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1、肌电相关知识及电极介绍目录一、肌电相关知识二、肌电测量主要电极介绍三、表面阵列电极的应用举例1.运动单位(Motor Unit)什么是运动单位？完成神经控制下肌肉收缩的最小的功能单位。一个运动单位包括胞体、树突、轴突及其分支以及其控制下的肌纤维。一、肌电相关知识2.肌电信号的组成 肌电图所记录的肌电信号是众多运动单位的肌电信号的重合。肌电电极也不可能只记录到肌电活动的一个点。肌电电极也不可能只记录到肌电活动的一个点。3.运动神经传导速度4.生物电信号的幅值和频率 表面肌电信号的峰峰值一般为06mV，均方根值为01.5mv。频率为0500Hz，主频介于50150Hz，干扰范围一般介于060Hz。
2、5.肌电电极的分类表面电极针型电极埋入电极微电极电极的质量直接影响测试的结果。电极：为了测量和记录生物机体的生物电位或电流而安置在机体和测量仪器之间的导电界面（电极理化反应），其作用是把机体内的离子流（生物电位）转换为电路中的电子流（生物电信号）。提供参考电位的电极称为参考电极。我们处在一个无处不在的大电场（50Hz共模干扰）之中，人体变成一个大的电容，体表本身就有一定的电势。为了排除为了排除非人体自主产生的电压，这需非人体自主产生的电压，这需要有一个基准电压要有一个基准电压，这个电压就是参考电压，必须由参考电极提供。这就是为什么要摆放参考电极。7.如何摆放参考电极？参考电极可以摆放在体表的骨
3、性标志上或不参加测试运动的肌肉的肌腱处。关键是在测试中参考电极不能采集到自主运动的电信号。6.为什么要摆放参考电极？二、肌电测量主要电极介绍 肌电图是研究肌肉活动的一种有效的手段。最早是Piper(1912)用表面电极引导出了随意收缩时的肌电活动单位，其后Adrian和Bronk(1929)发展为用同心型针电极引出运动单位的活动电位，Buchthal等再进一步发展为多极电极。目前，用微电极引导单肌纤维的活动，今年来国内外都已广泛使用。电极分类：测量肌电信号采用的测量电极可以分为针电极和表面电极分类。针电极针电极 针电极多用于临床诊断和基础研究。优点优点 可以测量深层肌肉的肌电活动，而且针电极涉
4、及的运动单元数目少，更具针对性，能清楚地导出单个运动电位或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。缺点缺点 所测试的区域小，不能反应整块肌肉的机能状态；有创性，而且进针的位置、深浅及手法都十分关键，对操作者的要求很高；无法测量运动时的肌电变化。表面电极表面电极 表面肌电电极适用于浅表骨骼肌，可直接应用于运动训练中。表面电极用直径1cm以内的银氯化银电极作为引导电极，把电极固定在被测定肌肉的皮肤上（当肌肉收缩时，根据容积导体原理，动作电位可从肌纤维组织液的导电作用，反映到皮肤表面），一般放在肌腹处或放在肌肉运动点处。安放电极前，需注意：该处皮肤用丙酮或酒精溶液擦拭，使皮肤阻抗在
5、一定范围内；将电极沿肌纤维行走方向平行放置，间隔23cm，做双极导出。容积导体原理容积导体原理 人和动物的机体存在着大量的体液，而体液可作为容积导体将肌肉活动所产生的生物电变化传至体表，因此，在机体任何部位安置引导电极，通过放大器都能引导到肌肉的电活动，所记录到的肌电变化曲线就是肌电图。优点优点方便易行，不会造成损伤，容易被受试者接受；所测得的肌电变化可以反应整块肌肉的机能变化；适于测量运动时的肌电变化。缺点缺点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；皮肤的电阻较大，用表面电极所记录到的肌电会有所减弱。肌电电极所
