02-肌电原理与应用

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250μv，其时限为1-5ms。终板噪声 就是来源于远距离的终板电位。
不足是：
①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；
②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； ③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）。
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。 ⑴ 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。
监视部分 多道示波器
数据采集部分 数据采集卡 数据处理部分 计算机
输出设备 显示器 记录仪
3.２ 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。
频率范围 0.05-100Hz 0.1-100Hz DC-10kHz 5-2kHz DC-50Hz 0.1-200Hz DC-Байду номын сангаасHz 0.01-1Hz 0.005-2kHz
脉搏波
心冲击图(BCG) 心阻抗 呼吸率 肌肉等张收缩 血液容积记图 体温 32-40℃ 0-7mV 15-500Ω
0.1-60Hz
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。
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： ①方便易行，不会造成损伤，容易被受试 者接受； ②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； ③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。
3.２ 生物电计算机测试分析基础
3.2.1 数据采样
T
1 Fs
3.２ 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＝(3～5)Fmax 在进行频域分析时，应注意频率分辨率ΔF和采样时 间间隔ΔT之间的关系。 ΔF＝1 / ΔT· N 1 T Fs ΔF：频率分辨率(功率谱上所代表的频带宽度 ) ΔT：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。
3.1 生物电测试分析的仪器设备
⑸ 应变仪 使用拉力、压力传感器时，需选配适当的应变仪。 ⑹ 记录设备 选用多导记录仪，磁带记录仪，磁盘记录器 ⑺ 显示器 ⑻ 专用分析软件
生物电测试分析的仪器设备
传感器部分 肌电电极 心电电极 脑电电极 压力传感器 张力传感器 关节角度议
生物电放大部分 肌电放大器 心电放大器 脑电放大器 应变仪等
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100～120毫伏,持续时间为2～4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
3.２ 生物电计算机测试分析基础
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 signals－digital signals转换，简称 “A/D转换”）。
DC_40Hz DC-60Hz 0.1-10Hz DC-10Hz DC-30Hz DC-0.1Hz
3.1 生物电测试分析的仪器设备
⑴ 主机为286以上系统微型机一台 ⑵ 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）
影响运动单位电位的因素： ⑦ 年龄 随着年龄的增长运动单位电位时限增大。 ⑧ 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
针电极 ⑵ 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。
3.２ 生物电计算机测试分析基础
根据公式： ΔF＝1 /ΔT· N 因为： 1 T Fs Fs＝1/ΔT ΔT＝1/Fs 如果Fs越大，则ΔT就越小。在N（采样点数）不变 的情况下，则有ΔF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ΔT不变，N 越大，则ΔF越小，频率分辨率越高。
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
3.２ 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(ΔT)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。 Fs≥2Fmax ΔT＝1 / Fs Fs： 为采样频率 Fmax：被处理信号中的最高频率 ΔT： 采样的时间间隔
生 物 医 学 信 号 的 特 征
初级信号的名称 心电(ECG) 脑电(EEG) 肌电(EMG) 眼震电(ENC) 视网膜电ERG) 胃电EGG) 皮肤电反射(GSR) 心音(PCG)
幅度范围 0.01-5mV 2-200μV 0.1-5mV 0.02-5mV 0.05-3.5mV 0.001-1mV 0.01-1mV 0.01-3mV
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
导出多个运动单位电位。
微电极 测量肌电的微电极直径一般为25-30μ。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： ①、由于电极非常细，插入肌肉中不产生 疼痛。 ②、较容易插入和拔出肌肉。
影响运动单位电位的因素： ④ 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。 ⑤ 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。 ⑥ 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1°C时运动单位电位 时限可增加10--30%。
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100μv。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。
针电极 ⑶ 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。 ⑷ 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： ①可引导运动单位甚至单个肌纤维的电位变化； ②能研究肌肉内深部某一束肌纤维的功能。 不足是： ①所测试的区域小，不能反应整块肌肉的机能状 态； ②会造成一定程度的损伤，并会产生疼痛； ③不适合测量运动时的肌电变化。
肌电原理与应用
肌电与肌电图的概念
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)。
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； 人类骨骼肌肌纤维为-65～-87.4毫伏。
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：
① 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： ② 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： ③ 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。
3.1 生物电测试分析的仪器设备
⑶ 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
⑷ 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： ±5V，±10V， 0-10V 2路12BIT D/A， 5μS 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