（运动人体科学专业论文）Hltgt+、Kltgt浓度及温度对蟾蜍腓肠肌表面肌电变化的影响.pdf

北京体育大学硕士学位论文 1 英汉对照缩略语表英汉对照缩略语表 英文简称 英文简称 emg mpf mf iemg area 中文名称 中文名称 肌电图 平均功率频率 中位频率 积分肌电 积分肌电面积 北京体育大学硕士学位论文 2 摘摘 要要 运动肌肉疲劳过程中的 semg 的 fft 频谱发生左移现象,目前被认为与以下 2 方面的原 因有关:1)是所谓的某些中枢性因素,如运动神经元放电频率下降,放电活动呈同步化变化 等,2)也有研究倾向于由所谓的外周性因素,特别是肌纤维的动作电位传导速度的下降。 但是, 目前有关肌肉疲劳时 semg 频谱左移的原因和机制尚不完全清楚。本实验旨在通过对温度、 酸碱度以及 k +浓度影响下运动中蟾蜍腓肠肌表面肌电信号变化特征的研究, 进一步探索表 面肌电信号生理机制。 本研究包括三个部分：实验一，观察不同 h +浓度环境下肌肉表面肌 电信号的变化；采用 40 只中华大蟾蜍，随机分为 5 组，每组各 8 只。分别注射不同 ph 值溶 液。实验二，观察不同 k +浓度对蟾蜍腓肠肌表面肌电信号变化的影响；采用中华大蟾蜍 40 只，随机分为 5 组，每组各 8 只。分别注射不同 k +浓度溶液。实验三，观察不同环境温度对 蟾蜍腓肠肌表面肌电信号变化的影响；采用 32 只中华大蟾蜍，随机分为 4 组，每组各 8 只。 所有组首先进行常规饲养 1 周。在固定架上，通过适宜强度的电刺激作等长收缩运动，采集 表面肌电信号。实验结果：注射了不同 ph 值的蟾蜍腓肠肌，在 80%最大肌力强度负荷的运 动中，各组 mf 及 iemg 标准化值均有非常显著性差异；蟾蜍腓肠肌肌肉注射了不同 k +浓度的 溶液后， 在 80%最大肌力强度负荷的运动中， 各组 mf 及 iemg 标准化值均有非常显著性差异； 不同环境温度下，各组 mf 及 iemg 标准化值无显著性差异。结论：h 浓度的变化是引起 mf 下降的重要因素之一；h 浓度的增加造成 mf 的下降，与骨骼肌收缩过程中肌纤维募集动员 形式以及肌肉组织内部的代谢方式有关； 肌肉运动中由于细胞内 k +外泄引起的细胞外 k+浓度 的增高，是使肌纤维的动作传导速度下降，引起 mf 下降的重要原因之一；环境温度在 15-25 之间范围内， 应用表面肌电图研究蟾蜍腓肠肌肌肉功能状态， 并不受环境温度变化的影响； h 浓度的变化与 k浓度的变化对 mf 下降的影响有部分作用是交互的。 关键词： 表面肌电 信号分析 蟾蜍 腓肠肌 h k+ 温度 关键词： 表面肌电 信号分析 蟾蜍 腓肠肌 h k+ 温度 北京体育大学硕士学位论文 3 1. 文献综述文献综述 1.1 肌电研究历史及研究现状 1.1.1 肌电发展史 1.1 肌电研究历史及研究现状 1.1.1 肌电发展史 肌电信号(emg)是产生肌肉力的电信号根源,它是肌肉中许多运动单元动作电位在时间 和空间上的叠加,反映了神经、肌肉的功能状态 1。目前，在基础医学研究、临床诊断、体 育科研中和康复工程中有广泛的应用。 有关肌电信号的研究最早可以追溯到 1666 年法朗漆斯科瑞迪发现肌肉能产生电活动 开始，之后在 19 世纪末就有肌电图用于研究的报道 23。 而真正开始的肌电图研究可以说是从皮培尔（piper）1912 年首次记录人体肌电图开始 的，到现在有 90 多年的历史了，但由于肌电活动很微弱,记录很困难,而且早期的肌电图分 析都采用人工测量,工作量极大,结果也欠准确,因此多数情况下,肌电图仅作定性分析,这大 大限制了肌电图的应用 3。随着科技的进步,记录技术不断提高,计算机也用于肌电图的定量 分析,这使肌电图的准确性和实用性大大提高,目前的肌电研究发展十分迅速。 1.1.2 针电极肌电研究 1.1.2 针电极肌电研究 狭义的肌电图研究是指以同心圆针插入肌肉中，收集针电极附近一组肌纤维的动作电 位，以及在插入过程中，肌肉处于静息状态，肌肉不同程度随意收缩时的电活动，如果收集 到的是单根肌纤维的电位，则称为单纤维肌电图。如果要研究整个运动单位的电活动，则可 应用巨肌电图 1。 传统的同心圆针极肌电图，如果结合单纤维肌电图以及巨肌电图，可获得运动单位更多 的信息。 将肌电图用肌电图仪记录下来，所记录下来的图形反映了神经和肌肉的生物电活动，对 其波形进行测量分析， 就可以了解神经、 肌肉的功能状态， 在临床医学中常用的方法有三种： 针极肌电图：亦称普通肌电图，是将特制的针电极刺入肌腹，或用表面电极置于肌肉表面 1卢祖能,曾庆杏,李承晏,余绍祖.实用肌电图学,人民卫生出版社. 2 andevia, s. c. spinal and supraspinal factors in human muscle fatiguej. physiological reviews, 81(4):1725-1789,2001 3 peter j.maud. physiological assessment of human fitnessm. human kinetics, champaingn,1995 北京体育大学硕士学位论文 4 皮肤，在示波器上或记录纸上观察肌肉在静止、轻收缩、重收缩三种状态下的电位变化，以 帮助判断疾病究系神经源性或肌源性损害。