肌电图测量实验

肌电图测量实验
一．实验目的
本实验目的在使学生明了肌肉活动时的点位变化，包括肌肉的意志控制的活动及出发活动，同时也使学生认识骨骼肌施力于等张收缩和等长收缩时其他肌肉强度的变化。

二、生理原理
骼肌提供了我们身体的支撑，以关节作为转轴，横纹肌直接或以肌腱附着在骨骼上，两组或多组肌肉一相互抗拮的方式运作，当一方收缩时另一方会舒张。

骨骼肌是有多核的细胞组成，成束肌纤维整齐排列。

动作电位自运动神经传向其所支配的肌纤维，引起肌细胞内钙离子在短时间内增加，以启动肌肉收缩的分子机制。

骨骼肌的最基本组成为运动单元（motor unit），可被意识性活化，而众多的运动单元可构成所谓的肌纤维，当单一运动单元（SMU）被诱导活化时，其波形间距为3-10ms，大小为20-2000uV，去电荷频率为6-30Hz。

因此，肌纤维收缩时可引起较大的振幅和较高的频率信号，称之为肌电图（Electromyogram EMG）。

骨骼肌的肌纤维接受运动神经的支配，当运动神经兴奋时会引发其所支配的所有肌纤维活动，这种过程包括动作电位的产生及肌纤维的收缩。

一块肌肉可能有几百个运动神经在支配，神经系统以兴奋不同数目的运动神经方式来控制肌肉不同活动的程度，被兴奋的运动神经单元越多，活动的肌纤维数目也越多，故可以兴奋运动神经的单元数目来控制肌肉活动的程度。

和心电图一样，可以用电极从皮肤上加以记录肌电图。

意志控制肌肉活动时会产生很多电位变化，EMG的形状不像ECG一样规则，它是由一连串不规则的波形所组成。

肌肉进行等张收缩（Isotonic Contraction）时，肌肉维持固定的张力且会消耗能量，同时肌肉长度亦会改变。

当肌肉长度改变时，它将承担负荷并移动一段相当的距离，以完成有效的做功。

肌肉进行等长收缩（Isometric Contraction）时，肌肉的缩短极微而近于等长，但张力却大增。

纵使等长收缩并不造成身体的移动，然而仍会消耗能量并转变为热及张力的形式，故肌肉的等长收缩作用，因为没有位移的现象，因而没有做功。

兴奋和收缩是肌肉的最基本功能，也是肌电图形成的基础。

在肌细胞中存在4种不同的生物电位，静息电位，动作电位，终板电位和损伤电位。

它们的产生都可以用细胞膜离子学说来解释。

胞质内钙离子浓度升高和降低，从而引起肌肉的收缩和舒张。

兴奋—收缩偶联的基本过程是：1.肌膜上的动作电位沿肌膜和由肌膜延续形成的T管膜传播，同是激活T管膜和肌膜上的L型钙通道。

2.激活的L型钙离子通道通过变构作用或内流的钙离子激活JSR膜上的RYR，它的激活使JSR内的钙离子释放道胞质内，胞质内钙离子浓度比静息时升高了10到100倍。

3.胞质内钙离子浓度的升高促使肌钙蛋白于钙离子结合引发肌肉收缩。

4.胞质内钙离子浓度升高的同时，激活LSR膜上的泵，钙泵将胞质内的钙离子回收入肌质网，遂使胞质中的钙离子浓度降低，肌肉舒张。

三、电路原理说明
1、肌电图测量电路方框图
在肌电图测量电路方块图在上节的肌电图生理原理中已介绍了，肌电信号主要是测量一肌纤维活化时，所共同产生的活动电位的变化。

为降低不同肌纤维群的彼此干扰，实验所设计的特定动作，以完全由一单一肌纤维活化是非常重要。

在本实验中特别针对骨骼肌的肱二头肌做测量，其主要支配的动作为前臂弯曲。

电极摆放于肱二头肌上，参考电位之电极至于另外一手之任意处，与实验中一不会用到此处肌肉为原则。

此外，为避免电源供应器或测量仪器的漏电造成受试者电击危险，需采取隔离的设计观念。

图一为肌电图测量方块图，以表面电极至于上臂上，量取极微弱的肱二头肌电位变化，前置放电器采用仪表放大器，用于将肌电图的向量信号萃取出为单极信号，其放大倍数为10。

隔离电路将信号和电源做隔离，其方法可分别采用光学式或变压器式。

带通滤波器的频宽为100-1000Hz，再将此微弱信号放大100倍，可显示肌电信号于示波器上。

再将此信号积分，可评估出此肌力大小。

图一肌电图测量方框图
2、表面电极
人体是由充满电离子的体液细胞所构成，体液中包含了钾、钠、氯等离子，即由不同的浓度变化，产生所谓的活动电位。

当使用一电极来感测此活动电位就会产生所谓的介面电位，这可想象成一金属电极伸入电解液的情况，一旦伸入会立刻产生电解反应，一为氧化反应，金属原子会失去电子行成金属离子，另一为还原反应，电子和金属离子结合形成金属原子。

