肌電圖的測定與分析

1、運動生理學實驗理論肌電的測定與分析,運動生理學教研室周越 博士 副教授,2,第一節(jié) 肌電圖的測試分析原理第二節(jié) 表面肌電圖的應(yīng)用第三節(jié) 肌電圖分析軟件的使用,,3,骨骼肌在興奮時，會由于肌纖維動作電位的傳導和擴布而發(fā)生電位變化，這種電位變化稱為肌電。用適當?shù)姆椒▽⒐趋兰∨d奮時發(fā)生的電位變化引導、放大并記錄所得到的圖形，稱為肌電圖。,一、肌電圖定義,4,5,,,6,Noraxon Telemyo 2400T G2 遙測肌電圖儀,

2、,7,引導肌電信號的電極分類：,引導肌電信號的電極可分為兩大類，一類是針電極，另一類是表面電極。,1.針電極,2.表面電極,8,輕度用力時用針電極從20個不同部位記錄到的正常人肱二頭肌的運動單位電位,,,不同程度收縮時骨骼肌肌電圖（表面電極引導）,9,二、EMG信號的特征與處理,幅度范圍：放大前 0–10 mV (+5 to -5) 有效頻率范圍：0 - 500 Hz 主要頻率范圍：50 – 150 Hz,10,信號處理的一

3、般概念,采集頻率信噪比（Signal-to-noise ratio）EMG信號的能量與噪音信號的比例。信號失真（Distortion of the signal）EMG signal should be altered as minimally as possible for accurate representation,11,電信號噪音特征,電子設(shè)備固有噪音所有電器均有，使用高質(zhì)量設(shè)備可減少。頻率范圍：0 – 幾千 Hz

4、。環(huán)境噪音電磁幅射源（無線電廣播、電線、熒光燈）主要頻率：50 Hz幅度：1 – 3倍 EMG signal運動偽跡電極與皮膚、電極線纜可以合適的線路減少頻率范圍：0 – 20 Hz,12,通過電極和放大器減少信號干擾,差動（微分）放大減少電磁輻射噪音雙電極輸入電極的穩(wěn)定性電極的化學穩(wěn)定性電極的移動、排汗、濕度變化等隨著電極品質(zhì)的提高，對皮膚處理、剃除毛發(fā)的要求在下降。,13,差動（微分）放大Differe

5、ntial Amplification,14,EMG 電極的放置 一般在肌腹中間。不要靠近肌腱、不要在肌肉邊緣、要與肌肉平行。,15,不同放置部位的EMG結(jié)果,16,參考電極的放置（接地）,盡可能遠離記錄電極電中性組織 （多骨組織）良好的電極接觸（大尺寸、良好的粘合接觸）,17,濾波器類型,便件濾波器模擬電路：放大器、電阻、電容軟件濾波器數(shù)字濾波器（數(shù)學運算）,18,濾波器的種類,,,,,,,,LP,,,Filt

6、er,20 Hz,250 Hz,低通過濾波Low pass filter (LP),19,,,,,,,,BP,,Filter,20 Hz,250 Hz,帶通濾波Band pass filter (BP),,,,Filter,,20,,,,,BS,20 Hz,250 Hz,帶阻濾波器Band stop filter (BS)Example: 50 Hz filter,,50 Hz,,,21,相位移動Phase Shift,過濾器引

7、起相位改變通過過濾器時，頻率成份的時間延遲也可能會產(chǎn)生波形扭曲通過電路的改進、過濾窗口的選擇去除,,,,,Shift,22,肌電整流類型Rectification,,,,,,,,,,,,,,,,Raw EMG,Full-waveRectified EMG,Half-wave Rectified EMG,,,,Delete,23,積分Integration,,,,,,,,,,,,,,,,Area Under a Curve,,U

8、nits = mV - msec,24,EMG 幅度分析,均方根振幅Root Mean Square,25,過零率Number of Zero Crossings,信號通過零值基線的次數(shù)。在進行FFT運算前曾廣泛應(yīng)用。,26,EMG 頻譜分析Frequency Spectrum,快速傅利葉轉(zhuǎn)換Fast Fourier Transform (FFT)平均功率頻率MPF是所有頻率成份功率的平均值對應(yīng)的頻率。,中位頻率（ Median

9、Frequency）是把功率譜曲線分成功率或面積相同的兩部分的頻率,27,運動單位的同步化Motor Unit Synchronization,非同步化活動減少EMG幅度。,運動單位的同步化增加了EMG幅度,28,運動單位同步化時EMG幅度與力,29,標準化Normalization,是否可以直接比較不同受試者的EMG呢？影響因素不同的肌肉橫斷面不同的肌肉長度不同的快慢肌纖維比例不同的肌纖維募集方式不同的肌纖維激動頻率,30

