肌、屈腕肌和肱三头肌、伸腕肌的肌电图测试肱二头肌、屈腕肌和肱三头肌、伸腕肌的肌电图.l负荷与肌肉收缩的方式相同时负荷与肌肉收缩的方式相同时,振动条件下主动肌的肌振动条件下主动肌的肌电电IEMG/s值都比非振动时大；动力性收缩时值都比非振动时大；动力性收缩时,振动轻振动轻负荷与非振动重负荷时负荷与非振动重负荷时IEMG/s值相差不大。
值相差不大l这说明这说明,在振动条件下进行力量训练在振动条件下进行力量训练,能够募集更多的能够募集更多的运动单位参与收缩运动单位参与收缩,提高肌肉的兴奋水平提高肌肉的兴奋水平61 62 六、其他应用六、其他应用六、其他应用六、其他应用MyomoMyomo e100 e100：修复身体运动机能：修复身体运动机能：修复身体运动机能：修复身体运动机能l戴起来像一个手臂护套一样，myomo e100 神经机器人系统用EMG 传感器探测电子肌肉活动并触发刺激器帮助中风患者手臂重新恢复运动 63 64 假肢手的控制球型抓握柱状抓握精确抓握侧向抓握65 A指浅屈肌、指深屈肌B屈拇长肌A指伸肌B拇长伸肌、拇短伸肌C食指伸肌 D.小指伸肌66 EMG Signal Processing:System FlowchartSystem Flowchart67 计算机鼠标的生理学控制计算机鼠标的生理学控制lEOG 眼电图：在视网膜色素上皮和光感受器细胞之间存在的视网膜静电位于暗、明适应条件下在被检者内、外眦角各置一电极所检测到的电流随眼球的转动而变化，记录下来的电位就是眼电图 68 l微软研究院打算申请的专利--将EMG连结手臂肌肉，感应手指的动作，解读复杂的手势，进而遥控打开车门或是控制随身听。
l人机输入界面-游戏(空气吉他) 应用69 高跟鞋对步态、姿态及下肢的影响l高跟鞋在给予穿着者美感的同时,会引发拇外翻、小趾内翻、胼胝、跟腱炎等足部疾病l通过步态分析、足底压力分析、下肢肌电信号测量分析,了解不同高度的鞋跟对人体步态、姿态和对足、踝、膝、髋和脊柱的影响及作用机制l穿着高跟鞋改变足底压力水平及其分布，膝关节和踝关节弯曲角度有明显不同，且步幅、步长、最大膝曲屈角、踝关节弯曲角度等都有显著变化70 71 肌肉疲劳时肌氧与肌肉疲劳时肌氧与EMG参数的变化及参数的变化及其内在联系其内在联系l玉林师范学院学报 2006年 第27卷 第03期 作者: 李秀荣, 陆世添l探讨运动肌肉疲劳是否是由缺氧引起l发现肌氧含量与IEMG呈显著负相关(r=-0.852～-0.986)l说明肌肉活动取决于局部氧代谢状况,缺氧可能是导致肌肉疲劳的主要因素72 l第一节 肌电图的测试分析原理l第二节 表面肌电图的应用l第三节第三节 肌电图分析软件的使用肌电图分析软件的使用73 74 75 76 77 Data AnalysislGraphical and numerical display of Basic results — Cumulative amplitude distributions — Work / loading - bilateral differences — Onset slope with activation times — Activation order — Onset times — Peak values — Physiologic gaps - level, density, duration — Marker events — Cursor analysislZoom in, zoom out lSelectable areas of interest lSpectrum Analysis, Fast Fourier Transform (FFT) showing median frequency, mean power frequency and zero crossing rate — Single spectrum — Average spectrum — Fatigue test lNormative database of fatigue tests lFollow-up analysis with trend reports 78 79 利用利用BL-420S测试分析肌力与肌电图关系测试分析肌力与肌电图关系l成都泰盟科技有限公司BL-420S生物信号处理仪l连接好仪器，1通道接尺侧腕屈肌，2通过接桡侧腕屈肌，3通道接张力传感器。
l参数设置：–1、2通道灵敏度（G）1mv,时间常数（T）0.02,高通滤波（F）1000hz，扫描速度250ms/div–3通道灵敏度（G）20mv,时间常数（T）DC,高通滤波（F）20hz，扫描速度250ms/div80 l最大力量测试：最大力量测试：–尽力握握力传感器，记录尽力握握力传感器，记录3通道曲线的格数，通道曲线的格数，此时为最大负荷，然后，以此格数的此时为最大负荷，然后，以此格数的80%，，60%，，40%，，20%，握握力传感器，测试完，握握力传感器，测试完毕保存实验结果毕保存实验结果–注意：两个负荷间间隔时间不要太短，防止注意：两个负荷间间隔时间不要太短，防止肌肉疲劳；每个负荷至少持续肌肉疲劳；每个负荷至少持续1S81 l实验数据处理：–从BL-420S生物信号处理系统的文件菜单打开保存文件，打开excel表格，点击区间测量测量各负荷下，1，2通道1s曲线的的面积（积分肌电）–在退出TM_WAVE程序之前，可以最小化Excel应用程序，但不要关闭82 参考文献lLoeb, G.E., Gans, C. (1986) Electromyography for Experimentalists. The University of Chicago Press, Chicago, ILlBasmajian, J.V., DeLuca, C.J. (1985) Muscles Alive. Williams & Wilkins, Baltimore, MDlMoshou, D., Hostens, I., Ramon, H. (2000) Wavelets and Self-Organizing Maps in Electromyogram Analysis. Katholieke Universiteit LeuvenlDeLuca, C.J. (1993) The Use of Surface Electromyography in Biomechanics. Neuro Muscular Research Center, Boston UniversitylDeLuca, C.J. (2002) Surface Electromyography: Detection and Recording. Delsys Incorporated.83 。