在金属和电解液的介面上，正负极性的离子分别向两边移动，形成两个带着相反极性的平行离子层，其离子电位差即为介面电位，不同的金属和电解溶液则会产生不同的介面电位。

因此，当测量生物信号时，需选择介面电位较低的金属作为电极的材料，以避免测量时过大的介面电位产生。

通常生物信号的电位约在50uv-1mv之间，而金属的介面电位约在0.1-1v间。

除此之外，电极的介面电位亦会随着时间而改变，一般而言，目前银-氯化银的电极是较常使用的电极材料。

此种电极主要由银构成，在和电解液接触的地方，则沉积了一层薄薄的氯化银，这层氯化银可提供银离子和氯离子的双向交换，因此不会形成复合层，介面电位也就很小。

KL-720所采用的电极为凝胶柱电极，电极顶端为一银-氯化银的电极，中间是空心的管柱，管柱中充填导电凝胶，底部外层为泡沫胶片，可固定在皮肤上。

3、前置放大电路
前置放大器由仪表放大器OP1组成，其增益设计如公式（1）：
14.491
+=Z K A v （1） 4、隔离电路
隔离电路由OP2所组成，为一光学式隔离电路。

5、带拒滤波电路
利用RC 网路所组成的双T 带拒滤波器，包含OP3A 、Z 3、Z 4、Z 5（或Z 6）、Z 7、Z 8和Z 9，若Z 3=Z 7、Z 4=Z 8、Z 5=0.5 Z 3（Z 6=0.5 Z 3）和 Z 9=2Z 4，则中心频率可由公式（2）算出。

4
321Z Z f π= （2） 6、带通滤波电路
在肌电图攫取电路设计上，由OP4B 组成一主动式二阶低通滤波器，其转折频率为1000Hz 。

转折频率之计算由Z 11、Z 12、Z 13和Z 14所决定，如公式（3）
14
13121121Z Z Z Z f H π= （3） 其通带增益设计如公式（4）
56.115
1615=+Z Z Z （4） 此高通滤波主要去除信号低频成分的漂移现象，以利于下一级肌力测量。

7、增益放大电路
OP4A 为一非反向放大器，可利用Z17/Z18来调整放大增益，如公式（7） 191719v Z Z Z A += 和 19
1819Z Z Z A V += (7) 8、精密半波整流电路
为测量所施肌力的大小，需将肌电信号做积分处理，由于肌电信号为一交流信号，因此需先将信号做整流。

利用OP5A 和D 1、D 2、Z 26和Z 27所组成的精密半波整流电路，其功能不同于单独使用二极管所组合而成的整流电路，二级管整流电路会有二级管导通压降约0.7V 的损失。

精密半波整流电路在于运用运算放大器的内部电流，避免二极管处于导通和截止两区域的转变，所以整体电路的导通压降约为0V 。

9、积分电路
OP6B 、Z 28、Z 29和Z-30所组成的积分电路，其中OP6B 为一随耦器。

调整Z29可改变积分效应。

四、实验设备
1、KL-72001 Main Unit
2、KL-75002 Electromygram EMG Module
3、KL-79101集线器
4、哑铃 5Kg
5、电极贴片
6、电极导线
7、RS-232连接线、BNC连接线
8、10mm短路夹
9、调整棒
五、实验步骤
将KL-75002模组置于KL-72001主机上，如下表连接模组部分：KL-72001 Main United KL-75002 EMG Modu le
9、10、11标记符号内。