神经传导速度测定：也即运动神经传导速度 （mcv）和感觉神经传导速度（scv）测定。系在神经干的近端（mcv）或远端（scv）给以脉 冲刺激，在远端效应肌（mcv）或近端神经走行部位（scv）接收波形，测量两点之间的潜伏 期和距离，即可计算出运动神经或感觉神经传导速度，主要用于了解神经传导功能情况。 其他：如重复频率试验，f 波、h 反射、牵张反射等检查以及单纤维肌电图检查等，可进一 步了解神经、肌肉、神经一肌接头以及脊髓反射弧的功能状态。 1.1.3 表面肌电研究 1.1.3 表面肌电研究 由于针极肌点图的引导区域太局限，针入时有疼痛感，不适合作运动时肌电图。随着科 学技术以及计算机技术的不断发展，现在，在运动生理学，人体康复学等多个领域，都致力 于应用表面肌电图来进行肌肉功能状态的研究， 表面肌电图是对运动中肌肉功能评价的一种 特异性良好的非损伤性检测手段。表面肌电信号,是将神经肌肉系统活动时的生物电变化在 皮肤表面加以引导、放大、显示和记录所获得的一维时间序列信号, 它是表面引导电极所触 及的多个运动单位活动时所产生的电变化在时间和空间上迭加的结果,与不同机能状态和活 动状态下的参加活动的运动单位数量、不同运动单位的放电频率、运动单位活动的同步化程 度、运动单位募集模式以及表面电极放置位置、皮下脂肪厚度、体温变化等因素有关 4。 其检测具有非损伤性、实时性、多靶点测量等优点 1。 但是由于肌电信号本身是一种较微弱的电信号,加之皮肤和组织对肌电均有衰减作用, 在皮肤表面记录的表面肌电信号比针电极记录的信号更微弱,也更易受干扰影响。检测和记 录表面肌电信号,需考虑的主要问题是尽量消除噪声和干扰的影响,提高信号的保真度。 实验 表明,表面肌电信号的幅度具有随机性,可表示为准高斯分布函数。 信号幅度峰峰值为06mv, 方差为 01.5mv。semg 信号具有正的最大 lyaponove 指数 3,信号峰峰值约为 06000 v,信号频率 0500hz,主频介于 50150hz 之间 4。 噪声是表面肌电信号检测中不可避免的。通常从肌电图机上获得的 semg 信号表现为一 种类似噪声的准随机信号,它是由神经肌肉系统活动的生物电信号和各种噪声信号组成,干 扰范围介于 060hz 低频部分。 噪声源很多,有来自仪器中电子元件固有的电子噪声;来自周 围环境的噪声,如电磁幅射(无线电、电视传输、电源线、日光灯、荧光灯等都可能成为干扰 4 罗小兵,马建. 肌电图在运动性肌肉疲劳研究中的应用现状.成都体育学院学报. 25(4):66-70,1999 北京体育大学硕士学位论文 5 源);因电极和皮肤表面间产生位移或因电极与放大器间的连接线移动而致运动伪迹。 选用高 质量的电子元件,合理设计放大和滤波电路可以减少噪声影响 5。 电极单元(电极和前置放大器)的设计是肌电信号检测的关键。 设计电极单元应尽量减小 信号失真,提高信噪比。在设计时可考虑采取以下措施:(1)前置放大器采用差分结构;(2)提 高前置放大器的输入阻抗;(3)采用有源电极(activeelectrode),即尽可能缩小电极与前置 放大器间距离(最好能做到电极与前置放大器一体化);(4)设计通频带为 20500hz 滤波 器;(5)选用性能稳定的电极 5。 在表面肌电研究前期,人们大多只对肌电图做定性分析,表面肌电的形状和放置并未引 起足够的重视。现在，随着信号处理技术的飞速发展，对于表面肌电的研究，早已经进入了 定量分析的时代。由于要定量分析肌电,所以我们在表面电极的设计上，就应当有更多的要 求。要定量分析肌电,设计时应考虑检测电极间的距离、检测电极表面的尺寸和形状。检测 表面肌电信号时,还需合理安放检测电极和参考电极 6。 目前表面肌电研究中所应用的表面电极通常是由两块小于厘米的 agagcl 圆片组 成，引导时按一定的方法将两片电极直接固定在被测肌肉皮肤表面上。安放电极前应清洁皮 肤,使用导电膏,以减少皮肤电阻对肌电信号的影响。 电极粘贴的位置在很大程度上影响所测 肌电信号的质量。 学者们已确信:表面电极的位置尽量靠近肌腹中心,便于从梭形肌获得最大 的肌电信号。carbeery 认为,将电极贴在肌肉收缩时肌腹的几何中心,电极方向顺着肌纤维 的纵轴方向,这样所测得的肌电信号最可靠 5。很多学者都采用了这一方式,且两电极相距 2cm 6,也有采用相距 3cm 的7。 记录肌电信号时确保仪器和人体良好接地,对保证信号质量很重要,也是很容易被忽视 的一个方面。运动时由于肢体的抖动,信号常常很不稳定。因此地线应接在靠近记录电极而 运动时又相对稳定的地方。 贺春晓发现,记录股四头肌运动中的肌电图,将地线接在髂前上棘 处,对防止运动中肌电波形基线飘移有很好的效果 7。当然,表面电极与肢体紧密接触也是勿 容置疑的。 