肌电图的测定与分析.ppt

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,2,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,3,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。,一、肌电图定义,4,5,6,Noraxon Telemyo 2400T G2 遥测肌电图仪,7,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。,1.针电极,2.表面电极,8,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）,9,二、EMG信号的特征与处理,幅度范围： 放大前 010 mV (+5 to -5) 有效频率范围： 0 - 500 Hz 主要频率范围： 50 150 Hz,10,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,11,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,12,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。,13,差动（微分）放大 Differential Amplification,14,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。,15,不同放置部位的EMG结果,16,参考电极的放置（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）,17,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）,18,滤波器的种类,LP,Filter,20 Hz,250 Hz,低通过滤波 Low pass filter (LP),19,BP,Filter,20 Hz,250 Hz,带通滤波 Band pass filter (BP),Filter,20,BS,20 Hz,250 Hz,带阻滤波器 Band stop filter (BS) Example: 50 Hz filter,50 Hz,21,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,22,肌电整流类型Rectification,Raw EMG,Full-wave Rectified EMG,Half-wave Rectified EMG,Delete,23,积分Integration,Area Under a Curve,Units = mV - msec,24,EMG 幅度分析,均方根振幅Root Mean Square,25,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。,26,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。,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,27,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,28,运动单位同步化时EMG幅度与力,29,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,30,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）。,31,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,2.13 mV - msec 5.76 mV - msec,=,比例:,.37,32,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。,33,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。,34,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,35,一、利用肌电测定神经的传导速度,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。,36,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,37,二、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)。,38,39,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,40,(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,41,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,42,三、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。,43,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) 。,44,Isometric 与 Isotonic Contractions,45,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。,46,离心(eccentric)收缩时EMG幅度小于向心(concentric)收缩 (Komi, 1973; Komi et al., 1987),47,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,48,四、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(ST49)要低，当负荷增加时更明显。,49,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。,50,51,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,52,53,中国运动医学杂志1990年03期,817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817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(P0.05)。还发现817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;P0.05),而肌力(MVC)与肌围间却有密切相关(r=0.69,P0.01)。,54,五、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。,55,绕螺时的肌电变化,56,57,58,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,59,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,60,国家队射箭运动员动作技术的肌电特性,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。,61,振动与非振动力量练习时肌电图变化的比较研究,西安体育学院学报 2004 21(4) 许以诚 高炳宏 刘文海 米卫国（上海体育科学研究所） 受试者在振动和非振动条件下,分别以动力性和静力性两种不同方式的进行屈肘练习,练习时施加不同的负荷,测试肱二头肌、屈腕肌和肱三头肌、伸腕肌的肌电图. 负荷与肌肉收缩的方式相同时,振动条件下主动肌的肌电IEMG/s值都比非振动时大；动力性收缩时,振动轻负荷与非振动重负荷时IEMG/s值相差不大。 这说明,在振动条件下进行力量训练,能够募集更多的运动单位参与收缩,提高肌肉的兴奋水平。,62,63,六、其他应用 Myomo e100：修复身体运动机能,戴起来像一个手臂护套一样，myomo e100 神经机器人系统用EMG 传感器探测电子肌肉活动并触发刺激器帮助中风患者手臂重新恢复运动。,64,65,假肢手的控制,66,A指浅屈肌、指深屈肌 B屈拇长肌,A指伸肌 B拇长伸肌、拇短伸肌 C食指伸肌 D.小指伸肌,67,EMG Signal Processing: System Flowchart,68,计算机鼠标的生理学控制 EOG 眼电图：在视网膜色素上皮和光感受器细胞之间存在的视网膜静电位。于暗、明适应条件下在被检者内、外眦角各置一电极所检测到的电流随眼球的转动而变化，记录下来的电位就是眼电图。,69,微软研究院打算申请的专利-将EMG连结手臂肌肉，感应手指的动作，解读复杂的手势，进而遥控打开车门或是控制随身听。 人机输入界面-游戏(空气吉他) 应用。,70,高跟鞋对步态、姿态及下肢的影响,高跟鞋在给予穿着者美感的同时,会引发拇外翻、小趾内翻、胼胝、跟腱炎等足部疾病。 通过步态分析、足底压力分析、下肢肌电信号测量分析,了解不同高度的鞋跟对人体步态、姿态和对足、踝、膝、髋和脊柱的影响及作用机制。 穿着高跟鞋改变足底压力水平及其分布，膝关节和踝关节弯曲角度有明显不同，且步幅、步长、最大膝曲屈角、踝关节弯曲角度等都有显著变化。,71,72,肌肉疲劳时肌氧与EMG参数的变化及其内在联系,玉林师范学院学报 2006年 第27卷 第03期 作者: 李秀荣, 陆世添 探讨运动肌肉疲劳是否是由缺氧引起。 发现肌氧含量与IEMG呈显著负相关(r=-0.852-0.986)。 说明肌肉活动取决于局部氧代谢状况,缺氧可能是导致肌肉疲劳的主要因素。,73,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,74,75,76,77,78,Data Analysis,Graphical and numerical display of Basic results Cumulative amplitude distributions Work / loading - bilateral differences Onset slope with activation times Activation order Onset times Peak values Physiologic gaps - level, density, duration Marker events Cursor analysis,Zoom in, zoom out Selectable areas of interest Spectrum Analysis, Fast Fourier Transform (FFT) showing median frequency, mean power frequency and zero crossing rate Single spectrum Average spectrum Fatigue test Normative database of fatigue tests Follow-up analysis with trend reports,79,80,利用BL-420S测试分析肌力与肌电图关系,成都泰盟科技有限公司BL-420S生物信号处理仪 连接好仪器，1通道接尺侧腕屈肌，2通过接桡侧腕屈肌，3通道接张力传感器。 参数设置： 1、2通道灵敏度（G）1mv,时间常数（T）0.02,高通滤波（F）1000hz，扫描速度250ms/div。 3通道灵敏度（G）20mv,时间常数（T）DC,高通滤波（F）20hz，扫描速度250ms/div。,81,最大力量测试： 尽力握握力传感器，记录3通道曲线的格数，此时为最大负荷，然后，以此格数的80%，60