6、记录的是电极周围一个区域的肌电活动。二个表面电极所能记录的肌纤维电位只有12cm范围。因此，仅凭借两个电极是不可能记录到整个肌肉的肌电图。要记录整个肌肉的肌电图需要多个排列的和多组的、或者大面积的电极。表面阵列电极表面阵列电极 虽然 sEMG 信号检测手段克服了针电极的有创，但传统的双电极 sEMG 只能记录一块肌肉的运动单元综合电活动，不能提供肌肉不同空间位置的电活动信息。近年来出现了一种基于阵列电极的 sEMG 信号检测方法。优点优点可以通过同时记录肌肉表面多个空间位置的电活动，以获取肌肉电活动的空间分布特征；在改进刺激选择性和控制能力方面具有优越性能。利用不同的触点输出的刺激脉冲之间的相
7、互叠加和抵消，能有效加强刺激目标靶区的刺激强度，同时抑制非目标靶区的神经纤维激活，有效的提高电刺激的靶向性能。缺点缺点表面肌电信号事实上是肌肉上各点的运动单位动作电(motor unit action potentials,MUAP)通过皮下组织和皮肤,在皮肤表面的叠加。所以跟针电极EMG相比,不利于区分出各个MUAP，在医疗诊断中的应用受到限制。三、表面电极的应用举例 采用阵列电极记录前臂肌肉 FDS 的 sEMG 信号，提取 sEMG 信号特征值 RMS，分析其与食指力量水平的相关性，研究不同解剖位置处运动单位的募集情况。1 方法实验对象实验对象 8名大学生志愿者，其中男性4名，女性4名，
8、受试者年龄在2024岁之间，身体健康，实验前两天没有进行高强度运动，没有运动神经类疾病，对实验过程知晓。实验内容实验内容 受试者掌心向下，拇指内收，14 指微屈，轻放传感器上，按要求依次完成 6 8 10 12 N 4 个不同水平的单指力量跟踪实验。实验过程中，为受者提供目标力量曲线，并实时反馈实际指力的大，使其尽力模仿目标线完成任务，完成一轮6 8 10 12 N的力量跟踪实验为一组，重复5 组，每组隔1 min 实验前，每个受试者有熟悉实验过程的练环节 为避免实验中受试者产生适应性，测试完成任务的顺序是随机的。实验设备及参数实验设备及参数 采用表面阵列电极和 RM6280C 多道生理参数记
9、录仪记录前臂指浅屈肌(FDS)表面肌电信号及力量传感器的输出电压，其中电极是直径为 1.2mm 镀金圆电极组成的 6 2(行 列)电极阵列，各电极中心距为3 mm，沿肌纤维方向贴于前臂指浅屈肌肌腹处，记录仪信号采样率设为 2000 Hz。2 数据处理 实验中采用在时域范围内对 sEMG 信号进行分析。信号段选取信号段选取 根据生理记录仪6280 记录软件中的标定结果，将指力传感器的输出电压转换为力量曲线，选择长度为1 s 且在目标力量 0.25N%范围内波动的力量平稳段，将该段sEMG 信号用于分析。滤波处理滤波处理 在 Matlab7.0 中，用椭圆滤波器对原始 sEMG 信号进行带通滤波，
10、计算各通道滤波处理后 sEMG 信号 RMS 值。首先以500 点为一个时间窗，窗不重叠，将经过滤波处理的2 000 点的 sEMG 信号分成4 段，分别计算每段的 RMS 值。3 结果 计算出每个受试者所有动作的 RMS 值，然后对每一力量水平下重复5 次的特征值数据取平均。图 1 显示了各通道 sEMG 信号RMS 值在不同力量水平下的幅值变化。图1 各通道 sEMG 信号 RMS 值随力量水平变化 图2 显示了不同电极点位置记录的 sEMG 信号RMS 随力量水平变化的变化曲线，可知，在食指活动模式下，通道2 记录的 sEMG 信号对力量变化最敏感，通道5 次之，其余四个通道 RMS 对