事实上,表面电极不能准确地记录哪一块肌肉的肌电活动,它只能记录电极下或其 周围肌肉的电活动,它是所测肌肉群肌电反应的总和,可综合反应该部分肌肉的活动程度。 近年来,表面电极阵列成为研究表面肌电的热点之一,表面检测电极阵列是一种有效的 5 李杰摘译.肌电学基础理论的回顾. 体育科技信息.1995,15(1):11-14 6 buchanan ts et al. selective muscle activation following rapid varus/ valgus perturbations at the knee.med sci sports exerc. 1996,28(7):870-876 7 edward et al. the effect of muscle fatigue on neuromuscular function and anterior tibial transition in healthy kneesj. am j sports med,1996,24(5):615-621 北京体育大学硕士学位论文 6 检测表面肌电信号的电极方式,它能提供更多的有关肌电的空间分布信息,比如 prutchid 8 设计了 256 通道的高分辨电极阵列,用于检测人体手臂肱二头肌的表面肌电。 综上所述，semg 信号的振幅和频率特征取决于肌力、运动单位活动的同步化程度等生 理性因素和探测电极位置、方向、大小测量性因素的共同作用。在控制良好的条件下,semg 信号可以在一定的程度上反映肌肉收缩功能的变化,因而在医学、人机工程学和体育科学等 研究领域有良好的应用价值。 此外,由于 semg 信号是神经肌肉系统活动时生物电活动的总和, 因此,探讨信号的变化也有助于从理论上了解该系统的基本活动规律,为揭示肌肉活动的神 经控制机制提供科学依据。 1.2 表面肌电研究方法 1.2.1 表面积电信号的基本分析方法 1.2 表面肌电研究方法 1.2.1 表面积电信号的基本分析方法 早期的肌电图仅根据肌电图波形的有无、形状是否规则、波形是否密集等作定性分析。 例如用尺规测量峰-峰间距,再折合成微伏。用计算器积分算面积,肉眼数出现多少棘波算频 率等 1。这种粗略的方法很难满足实际需要。 多年来,对 semg 信号的分析主要集中在时阈和频阈两个方面,信号分析的目的在于通过 研究 semg 信号的时、频特征与肌肉结构以及肌肉活动状态和功能状态之间的关联性,探讨 semg 信号变化的可能原因及应用 emg 信号的变化有效反映肌肉的活动和功能。近年来,随着 人们对神经肌肉系统非线性性质认识的深入,有人开始尝试采用非线形数学方法分析肌电信 号,从而使该领域研究步入一个崭新阶段。 semg 信号的时、频分析方法 8。 时间域是指可以在时间维度上反映肌电曲线的变化特征的评价指标,主要指标有积分肌 电,平均振幅(ma),均方根振幅(rms)等。 积分肌电(integrateemg,iemg)，iemg 是指所得肌电信号经整流滤波求单位时间内曲线 下面积的总和,它可反映肌电信号随时间进行的强弱变化,是评价疲劳的重要手段。 随运动的 进行,先前参与的运动单位开始疲劳,需要募集更多的运动单位参与运动,肌肉放电现象增强, 单位时间内的积分肌电值也随之增加。随运动单位疲劳的产生,参加收缩的运动单位减少, 频率下降,表现 iemg 值降低。这种肌电变化规律是疲劳过程中不同阶段的表现,并不因肌肉 8 王健.semg 信号分析及其应用研究进展.体育科学 2000,7.20(4): 56-60 北京体育大学硕士学位论文 7 的位置或用力方式变化而改变。因此可以认定在 iemg 值下降到低于初始值时为出现疲劳, 疲劳程度越重,iemg 值越低。积分肌电阈、神经肌肉疲劳阈(emgft)、积分肌电变化率 (rateofchangeiniemgvalue)等是积分肌电的更深层次运用。 积分肌电阈:通过计算递增负荷中每级的iemg变化,描绘出iemg与负荷强度的一一对应 曲线,当运动强度达到一定水平,该曲线会出现由平缓转向陡峭的“拐点”,此强度就被称为 积分肌电阈,其意义是指开始出现肌纤维大量募集的阈强度。国内有学者通过这种方法评价 赛艇运动员的积分肌电阈与无氧阈的关系,认为两者高度相关,实际训练中可以应用积分肌 电阈评价有氧能力 9。 神经肌肉疲劳阈:是由matsumoto等和moritani等于90年代初提出的 10,建立在如下理 论的基础上:(1)、在持续一定时间的运动过程中,积分肌电图值(iemg)随着时间的延续呈上 升趋势;(2)、当运动负荷的强度不同时,iemg 的变化的斜率也不相同,负荷越大,其斜率也越 大。 他们把 emgft 定义为 iemg 变化的斜率刚刚要开始增加时的强度,并认为应用 emgft 可以 对机体运动的疲劳阈值作出准确的检测。 虽有其他学者在此方面的研究与其存在较大的差异 3,但提示 emgft 作为评价运动能力的一项指标在评价训练效果时仍有较大的意义。 