【《表面肌电信号生理学基础概述》2600字】

表面肌电信号生理学基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u15897表面肌电信号生理学基础概述 115641.1表面肌电信号产生机理 1153441.2表面肌电信号的特性 5表面肌电信号产生机理“表面肌电信号”的发现可追溯到1922年，美国科学家Gasser和Erlanger的相关研究。基于当时的科技条件，他们利用阴极射线示波器等在当时相对先进技术，淘汰了相对落后的用检流计观察的技术。而这一创新也使得他们获得1944年诺贝尔奖。自此，肌电信号以及表面肌电信号相关的研究工作就开始蓬勃发展。其产生的本质，是体内肌电信号传递到皮肤表层时的残留电信号。而身体中的肌电信号，则来源于神经系统操纵具体肌肉运动过程中被叠加的各部分电信号。一般学术上将人体中的肌肉分为三种，随人的自由意志而运动的骨骼肌，以及不随人自由意志而运动的平滑肌、心肌。其中平滑肌常见于内脏、血管等重要器官，其运动一般不为人所察觉，有自身的运动逻辑，而心肌顾名思义则是心脏的重要组成部分，其运动也不受意志支配。对于日常生活中肢体动作而言，绝大多数都是由骨骼肌来完成，基本上就是人们肉眼直接可见的肌肉群，而其重量也占到了人体约40%。就空间站推拉舱门动作来说，其所涉及的肌肉主要为上肢肌肉，均为骨骼肌[16]。下图3-1[17]为人体上肢肌肉模型图。图3-1人体上肢肌肉模型图而对于使骨骼肌运动的电信号，则来源于与骨骼肌相连的神经系统。神经系统是人体的又一玄妙结构，人类诸多科学家至今难以完全洞悉其奥秘。它可以说是人体全部意识的来源和主要反馈调节的方式。神经系统由中枢神经系统和周围神经系统组成，中枢神经系统即脑和脊髓，周围神经系统为对应的脑神经以及脊神经[18]。神经系统的基本工作结构为反射弧，遍布身体的生物传感器，如皮肤或五官等处的感受器受到外界信息刺激后，通过周围神经系统以电信号的方式传递“兴奋”。神经兴奋经过传入神经传导到中枢神经系统，中枢神经系统经过复杂的计算与整理，发出调和后的精密电信号，然后再次通过周围神经系统的传出神经到达对应的效应器，以达到控制肌肉收缩或控制内分泌系统等复杂的调节效果。在反射弧这一基本的工作结构下，就是神经系统的基本的工作单位：神经细胞。神经细胞在事实上可以分为两种具体类型，神经元和神经胶质细胞。神经胶质细胞主要的功能并非参与主要的神经活动，而是为神经元——神经细胞提供养分和免疫等帮助。值得一提的是，神经元绝大部分在出生后即不可再生，这意味着一旦反射弧中任意部分受到损伤，则整个功能就会有对应不同程度的丧失，而神经细胞受到神经胶质细胞的维护，则可以大大降低健康风险。神经元则是神经系统的关键，其概念上的结构如下图3-2[19]所示。图3-2神经元概念图神经元在结构上可分为细胞体和突起两大部分，细胞体其内容大体与一般体细胞相似，而突起则分为树突与轴突。反射弧中“兴奋”的传导即与此有关。如神经元的概念图所示，树突短而分支多，围绕细胞主体呈放射状；而轴突通常只有相当长的一条，通常在末端有分支，形似细胞伸出去的手。两者在外形上区别明显，与其功能的不同有内在的统一性。树突的作用主要是用于接受外来轴突的兴奋，并传递给细胞体；而轴突的作用则是将细胞生成的兴奋传出。一条轴突就是狭义上的一条神经纤维，而成束的轴突即是狭义上的“神经”。上一段中所述“兴奋”的传导，在微观上，体现为神经元对轴突部分细胞膜上钠钾离子通道的控制，使得钠离子大量进入细胞内，使外正内负的跨膜电位发生所谓去极化、反极化，变为外负内正的过程，沿着轴突不断进行。之后钾离子大量涌出细胞外，使跨膜电位复极化，恢复到外正内负的电位水平。这一过程即为神经冲动（兴奋）的传导，传导速度因生物种类和神经纤维以及温度等而异，一般能达到每秒0.5~200米。轴突的末端即是神经末梢，根据末梢对象的不同，具体的连接方式有所不同，少数情况直接通过电位来影响，而通常是以“突触”的方式进行连接。突触的种类大致可分为：轴突-胞体式、轴突-树突式、轴突-效应器式和突触-突触式。电信号达到突触时，将控制称为“神经递质”的化学物质含量的高低，以达到向下一个目标传递兴奋或抑制的作用[20]。对于骨骼肌而言，肌肉与神经的连接较为特别。在一般骨骼肌所属的反射弧中，神经中枢都要经过脊髓中特定的运动神经元，并且受到脑部的调控。脊髓中的运动神经元分为α运动神经元和β运动神经元，其中起到主要作用的普遍被认为是α运动神经元。在骨骼肌中，每一根肌纤维其实就是一个肌细胞，而一个肌细胞只能接收某一个α运动神经元的神经冲动。α运动神经元的轴突终末并不是只有一端，而是经过特别的分支形式，以板状的突触连接着多个肌细胞，整体图样看起来形似一串葡萄，这种特别的连接方式在学术上被称作“运动终板”（如图3-3[21]所示）。而这一个α运动神经元与其通过运动终板所连接起来的所有肌细胞，整体被称作一个“运动单元”，因为它们在接受α运动神经元的神经冲动后有着同步的反应。图3-3运动终板概念图与一般反射弧传导神经冲动的过程相同，当α神经元传导出神经冲动到运动终板处时，在突触发生电传导-化学传导-电传导的过程，当化学传导达到阈值，就会在对应肌纤维细胞膜上产生动作电位，并继续扩散，产生该肌纤维的单纤维动作电位。而对于整个运动单位，则会在空间中叠加为运动单位动作电位。而当一个肌肉群在中枢神经系统的调度下进行一系列运动时，就会激发出时间空间各异幅值也不尽相同的运动单位动作电位，组成运动单位动作电位序列（MotorUnitActionPotentialTrains,MUAPTs）。表面肌电信号便是这些电位序列经过人体的各种阻抗后在皮肤电极处叠加而被接收到的结果，如下图3-4[22]所示。图3-4表面肌电信号的采集概念图表面肌电信号的特性作为人体中具有一定科学规律的生物信号，表面肌电信号具有一些特点[1]。（1）幅值小不论是在微观理论上的研究或是宏观实验上的具体数据，都得出了表面肌电信号十分微弱的结果。其在体表的幅值最高大约在几个毫伏，幅度差值（峰-峰值）大致在0到6个毫伏，换算为均方根值大约为0到1.5毫伏。（2）非平稳性如同上一小节所分析的，当肌肉接收神经冲动而发力时，不同的运动单位会按照中枢神经系统的调度，各自激发自身的动作电位，在幅值与相位上具有各自的特点，叠加在采集处自然是一种非平稳的随机信号。（3）互异性对于同一块肌肉而言，在相似的任务之中其表面肌电信号可能相同。但是在不同的任务当中，同一块肌肉也会激发出不同的表面