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![]() 采用阵列电极记录前臂肌肉 FDS sEMG信号, 提取 sEMG 信号特征值 RMS, 分析其与食指力量 水平的相关性, 研究不同解剖位置处运动单位的募 集情况。 1 方法 实验对象 8名大学生志愿者,其中男性4名,女性4名,受试 者年龄在20~24岁之间,身体健康,实验前两天没有进行高 强度运动,没有运动神经类疾病, 对实验过程知晓。 实验内容 受试者掌心向下, 拇指内收,1~4 放传感器上,按要求依次完成 1012 个不同水平的单指力量跟踪实验。实验过程中, 为受者提供目标力量曲线, 并实时反馈实际指力的大, 使其尽力模仿目标线完成任务, 完成一轮6 1012 N的力量跟踪实验为一组, 重复5 min实验前, 每个受试者有熟悉实验过程的练环节 避免实验中受试者产生适应性,测试完成任务的顺序是随机的 实验设备及参数 采用表面阵列电极和 RM6280C 多道生理参数记录仪记录前臂指浅屈肌(FDS)表面肌 电信号及力量传感器的输出电压, 其中电极是直径 2mm镀金圆电极组成的 各电极中心距为3mm, 沿肌纤维方向贴于前 记录仪信号采样率设为2000 Hz。 2 数据处理 实验中采用在时域范围内对 sEMG 信号进行分析。 信号段选取 根据生理记录仪6280 记录软件中的标定结果, 将指力传感器的输出电压转换为力量曲线, 选择长度为1 25N%范围内波动的力量平稳段,将该段 sEMG 信号用于分析。 滤波处理 在Matlab7.0中,用椭圆滤波器对原始sEMG 号进行带通滤波,计算各通道滤波处理后sEMG 信号 RMS 值。首先以500 点为一个时间窗, 窗不重叠, 将经过滤波处 sEMG信号分成4段,分别计算每段的RMS值。 3 结果 计算出每个受试者所有动作的 RMS 然后对每一力量水平下重复5 次的特征值数据取平均。图 显示了各通道sEMG 信号RMS 值在不同力量水平下的幅值变化。
![]() 各通道sEMG 信号 RMS 值随力量水平变化 图2显示了不同电极点位置记录的sEMG 信号RMS 量水平变化的变化曲线,可知, 在食指活动模式下, 通道2 记录的 sEMG 信号对力量变化最敏感, 通道5 次之, 其余四 个通道 RMS 对力量敏感度较差。 通道2和通道5的RMS对力量水平的灵敏度几乎为其他通道的两倍。
![]() 各通道sEMG 信号 RMS 随力量水平变化曲线 4讨论 各通道 sEMG 信号 RMS 随力量水平增加呈现递增趋势 通过图 观察发现,不同电极点位置记录到的sEMG 信号 RMS 均随力量水平的增加而增加。 Reiners 等用针电极观察到肌肉运动单位的发放率均随 肌肉力量的增加而呈现递增趋势, 当肌肉收缩力量较小时, 低阈值的运动单位被募集, 其发放率较低, 产生的动作电 位较小;当肌肉收缩力量较大时, 阈值较高的运动单位被募 高阈值运动单位发放率更快,也较不规则, 电极测得 的动作电位较大[12]。 另外, 以传统双电极结构也记录到 sEMG 信号的幅度 (RMS)随力量增加而增加的变化趋势。 这说明随力量水平增加而募集的高阈值、 高发放率的运 动单元的电活动通过肌肉组织和皮肤的传导与综合, 也显著 地表现为 sEMG 信号幅值的增加;而本研究通过阵列电极采集 二维 sEMG 信号进一步证实, 与力量水平相关的运动单元募 集模式及其电活动水平还体现在肌肉表面不同解剖位置的电 活动强度变化, 即随肌肉收缩力量的增加, 肌肉表面不同 解剖位置的 sEMG 幅值将同步增强。 神经纤维产生兴奋和传导符合“0”或“1”的规律,只有“有” 或“无”,没有强弱之分,为什么在刺激时却有强弱的感觉,过 强时还会疼痛难忍呢?因为负脉冲作用时,实际上同时刺激多束 神经纤维共同产生兴奋和传导,如不同粗细的纤维,传入和传出 纤维,还刺激肌肉收缩,而收缩本身又会激发其他感受器(包括 痛觉感受器)向中枢发出信号,因此感觉是很复杂的。 2 FDS不同空间解剖结构处 RMS 存在差异 从图2中可以观察到,相同力量水平下, FDS 不同空间 解剖结构处电极记录到的 sEMG 信号 RMS差异性较大。 图3给出了实验中阵列电极放置于指浅屈肌的示意图表1中为各通道sEMG 信号 RMS的均值和方差, 当肌肉以 一定力量收缩时, 相应的运动单位发生募集, 动作电位由 神经支配区域沿肌纤维向两侧传输, 神经支配区域和肌腱附 近的动作电位较低,而处于中间区域的动作电位相对较大。
![]() 由图1可知,不考虑不同 FDS 解剖位置的影响, 所有通道 sEMG信号 RMS 均随力量水平的增加而增加。 同时,电极在 FDS 不同空间解剖位置记录到的sEMG 信号 RMS 幅值不同。各通道记录到的 sEMG信号 RMS 幅值大小 差异性较大,表1给出了各通道 sEMG 信号 RMS 值的均值与 标准差, 可观察到通道2 和通道5 RMS幅值均值和标准差 以及方差均较其他通道大。
![]() 5 结论 本研究利用阵列电极, 在食指单指力量输出实验中, 多点采集 FDS 高密度 sEMG 信号, 提取 sEMG信号 RMS, 分析其随力量水平的变化情况。 研究结果表明, RMS 幅值随手指力量水平的增加呈现 出递增趋势, 可作为 sEMG 信号的特征值, 用于反映肌肉 活动水平; FDS 不仅存在不同的功能分区, 对于同一功能分区, 不同解剖位置参与手指活动控制程度不同。 本研究虽然是小样本量的探索研究, 但证实了阵列电极 可用于检测 FDS 肌电活动的空间信息, 估计 FDS 的空间激 活特性及对手指的控制模式, 为进一步研究前臂肌肉的空间 活动模式提供技术支持。
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