肌电信号处理

一、肌电信号获取系统 1．肌电信号的特点 ． 肌电信号的幅度为：10μ~100mV，带宽为：5~2000kHz。这个特性决定了对肌电 信号处理系统的要求，主要是对模拟放大器的要求。 2．系统参数 ． 肌电信号处理系统的参数建议如表16-3。 表16-3 肌电信号处理系统的参数
输入阻抗(MΩ) 增益 >100 105
一、胃的结构（Gastric constructure） 胃的结构（ ） 1. 胃的解剖分区 胃是一个复杂的电化学器官。胃肠运动是由各个部分的 平滑肌周期性产生电活动和机械活动并且相互协调动作完成。 胃电活动的产生与波形变化因部位不同而有差异。 胃是一个袋状器官，是消化道上端最膨大的部分。上接 食管，下与十二指肠相连，如图16-21。胃从解剖上分前、后 壁和上、下缘。上缘为胃小弯，凹向前方，其最低点弯曲成 角状为角切迹。胃与十二指肠连接处为胃的出口，称幽门 （pylorus）。幽门表面有一缩窄的环形沟，是幽门所在之处。 其前端狭窄部分为幽门管。胃的分区，自贲门（念bimen： caidia）门平面向下的膨大部分为胃底，以下至胃窦部之间为 胃体，自角切迹向胃大弯作一联线，自联线向右至幽门为胃 窦部，胃窦部的大弯侧有一中间沟，将幽门区分为胃窦和幽 门管。
图16-9 部分异常肌电信号
四 肌电信号的参数计算 现代肌电信号的参数：时程、幅度、频率都由计算机自动测量和计算，并根 据以往经验自动诊断并打印报告：包括文字和彩色图形。进一步隐含信息的 提取尚需进一步研究。
五 肌电信号分析的意义
• 对针电极肌电信号的分析有助于判断肌肉 功能障碍是来自神经系统还是来自肌肉系 统。也有助于研究神经信息的传递通路和 传导速度。
2. 异常肌电信号 纤颤电位：纤颤电位是肌纤维自发性收缩产生的电位，以短时限、低电压为特 纤颤电位 点。纤颤电位时限大部分为2.0mS以下，电压小于300～500μV，频率为2～30 Hz。 波形以起始相为正相的双相波居多，如图16-9。纤颤电位主要出现在周围神经 及脊髓前角细胞病变中，提示肌肉的去神经支配，是神经原性受损的主要指证， 故将纤颤电位也称为去神经电位。
肌电信号控制的假肢
第十章 胃电信号处理 （Electrogastrosignal Processing） ）
表16-7 胃肠电的主节律（cpm：次/分）
胃窦(胃体远端2/3) 十二指肠 回肠 结肠
人 狗 猫 兔 大鼠
3 5 5 4 3~4
11 17~20 15~20 17`22 11~15
8~9 22~24 12 7~12 —
共模抑制比 (dB) >80
带宽(Hz) 5~10k
输入噪声(nV) <1
பைடு நூலகம்
3. 电极 电极分为表面电极（皮肤）和插入电极（针形）。表面电极又分为 干电极和湿电极。 湿电极通过电极-皮肤界面来感受皮肤上的电流。其材料与结构和脑 电图所用的银-氯化银电极基本相似。 干电极和皮肤通过电阻耦合，使用方便，记录可靠，从趋势上看终 将取代湿电极。 表面电极所取肌电信号反映体内较大区域内肌电活动的总和，不能 确切反映个别肌纤维的活动，但是由于使用方便且无痛苦，因此应用很 广。
图16-7 运动单位电位波形
轻度用力时用针电极从20个不同部位记录到的正常人肱二 轻度用力时用针电极从20个不同部位记录到的正常人肱二 20 头肌的运动单位电位
(6)肌肉用力收缩电位 肌肉用力收缩电位 肌肉收缩时，由于用力程度不同，参 加收缩的运动单位数目不同会出现不 同的波形：单纯相、混合相、干扰相 等，如图16-8。
肌电信号控制的假肢
• 肌电假手是一种用于残疾人电动假手，具备用肌 电信号控制假手张开、合拢的功能。假手具有三 个手指（拇指、食指和中指），由一个小型直流 电机带动减速机构完成驱动。肌电电动假手被固 定于用树脂材料制作的臂筒上，套于残疾人残臂 上，机械手头套上一只乳胶手套构成具有仿生控 制功能的假手。臂筒与手套都是根据假手佩戴者 具体情况定做的，能适合残疾人佩戴，且手套外 表形状逼真，由真人的手出模制作。