积分肌电变化率(rate of change in iemg value)是指在持续最大等长收缩中单位时间 积分肌电的变化与总时间的比值8,horiochi 等人曾利用积分肌电变化率评价小腿三头肌 在不同膝关节角度下的疲劳时间,发现该指标在评价疲劳时有相当的灵敏性 11。但是这种方 法目前只应用于静力性的训练中,在试验的条件下与疲劳有很好的线性对应,但实际运动训 练中极少有项目肌肉是纯粹的等长收缩,如何将积分肌电变化率有效应用在动力性练习中仍 有待研究。 平均振幅(ma):振幅反映肌肉电信号的强度与参与的运动单位数目及放电频率同步化程 度有关 8,michaelviogt 等人认为耐力项目的运动员其牵张反射 emg 的平均振幅大于力量项 目的运动员,可用于对耐力素质的评价 12。 均方根振幅(rms)用来描述一段时间内肌电的平均变化特征,指此段时间内所有振幅的 均方根值 8。但不能反映肌电信号的细节变化。疲劳时肌电信号的振幅增高,势必引起 rms 9 殷劲等.运动性疲劳研究. 成都:四川教育出版社.1993,1-6 10吴纪饶,杜少武,王沪生等.运用积分肌电阈评定赛艇运动员有氧能力的研究j.体育科学,1993,13(3):66-69 11 matsum oto t.ito k.moritami t. the relation ship between an aerobic threshold and electrom yographic fatigue threshold in college womenj. eur j appl physiol occup physiol,1991,63(1):1 -5 12 hiroichi m, fujiko s, katsuhiko t. a comparison of electrical activity in the triceps surae at maximum isometric contraction with the knee and ankle at various anglesj . eur j appl. physio,1999,80:185-191 北京体育大学硕士学位论文 8 的增加。可以通过比较不同时期的 rms,确定疲劳发生的时间和疲劳的程度。 iemg 值和 rms 值均可在时间维度上反映 semg 信号振幅的变化特征,而后者又取决于肌 肉负荷性因素和肌肉本身的生理、 生化过程之间的内在联系,因此,上述时域分析指标常被用 于实时地、无损伤地反映肌肉活动状态,具有较好的实时性 8。 频率域分析是指在频率方面评价肌电信号的指标分析,频域信号是将时域信号通过快速 傅里叶转换(fastfouriertrans-lation,fft)得出的 8,在表面肌电信号的检测与分析中具 有重要的应用价值。 与时域指标对比,频域指标有以下优势: (1)、在肌肉疲劳过程中均呈明显的直线递减型变化,而时域指标的变化则有较大的变 异; (2)、频域指标时间序列曲线的斜率不受皮下脂肪厚度和肢体围度的影响,而时域指标 则易受影响; (3)、频域指标时间序列曲线的斜率与负荷持续时间明显相关,而时域指标的相关不明 显。 但快速傅立叶变换法也有一定的缺陷,它需要有肌电信号在全时域的信息综合分析,信号 在某一时刻的变化将影响整个频谱特性,此外,傅立叶变换要求信号是平稳的,表面肌电信号 尤其是动力性收缩时是典型非平稳性和非线性的随机信号,因此采用傅立叶变换实时分析肌 电信号受到了限制。 频 域 分 析 主 要 指 标 有 平 均 功 率 频 率 (meanpowerfrequen-cy,mpf) 、 中 数 频 率 (medianfrequency,mf外周机制包括:(1)、肌内 压升高,使血流受阻,引起肌细胞膜通透性发生变化,导致动作电位传导速度下降;(2)、因快 肌运动单位很快疲劳,募集更多的未疲劳的慢肌运动单位参加工作;(3)、局部酸性代谢产物 堆积,肌肉运动时产生的细胞外 k+或乳酸浓度的增加将直接导致肌膜传导速度的降低 14。类 似理论的证实国内也有报道 15。但近年来在代谢方面研究结果有争议,有人研究运动时肌肉 13 michael v, fabio c, carlo f. changes in the excitability of soleus muscle short latency stretch reflexes during human hopping after 4 weeks of hopping trainingj. eur j appl. physio,1998,78:522-532 14 王笃明,王健,葛列众.肌肉疲劳的 semg 时频分析技术及其在工效学中的应用j.航天医学与医学工 程,2003,16(5):387-390 15 brody l, rollick m, roy s. ph induced effect on medium frequency and conduction velocity of the 北京体育大学硕士学位论文 9 中并不产生乳酸的磷酸化酶缺乏的患者,发现其肌肉经过运动后仍发生 semg 频谱左移现象, 并认为semg频谱左移与ph的下降并无因果关系,所存在的相关性,可能只是同属代谢机能下 降的表现而已。