手指活動(dòng)影響前臂多腱肌運(yùn)動(dòng)單元募集模式的初步研究.pdf

1、人手是最靈巧的運(yùn)動(dòng)器官之一，神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對(duì)手指協(xié)同動(dòng)作及力量的控制是人手靈巧活動(dòng)的重要基礎(chǔ)。神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對(duì)手指活動(dòng)的控制是通過下行神經(jīng)沖動(dòng)經(jīng)α運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元控制相應(yīng)肌肉運(yùn)動(dòng)單元的募集和發(fā)放實(shí)現(xiàn)，而肌肉運(yùn)動(dòng)單元的募集及其動(dòng)作電位的發(fā)放具體表現(xiàn)為可檢測(cè)的肌電信號(hào)，利用肌電信號(hào)評(píng)價(jià)神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對(duì)手指活動(dòng)的控制機(jī)理已成為重要技術(shù)手段之一。sEMG信號(hào)作為一種無創(chuàng)的檢測(cè)方式，隱含了肌肉大量運(yùn)動(dòng)單元的募集信息，提取sEMG信號(hào)運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢坏陌l(fā)放特征

2、，可以更有效、直接地建立神經(jīng)肌肉系統(tǒng)與手指活動(dòng)的映射關(guān)系，且已成為研究手指活動(dòng)調(diào)控機(jī)理的研究熱點(diǎn)。由于手指力量的輸出依賴前臂多腱肌的控制，本課題在不同手指活動(dòng)模式下，提取前臂多腱肌運(yùn)動(dòng)單元募集模式，分析手指活動(dòng)模式對(duì)其影響，借以探索手指活動(dòng)神經(jīng)調(diào)控機(jī)理。
　　 本文首先針對(duì)手指力量信號(hào)的采集設(shè)計(jì)了指力信號(hào)檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)指力信號(hào)的采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)等功能。采用JLBS-Ⅱ型拉壓傳感器將手指力量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)(幅值0～20mV

3、，頻率0～30Hz)，然后經(jīng)由放大電路、低通濾波電路構(gòu)成的信號(hào)調(diào)理電路，將其轉(zhuǎn)換為0～2V的電壓信號(hào)，由USB6008數(shù)據(jù)采集卡將其輸入PC機(jī)，最后利用 LabVIEW指力檢測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。
　　 利用上述指力檢測(cè)裝置采集手指力量信號(hào)的同時(shí)，采用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的陣列電極采集前臂多腱肌指淺屈肌多通道sEMG信號(hào)，分析sEMG信號(hào)特征與手指力量的相關(guān)性，探討不同手指活動(dòng)模式下指淺屈肌運(yùn)動(dòng)單元的募集模式。首先設(shè)計(jì)了食指在6N

4、、8N、10N、12N四個(gè)力量水平下的單指按壓實(shí)驗(yàn)，利用6×2(行×列)電極陣列同步采集6通道指淺屈肌sEMG信號(hào)，提取各通道sEMG信號(hào)時(shí)域特征值RMS，分析手指力量、電極點(diǎn)位置對(duì)RMS的影響，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法的有效性?？紤]受試者個(gè)體差異和實(shí)驗(yàn)條件完備性，修改實(shí)驗(yàn)方案，即食指、中指完成20％MVC、40％MVC、60％MVC三力量水平的力量輸出任務(wù)，利用7×1(行×列)陣列電極同步采集6通道指淺屈肌sEMG信號(hào)。由于sEMG信號(hào)時(shí)域特征

5、值受外周肌肉特征的影響，選用僅與中樞神經(jīng)肌肉控制系統(tǒng)有關(guān)的運(yùn)動(dòng)單元募集參數(shù)，即MUAP發(fā)放數(shù)目、MUAP發(fā)放模式、MUAP發(fā)放間隔，作為研究對(duì)象。利用FastICA算法分解sEMG信號(hào)，結(jié)合人工識(shí)別方法分離出單個(gè)MUAP波形，對(duì)MUAP發(fā)放數(shù)目、MUAP發(fā)放模式和MUAP發(fā)放間隔三個(gè)參數(shù)作統(tǒng)計(jì)分析，分析其與手指活動(dòng)模式的相關(guān)性。
　　 通過分析RMS與手指力量、電極點(diǎn)位置的相關(guān)性以及MUAP發(fā)放數(shù)目、MUAP發(fā)放模式、MUAP發(fā)

6、放間隔與活動(dòng)手指、手指力量的相關(guān)性，得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(1)隨手指力量水平的增加，RMS值，即肌肉激活強(qiáng)度，呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，與前期研究結(jié)果相同，表明本文所采用的實(shí)驗(yàn)方法可有效用于研究手指活動(dòng)的調(diào)控模式；(2)不同電極點(diǎn)，RMS值差異性較大，不同肌肉解剖位置肌肉激活強(qiáng)度不同；(3)指淺屈肌MUAP總發(fā)放數(shù)目隨手指力量的增加呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)；(4)四種類型MUAP的發(fā)放模式在食指、中指活動(dòng)模式下各不相同；(5)相同力量水平下，不同類型MUAP對(duì)

7、手指力量大貢獻(xiàn)率不同；(6)四種類型MUAP的平均發(fā)放間隔滿足理論值；(7)不同類型MUAP發(fā)放率和穩(wěn)定性不同，滿足低閾值運(yùn)動(dòng)單元發(fā)放率慢且發(fā)放穩(wěn)定，高閾值運(yùn)動(dòng)單元發(fā)放率快卻不規(guī)則；(8)食指、中指活動(dòng)模式下，四種類型MUAP發(fā)放模式與手指力量的相關(guān)性同其發(fā)放間隔序列的近似熵值與手指力量的相關(guān)性一致，即運(yùn)動(dòng)單元發(fā)放率越快，其穩(wěn)定性越差。這些初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文采用的實(shí)驗(yàn)裝置可有效檢測(cè)肌肉不同解剖位置肌肉活動(dòng)強(qiáng)度；結(jié)合FastICA算