肌电图的测定与分析
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运动生理学实验理论
肌电的测定与分析
运动生理学教研室 周越 博士 副教授
第一节 肌电图的测试分析原理 第二节 表面肌电图的应用 第三节 肌电图分析软件的使用
2
一、肌电图定义
骨骼肌在兴奋时，会由于肌纤维动作电位的传 导和扩布而发生电位变化，这种电位变化称为 肌电。 用适当的方法将骨骼肌兴奋时发生的电位变化 引导、放大并记录所得到的图形，称为肌电图。
Half-wave Rectified EMG
Delete 22
积分Integration
Area Under a Curve
Units = mV - msec
23
EMG 幅度分析
均方根振幅Root Mean Square
RMS
1 N
2 EMG ( i ) i 1 N
RMS
1 N 2 EMG(i) N i 1
8
二、EMG信号的特征与处理
幅度范围： 放大前 0–10 mV (+5 to -5) 有效频率范围： 0 - 500 Hz 主要频率范围： 50 – 150 Hz
9
信号处理的一般概念
采集频率 信噪比（Signal-to-noise ratio） – EMG信号的能量与噪音信号的比例。 信号失真（Distortion of the signal） – EMG signal should be altered as minimally as possible for accurate representation
10
电信号噪音特征
电子设备固有噪音 – 所有电器均有，使用高质量设备可减少。 – 频率范围：0 – 几千 Hz。 环境噪音 – 电磁幅射源（无线电广播、电线、荧光灯） – 主要频率：50 Hz – 幅度：1 – 3倍 EMG signal 运动伪迹 – 电极与皮肤、电极线缆 – 可以合适的线路减少 – 频率范围：0 – 20 Hz
30
MVC 时的股四头肌积分肌电值= 5.76 mV - msec 50% 亚极量收缩时积分肌电值 = 2.13 mV - msec
比例:
2.13 mV - msec 5.76 mV - msec
=
.37
31
电机械延迟Electromechanical Delay (EMD)
EMD是指EMG开始到产生力量之间的延迟。 延迟的生产与电活动要沿T横管系统传入、肌浆网释放钙离 子、Actin-Myosin crossbridges的形成、一系列弹性成份的 牵拉有关。
平均功率频率 (MPF) 和
中心频率(FC)。
肌肉疲劳前后肌电频率谱变化
40
随着疲劳程度的加深，肌电信号的频谱左移，即平均 功率频率降低。
不同持续时间股直肌、股外肌肌电图MPF的下降情况
41
三、利用肌电图评价肌力
一般情况下，当肌肉以不同的负荷进行收缩时，其肌电信 号IEMG同肌力成正比关系，即肌肉产生的张力越大IEMG越 大。
24
过零率Number of Zero Crossings
信号通过零值基线的次数。 在进行FFT运算前曾广泛应用。
25
EMG 频谱分析Frequency Spectrum
快速傅利叶转换Fast Fourier Transform (FFT) 平均功率频率MPF是 所有频率成份功率的 平均值对应的频率。
42
Lippold (1952), Close (1972) & Bigland-Ritchie (1981)认为IEMG与张力是线性关系。 Zuniga and Simmon (1969) & Vrendenbregt and Rau (1973) 认为IEMG与张力是非线性关系。 等长收缩isometric时EMG与力量是线性的，在 等张收缩isotonic时是非线性的(Weir et al., 1992) 。
27
运动单位同步化时EMG幅度与力
28
标准化Normalization
是否可以直接比较不同受试者的EMG呢？ 影响因素 – 不同的肌肉横断面 – 不同的肌肉长度 – 不同的快慢肌纤维比例 – 不同的肌纤维募集方式 – 不同的肌纤维激动频率