而 vesterguardpoulsen 等利用核磁共振技术研究了正常人和 mcardle 氏病 患者静力运动至力竭(负荷为 5%、10%、30%最大肌力)胫骨前肌肌电活动与代谢的关系,发现 肌电的改变与肌肉 ph 值、乳酸积累无相关性。 mpfslope 和 mfslope 表示时间与 mpf 和 mf 曲线的斜率,代表运动过程中 mpf 或 mf 的相 对变化。在肌肉运动过程中,肌肉疲劳,频谱左移,表现为 mpf 或 mf 下降,所以斜率通常为负 值。在持续收缩过程中,emg 频谱的负向斜率不易受干扰的影响,对与肌肉疲劳相关的生理变 化(特别是动作电位传导速度的降低)较为敏感,是测量局部肌肉疲劳的客观指标。由于缺乏 统一的评价标准许多主观因素的影响,评价缺乏客观性。后又有人提出只用运动 90s 内的斜 率值评价疲劳,仍然未被确认。 有研究发现,这两种斜率之间 mpf 随负荷时间延长的下降幅度 明显大于 mf 16,说明 mpf 对于反映肌肉疲劳较 mf 更具敏感性。 由于 semg 的 fft 频谱曲线并非呈典型的正态分布,故从统计学角度而言,使用 mf 刻划 semg 的频谱特征的变化要优于 mpf,但在具体研究中人们发现应用 mpf 反映肌肉活动状态和 功能状态的敏感性却优于 mf。 幅频联合分析(joint analysis of emg spectrumandampli-tude,jasa)jasa 分析是 alvin.luttmann 等最先提出的,是一种同时考虑 emg 振幅和频谱变化的一种新的疲劳测定方 法 8。由于肌力和疲劳状态在 emg 信号振幅和频谱两方面有不同性质的反映,振幅和频谱的 变化要同时考虑才能更好地反映肌肉疲劳真实情况。幅频联合分析可能同时对 semg 信号振 幅和频谱变化加以综合考虑,有效辨别因肌力增加或因疲劳状态的肌电信号变化的类似现象, 有报道通过 jasa 分析还可将频域分析有效地应用于动力性练习中,排除肌力变化对运动时 频率的影响。 尽管有文献表明 17,频谱变量比振幅变量更具有可重复性,但傅立叶转换(fft)要求肌电 信号很稳定,这对静力分析尚可。 而动力性运动中所收集的肌电信号多为非稳定性的,由此得 出的结果也就缺乏准确性。最近有学者 18用子波分解(waveletde composion)分析研究了 8 myoelectric signalj. j appl. physilo.1991,71:1878-1885 16 何伟,高强.不同强度运动引起血浆 k+、na+变化及其对表面肌电图的影响j.中国运动医学杂 志,1997,17(5):94 17 扬丹.等长负荷诱发肱二头肌疲劳过程中 semg 信号变化j.体育与科学,2000,21(9):27-35 18 jansen-retal. median power frequency of the surface electromyogram and blood lactate concentration in incre mental cycle ergometry j. ero j appl. physiol. 1997,75(2):102-108 北京体育大学硕士学位论文 10 位受试者进行最大自主等动收缩,得到以下疲劳指标:收缩延迟(wcd)、 舒张延迟(wrd)和高低 频之比(hf/lf)。结果表明, wcd、wrd 的增加和 hf/lf 的降低与总功率显著相关。子波分解 可加强表面肌电图的特征,由此得到的指标可用于最大自主等动收缩时监测肌肉疲劳。这也 得到了 sparto 19的支持,他认为子波分解对动力运动中非稳定性肌电信号分析较适合。 1.2.2 表面肌电的非线性动力学分析方法 1.2.2 表面肌电的非线性动力学分析方法 emg 是神经肌肉的电生理活动在皮肤表面的反应,对肌肉活动有敏感的依赖性。由于神 经肌肉系统是一个结果和机能高度复杂和精细的系统，semg 信号是大量运动单元生物电活 动在时间和空间上的非线性耦合，具有混沌信号的基本特征。因此，以混沌动力学方法探讨 肌肉疲劳的信号变化特征更加符合肌电信号的基本特点。众所周知，混沌过程是具有确定性 机制的类随机过程，它具有非周期性、非随机性、非线性和对初始条件敏感等特点，它的一 大特点就是,可以从少数变量的单一时间序列中构建动力学模型,以提取信息,即从一维 emg 时间序列提取肌肉多维动力系统的信息,如小波分析方法、 关联维数、 肌电复杂度和lyapunov 指数等。 小波分析方法(waveletde composing) 小波分析法时频分析是近年来发展起来的研究 非平稳信号的一种有效方法,在生理信号分析中得到了广泛的应用 8。针对肌电信号的非平 稳特征,小波变换方法是一种有效、稳定的特征提取方法,这种变换是傅立叶变换的新发展, 具有可变的时频分析窗口,能同时提供关于信号时域和频域的两方面信息,可以将原始信号 依然按照时间的对应关系分解到不同频带上或对信号进行不同的精度表达,为非平稳生理信 号的分析提供了新的手段。 