10、,標準化方法,用最大用力值來標準化用最大用力值的百分比表示亞極量用力，如 50%、75%等。一般用最大隨意收縮（isometric MVC）。,31,MVC 時的股四頭肌積分肌電值= 5.76 mV - msec50% 亞極量收縮時積分肌電值 = 2.13 mV - msec,2.13 mV - msec5.76 mV - msec,,=,,比例:,,.37,,32,電機械延遲Electromechanical Delay (E

11、MD),EMD是指EMG開始到產(chǎn)生力量之間的延遲。延遲的生產(chǎn)與電活動要沿T橫管系統(tǒng)傳入、肌漿網(wǎng)釋放鈣離子、Actin-Myosin crossbridges的形成、一系列彈性成份的牽拉有關(guān)。,33,貓行走時比目魚肌的EMG信號。Force直接從跟腱 (achilles tendon)測得。在EMG開始約70 ms后產(chǎn)生力，EMG結(jié)束后約70時力終止。,34,第一節(jié) 肌電圖的測試分析原理第二節(jié) 表面肌電圖的應(yīng)用第三節(jié) 肌電圖分析軟件

12、的使用,,35,一、利用肌電測定神經(jīng)的傳導速度,如果在神經(jīng)通路的兩個或兩個以上的點上給予電流刺激，從該神經(jīng)所支配的肌肉上記錄誘發(fā)電位，然后根據(jù)下列公式可計算出神經(jīng)的傳導速度。 V=S/t式中:V為神經(jīng)傳導速度，單位為米/秒；t為兩刺激點從刺激開始到肌肉開始收縮的時間差，單位為秒；S為兩刺激點之間的距離，單位為米。,36,尺神經(jīng)運動神經(jīng)傳導速度的測定S1：肘部的刺激電極 S2：腕部的刺激電極 R：記錄電極,37,二

13、、利用肌電圖研究肌肉疲勞,肌肉疲勞時其肌電活動也會發(fā)生變化，因此可以用肌電來研究肌肉疲勞的發(fā)生及機制。(1)肌肉工作過程中肌電幅值的變化 肌電幅值是指肌電信號的振幅大小。在肌電研究過程中，反應(yīng)肌電幅值的指標有積分肌電(EMG)和均方根振幅(RMS)。,38,,,39,在肌肉等長收縮至疲勞的研究過程中發(fā)現(xiàn)，在一定的范圍內(nèi)，肌電幅值隨著肌肉疲勞程度的加深而增加。,不同持續(xù)時間股直肌、股外肌IEMG的增長情況,,40,(2)肌肉工作過程中

14、肌電信號的頻譜變化,在肌肉工作過程中，肌電信號的頻率特性可隨著肌肉的機能狀態(tài)的改變而發(fā)生變化。反應(yīng)肌電信號的頻率特性的指標有平均功率頻率(MPF)和中心頻率(FC)。,肌肉疲勞前后肌電頻率譜變化,41,隨著疲勞程度的加深，肌電信號的頻譜左移，即平均功率頻率降低。,不同持續(xù)時間股直肌、股外肌肌電圖MPF的下降情況,,42,三、利用肌電圖評價肌力,一般情況下，當肌肉以不同的負荷進行收縮時，其肌電信號IEMG同肌力成正比關(guān)系，即肌肉產(chǎn)生的張力

15、越大IEMG越大。,43,,Lippold (1952), Close (1972) & Bigland-Ritchie (1981)認為IEMG與張力是線性關(guān)系。Zuniga and Simmon (1969) & Vrendenbregt and Rau (1973) 認為IEMG與張力是非線性關(guān)系。等長收縮isometric時EMG與力量是線性的，在等張收縮isotonic時是非線性的(Weir et al.,

16、 1992) 。,44,Isometric 與 Isotonic Contractions,45,肌肉力量與肌電的線性關(guān)系,柯菲因(Chaffin)等人發(fā)現(xiàn)當肌肉用40%MVC以下強度收縮時，肌力與肌電呈線性關(guān)系。60%MVC以上強度時，肌力與肌電也呈線性關(guān)系，但此時的直線斜率較大。而肌力在40%-60%MVC時，肌力與肌電之間的線性關(guān)系往往就不存在了。,,46,離心(eccentric)收縮時EMG幅度小于向心(concentric)

17、收縮 (Komi, 1973; Komi et al., 1987),47,在勻速屈肘運動中肌張力與IEMG的關(guān)系 A 的心收縮 B 離心收縮,,48,四、利用肌電圖分析肌纖維類型,不同類型的肌纖維在疲勞時的肌電圖特征也不同。慢肌纖維百分數(shù)較高的受試者（ST%>59）,在各種負荷(30%MVC、50%MVC及79%MVC)至疲勞的工作中,MPF下降斜率比慢肌纖百分數(shù)較低的受試者(ST<49)要低，當負荷增加時更