29
标准化方法
用最大用力值来标准化 用最大用力值的百分比表示亚极量用力，如 50%、75%等。 一般用最大随意收缩（isometric MVC）。
35
尺神经运动神经传导速度的测定 S1：肘部的刺激电极 S2：腕部的刺激电极 R：记录电 极
36
二、利用肌电图研究肌肉疲劳
肌肉疲劳时其肌电活动也会发生变化，因此可 以用肌电来研究肌肉疲劳的发生及机制。 (1)肌肉工作过程中肌电幅值的变化
肌电幅值是指肌电信号的振幅大小。在肌电 研究过程中，反应肌电幅值的指标有积分肌电 (EMG)和均方根振幅(RMS)。
13
EMG 电极的放置 一般在肌腹中间。不要靠近肌腱、不 要在肌肉边缘、要与肌肉平行。
14
不同放置部位的EMG结果
15
参考电极的放置（接地）
尽可能远离记录电极 电中性组织 （多骨组织） 良好的电极接触（大尺寸、良好的粘合接触）
16
滤波器类型
便件滤波器 – 模拟电路：放大器、电阻、电容 软件滤波器 – 数字滤波器（数学运算）
32
猫行走时比目鱼肌的EMG信号。Force直接从跟腱 (achilles tendon)测得。在EMG开始约70 ms后产生力 ，EMG结束后约70时力终止。
33
第一节 肌电图的测试分析原理
第二节 表面肌电图的应用 第三节 肌电图分析导速度
如果在神经通路的两个或两个以上的点上给予电 流刺激，从该神经所支配的肌肉上记录诱发电 位，然后根据下列公式可计算出神经的传导速 度。 V=S/t 式中:V为神经传导速度，单位为米/秒；t为两 刺激点从刺激开始到肌肉开始收缩的时间差， 单位为秒； S 为两刺激点之间的距离，单位为 米。
中位频率（ Median Frequency）是把功率谱曲线 分成功率或面积相同的两部分 的频率
f med
0
S ( f )df
f med
S ( f )df
26
运动单位的同步化 Motor Unit Synchronization
非同步化活动减少EMG 幅度。
运动单位的同步化增 加了EMG幅度
43
Isometric 与 Isotonic Contractions
44
肌肉力量与肌电的线性关系
柯菲因(Chaffin)等人发现 当肌肉用40%MVC以下强 度收缩时，肌力与肌电呈 线性关系。60%MVC以上 强度时，肌力与肌电也呈 线性关系，但此时的直线 斜率较大。而肌力在40%60%MVC时，肌力与肌电 之间的线性关系往往就不 存在了。
中国体育科技 2007年6期 张秀丽 刘卉 刘学贞 运用美国产Noraxon表面肌电遥测系统对国家射箭队 男、女各12名运动员进行测试。 国家射箭队运动员在射箭动作的不同阶段尚存在部分 不合理的肌肉用力特点。 相对来说,无论是举弓时的肌肉激活顺序、主要肌肉用 力特点,还是动作的一致性,均是女子运动员较男子运动 员合理。 以肌电RMS幅值的“标准差与平均数的比值”这个派 生指标对运动员进行多支箭肌肉用力的一致性评价较 合理。
45
离心(eccentric)收缩时EMG幅度小于向心(concentric)收缩 (Komi, 1973; Komi et al., 1987)
46
在匀速屈肘运动中肌张力与IEMG的关系 A 的心收缩 B 离心收缩
47
四、利用肌电图分析肌纤维类型
不同类型的肌纤维在疲劳时的肌电图特征也不
同。慢肌纤维百分数较高的受试者（ST%>59）, 在各种负荷(30%MVC、50%MVC及79%MVC)至疲劳 的工作中,MPF下降斜率比慢肌纤百分数较低的 受试者(ST<49)要低，当负荷增加时更明显。
51
52
《中国运动医学杂志》1990年03期
8—17岁儿童少年股外肌肌纤维组成最大等长伸膝力量、 相对肌力及肌围的研究 尹吟青,王立山,王玮,田野,刘沙, 高强 本文用活检--组化方法对153名8～17岁儿童少年(男80 人,女73人)做了股外肌快肌纤维%(FT%)的研究,并同时 测定了最大等长伸膝力量(MVC)、相对肌力(RMVC)及 肌围(活检处腿围,C)。实验发现男、女儿童及全体FT% 均呈近似常态分布。且性别间也无显著差异(P>0.05)。 还发现8～17岁儿童少年的MVC、RMVC及C均随年龄 增长而增大。肌力(MVC及RMVC)与股外肌FT%间只 有低度相关(r=0.23,r=0.30;P<0.05),而肌力(MVC)与肌围 间却有密切相关(r=0.69,P<0.01)。