11、力量敏感度较差。通道 2 和通道 5 的RMS 对力量水平的灵敏度几乎为其他通道的两倍。图2 各通道 sEMG 信号 RMS 随力量水平变化曲线4 讨论 各通道 sEMG 信号 RMS 随力量水平增加呈现递增趋势 通过图 1 观察发现，不同电极点位置记录到的sEMG 信号 RMS 均随力量水平的增加而增加。Reiners 等用针电极观察到肌肉运动单位的发放率均随肌肉力量的增加而呈现递增趋势，当肌肉收缩力量较小时，低阈值的运动单位被募集，其发放率较低，产生的动作电位较小;当肌肉收缩力量较大时，阈值较高的运动单位被募集，高阈值运动单位发放率更快，也较不规则，电极测得的动作电位较大12。另外，以传统
12、双电极结构也记录到 sEMG 信号的幅度(RMS)随力量增加而增加的变化趋势。这说明随力量水平增加而募集的高阈值、高发放率的运动单元的电活动通过肌肉组织和皮肤的传导与综合，也显著地表现为 sEMG 信号幅值的增加;而本研究通过阵列电极采集二维 sEMG 信号进一步证实，与力量水平相关的运动单元募集模式及其电活动水平还体现在肌肉表面不同解剖位置的电活动强度变化，即随肌肉收缩力量的增加，肌肉表面不同解剖位置的 sEMG 幅值将同步增强。神经纤维产生兴奋和传导符合“0”或“1”的规律，只有“有”或“无”，没有强弱之分，为什么在刺激时却有强弱的感觉，过强时还会疼痛难忍呢？因为负脉冲作用时，实际上同时刺
13、激多束神经纤维共同产生兴奋和传导，如不同粗细的纤维，传入和传出纤维，还刺激肌肉收缩，而收缩本身又会激发其他感受器（包括痛觉感受器）向中枢发出信号，因此感觉是很复杂的。3.2 FDS 不同空间解剖结构处 RMS 存在差异 从图2 中可以观察到，相同力量水平下，FDS 不同空间解剖结构处电极记录到的 sEMG 信号 RMS差异性较大。图3 给出了实验中阵列电极放置于指浅屈肌的示意图，表 1 中为各通道 sEMG 信号 RMS的均值和方差，当肌肉以一定力量收缩时，相应的运动单位发生募集，动作电位由神经支配区域沿肌纤维向两侧传输，神经支配区域和肌腱附近的动作电位较低，而处于中间区域的动作电位相对较大。
14、图3 阵列电极放置位置示意由图 1 可知，不考虑不同 FDS 解剖位置的影响，所有通道的 sEMG 信号 RMS 均随力量水平的增加而增加。同时，电极在 FDS 不同空间解剖位置记录到的sEMG 信号 RMS 幅值不同。各通道记录到的 sEMG信号 RMS 幅值大小差异性较大，表1给出了各通道 sEMG 信号 RMS 值的均值与标准差，可观察到通道2 和通道5 的 RMS 幅值均值和标准差以及方差均较其他通道大。5 结论 本研究利用阵列电极，在食指单指力量输出实验中，多点采集 FDS 高密度 sEMG 信号，提取 sEMG信号 RMS，分析其随力量水平的变化情况。研究结果表明，RMS 幅值随手指力量水平的增加呈现出递增趋势，可作为 sEMG 信号的特征值，用于反映肌肉活动水平;FDS 不仅存在不同的功能分区，对于同一功能分区，不同解剖位置参与手指活动控制程度不同。本研究虽然是小样本量的探索研究，但证实了阵列电极可用于检测 FDS 肌电活动的空间信息，估计 FDS 的空间激活特性及对手指的控制模式，为进一步研究前臂肌肉的空间活动模式提供技术支持。