18、明顯。,49,ST運動單位產(chǎn)生的 EMG信號幅度低、持續(xù)時間長。FT運動單位產(chǎn)生的 EMG信號幅度高、持續(xù)時間短。,50,51,《體育科學》1990年02期,肌纖維組成的無損測定法和儀器 高強;尹吟青;王楠;秦光俠;馬磐研究的目的是探索一種無損測定男青年股外肌肌纖維組成的方法及研制肌纖維組成無損測定儀。由43名受試者取得等長肌力及肌電圖等12項指標,用逐步回歸的方法從上述指標中篩選出與股外肌快肌纖維％(FT％)密切相關(guān)的3

19、項指標,從而建立推測肌纖維組成的三元回歸方程。以該方程為模型,開發(fā)了肌纖維組成測定儀。該儀器所得測試結(jié)果與活檢結(jié)果對比,平均誤差為2.84％(SD=2.48％),有較高的精確性。本研究可取代活檢方法,用于運動選才。【作者單位】：北京體育學院;北京體育學院;北京體育學院;天津大學;天津大學,52,,,53,《中國運動醫(yī)學雜志》1990年03期,8—17歲兒童少年股外肌肌纖維組成最大等長伸膝力量、相對肌力及肌圍的研究 尹吟青,王

20、立山,王瑋,田野,劉沙,高強本文用活檢--組化方法對153名8～17歲兒童少年(男80人,女73人)做了股外肌快肌纖維%(FT%)的研究,并同時測定了最大等長伸膝力量(MVC)、相對肌力(RMVC)及肌圍(活檢處腿圍,C)。實驗發(fā)現(xiàn)男、女兒童及全體FT%均呈近似常態(tài)分布。且性別間也無顯著差異(P>0.05)。還發(fā)現(xiàn)8～17歲兒童少年的MVC、RMVC及C均隨年齡增長而增大。肌力(MVC及RMVC)與股外肌FT%間只有低度相關(guān)(r

21、=0.23,r=0.30;P<0.05),而肌力(MVC)與肌圍間卻有密切相關(guān)(r=0.69,P<0.01)。,54,五、利用肌電進行動作分析,在運動過程中可用多導肌電記錄儀將肌電記錄下來。然后，根據(jù)運動中每塊肌肉的放電順序和肌電幅度，結(jié)合高速攝像等技術(shù)，對運動員的動作進行分析診斷。 分析某項運動技術(shù)，找出在完成該項動作時有哪些肌肉參加；各個肌肉用力程度怎樣；順序如何；直接為科學地安排教學與訓練提供依據(jù)。,55,繞螺時的肌

22、電變化,56,,57,,58,,某受試者40cm下落跳時股外肌(EMG1)、股二頭肌(EMG2)肌電圖和測力臺同步記錄到的對地面垂直作用力(Fz)示意圖,,59,上體豎直作主動起蹲時股四頭肌的肌電圖（2毫伏、400毫秒）1.股外?。?.股直??；3.股內(nèi)肌,60,國家隊射箭運動員動作技術(shù)的肌電特性,中國體育科技 2007年6期張秀麗 劉卉 劉學貞運用美國產(chǎn)Noraxon表面肌電遙測系統(tǒng)對國家射箭隊男、女各12名運動員進行測試。國家

23、射箭隊運動員在射箭動作的不同階段尚存在部分不合理的肌肉用力特點。相對來說,無論是舉弓時的肌肉激活順序、主要肌肉用力特點,還是動作的一致性,均是女子運動員較男子運動員合理。以肌電RMS幅值的“標準差與平均數(shù)的比值”這個派生指標對運動員進行多支箭肌肉用力的一致性評價較合理。,61,振動與非振動力量練習時肌電圖變化的比較研究,西安體育學院學報  2004 21(4)許以誠 高炳宏 劉文海 米衛(wèi)國（上海體育科學研究所）

24、 受試者在振動和非振動條件下,分別以動力性和靜力性兩種不同方式的進行屈肘練習,練習時施加不同的負荷,測試肱二頭肌、屈腕肌和肱三頭肌、伸腕肌的肌電圖.負荷與肌肉收縮的方式相同時,振動條件下主動肌的肌電IEMG/s值都比非振動時大；動力性收縮時,振動輕負荷與非振動重負荷時IEMG/s值相差不大。這說明,在振動條件下進行力量訓練,能夠募集更多的運動單位參與收縮,提高肌肉的興奮水平。,62,,,63,六、其他應(yīng)用Myomo e100：

25、修復身體運動機能,,戴起來像一個手臂護套一樣，myomo e100 神經(jīng)機器人系統(tǒng)用EMG 傳感器探測電子肌肉活動并觸發(fā)刺激器幫助中風患者手臂重新恢復運動。,64,,,65,假肢手的控制,,66,A指淺屈肌、指深屈肌B屈拇長肌,A指伸肌B拇長伸肌、拇短伸肌C食指伸肌 D.小指伸肌,67,EMG Signal Processing:System Flowchart,68,計算機鼠標的生理學控制EOG 眼電圖：在視網(wǎng)膜色素上皮和