20 Hz 250 Hz
BS
20
相位移动Phase Shift
过滤器引起相位改变 – 通过过滤器时，频率 成份的时间延迟 – 也可能会产生波形扭 曲 通过电路的改进、过滤窗 口的选择去除
Shift
21
肌电整流类型Rectification
Raw EMG
Full-wave Rectified EMG
48
ST运动单位产 生的 EMG信 号幅度低、持 续时间长。
FT运动单位产 生的 EMG信 号幅度高、持 续时间短。
49
50
《体育科学》1990年02期
肌纤维组成的无损测定法和仪器 高强;尹吟青;王楠;秦 光侠;马磐 研究的目的是探索一种无损测定男青年股外肌肌纤维 组成的方法及研制肌纤维组成无损测定仪。由43名受 试者取得等长肌力及肌电图等12项指标,用逐步回归的 方法从上述指标中筛选出与股外肌快肌纤维％(FT％) 密切相关的3项指标,从而建立推测肌纤维组成的三元回 归方程。以该方程为模型,开发了肌纤维组成测定仪。 该仪器所得测试结果与活检结果对比,平均误差为2.84 ％(SD=2.48％),有较高的精确性。本研究可取代活检方 法,用于运动选才。 【作者单位】：北京体育学院;北京体育学院;北京体育 学院;天津大学;天津大学
54
绕螺时的肌电变化
55
56
57
某受试者40cm下落跳时股外肌(EMG1)、股二头 肌(EMG2)肌电图和测力台同步记录到的对地面 垂直作用力(Fz)示意图
58
上体竖直作主动起蹲时股四头肌的肌电 图（2毫伏、400毫秒） 1.股外肌；2.股直肌；3.股内肌
59
国家队射箭运动员动作技术的肌电特性
53
五、利用肌电进行动作分析
在运动过程中可用多导肌电记录仪将肌电记录下 来。然后，根据运动中每块肌肉的放电顺序和肌 电幅度，结合高速摄像等技术，对运动员的动作 进行分析诊断。 分析某项运动技术，找出在完成该项动作时有哪 些肌肉参加；各个肌肉用力程度怎样；顺序如何； 直接为科学地安排教学与训练提供依据。
37
38
在肌肉等长收缩至疲劳的研究过程中发现，在一定的范 围内，肌电幅值随着肌肉疲劳程度的加深而增加。
不同持续时间股直肌、股外肌IEMG的增长情况
39
(2)肌肉工作过程中肌电信号的频谱变化
在肌肉工作过程 中，肌电信号的频率 特性可随着肌肉的机
能状态的改变而发生
变化。反应肌电信号 的频率特性的指标有
11
通过电极和放大器减少信号干扰
差动（微分）放大 – 减少电磁辐射噪音 – 双电极输入 电极的稳定性 – 电极的化学稳定性 – 电极的移动、排汗、湿度变化等 随着电极品质的提高，对皮肤处理、剃除毛发 的要求在下降。
12
差动（微分）放大 Differential Amplification
17
滤波器的种类
低通过滤波 Low pass filter (LP)
20 Hz
250 Hz
LP
Filter
18
带通滤波 Band pass filter (BP)
20 Hz
250 Hz
Filter
BP
Filter
19
50 Hz
带阻滤波器 Band stop filter (BS) – Example: 50 Hz filter
3
4
5
Noraxon Telemyo 2400T G2 遥测肌电图仪
6
引导肌电信号的电极分类：
引导肌电信号的电极可分为两大类，一类是 针电极，另一类是表面电极。
2.表面电极 1.针电极
7
轻度用力时用针电极从20 个不同部位记录到的正常 人肱二头肌的运动单位电 位
不同程度收缩时骨骼肌肌电 图（表面电极引导）
肌电的测定与分析
运动生理学教研室 周越 博士 副教授
第一节 肌电图的测试分析原理 第二节 表面肌电图的应用 第三节 肌电图分析软件的使用
2
一、肌电图定义