小波分析方法的提出可追溯到 1910 年 haar 小波规范正交基的思 想。1981 年,stromberg 对 haar 系进行了改进,证明了小波的存在性。小波变换的数学形式 由 groosman 和 morlet 于 1984 年提出。1987 年,mallat 巧妙地将多尺度分析的思想引入小 波的构造及信号的小波分解与重构,与此同时,daubechies 构造了有限支集的小波基。至此, 小波分析的系统理论初步得以建立。 有学者利用小波分析评价模拟跑步时地面冲击对腿部肌 肉的影响,提示小波分析在评价肌电前后变化时的应用价值 20;也有报道通过小波分解提取 人体股四头肌和小腿三头肌运动中的表面肌电信号的特征,成功地实现肌肉疲劳监测 21。 19 merletti-r et al. repeatability of electrically evoked emg signals in the human vastus musclej. muscle. nerve,1998,21(2):184-193 20 sparto.pj et al. wavelet analysis of electromyography for back muscle fatigue detection during constant-torque exertionj. biomed. sci. instrum. 1997,33:82-87 21 wakeling j, tscharner v, nigg b, et al. muscle activity in the leg is tuned in response to ground reaction 北京体育大学硕士学位论文 11 小波变换是一种把时域和频域结合起来的分析方法,具有可变的时频分析窗口,被称为 数学显微镜,其作用类似带宽不变、中心频率可变的带通滤波器。在高频时使用短窗口,而在 低频时使用宽窗口,从而为信号的实时处理提供了一条可靠的途径。适当选择基本小波后通 过二进伸缩和平移来产生的一组正交函数系,对于不同功能状态和活动状态下的肌电信号在 不同的尺度下观察其频率的变化和时间特性。 关联维数 动作电位产生的基础离子通道在不同的构形间转化的时间历程表现出 自相似性的特征,因此肌电信号具备了非线性分形的规律 22,可以研究其中所蕴含的非线性 动力学信息为体育科研服务。 分形理论是考察非线性生物信号的一个有效途径。 分维数是表征自相似系统或结构的定 量描述参数。现在一共有 10 多种不同的维数,如拓扑维、hausdorff 维、容量维、信息维和 关联维等等。分形(fractal)是美国数学家 b.mandelbrot1957 年首先提出,他发现自然界中 一类经典欧氏几何难以处理的几何图形,具有自相似性和比例性(任何尺度下复杂性不消失 的性质),它表明在不规则中存在规则。对于一维肌电信号时间序列,首先重建其状态空间, 可以认为它是代表n个独立系统的信息,与n维状态空间的一个特定状态相对应,随着时间的 推移,它就可在 n 维状态空间描绘一条可以反映系统动态变化的轨迹。 根据弛豫时间,选定重 建的时间序列计算 emg 的关联维数。它的含义是,在 n 维状态空间中任取一点作为参考点, 然后计算以该点为中心,半径为r的区域内所包含的点的数目,这样,不断改变r值,直到所有 的r值都被覆盖为止对所有参考点重复以上步骤,然后将各r值对应的点相加,再除以总数得 到的 c(r)就代表任意两点距离小于 r 的概率。其中线性部分的斜率就是所求的相关维数。 它反映了状态空间中点与点的关联程度,是对系统复杂性的一种度量,维数越大,说明关联程 度越低,系统的复杂性越高。 肌电信号作为非线性动力系统的输出,其状态空间的奇异吸引子的维数由可能作为确定 许多反映肌肉功能状态、活动状态和某些神经肌肉疾病的指标。已有国内外的研究小组开展 了 semg 的分形分析,取得了一些有价值的实验成果。 蔡立羽介绍一种改变粗始化程度求分维 数的方法,获得的分维数能成功地监测到肌肉的疲劳 23。在肌肉以不同速度收缩时,semg 分 维数大小与变化趋势基本相同,且大致随肌肉收缩程度增加单调上升,提示应用在随意运动 中评价肌肉疲劳的意义。该参数是描述肌肉疲劳状态的新的量化特征,目前处于初步应用阶 22 james w, silvia p, benno n et al. surface emg shows distinct populations of muscle activity when measured during sustained submaximal exercisej. eur j appl physiol,2001,86:40-47 23 王人成,黄昌华,常宇等.表面肌电信号的分形分析j.中国医疗器械杂志,1999,23(3):125-138 北京体育大学硕士学位论文 12 段,如利用肌肉 semg 分维数对肌群组织进行分类以辩识出健康与病变肌群,与其所承受载荷 线性相关研究,与其屈曲角存在函数关系研究,以及其与肌肉收缩程度对应的线性相关研究 等。 