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表面肌电图在体育领域中的应用进展

  表面肌电图,也称动态肌电图,是肌肉兴奋时所产生的电变化,利用表面电极加以引导、放大、记录后所得到的图形,经过计算机处理为具有对肌肉功能状态特异和敏感的指标,用于评价神经肌肉功能。表面电极可直接置于皮肤表面,使用方便,可用于测试较大范围的肌电信号,并且提供了安全、简便、无创、无痛的客观指标。表面肌电不仅是一种对运动功能有用的诊断方法,同时也是一种较好的生物反馈治疗技术。近年来,表面肌电得到了广泛的应用,如肌肉力量评定、假肢的控制、功能电刺激信号和判断肌肉疲劳程度。如今,表面肌电技术作为重要的科研手段应用于体育领域的运动生物力学研究。

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  表面肌电及肌电测量


  表面肌电图是将单个或多个骨骼肌细胞活动时的生物电变化,以表面电极从运动肌相对应的皮肤表面加以引导、放大、显示和记录所获得的一维时间序列图形,反映了众多运动单位的生物电活动的时间和空间的总和,主要是浅层肌肉的肌电信号和神经干上电活动的综合效应,经计算机处理用来定量分析。


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  表面肌电仪由表面电极、传输导线、放大器、数据储存卡、信号处理器及采集分析软件等组成肌电测量包括联机即时测量和采用记忆卡的脱机无线遥控测量。即使测量,肌电信号采集与信号处理及屏幕显示同步进行,便于调节肌肉收缩强度和运动方式;无线遥控测量可在各种姿势、体位及运动中测量,不受环境限制,先将采集的信号储存在记忆卡里,再转移到计算机进行处理分析。


  影响表面肌电信号的因素比较多,主要体现在:肌电测试技术水平,其包括测试环境条件和使用设备的技术规范;在试验测试程序中,皮肤准备,电极配置、定位和方向及肌肉收缩方式;在信号描述方面,影响因素重要是信号处理;同时神经肌肉系统的生理学特性应将影响表面肌电测量。


  表面肌电图的处理


  原始表面肌电图信号是未经处理的和叠加的运动单位动作电位被放大后的视觉显示形式,包含有最基本的肌电活动信息。利用它可以直接评定肌肉是否被激活参与活动,肌肉活动的时程长短,肌电活动的强度,以及肌肉间的协调模式。利用原始肌电图定性分析肌电活动时程和振幅,用于判定某个动作的主动肌和协同肌、肌肉激活的时序特征和计算肌肉活动反应时等。原始肌电图通过整流和平滑后,是定量分析和计算的基础。


  原始肌电图经过全波整流后得到全波整流肌电图,它把原始肌电图中负电位振幅全部转变为正的电位振幅包括了与原始肌电图一样多的信息。全波整流肌电图可以非常直观地评价一块肌肉的肌电活动强度和波形变化情况,对肌电活动进行更深一步的定量分析计算,也都是基于全波整流肌电图,如积分肌电和幅值计算。


  在肌电测试过程中,如果测试的动作能够重复完成时,经常采用多次重复测试来获取某一变量的平均变化,也即平均模式。平均模式能更好地反映运动时的各个变量的真实情况。通过重复采集同一动作获得的肌电图,再进行肌电信号的平均叠加,使不能重复出现的肌电信号在叠加中削弱了影响,现频率比较高的肌电信号又能得到加强。这样使采集到的肌电信号能更加接近真实肌电活动情况,减小了干扰或噪声的影。经过全波整流后的肌电图信号,用低通滤波器进行滤波平滑处理后,便可得到线性包络肌电图。肌电信号的线性包络线与整流后肌电图的变化趋向一致,可以很好地表示整流肌电图的变化,是进行肌电幅值参数的定量分析和平均计算的依据。


  表面肌电图有关指标及其分析


  对表面肌电信号的分析主要集中在时域和频域两个领域,信号分析的目的在于通过研究表面肌电信号的时、频特征与肌肉结构以及肌肉活动状态和功能状态之间的关联性,探讨表面肌电信号变化的可能原因及应用表面肌电信号的变化有效反映肌肉的活动和功能。随着人们对神经肌肉系统非线性性质认识的深入,人们开始采用非线性数学方法分析肌电信号。


  时域分析是将肌电信号看作时间的函数,通过分析得到肌电信号的某些统计特征,其主要指标有:肌电图积分值、肌电图波幅平均值、肌电图波幅均方根值等。利用时域分析可间接推断肌肉力量。但考虑到肌肉的长度、收缩的形式等因素。时域分析的变异较大,可信度较低。


  频谱分析方法是通过傅立叶变换将时域信号转换为频域信号,对信号进行频谱或功率谱分析,常用快速傅立叶变换(FFT)。其主要指标是中值频率、均值频率、频率范围、最高波峰频率、最高波峰幅值。表面肌电信号的功率谱分析运动单位的募集和肌肉疲劳的研究。使用傅立叶变换研究信号时,要求获得信号信息很难满足,因此采用传统的傅立叶变换实时分析肌电信号受到了限制。


  小波分析是一种把时域和频域结合起来的分析方法,具有可变的时域和频域分析窗口,是肌电信号的实时处理的一条可靠的途径,被称为数学显微镜。小波变换对于不同功能状态下的肌电信号,可以在不同尺度下观察其频率的变化和时间的特性。可以利用小波分析研究了最大自主等动收缩到疲劳时的肌电特征。


  肌电的非线性动力学分析是从一维肌电图时间序列中提取出多维动力系统的信息,如:关联维数、肌电复杂度等。


  世纪天鸿国际集团为美国Delsys表面肌电测试系统大中华区总代理。


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