3、请受试者将手上之手表及饰品取下。

4、请受试者站立，右手前臂放松下垂，掌面朝前。

5、请受试者举起5Kg重的哑铃，观察上臂突起处（肱二头肌），然后放下哑铃。

以酒精棉轻抹肱二头肌上任意两处皮肤，并贴上两张电极贴片。

6、于左手手臂的任意处，以酒精棉轻抹欲置放电极之皮肤，以减低电阻，贴上一张电极贴片，座位参考点位。

7、将电极贴片与电极导线连接后，再将电极导线插于KL-79101集线器：右手臂->IN1；右手臂->IN2；左手臂->IN5，并将集线器连接至模组J1端。

8、将RS-232 Cable连接至主机上端RS-232 OUTPUT与电脑通信接口。

9、开启主机电源，按主机左下角之SELECT键，观察LCD并选择至MODULE：KL-75002（EMG）。

10、启动电脑。

11、开启KL-720生理测量系统软件。

12、点选Acquire，程式开始经由RS232 PORT攫取测量信号，并将波形显示与图框中。

13、调整VOLT/DIV及TIME/DIV控制扭，让波形适当的显示与图形框中。

注意事项：
在记录波形的过程中，需注意下列事项：
（a）受试者必须先将手表等饰品取下，避免信号干扰。

（b）电极贴片与皮肤的阻抗过高，无法测量出微弱信号的变化，请再利用酒精棉去除皮肤的灰质及角质层。

可先从参考电极贴片开始调整。

（c）由于电极移动的暂态信号，不易于肌电信号中分辨出来，必需先做等长收缩实验，再做等张收缩实验。

注意事项：
在记录过程中要注意一下事项：
1.受测者必须现将手边等饰品取下，避免干扰信号。

2.做等长收缩实验时，由于手臂的晃动造成的那个的电极片移动，可利用透气
胶布固定。

3.电极贴片与皮质的阻抗过高，无法测量出微弱信号的变化，请利用酒精棉去
除皮质的灰尘和角质。

可先从参考电位的电极贴片开始调整。

4.由于电极移动的暂时信号，不易在肌电信号中分辨出来，必须先做等长收缩
实验，再做等长收缩实验。

5.于肌肉疲乏实验时，需确实做到手臂由明显的酸痛状态，否则无法测量除肌
肉疲乏时EMG的信号变化。

14、等长收缩实验
14-1请受试者站立，右手前臂放松下垂，掌面朝前。

14-2观察CH2的信号是否平稳，若无法达到，代表电极贴片与皮肤之间的阻抗过大。

14-3观察示波器，请受试者做手肘弯曲90°的动作，观察者将5Kg重的哑铃置于受试者的手中约两秒（受试者手部不能晃动），再将哑铃拿开，将波形记录于电脑中。

15、等张收缩实验
15-1请受试者手握5Kg重哑铃。

15-2观察示波器，请受试者举起哑铃，保持手肘弯曲90°的姿势约两秒，然后放下哑铃，重复动作三次，将波形记录于电脑中。

16、肌肉疲劳实验
16-1请受试者手握5Kg重哑铃。

16-2观察示波器，请受试者举起哑铃，保持手肘弯曲90°的姿势，直到手臂有酸痛的现象，然后放下哑铃，将波形记录于电脑中。

17、关闭主机电源、KL-720生理测量系统软件和移除模组上的连接线。

六、实验结果记录与分析
1.等长收缩实验
分析：等长收缩是指收缩时肌肉的长度保持不变而只有张力增加的收缩形式。

本次实验采用的是体表电极，所得到的肌电图为多条肌纤维的综合电位，经过整流电路以及积分电路后，大致可以反映肌肉收缩力大小的改变。

当受试者肌肉处于松弛状态时，肌电图只有小幅度的波动，幅度基本为零；受试者做手肘弯曲的动作，并保持手肘弯曲90°的姿势2秒钟时，肌肉处于等长收缩状态，即是说肌纤维保持其长度不变，有明显的电位波动，从肌电图上看是一个脉动波，
反映了受试者的肌肉从放松到等长收缩状态再到放松的过程。

此过程不做功。

2.等张收缩实验
分析：等张收缩是指收缩时只发生肌肉收缩而张力保持不变。

与等张收缩相比，肌纤维因受到持续刺激而发生收缩，发生强直收缩，其电信号可以维持，其肌电图幅度明显高于等长收缩时的波动。

受测者举哑铃时肌电图有很大的跳变，神经兴奋传到肌肉纤维，引起肌肉纤维去极化，电位迅速扩散，此过程电位变化速度快，过渡时间短。

3.肌肉疲乏实验
分析：当受试者保持手肘弯曲90°的姿势直到手臂有酸痛现象时，由于肌纤维持续受到高频刺激，处于强直收缩状态，当肌纤维处于疲惫状态时，其肌电图幅值比前两次试验要小得多，大致接近一条直线。