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第十章骨骼肌电信号处理 EectromyosignalProcessing 人体的肌肉 muscle 有三种类型 骨骼肌 skeletalmuscle 心肌 cadiacmuscle 和平滑肌 smoothmuscle 骨骼肌和心肌按其结构都属横纹肌 striatedmuscle 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 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 10 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 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 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 二肌电信号的产生机理 神经 肌肉接头示意图 接头前膜 终板前膜 接头后膜 终板后膜 接头间隙 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 40 V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 4 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 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头肌的运动单位电位 6 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 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 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 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 低电压为特点 纤颤电位时限大部分为2 0mS以下 电压小于300 500 V 频率为2 30Hz 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 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50 200 V 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16 9b 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 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 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 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50 V 5mV 带宽为2 500Hz 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 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 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 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 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100 V 2mV 频带宽度5Hz 10KHz 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 肌电信号控制的假肢 第十章胃电信号处理 ElectrogastrosignalProcessing 表16 7胃肠电的主节律 cpm 次 分 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 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 Actioncurrentinstomachandintestine 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 slowpotentials 和峰电位 spikepotential 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 一 胃的结构 Gastricconstructure 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 2 胃壁的构造胃壁的构造由浆膜 肌层 粘膜下层及粘膜层构成 如图16 22 胃壁肌层较厚 由外层纵行肌 中层环行肌及内层斜形肌三层平滑肌构成 外层的纵行肌 是食管纵肌的连续 在胃体部分成两个肌束 其中较粗强的束沿胃小弯行走 宽薄的束则覆盖着胃大弯 在胃的前后壁处则稀疏 中间环行肌层最厚 肌纤维的排列与胃的长轴垂直 覆发着胃的全部 环行肌至幽门的部位进一步加厚 形成幽门括约肌 在环肌层与纵肌层间有肌间神经丛分布 斜肌层位于最内层 数量很少 它从胃底部呈放射形发出 于胃的尾部与环形肌汇合在一起 图16 22 3 二 胃的电活动不同的部位 不同的电极配置记录到的胃电波形是不同的 体表电极只能记录到胃电的慢波 称为胃电信号 electrogastrosignal 黏膜或浆膜电极和微电极还可以记录到重叠在胃电慢波上的峰电位 称为胃平滑肌肌电信号 gastroelectromyosignal或gastricelectromyosignal 图16 23微电极记录的胃的单个平滑肌细胞的慢波和峰电位a 静息膜电位 b 去极化相 c 平顶相 载有或无锋电位 d 极化恢复相 1 单个平滑肌细胞胃电波形用尖端直径不到0 5 m的微电极插入单个胃平滑肌细胞记录的静息电位 restingmembranepotential RMP 在狗的胃环肌细胞静息膜电位约 70mV 人的胃肌细胞中也发现与狗类似的电位 在人或猫 狗的细胞内记录到的胃电波形如图16 23所示 先出现一个正相的较高的初发电位 又称初发去极化期 第一成分 锋成分 升支电位 随后出现高而慢的第二电位 明显可见重叠其上的峰电位 尖波 2 双极记录细胞外胃电波形作双极记录时二电极均放在胃的肌肉上 Bozter用细胞外双极引导记录出狗胃窦部胃电波形 如图16 24 图形与心肌电活动相似 表现出R S T波 R波为起始部分 接着 个小的负相波S 经过3 4S有 个复合的T波 R T波的间隔与放置电极的距离有关 两个电极的间距大则R波幅增大 若电极间距超过1cm以上 则波幅变得更宽和不明显 图16 24细胞外双极引导记录出狗胃窦部胃电波形 3 单极记录的细胞外胃电波形单极记录时 一个电极放于胃壁肌肉上 另一个电极需离开一段距离 放置于皮肤上 单极记录的胃电波形由第一成分 initialrapidcomponent 三相复合波和一个继发第二成分 secondslowcomponent 所组成 第二成分延续到下个三相波出现 一般第二成分是由第一成分触发的 三相复合电位起初是 个正电位 随后出现 个较大的负电位 后者回复到基线 通常这种回复还带点小小的超射 如图16 25 胃体的负电位幅度最小 0 1 0 5mV 而在胃窦区幅度增加 可达到2 4mV 图16 25单极记录细胞外胃电波形 4 经口吸附电极 peroralsuctionelectrode 记录的胃电波形用经口内进入的胃内粘膜双极吸附电极 可记录到人胃电慢波电位 实验对象吞入电极 在X光机控制下将电极定位于胃体或胃窦部 可记录到正常人胃每分钟3次规律的典型慢波电位如图16 26a 图16 26黏膜和皮肤电极记录的胃电信号a 胃黏膜电极记录 b 皮肤电极记录 5 用银一氯化银电极记录体表胃电图波形1922年Alvarez首先在人腹壁表面记录到一个频率为每分钟3次的电信号 以后有许多人进行这方面的研究 证明体表胃电图与粘膜电位相同 波形与频率相似 如图16 26b 粘膜电极记录到的平均振幅为0 8 0 156mV 皮肤表面电极则为0 15mV 0 3mV 体表电极可用银 氯化银一次性电极 也可有实验室自行制作 见文献 22 p277 因为银 氯化银电极具有低阻抗和低噪声的良好性 能适合体表记录需要 也有园帽形可重复使用的专用体表胃电电极 三 胃电发生机理 Electrogastosigalgenesismechanisms 实验证实了胃壁上始终存在着一种周期性变化的电活动 这种电活动在离体实验 麻醉动物和清醒动物实验中都能记录到 这种电活动称为慢波 slowwave 或称起步电位 pacesetterpotential 或称基本电节律 BER basicelectricalrhythm 或称电控活动 electricalcontrolactivity ECA 或称始发电位 initialpotential 等 这些不同的名称都是一个意思 这里用 慢波 这个名称 1 胃电的特征胃电慢波只存在于胃远端2 3区域 胃近贲门1 3区域属电静息区 electricallysilentarea 如图16 27 越向幽门推移 波幅越大 人的平均慢波频率为每分钟3次 狗为每分钟5次 在任何情况下 全胃记录到的频率是一致的 每天平均频率几乎没有变化 正常胃的节律相当稳定 只是偶尔在个别周期中看到不规则现象 这种恒定不变的频率提示有支配胃电节律的 起步点 区域存在 图16 27胃电慢波的起步点区域 2 胃电慢波的起源1898年Cannon最先用X线观察 发现蠕动波由胃的中部开始 向幽门部推进 现已证明 胃电慢波发生于胃大弯侧上部约在贲门 cardia 和胃底部中央处的纵行肌区域 此处的内在电节律比胃的其他部位要高 并证明该区域有起步点细胞 是胃运动的起步点 pacemaker 见图16 27 慢波电位由起步点开始 然后往幽门方向传播 若将起步点区域切除则引起慢波频率的永久性降低 如将胃横切 切口远端胃的慢波频率降低 在体实验观察到起步点频率的慢波向胃窦部传播并决定后者的慢波频率 由于慢波发生于肠壁的平滑肌细胞 所以它属于肌源性 而不是神经源性 关于胃电起源还有一种振荡器学说 认为胃的许多区域 都各像一个电学的振荡器 能发生有节律的电波 具有较高频率的一个振荡器 能控制其他振荡器 即由它发起胃电的慢波 这一学说的要点是认为起决定作用的区域不是在一个固定的位置 3 胃电慢波的功能胃电慢波电位不直接引起收缩 但能引起动作电位 慢波使相邻区域的细胞协调同步 这样在发生去极化时 在许多细胞中引发动作电位 产生一次有效的收缩 慢