骨骼肌在兴奋时，会由于肌纤维动作电位的传 导和扩布而发生电位变化，这种电位变化称为 肌电。 用适当的方法将骨骼肌兴奋时发生的电位变化 引导、放大并记录所得到的图形，称为肌电图。
Half-wave Rectified EMG
Delete 22
积分Integration
Area Under a Curve
Units = mV - msec
23
EMG 幅度分析
均方根振幅Root Mean Square
RMS
1 N
2 EMG ( i ) i 1 N
RMS
1 N 2 EMG(i) N i 1
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二、EMG信号的特征与处理
幅度范围： 放大前 0–10 mV (+5 to -5) 有效频率范围： 0 - 500 Hz 主要频率范围： 50 – 150 Hz
9
信号处理的一般概念
采集频率 信噪比（Signal-to-noise ratio） – EMG信号的能量与噪音信号的比例。 信号失真（Distortion of the signal） – EMG signal should be altered as minimally as possible for accurate representation
10
电信号噪音特征
电子设备固有噪音 – 所有电器均有，使用高质量设备可减少。 – 频率范围：0 – 几千 Hz。 环境噪音 – 电磁幅射源（无线电广播、电线、荧光灯） – 主要频率：50 Hz – 幅度：1 – 3倍 EMG signal 运动伪迹 – 电极与皮肤、电极线缆 – 可以合适的线路减少 – 频率范围：0 – 20 Hz
30
MVC 时的股四头肌积分肌电值= 5.76 mV - msec 50% 亚极量收缩时积分肌电值 = 2.13 mV - msec
比例:
2.13 mV - msec 5.76 mV - msec
=
.37
31
电机械延迟Electromechanical Delay (EMD)
EMD是指EMG开始到产生力量之间的延迟。 延迟的生产与电活动要沿T横管系统传入、肌浆网释放钙离 子、Actin-Myosin crossbridges的形成、一系列弹性成份的 牵拉有关。
平均功率频率 (MPF) 和
中心频率(FC)。
肌肉疲劳前后肌电频率谱变化
40
随着疲劳程度的加深，肌电信号的频谱左移，即平均 功率频率降低。
不同持续时间股直肌、股外肌肌电图MPF的下降情况
41
三、利用肌电图评价肌力
一般情况下，当肌肉以不同的负荷进行收缩时，其肌电信 号IEMG同肌力成正比关系，即肌肉产生的张力越大IEMG越 大。
24
过零率Number of Zero Crossings
信号通过零值基线的次数。 在进行FFT运算前曾广泛应用。
25
EMG 频谱分析Frequency Spectrum
快速傅利叶转换Fast Fourier Transform (FFT) 平均功率频率MPF是 所有频率成份功率的 平均值对应的频率。
42
Lippold (1952), Close (1972) & Bigland-Ritchie (1981)认为IEMG与张力是线性关系。 Zuniga and Simmon (1969) & Vrendenbregt and Rau (1973) 认为IEMG与张力是非线性关系。 等长收缩isometric时EMG与力量是线性的，在 等张收缩isotonic时是非线性的(Weir et al., 1992) 。
27
运动单位同步化时EMG幅度与力
28
标准化Normalization
是否可以直接比较不同受试者的EMG呢？ 影响因素 – 不同的肌肉横断面 – 不同的肌肉长度 – 不同的快慢肌纤维比例 – 不同的肌纤维募集方式 – 不同的肌纤维激动频率
29
标准化方法
用最大用力值来标准化 用最大用力值的百分比表示亚极量用力，如 50%、75%等。 一般用最大随意收缩（isometric MVC）。
35
尺神经运动神经传导速度的测定 S1：肘部的刺激电极 S2：腕部的刺激电极 R：记录电 极