肌电图仪
• 用微电极插入单个肌纤维测量动作电位可 获得分辨率更高的单纤维肌电图。由神经 细胞、神经纤维、神经肌肉节及肌纤维组 成的综合体称为运动单元，用同心针电极 可以测得它的动作电位称为运动单元动作 电位（MVAP）。MVAP的持续时间约为 2ms~10ms，幅度100μV~2mV，频带宽度 5Hz~10KHz。
第十章 骨骼肌电信号处理 (Eectromyosignal Processing)
人体的肌肉（muscle）有三种类型：骨骼肌(skeletal muscle)、心肌(cadiac muscle)和平滑肌(smooth muscle)。骨骼 肌和心肌按其结构都属横纹肌(striated muscle)，有很强的收缩 功能。平滑肌电信号按器官的不同，分别称为胃电信号（EGS: electrogastrosignal）、肠电信号(EIS: electrointestinosignal)、膀 胱电信号(electrocystosignal)等。因此，通常将骨骼肌电信号称 为肌电信号（Eectromyosignal）。肌电信号是骨骼肌细胞的自 发电活动的综合信号，临床用于判断神经-肌肉疾病。
由平滑肌组成的器官或系统的功能异常会产生平滑肌电 信号异常。平滑肌的形态学改变（器质性变化），如肿瘤、 溃疡等也会引起功能异常，也会反映到平滑肌电信号中来， 且往往比临床可见的形态学异常更早期出现。因此，平滑 肌信号分析有重要的临床应用意义。 对胃电活动的研究开始于20世纪初，一般认为，Alvarez （1921）最先报告了“胃肠道的动作电流（Action current in 1921 Action stomach and intestine）”。他将电极放置在病人的腹部皮 肤上记录到了约3次/分的胃电波形（现称为慢波）。Bozter 第—个系统报告了胃的平滑肌电位。他发现了胃平滑肌的 慢电位(slow potentials)和峰电位(spike potential)。但是对胃 肠电活动的兴趣和细致研究是在近20年的事情。本节主要 讨论与胃电相关的内容。
正相电位： 正相电位：正相电位波形常为双相，起始部呈宽大之正相，后继一低长的负 相．又称正锐波或“V”波．正相电位时限5～100mS，电压为50～200μV，频率 2～200Hz，放电间隔规律，波形相当恒定，移动针极位置时也不改变，如图169b)。正相电位和纤颤电位的发生机制和临床意义相同。
束颤电位：束颤电位是一自发的运动单位电位，时限宽，电压高，变化范围大， 束颤电位 其频率甚不规则，根据其波形不同，可分为单纯束颤电位和复合束颤电位。束 颤电位仅表示运动单位兴奋性增高，常为运动神经元疾病、神经根疾患的重要 表现。
(4)肌痉挛电位 肌痉挛电位 有些正常人在电极插入后伴有肌肉收缩及痉挛，出现恒时限、低幅度电位或正 常运动单位电位，即为肌痉挛电位。该电位波形甚至类似纤颤电位，持续时间 短，分布范围窄，稍移动电极即可消失。 (5)运动单位电位 肌肉轻度收缩电位 运动单位电位·肌肉轻度收缩电位 运动单位电位 一个脊髓前角细胞通过轴突、神经肌肉接头和所支配的肌纤维称为一个运动单 位。正常肌肉随意收缩时，出现的动作电位称运动单位电位，是运动单位电活 动的综合结果。正常肌肉的不同运动单位的电位时限可自5mS到12mS不等，幅 度自100～2000mV不等。运动单位电位波形如图16-7。
二 肌电信号的产生机理
神经神经-肌肉接头示意图
①接头前膜 终板前膜) (终板前膜) ②接头后膜 终板后膜) (终板后膜) ③接头间隙 终板间隙) (终板间隙)
肌电信号（EMG）
三 肌电信号的波形特征
1. 正常肌电信号 (1) 插入电位 插入电位是指针极插入肌腹，以及其被移动和叩击时，对 肌纤维或神经支的机械刺激及损伤作用触发的电位。正常 肌肉在大部分情况下只是在针极插入或移动瞬间出现。且 持续时间很短。针极移动停止，插入电位即消失。 (2)高频负电位 高频负电位 部分正常肌肉在电极插入瞬间触发一序列负相电位。波形 常为先高幅度负相，后低幅度正相的双相表现。时限为 l.0～4.0mS。电压常大于200mV，频率可高达100～150Hz。 (3)终板噪声 终板噪声 当针极插入正常肌肉终板及其邻近部位时，在基线上出现 10～40μV的不规则低电压扰动，称为终板噪声。由此，可 判断肌肉运动终板的位置。