肌电复杂度(kolmogorovcomplexity,kc)把 lempel 和 ziv 的复杂性定义及 kaspar 和 schuster 算法引入肌电时间序列的研究中来,计算肌电复杂度 kc,kc 只是与事物的有序性和 随机性有关,而不反映结构的复杂性,复杂度可作为肌电时间序列的研究指标。 lyapunov 指数 在其公式中计算的为最大 lyapunov 指数。反映了 lyapunov 指数对初 始值的依赖程度 8。 1.2.3 人工神经网络 1.2.3 人工神经网络 人工神经网络是目前受到广泛关注的信号处理方法,它模仿生物神经元结构和神经信息 传递机理,由许多具有非线性映射能力的神经元组成,神经元之间通过权系数相连接构成自 适应非线性动力系统,具有并行计算、分布式存诸、自适应学习等特点。人工神经网络的自 组织、 自适应学习以及优秀的容错性能使其在系统辨识和模式识别方面显示出很大的优越性, 在表面肌电信号的分析处理中,尤其是肌电信号的模式识别方面得到广泛应用。例 如,itakuran 等 24利用 4 个电极采集人体前臂运动时的表面肌电信号,构造了 3 层结构的神 经网络,利用 bp 算法训练神经网络,识别出前臂 5 个不同的动作;luhjj 等 25利用 3 层前馈人 工神经网络研究表面肌电信号的活动与肘关节等容收缩时的力矩之间的关系。 1.2.4 肌电信号二维地形图 1.2.4 肌电信号二维地形图 采用对肌电信号进行功率谱分析已被众多研究证明是肌肉功能评价的一种行之 有效的方法 26,在临床医学等领域中的肌肉功能评价方面有着广泛的应用。 然而,由于运动负 荷试验中的肌肉功能水平相关性信息是隐含在 semg 信号功率谱的动态变化中,因此单一时 间段的 semg 信号功率谱尚不足以反映肌肉的功能水平。 有人曾以 mpf 和 mf 时间序列曲线的 下降斜率来定量评价功率谱转移的动态特征 27,但是这些方法有的因图形变化过于复杂而不 24 蔡立羽,王志中,李凌.肌肉疲劳过程中的表面肌电信号特征研究j.中国康复医学杂志,2000,15(2):94-95 25 itakura n, kinbara y, fuwa t. discrim in ation of forearms motions by surface emg signals using neural networkj. appl human sci,1996,15(6):287-294 26 luh jj, chang gc, cheng ck, et al. isokineticelbow joint torques estim ation from surface emg and joint kinem atic data: using an artificial neural network modelj. j electromyogr k inesiol,1999,9(3):173-183 27 陈景农,王健,朱祖祥.表面肌电信号分析在低背部肌肉功能评价中的应用.人类工效学,2000,20:61 63. 北京体育大学硕士学位论文 13 易精确分辨,有的不能显示肌电功率谱在各个频段上的分量变化,因而在实际的研究工作中 有较大的局限性。二维地形图是以平面图形再现三维立体图形变化的一种有效手段,由于其 具有直观易辨和图形信息丰富等优势,故更适于临床医学等领域的基础研究。 1.3 有关 mf 以及 mpf 的研究现状 1.3 有关 mf 以及 mpf 的研究现状 正如我们在前面所提到过的，现在通过快速傅立叶转换(fft),将肌电频谱数值化,由此 可对肌电图频率进行分析,很多学者对此作了大量工作。常用指标有平均功率频率(mpf)、中 心频率(cf)和频谱中值频率(mf)。 在正常情况下人体不同部位骨骼肌之间的 mf 值高低差异较大,其原因主要受肌肉组织 中的快肌(ft)纤维和慢肌(st)纤维的组成比例的影响,即 ft 纤维兴奋主要表现高频放电、 st 纤维则以低频电位活动为主 28,33,34。 naije 29、郭庆芳、尹吟青、高强、petrofsky 30等作者在研究不同性质的工作时都发 现,肌肉疲劳时肌电功率谱左移,即低频成分增加,高频成分减少。kankaanpaa 31、umezu 32 在骶棘肌的等长静力收缩中也发现,emg频谱分析是评价肌肉疲劳很有用的指标,随时间延长, 疲劳出现,mf、mpf 呈线性下降,两者下降的斜率都是男大于女,说明男子在此试验中比女子 更易疲劳。 