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二、利用肌电图研究肌肉疲劳
肌肉疲劳时其肌电活动也会发生变化，因此可 以用肌电来研究肌肉疲劳的发生及机制。 (1)肌肉工作过程中肌电幅值的变化
肌电幅值是指肌电信号的振幅大小。在肌电 研究过程中，反应肌电幅值的指标有积分肌电 (EMG)和均方根振幅(RMS)。
13
EMG 电极的放置 一般在肌腹中间。不要靠近肌腱、不 要在肌肉边缘、要与肌肉平行。
14
不同放置部位的EMG结果
15
参考电极的放置（接地）
尽可能远离记录电极 电中性组织 （多骨组织） 良好的电极接触（大尺寸、良好的粘合接触）
16
滤波器类型
便件滤波器 – 模拟电路：放大器、电阻、电容 软件滤波器 – 数字滤波器（数学运算）
32
猫行走时比目鱼肌的EMG信号。Force直接从跟腱 (achilles tendon)测得。在EMG开始约70 ms后产生力 ，EMG结束后约70时力终止。
33
第一节 肌电图的测试分析原理
第二节 表面肌电图的应用 第三节 肌电图分析导速度
如果在神经通路的两个或两个以上的点上给予电 流刺激，从该神经所支配的肌肉上记录诱发电 位，然后根据下列公式可计算出神经的传导速 度。 V=S/t 式中:V为神经传导速度，单位为米/秒；t为两 刺激点从刺激开始到肌肉开始收缩的时间差， 单位为秒； S 为两刺激点之间的距离，单位为 米。
中位频率（ Median Frequency）是把功率谱曲线 分成功率或面积相同的两部分 的频率
f med
0
S ( f )df
f med
S ( f )df
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运动单位的同步化 Motor Unit Synchronization
非同步化活动减少EMG 幅度。
运动单位的同步化增 加了EMG幅度
43
Isometric 与 Isotonic Contractions
44
肌肉力量与肌电的线性关系
柯菲因(Chaffin)等人发现 当肌肉用40%MVC以下强 度收缩时，肌力与肌电呈 线性关系。60%MVC以上 强度时，肌力与肌电也呈 线性关系，但此时的直线 斜率较大。而肌力在40%60%MVC时，肌力与肌电 之间的线性关系往往就不 存在了。
中国体育科技 2007年6期 张秀丽 刘卉 刘学贞 运用美国产Noraxon表面肌电遥测系统对国家射箭队 男、女各12名运动员进行测试。 国家射箭队运动员在射箭动作的不同阶段尚存在部分 不合理的肌肉用力特点。 相对来说,无论是举弓时的肌肉激活顺序、主要肌肉用 力特点,还是动作的一致性,均是女子运动员较男子运动 员合理。 以肌电RMS幅值的“标准差与平均数的比值”这个派 生指标对运动员进行多支箭肌肉用力的一致性评价较 合理。
45
离心(eccentric)收缩时EMG幅度小于向心(concentric)收缩 (Komi, 1973; Komi et al., 1987)
46
在匀速屈肘运动中肌张力与IEMG的关系 A 的心收缩 B 离心收缩
47
四、利用肌电图分析肌纤维类型
不同类型的肌纤维在疲劳时的肌电图特征也不
同。慢肌纤维百分数较高的受试者（ST%>59）, 在各种负荷(30%MVC、50%MVC及79%MVC)至疲劳 的工作中,MPF下降斜率比慢肌纤百分数较低的 受试者(ST<49)要低，当负荷增加时更明显。
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《中国运动医学杂志》1990年03期
8—17岁儿童少年股外肌肌纤维组成最大等长伸膝力量、 相对肌力及肌围的研究 尹吟青,王立山,王玮,田野,刘沙, 高强 本文用活检--组化方法对153名8～17岁儿童少年(男80 人,女73人)做了股外肌快肌纤维%(FT%)的研究,并同时 测定了最大等长伸膝力量(MVC)、相对肌力(RMVC)及 肌围(活检处腿围,C)。实验发现男、女儿童及全体FT% 均呈近似常态分布。且性别间也无显著差异(P>0.05)。 还发现8～17岁儿童少年的MVC、RMVC及C均随年龄 增长而增大。肌力(MVC及RMVC)与股外肌FT%间只 有低度相关(r=0.23,r=0.30;P<0.05),而肌力(MVC)与肌围 间却有密切相关(r=0.69,P<0.01)。