26、光感受器細胞之間存在的視網(wǎng)膜靜電位。于暗、明適應(yīng)條件下在被檢者內(nèi)、外眥角各置一電極所檢測到的電流隨眼球的轉(zhuǎn)動而變化，記錄下來的電位就是眼電圖。,69,微軟研究院打算申請的專利--將EMG連結(jié)手臂肌肉，感應(yīng)手指的動作，解讀復雜的手勢，進而遙控打開車門或是控制隨身聽。 人機輸入界面-游戲(空氣吉他) 應(yīng)用。,70,高跟鞋對步態(tài)、姿態(tài)及下肢的影響,高跟鞋在給予穿著者美感的同時,會引發(fā)拇外翻、小趾內(nèi)翻、胼胝、跟腱炎等足部疾病。通過步態(tài)分析、

27、足底壓力分析、下肢肌電信號測量分析,了解不同高度的鞋跟對人體步態(tài)、姿態(tài)和對足、踝、膝、髖和脊柱的影響及作用機制。穿著高跟鞋改變足底壓力水平及其分布，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)彎曲角度有明顯不同，且步幅、步長、最大膝曲屈角、踝關(guān)節(jié)彎曲角度等都有顯著變化。,71,,,72,肌肉疲勞時肌氧與EMG參數(shù)的變化及其內(nèi)在聯(lián)系,玉林師范學院學報 2006年 第27卷 第03期 作者: 李秀榮, 陸世添探討運動肌肉疲勞是否是由缺氧引起。發(fā)現(xiàn)肌氧含量與IEM

28、G呈顯著負相關(guān)(r=-0.852～-0.986)。說明肌肉活動取決于局部氧代謝狀況,缺氧可能是導致肌肉疲勞的主要因素。,73,第一節(jié) 肌電圖的測試分析原理第二節(jié) 表面肌電圖的應(yīng)用第三節(jié) 肌電圖分析軟件的使用,,74,,,75,,,76,,,77,,,78,Data Analysis,Graphical and numerical display of Basic results    —

29、Cumulative amplitude distributions     — Work / loading - bilateral differences     — Onset slope with activation times     — Activation order   &

30、#160; — Onset times     — Peak values     — Physiologic gaps - level, density, duration     — Marker events     — Cursor analysis,Z

31、oom in, zoom out Selectable areas of interest Spectrum Analysis, Fast Fourier Transform (FFT) showing median frequency, mean power frequency and zero crossing rate    — Single spectrum  

32、 — Average spectrum   — Fatigue test Normative database of fatigue tests Follow-up analysis with trend reports,79,80,利用BL-420S測試分析肌力與肌電圖關(guān)系,成都泰盟科技有限公司BL-420S生物信號處理儀連接好儀器，1通道接尺側(cè)腕屈肌，2通過接橈側(cè)腕屈肌，3通

33、道接張力傳感器。參數(shù)設(shè)置：1、2通道靈敏度（G）1mv,時間常數(shù)（T）0.02,高通濾波（F）1000hz，掃描速度250ms/div。3通道靈敏度（G）20mv,時間常數(shù)（T）DC,高通濾波（F）20hz，掃描速度250ms/div。,81,,最大力量測試：盡力握握力傳感器，記錄3通道曲線的格數(shù)，此時為最大負荷，然后，以此格數(shù)的80%，60%，40%，20%，握握力傳感器，測試完畢保存實驗結(jié)果。注意：兩個負荷間間隔時間不要太

34、短，防止肌肉疲勞；每個負荷至少持續(xù)1S。,82,,實驗數(shù)據(jù)處理：從BL-420S生物信號處理系統(tǒng)的文件菜單打開保存文件，打開excel表格，點擊區(qū)間測量。測量各負荷下，1，2通道1s曲線的的面積（積分肌電）。在退出TM_WAVE程序之前，可以最小化Excel應(yīng)用程序，但不要關(guān)閉。,83,參考文獻,Loeb, G.E., Gans, C. (1986) Electromyography for Experimentalists.

35、The University of Chicago Press, Chicago, ILBasmajian, J.V., DeLuca, C.J. (1985) Muscles Alive. Williams & Wilkins, Baltimore, MDMoshou, D., Hostens, I., Ramon, H. (2000) Wavelets and Self-Organizing Maps in El

36、ectromyogram Analysis. Katholieke Universiteit LeuvenDeLuca, C.J. (1993) The Use of Surface Electromyography in Biomechanics. Neuro Muscular Research Center, Boston UniversityDeLuca, C.J. (2002) Surface Electromyogr