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肌電表面電極的應用舉例

  

  采用陣列電極記錄前臂肌肉 FDS sEMG信號, 提取 sEMG 信號特征值 RMS, 分析其與食指力量 水平的相關性, 研究不同解剖位置處運動單位的募 集情況。

  1 方法

  實驗對象 8名大學生志愿者,其中男性4名,女性4名,受試 者年齡在20~24歲之間,身體健康,實驗前兩天沒有進行高 強度運動,沒有運動神經類疾病, 對實驗過程知曉。

  實驗內容 受試者掌心向下, 拇指內收,1~4 放傳感器上,按要求依次完成 1012 個不同水平的單指力量跟蹤實驗。實驗過程中, 為受者提供目標力量曲線, 并實時反饋實際指力的大, 使其盡力模仿目標線完成任務, 完成一輪6 1012 N的力量跟蹤實驗為一組, 重復5 min實驗前, 每個受試者有熟悉實驗過程的練環節 避免實驗中受試者產生適應性,測試完成任務的順序是隨機的

  實驗設備及參數 采用表面陣列電極和 RM6280C 多道生理參數記錄儀記錄前臂指淺屈肌(FDS)表面肌 電信號及力量傳感器的輸出電壓, 其中電極是直徑 2mm鍍金圓電極組成的 各電極中心距為3mm, 沿肌纖維方向貼于前 記錄儀信號采樣率設為2000 Hz。

  2 數據處理

  實驗中采用在時域范圍內對 sEMG 信號進行分析。 信號段選取 根據生理記錄儀6280 記錄軟件中的標定結果, 將指力傳感器的輸出電壓轉換為力量曲線, 選擇長度為1 25N%范圍內波動的力量平穩段,將該段 sEMG 信號用于分析。

  濾波處理 在Matlab7.0中,用橢圓濾波器對原始sEMG 號進行帶通濾波,計算各通道濾波處理后sEMG 信號 RMS 值。首先以500 點為一個時間窗, 窗不重疊, 將經過濾波處 sEMG信號分成4段,分別計算每段的RMS值。

  3 結果

  計算出每個受試者所有動作的 RMS 然后對每一力量水平下重復5 次的特征值數據取平均。圖 顯示了各通道sEMG 信號RMS 值在不同力量水平下的幅值變化。

  


  各通道sEMG 信號 RMS 值隨力量水平變化

  圖2顯示了不同電極點位置記錄的sEMG 信號RMS 量水平變化的變化曲線,可知, 在食指活動模式下, 通道2 記錄的 sEMG 信號對力量變化最敏感, 通道5 次之, 其余四 個通道 RMS 對力量敏感度較差。 通道2和通道5的RMS對力量水平的靈敏度幾乎為其他通道的兩倍。

  


  各通道sEMG 信號 RMS 隨力量水平變化曲線

  4討論

  各通道 sEMG 信號 RMS 隨力量水平增加呈現遞增趨勢 通過圖 觀察發現,不同電極點位置記錄到的sEMG 信號 RMS 均隨力量水平的增加而增加。

  Reiners 等用針電極觀察到肌肉運動單位的發放率均隨 肌肉力量的增加而呈現遞增趨勢, 當肌肉收縮力量較小時, 低閾值的運動單位被募集, 其發放率較低, 產生的動作電 位較小;當肌肉收縮力量較大時, 閾值較高的運動單位被募 高閾值運動單位發放率更快,也較不規則, 電極測得 的動作電位較大[12]。

  另外, 以傳統雙電極結構也記錄到 sEMG 信號的幅度 (RMS)隨力量增加而增加的變化趨勢。

  這說明隨力量水平增加而募集的高閾值、 高發放率的運 動單元的電活動通過肌肉組織和皮膚的傳導與綜合, 也顯著 地表現為 sEMG 信號幅值的增加;而本研究通過陣列電極采集 二維 sEMG 信號進一步證實, 與力量水平相關的運動單元募 集模式及其電活動水平還體現在肌肉表面不同解剖位置的電 活動強度變化, 即隨肌肉收縮力量的增加, 肌肉表面不同 解剖位置的 sEMG 幅值將同步增強。

  神經纖維產生興奮和傳導符合“0”或“1”的規律,只有“有” 或“無”,沒有強弱之分,為什么在刺激時卻有強弱的感覺,過 強時還會疼痛難忍呢?因為負脈沖作用時,實際上同時刺激多束 神經纖維共同產生興奮和傳導,如不同粗細的纖維,傳入和傳出 纖維,還刺激肌肉收縮,而收縮本身又會激發其他感受器(包括 痛覺感受器)向中樞發出信號,因此感覺是很復雜的。

  2 FDS不同空間解剖結構處 RMS 存在差異

  從圖2中可以觀察到,相同力量水平下, FDS 不同空間 解剖結構處電極記錄到的 sEMG 信號 RMS差異性較大。

  圖3給出了實驗中陣列電極放置于指淺屈肌的示意圖表1中為各通道sEMG 信號 RMS的均值和方差, 當肌肉以 一定力量收縮時, 相應的運動單位發生募集, 動作電位由 神經支配區域沿肌纖維向兩側傳輸, 神經支配區域和肌腱附 近的動作電位較低,而處于中間區域的動作電位相對較大。

  


  由圖1可知,不考慮不同 FDS 解剖位置的影響, 所有通道 sEMG信號 RMS 均隨力量水平的增加而增加。 同時,電極在 FDS 不同空間解剖位置記錄到的sEMG 信號 RMS 幅值不同。各通道記錄到的 sEMG信號 RMS 幅值大小 差異性較大,表1給出了各通道 sEMG 信號 RMS 值的均值與 標準差, 可觀察到通道2 和通道5 RMS幅值均值和標準差 以及方差均較其他通道大。

  


  5 結論

  本研究利用陣列電極, 在食指單指力量輸出實驗中, 多點采集 FDS 高密度 sEMG 信號, 提取 sEMG信號 RMS, 分析其隨力量水平的變化情況。

  研究結果表明, RMS 幅值隨手指力量水平的增加呈現 出遞增趨勢, 可作為 sEMG 信號的特征值, 用于反映肌肉 活動水平;

  FDS 不僅存在不同的功能分區, 對于同一功能分區, 不同解剖位置參與手指活動控制程度不同。

  本研究雖然是小樣本量的探索研究, 但證實了陣列電極 可用于檢測 FDS 肌電活動的空間信息, 估計 FDS 的空間激 活特性及對手指的控制模式, 為進一步研究前臂肌肉的空間 活動模式提供技術支持。

  


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