20 Hz 250 Hz
BS
20
相位移动Phase Shift
过滤器引起相位改变 – 通过过滤器时，频率 成份的时间延迟 – 也可能会产生波形扭 曲 通过电路的改进、过滤窗 口的选择去除
Shift
21
肌电整流类型Rectification
Raw EMG
Full-wave Rectified EMG
48
ST运动单位产 生的 EMG信 号幅度低、持 续时间长。
FT运动单位产 生的 EMG信 号幅度高、持 续时间短。
49
50
《体育科学》1990年02期
肌纤维组成的无损测定法和仪器 高强;尹吟青;王楠;秦 光侠;马磐 研究的目的是探索一种无损测定男青年股外肌肌纤维 组成的方法及研制肌纤维组成无损测定仪。由43名受 试者取得等长肌力及肌电图等12项指标,用逐步回归的 方法从上述指标中筛选出与股外肌快肌纤维％(FT％) 密切相关的3项指标,从而建立推测肌纤维组成的三元回 归方程。以该方程为模型,开发了肌纤维组成测定仪。 该仪器所得测试结果与活检结果对比,平均误差为2.84 ％(SD=2.48％),有较高的精确性。本研究可取代活检方 法,用于运动选才。 【作者单位】：北京体育学院;北京体育学院;北京体育 学院;天津大学;天津大学
54
绕螺时的肌电变化
55
56
57
某受试者40cm下落跳时股外肌(EMG1)、股二头 肌(EMG2)肌电图和测力台同步记录到的对地面 垂直作用力(Fz)示意图
58
上体竖直作主动起蹲时股四头肌的肌电 图（2毫伏、400毫秒） 1.股外肌；2.股直肌；3.股内肌
59
国家队射箭运动员动作技术的肌电特性
53
五、利用肌电进行动作分析
在运动过程中可用多导肌电记录仪将肌电记录下 来。然后，根据运动中每块肌肉的放电顺序和肌 电幅度，结合高速摄像等技术，对运动员的动作 进行分析诊断。 分析某项运动技术，找出在完成该项动作时有哪 些肌肉参加；各个肌肉用力程度怎样；顺序如何； 直接为科学地安排教学与训练提供依据。
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在肌肉等长收缩至疲劳的研究过程中发现，在一定的范 围内，肌电幅值随着肌肉疲劳程度的加深而增加。
不同持续时间股直肌、股外肌IEMG的增长情况
39
(2)肌肉工作过程中肌电信号的频谱变化
在肌肉工作过程 中，肌电信号的频率 特性可随着肌肉的机
能状态的改变而发生
变化。反应肌电信号 的频率特性的指标有
11
通过电极和放大器减少信号干扰
差动（微分）放大 – 减少电磁辐射噪音 – 双电极输入 电极的稳定性 – 电极的化学稳定性 – 电极的移动、排汗、湿度变化等 随着电极品质的提高，对皮肤处理、剃除毛发 的要求在下降。
12
差动（微分）放大 Differential Amplification
17
滤波器的种类
低通过滤波 Low pass filter (LP)
20 Hz
250 Hz
LP
Filter
18
带通滤波 Band pass filter (BP)
20 Hz
250 Hz
Filter
BP
Filter
19
50 Hz
带阻滤波器 Band stop filter (BS) – Example: 50 Hz filter
3
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5
Noraxon Telemyo 2400T G2 遥测肌电图仪
6
引导肌电信号的电极分类：
引导肌电信号的电极可分为两大类，一类是 针电极，另一类是表面电极。
2.表面电极 1.针电极
7
轻度用力时用针电极从20 个不同部位记录到的正常 人肱二头肌的运动单位电 位
不同程度收缩时骨骼肌肌电 图（表面电极引导）