肌电信号的记录和获得

1、肌电信号的记录和获得肌电信号的记录和获得 1. 单单电极电极 单电极记录时，一个电极放置在肌肉上面肌肉上面，另一个电极 放置在电中性位置电中性位置（诸如一个骨性突起）。单电极产生的频 率反应比双电极低、选择性也少。 单电极常被使用在静力性收缩和涉及到针电极的各种临 床研究中，但是单电极在测量非等长收缩时稳定性较小，且 很少被选择。单电极适合于H反射、T反射和肌肉M波的评 估。 2. 双双电极电极 双电极记录使用非常普遍。一般两个电极放在肌肉中肌肉中，或 者放在覆盖肌肉表面的皮肤上皮肤上，第三个中性或接地电极被放置 在电中性位置电中性位置。 在两个记录电极间，利用一种差分放大器记录电差异。通 过

2、差分放大器使得两个共同输入的信号被大大地减弱。容许放 大器减弱这些共同信号的特性被称为共模抑制共模抑制，两种共同输入 信号的减弱程度被描述成共模抑制比共模抑制比（CMRR）。 肌电信号可使用单电极（a）或者双电极（b）捕获，一些 应用可能需要专门的双差记录技术的放大器（c）。 3. 干扰信号干扰信号 在一个标准实验室或野外环境，可能还有值得 考虑的射频（RF）和来源于电器插口、灯或者其他 线路信号的输电线活动。这些信号是典型的50或 60Hz（取决于记录的位置），因此它们正好在频率 范围上被EMG信号所代表，也可能有大气中其它频 率的环境射频信号。因为差分放大器降低了两个放 大器输入信号出现的

3、同相位信号，导致它们的影响 大大地降低。 4 . 影响影响记录信号的因素记录信号的因素 在设置放大器增益时必须要谨慎使用。如果肌电 信号的振幅超过放大器增益，放大器被饱和并且以一 种限幅的形式失真出现。 而当输出的振幅超出电源的界限时，限幅出现。 另一方面，如果被设置的太低，在模拟数字（A/D） 转换后信号的分辨率将变低。 理论上说，增益应当被设置以便于信号的振幅 与模拟数字转换的范围相匹配。 原始肌电图原始肌电图 伴有心电图的原始肌电图伴有心电图的原始肌电图 没有接地电极的原始肌电图没有接地电极的原始肌电图 伴有运动伪差（非源自肌肉的电波）的原始肌电图伴有运动伪差（非源自肌肉的电波）的原始肌

4、电图 伴有直流偏置（交流信号中存在直流信号成分的现象）的伴有直流偏置（交流信号中存在直流信号成分的现象）的 原始肌电图原始肌电图 限幅限幅0.5V0.5V的原始肌电图的原始肌电图 EMG电极的选择有很多种类，这取决于 开展的运动项目，研究问题的性质和所 要记录的特定肌肉。这一部分旨在讨论 在皮肤 及 （indwelling fine-wire）和 （needle electrode)的设计。另外其他一些目前研 究中所涉及的电极也会作一些介绍。 表面肌电电极的使用细线留置电极 针电极 2.12.1电极特点及几何形态电极特点及几何形态 银 金金 不不 锈锈 钢钢 锡 这些类型的电极被广泛应用于临床

5、来评定感觉 和运动神经的传导速度、F波、M波和H反射 但是，这些表面电极会有一些技术上的问题但是，这些表面电极会有一些技术上的问题 一般来说，在皮肤层的内外有一个一般来说，在皮肤层的内外有一个30mV30mV的电位。的电位。 当皮肤伸展的时候，这个电位会降至当皮肤伸展的时候，这个电位会降至25mV25mV，而，而 产生产生5mV5mV的的运动伪差（运动伪差（motion artifactmotion artifact）。显。显 然，然， 这个皮肤瞬时产生的运动伪差对于一个理想化这个皮肤瞬时产生的运动伪差对于一个理想化 的运动评估来说是一个缺陷。的运动评估来说是一个缺陷。 silver-silv

6、er chloride (氯化银电极） 这些表面电极可用来探测肌肉的肌电活动，也 可以作为探测周围射频（RF）的天线。在应用电 极前，阻抗尽可能地减小，可通过皮肤的护理， 去除死皮和油脂，增加局部皮肤的血流。同时， 为减少无线电频率，可通过使用屏蔽电缆来减小 电缆间的距离和编制出个性化的电极电缆。 在尽可能靠近电极的地方安置一个第一级放大器 （first stage amplifier）。 例如，摩擦或者在电缆绝缘体上运动都会产生伪差。这 些伪差可通过在每个电极上使用单位增益放大器（unity gain amplifier）来减小。通常我们称之为“有源电极” （active electrode