但是在低强度运动种的变化结果报道不一,如 arendt 35对 10%40%最大肌力不同 运动强度进行的研究结果认为,当负荷强度大于30%最大肌力时表现为逐渐下降,运动强 28 goran m, hagg. interpretation of emg spectral alterations and alteration indexes at sustained contraciton. j appl physiol,1992,73:1211-1217 29 naije m et al. changes in the power spectrum of surface emg of human master muscle due to local muscle fatiguej. arches oral biol. 1982,26:409 30 petrafsky js et al. power spectrum analysis of emg during exercise.pysiologist.1975,18:350 31 kankaanpaa met al. age, sex, and body mass index as determinants of back and hip extensor fatigue in isometric sorensen back endurance testj. arch. phys.med rehabil. 1998,79 (9):1069-1075 32 umezu. yet al. spectral electromyographic fatigue analysis of back musccles heathy adult women compared with menj. arch. phys. med. rehabil. 1998,79(5)536-538 33 krivickas. ls et al. is spectral analysis of the surface electromyographic signal a clinically useful evaluation of skeletal muscle fatigue?j. j. clin. neurophysiol. 1998,15(2):138-145 34 solomonow m,et al. electromyogram power spectra frequencies associated with motor unit recruitment strategiesj. j appl physilo,1990,68(3):1177-1185 35 masuda t, et al. recruitment threshold and muscle fiber conduction velocity of single motor unitesj. j electromyo-gramkinesiol, 1991,(1):116-123 北京体育大学硕士学位论文 14 度低于20%最大肌力时mf无明显变化;krogh-lund 36研究却发现,15%最大肌力屈肘关节运动 时肱二头肌 mf 表现为增加。 但王国祥研究结果又显示,10%最大肌力负荷条件下 mf 出现了先 上升后降低的现象。这种现象可能是由于骨骼肌 st 纤维阈值强度低于 ft 纤维,递增性负荷 练习时 st 纤维则先被募集,所以运动开始时肌肉综合放电频率相对较低;随着运动时间的持 续或强度增加,肌纤维募集形式也会逐渐过渡到以 ft 纤维为主,而其放电频率也会随之升 高。王国祥研究还发现,30%和 50%最大肌力负荷条件下的肘关节屈伸运动开始后,肱三头肌、 肱二头肌和前腕骨肌 mf 出现了逐步降低的现象,而且两种负荷条件下的 mf 下降幅度的顺序 均为肱三头肌肱二头肌前腕骨肌,这种现象与上述的肘关节屈伸运动中的向心性运动和离 心性运动 pt 的变化时相基本相似。产生这种肌肉因疲劳出现 semg 低频现象原因,一些学者 认为主要是运动过程中快慢肌纤维募集反应的时相不同而形成的 37,而肌纤维募集反应的时 相直接受到的外来阻力负荷大小的影响 38。也就是说骨骼肌收缩时受到的阻力负荷越大,肌 内储备的atp和cp等能源物质衰减的速度也越快,肌肉由无氧供能过渡到有氧供能的时间也 越短,st 纤维被募集比例也会越来越大,semg 则会表现出低频放电为主的现象。 肌肉疲劳过程中的 semg 的 fft 频谱发生左移现象,目前被认为与以下 2 方面的原因有 关:1)是所谓的某些中枢性因素,如运动神经元放电频率下降,放电活动呈同步化变化等,2) 也有研究倾向于由所谓的外周性因素,特别是肌纤维的动作电位传导速度下降所引起,后者 可能与剧烈运动时肌细胞 h+或乳酸浓度的增加有关,因为,h +或肌乳酸浓度的变化与 semg 频 谱左移具有伴随性变化。 中枢机制主要是指大脑皮层运动中枢的激活水平或中枢驱动以及运动神经元的兴奋发 放频率及其同步化程度等影响肌电信号变化的作用途径和方式 39。masuda 等采用矩阵电极 测量 mfcv， 分别对 19 名男性受试者进行 50%最大肌力动态和静态膝关节运动负荷时 mfcv 和 肌电信号 mf 变化的关系进行了研究， 发现 mf 在两种运动负荷条件下均明显下降， 但是 mfcv 仅在静态负荷条件下明显下降，而在动态负荷条件下无明显变化，说明 mfcv 变化并不能完 36 arendt-nelesn l,