肌电控制简介

（3）模数转换卡 (A/D卡） 通常技术指标有 分辨率； 最高采样频率； 模入通道数； 模入范围； 其他特性。 （4） 应变仪 使用拉力、压力传感器时，需选配适当的应变仪。 （5） 记录设备 选用多导记录仪，磁带记录仪，磁盘记录器 （6）显示器 （7）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 关节角度仪
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0.05-3.5mV 0.001-1mV 0.01-1mV 0.01-3mV
频率范围 0.05-100Hz 0.1-100Hz DC-10kHz
DC-50Hz 0.1-200Hz DC-1Hz 0.01-1Hz 0.005-2kHz 0.1-60Hz DC_40Hz DC-60Hz 0.1-10Hz DC-10Hz DC-30Hz
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。
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不能来自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
y
dx
x
Ⅱ、中心频率(CF或FC) 在能量谱中将能量谱的总能量一分为二的频率为中心频率。其 计算公式为：
FC=∫FsFc S2 (f)df=∫FcFe S2 (f)df
Fc：被处理信号的中心频率 Fs：被处理信号的起始频率 Fe：被处理信号的终止频率
4.肌电的应用
（1）医学、体育 利用肌电图测定神经的传到速度； 通过肌电变化研究肌肉疲劳； 肌力与肌电的关系； 肌纤维类型与肌电的关系； 肌肉不同形式收缩与肌电变化间的关系； 等。
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
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 生物电计算机分析基础 数据分析方法
① 时域分析
Ⅰ 积分肌电(IEMG) 积分肌电是指肌电图曲线所包络的面积。其单
位为mv· s。
设肌电信号是一个随时间变化的函数X(t)，那么 其积分的数学公式应为： IEMG＝∫N1N2X(t)dt N1：积分起点，N2：积分至点，X(t)：肌电曲线 dt：为采样的时间间隔
肌电控制
1.肌电与肌电图
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)。
1.1 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。
3.２ 生物电计算机测试分析基础 3.2.3 数据分析
X(t)
N1
dt
N2
t
Ⅱ 平均值(均方根振幅，简称RMS) 平均值往往用来描述数据静态特性，反应的是在 一定时间内的肌肉放电的平均水平。其公式为：
RMS 1 / N X (i ) X (i )
N：采样点数,X(i)：采样后每一点的生物电数据(幅值) 用平均值来描述就可表示该信号的中心趋势或集 中程度。平均值只能反应一定时间内肌电的平均水 平，不能反应肌电的变化情况。
2.控制领域 肌电假肢：包括上肢与下肢；
智能轮椅；
其他。
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5.肌电控制关键技术
信号预处理 信号分析（特征提取） 模式分类（模式识别）
SEMG信号 采集及预处 理模块 特征提取模 块 上位机 基于SEMG的智能轮椅人机交互系统 模式识别模 块 智能轮椅 ARM系统 智能轮椅驱 动器
这一指标反应的是生物电的对称性，越接近零越好。其
计算公式是: 对称性＝1/N∑X(i)
N：采样点数
X(i)：采样后每一点的生物电数据(幅值)
② 频域分析 频谱分析--就是确定一个序列的正确的频域表示过程， 通过频谱分析可以得到被分析信号有关频率特性的信息， 如带宽和中心频率等。 生物电分析绝大多数离不开频谱分析。频谱分析技术 中分为两大类：一类基于付里叶变换，另一类不基于付里 叶变换。基于付里叶变换的频谱分析技术最为常用。
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) 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
幅度范围 0.01-5mV 2-200μV 0.1-5mV
频谱分析主要用来建立数据的频率结构，从而得到信
号的振幅谱和功率谱。频谱分析经常应用的指标有平均功 率频率(MPF)和中心频率(CF或FC)。
Ⅰ、平均功率频率(MPF) 平均功率频率表示的是过功率谱曲线重心的 频率。物理学上计算重心的公式为： Xc：重心点的x坐标 ∫yydx ∫xydx Yc＝ Yc：重心点的y坐标 Xc＝ ∫ydx ∫ydx
N：采样点数 X(i)：采样后每一点的生物电数据(幅值) M：生物电信号的平均值（即RMS）
Ⅳ 最大值 最大值描述的是周期性数据的最大值，表示 信号幅值的最大动态范围。 最大值的计算公式是:
最大值= X(i)max
Ⅴ 对称性
将生物电信号的采样数据进行算术相加，然后除以
总点数，就得到算术平均值。由于生物电信号是由许多 正弦波组成的，所以正相值和负相值相加后应趋向零。
0-7mV 15-500Ω
32-40℃
DC-0.1Hz
3.1 生物电测试分析的仪器设备
（1） 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）
（2） 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）
插入电位即消失。
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。终板噪声就是来源于远距离的终板电位。 1.2.4 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
Ⅲ 均方差 平均值不足以估计其信号的动态变化, 因此, 引入了 均方差参数,从公式中可以看出，X(i)-M表示的信号的幅值 X(i)与平均值M的差距。均方差越大，说明信号的离散程 度越大。 均方差(S2 )＝1/N∑[X(i)-M]2
标准差（ S ） 1 / N X (i ) M
2
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
（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）。
波占80%，单相波占15%，多相波占5%。
2. 肌电的引导 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。 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。 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。
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
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；