7、s），这些设备使得放大器尽可能地安 放在靠近表面传感器的地方。 （图8.5）来自于第一级放大器的信号会得到一个比较高 的信噪比（SNR），这样就是被“清除（cleaner）”过 的信号。 降低伪差的方法降低伪差的方法 深层深层 有效区域仅是皮肤表层下有效区域仅是皮肤表层下10-20mm10-20mm处处 小小 难以识别小肌肉的信号是来自于该肌肉还是难以识别小肌肉的信号是来自于该肌肉还是 周边的肌肉周边的肌肉 串扰串扰 Crosstalk 我们一般使用细线电极来记录深层或小肌肉群。我们一般使用细线电极来记录深层或小肌肉群。 这个设备通常由两个直径为75m的细丝组成，这些细丝 穿过一个空心针插管。

8、导线的顶端构成一个记录面，这些 导线顶端被切齐或除去最后毫米左右的绝缘部分。绝缘部 分除去的越多越好，越有利于记录。这些导线远端的几个 厘米要向后弯曲，从而使线和针能顺利插入肌肉中。当针 插入后，要小心翼翼地移动，留下的导线作为 记录电极用。 在实验中可以移动套管，也可以置于一旁，末端的导线与 放大器相连接。 用来探测单个或多个个别运动单位的活 动，而不是探测对侧肌肉的肌电活动。 将一个小的导线放置在一个中空的插管 中央构成同心电极,导线与环氧基树脂放 在一起。将套管分割成一个锐角（大约 15），留下有光泽的金属丝表面，然 后将双极记录到套管中。 电极放置在肌肉表面的正确与否无需过 分强调。但

9、是，电极的部位必须是可以测 得肌纤维运动单位的地方。 一般要远离肌腱活动剧烈的区域。一般要远离肌腱活动剧烈的区域。 关于肌纤维的电极方向也同样很重要。如 果电极放置不是平行于肌纤维走行，那么 信号的振幅可能会减少50%，同时其频域 部分也会受到影响。 有证据表明EMG信号的振幅可能会受到 电极间距离的影响，即电极对之间的距 离。 但EMG的频域会受电极间隔的影响，电 极间距越靠近，光谱频率越高。在放置 EMG电极时，最好保持条件一致并且减 少会影响受试者的任何因素。 我们处理和分析信号的方式来源于模拟 和数字电子技术及信号分析技术，也同 样取决于我们对于EMG信号的理解。 这个部分重点讲述最常

10、见的捕捉和过滤 信号的技术及其固有的一些技术问题。 模拟和数字滤波的应用模拟和数字滤波的应用 固有频率特性及任何生物信号的无线电噪声和 干扰源决定了使用何种滤波技术。肌电信号的 频谱分析是指频率低于10HZ或者高于1KHZ的信 号。事实上，表面肌电的频率上限甚至能超过 带宽上限，最高可达400HZ。而留置信号（记 录在肌肉内）一般可获得比较高的频率。因此， 通常会在采集表面肌电信号的时候使用一种设 置为10HZ左右的高通滤波器高通滤波器，同时使用一种设 置为1KHZ左右的抗混叠低通滤波器抗混叠低通滤波器。但实际运 用中会随带通的不同特性而改变。在运用数字 信号处理后一般再使用微软系统来分析结果

11、。 在我们选择采样率的时候，肌电信号的固有频率特性固有频率特性 也是至关重要的。当然，也必须考虑奈奎斯特极限 (Niquist limit)，采样率要在信号的最高频部分的至少采样率要在信号的最高频部分的至少 两倍以上。两倍以上。对于表面肌电信号来说，一般采样率至少 1000样/秒，有时会更高。在使用低通滤波器和抗混 叠滤波器的时候应当防止信号高于奈奎斯特极限，从 而扭曲了真实的信号。 许多厂家生产50-60HZ的陷波滤波器陷波滤波器，用于削减来 自灯光或者其他设备的无线电干扰。但是，在这些线 频率中有大量的肌电活动。因此，即使信号看上去被 过滤过，一些重要的肌电信号却被这些陷波滤波器所 清除。

12、如果必要的话，需要运用技术，而不是陷波滤 波器来消除那些线频率的干扰。这可能需要改变桌边 的设备环境，使用可选择的电极，提高接地配置或者 改善电极与皮肤的接触。 电极电极 血流和组织影响血流和组织影响 肌肉长度肌肉长度 肌肉深度 电极的特性可以影响肌电信号的频率和振幅，电极的特性可以影响肌电信号的频率和振幅， 包括电极的种类（表面，金属，氯化银，留置包括电极的种类（表面，金属，氯化银，留置 等等），电极的大小和电极间的距离。电极的等等），电极的大小和电极间的距离。电极的 配置同样也是一个关键因素。配置同样也是一个关键因素。 疲劳，脱水或肌肉血流而改变疲劳，脱水或肌肉血流而改变 肌纤维动作电位的传播速度也随着肌肉肌纤维动作电位的传播速度也随着肌肉 长度的改变而变化。长度越