肌电图仪
肌电图仪
• 肌电图仪由电极、前置放大器和主放大器、 示波器波形显示及描记器组成。现代肌电 图仪常与诱发电位仪合为一体，由微机控 制，为“无笔描记型”，用电视监视器显 示波形，由热阵打印机或激光打印机打印 波形。
肌电图仪
• 肌电图检测在神经源性和肌源性疾病的鉴别诊断方面，以 及对神经病变的定位，损害程度和预后判断方面有重要价 值。⑴神经源性疾病：周围神经病损（包括糖尿病、酒精 中毒、尿毒症等）颈椎病、单瘫运动元性病、面神经麻痹、 多发性神经炎、脊髓前角病损、脱髓鞘病、交叉瘫以及神 经源性性功能障碍的诊断等。 • ⑵肌源性疾病：肌营养不良症、肌萎缩、周期性麻痹、重 症肌无力、肌强直综合征、神经与肌肉接头病等。 • ⑶结缔组织病：多发性肌炎、皮肌炎、多发性硬化病、红 斑狼疮病、废用性肌萎缩、风湿性关节炎等病。
插入式电极中最常用的是针状电极，包括同心针电极、双心针电极、单 极针电极等。检查前必须将针电极用薰蒸法或消毒液浸饱法严格消毒。酒 精可造成电极损坏，一般避免使用。也有使用中医针灸的银针作为单极电 极的情况。检查部位的选择应根据疾病的性质决定。
同心针电极
最大优点是拾取范围小， 因而可能检测个别运动 单元的动作电位。
针电极
4．检查体位和注意 ． 受检者应取自然放松，又能作各种运动的体位。检查下肢及躯 干肌肉取卧位，上肢可取坐位。
二 肌电信号的产生机理
• 肌电信号发源于作为中枢神经一部份的脊髓中 的运动神经元。运动神经元经轴突伸展到肌纤维 处，经终板区与肌纤维耦合，构成所谓的运动单 元。 • 在中枢神经控制下，运动神经元产生电脉冲， 沿轴突传导到肌纤维，并在所有肌纤维上引起脉 冲序列，沿肌纤维进行传播。这些电脉冲引起肌 纤维抽缩从而产生肌张力，同时传播中的电脉冲 在人体软组织中引起电流场，并在检测电极间引 起电位差。
图16-8 肌肉中度用力收缩时的肌电图
单纯相收缩电位：肌肉轻度用力时，只有1个或少数几个运动单位参加肌肉 单纯相收缩电位 收缩．肌电信号只出现孤立的单个运动单位电位，表现为单纯相波形, 如图 16-8a)。 混合相收缩电位：肌肉中等度用力时，参加肌肉收缩的运动单位数量增加， 混合相收缩电位 肌电信号表现为单个运动单位电位独现与多个运动单位电位密集共存的混 合相波形，如图16-8b)。 干扰相收缩电位：肌肉用最大力收缩时，参加肌肉收缩的运动单位多，运 干扰相收缩电位 动单位电位重叠复合，无法分出单个电位，成为干扰相波形，如图16-8c)。
7~10 3~5 5 — —
胃电信号检测的意义
• 胃的消化是人体的重要机能，胃的功能强弱直接影响着人 体对所需营养物质的吸收和利用，关系到人类的健康与否。 • 胃疾病包括器质性和功能性疾病。对于器质性疾病可以借 助于光导纤维内窥镜、X 射线钡餐透视、活组织细胞及胃 液分析来检查。而对于功能性疾病，如胃动力不足、胃节 律紊乱等就不能用常规的检查手段来检查，必须使用特殊 的检查方法。 • 胃电对胃功能活动状态有比较敏感的反映，是胃动力学研 究中重要的生理参数，胃电图(EGG)作为胃动力障碍的一 种新的检测手段越来越受到人们的重视。
五 肌电信号分析的意义
• 通过对表面肌电信号的某些特征作模式分 类来驱动假肢的不同动作。 • 在运动医学中，通过表面肌电信号的谱分 析作为判断疲劳程度的客观依据。（肌电 信号的功率谱变化能反映传导速度的变化， 因而也能反映疲劳程度。）
肌电图仪
• 肌电图EMG（Electromyogram）是肌肉产生 的生理电信号的记录。它可以通过放置在 皮肤上的表面电极来测量，也可以用针电 极经皮肤插入肌肉来测量。肌电图的幅度 与电极放置部位有关，范围大约为 50μV~5mV，带宽为2~500Hz。