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【INFO研究圈】一文详解sEMG表面肌电

20世纪以来,随着非损伤性电极的应用和电子计算机的发展及生理生化研究的进展,表面肌电图的研究也日益深入起来,目前表面肌电图是唯一能够让康复医生在动态情况下研究患者肌肉功能实际情况的手段。

肌电图(electromyogram,EMG)是指用肌电仪记录下来的肌肉生物电图形,对评价人在人机系统中的活动具有重要意义,可以通过专用的肌电仪或多导生理仪进行测量。

它基于一个简单的传导过程:每当肌肉收缩时,就会产生电活动,该电活动通过相邻的组织和骨骼传导,然后被相邻皮肤区域上的电极片记录下来。

肌肉如何运动?

这个过程是从大脑开始的,触发肌肉运动始于发送肌肉运动指令的运动皮层,其中神经活动(一系列动作电位)向脊髓发出信号,将有关运动的信息通过运动神经元传递至相关肌肉。这是上运动神经元把信号传递给下运动神经元的过程。

大脑皮层运动区,包括初级运动皮层、前运动皮层和辅助运动皮层

下运动神经元是肌肉运动的直接原因,因为它们直接在神经肌肉接头处对肌肉进行神经支配。这种神经支配会导致肌肉中钙离子的释放,最终在肌肉张力中产生机械性变化,由于此过程涉及去极化(电化学梯度的变化),因此可以通过EMG来检测电流差。

EMG提供了什么信息?

由于EMG活动(以微伏为单位)与肌肉收缩量以及收缩肌的数量呈线性相关,换句话说,肌肉收缩越强烈,激活的肌肉中运动单位的数量越多,记录的电压振幅就越高。


肌电图作为衡量运动单位活动的指标

当我们没有做出明显的动作或是没有抑制某些行为时,肌电活动也可以被测量,因此,肌电记录是认知行为过程中的一个额外的信息来源,而这些信息仅仅通过观察是无法获取的。

先前的研究表明,肌肉的肌电图和运动皮层的脑电图之间存在密切的耦合关系,这反映在信号特征的显著相关性上,例如12 – 25 Hzβ频带中的频率、功率和相位。

表面肌电图

什么是表面肌电?

表面肌电信号(Surface electromyography,sEMG)是浅层肌肉EMG和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应,其信号是神经肌肉系统在进行随意性和非随意性活动时的生物电变化经表面电极引导、放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号,振幅约为0—5000μV,频率为30—350Hz,能在一定程度上反映神经肌肉的活动。

表面肌电如何产生?

sEMG信号源于大脑运动皮层控制之下的脊髓α运动神经元的生物电活动,形成于众多外周运动单位电位在时间和空间上的总和,信号的振幅和频率特征变化取决于不同肌肉活动水平和功能状态下的运动单位活动同步化、肌纤维募集,以及和肌纤维兴奋传导速度下降等生理性因素以及探测电极位置、信号串线(cross talk)、皮肤温度、肌肉长度,以及肌肉收缩方式等测量性因素的共同作用。


sEMG信号收集产生过程

相对于针电极EMG,sEMG在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点 。因而,SEMG在临床医学、康复医学以及体育科学等方面均有重要的实用价值,并且SEMG是目前唯一能够让康复医生在动态情况下研究患者肌肉功能实际情况的手段。

常见指标

均方根值(root mean square, RMS)、积分肌电值(integrated electromyography,IEMG)或平均肌电值(averaged electromyography, AEMG):反映局部肌肉运动单位动员或者募集程度

中位频率(media frequency, MF)或者平均功率频率(mean power frequency, MPF):反映局部肌肉疲劳程度

RMS/force、IEMG/force 或者 AEMG/force 比值:反映神经肌肉工作效率程度

转折点和零交点:描述肌电信号的频域特征最简单的方法之一是通过数尖峰数量,信号每改变一次方向,一个新的转折点将产生,肌电图中每单位时间里峰值的转折数量是对该信号频率成分的估计,同样,也可以通过数信号穿过零基线的次数,零交点的数量也是频率成分的有效估计。临床中,转折点和零交点经常用来描述潜在的神经肌肉病症(Havward 1983: Ronager et al. 1989)。

小波分析:时域分析和频域分析结合起来的分析方法,其时域和频域分析窗口可根据肌电信号的实际情况发生改变,为信号的实时处理提供了一条可靠的途径。

表面肌电的应用

由于以上这些常见指标能够反映肌肉疲劳的真实情况,因此表面肌电主要应用于临床康复及运动科学的研究。

临床领域:表面肌电在临床方面主要应用于慢性非特异性腰痛、椎旁肌病理改变与脊柱侧凸、脑卒中患者神经肌肉功能及其康复、帕金森、吞咽障碍等临床医学及康复的监测及评估工作。


表面肌电设备Cometa在网球训练记录IMU和EMG

运动科学:表面肌电可很好的表现肌肉在运动时的发力特征,具有直观、快速、现场反馈的特点,同时还可以与其他运动测量方法同步分析。在运动科学领域的应用主要包括对比不同动作或负荷对同一肌肉的刺激程度、侦测不同肌肉间的协调性与时序性、对比左右侧平衡以纠正动作和预防损伤、运动康复与诊断功能等。

如何选择合适的表面肌电设备

一般选择表面肌电设备需考虑两个因素,一个是环境因素,一个是测试精度。

如果需要高密度记录肌电信号,对精度要求比较高,则可选择较多通道数和比较高的采样频率的表面肌电设备,如高密度表面肌电测试系统SAGA EMG。SAGA32+ / SAGA 64+ 32通道/64通道高密度肌电测试系统, 可在运动场景下进行测试,能主动屏蔽技术去除环境噪音干扰和电极线扰动的干扰。


高密度表面肌电测试系统SAGA EMG

如果需进行远距离控制测量,测试时间长,应用于户外的一些困难测试场景则可选择无线表面肌电测试系统Cometa MiniWave。其传感器内置存储器支持8小时本地数据存储、无须电脑PC就可以远距离控制开始/停止采集、即使在系统超出控制范围时依然可以同步采集数据。


无线表面肌电测试系统Cometa PicoEMG

如果需进行长时间步态测试及对儿童进行肌电测试,则可选择无线表面肌电测试系统Cometa PicoEMG,PicoEMG体积小重量仅为7.6g,这样小巧的体积使它十分适用于儿童肌电测试,并且整个传感器没有任何导线,消除了天线影响,对称式结构的设计大大减少了运动伪迹,这使得它十分适用于步态测试,同时由于电池续航时间长,甚至可以进行全天的步态测试。


无线表面肌电测试系统Cometa PicoEMG

如何使用表面肌电

● 表面肌电图是一种完全无创的技术,可让您轻松地将带 有贴纸的肌电图电极放置在皮肤上;
● 由于这些电极是非侵入性的,因此sEMG是一种理想的监测生理过程的方法,而不干扰既定的常规和运动模式;
● 放置电极时需要一定程度的解剖学知识,只有知道特定动作所涉及的肌肉状态,才能获得有效和可靠的信号;
● sEMG数据是作为测试记录点和参考点之间的电压差收集的,因此选择合适的参考点与实际测试记录点一样重要;
● 为了最大程度地减少周围电源的干扰,请使连接记录电极和放大器/记录设备的电缆的长度尽可能短;
● 为了获得高质量的数据,要经常清洁记录电极,并用酒精擦拭清洁。

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