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表面肌電圖在體育領域中的應用進展

  表面肌電圖,也稱動態肌電圖,是肌肉興奮時所產生的電變化,利用表面電極加以引導、放大、記錄后所得到的圖形,經過計算機處理為具有對肌肉功能狀態特異和敏感的指標,用于評價神經肌肉功能。表面電極可直接置于皮膚表面,使用方便,可用于測試較大范圍的肌電信號,并且提供了安全、簡便、無創、無痛的客觀指標。表面肌電不僅是一種對運動功能有用的診斷方法,同時也是一種較好的生物反饋治療技術。近年來,表面肌電得到了廣泛的應用,如肌肉力量評定、假肢的控制、功能電刺激信號和判斷肌肉疲勞程度。如今,表面肌電技術作為重要的科研手段應用于體育領域的運動生物力學研究。

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  表面肌電及肌電測量


  表面肌電圖是將單個或多個骨骼肌細胞活動時的生物電變化,以表面電極從運動肌相對應的皮膚表面加以引導、放大、顯示和記錄所獲得的一維時間序列圖形,反映了眾多運動單位的生物電活動的時間和空間的總和,主要是淺層肌肉的肌電信號和神經干上電活動的綜合效應,經計算機處理用來定量分析。


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  表面肌電儀由表面電極、傳輸導線、放大器、數據儲存卡、信號處理器及采集分析軟件等組成肌電測量包括聯機即時測量和采用記憶卡的脫機無線遙控測量。即使測量,肌電信號采集與信號處理及屏幕顯示同步進行,便于調節肌肉收縮強度和運動方式;無線遙控測量可在各種姿勢、體位及運動中測量,不受環境限制,先將采集的信號儲存在記憶卡里,再轉移到計算機進行處理分析。


  影響表面肌電信號的因素比較多,主要體現在:肌電測試技術水平,其包括測試環境條件和使用設備的技術規范;在試驗測試程序中,皮膚準備,電極配置、定位和方向及肌肉收縮方式;在信號描述方面,影響因素重要是信號處理;同時神經肌肉系統的生理學特性應將影響表面肌電測量。


  表面肌電圖的處理


  原始表面肌電圖信號是未經處理的和疊加的運動單位動作電位被放大后的視覺顯示形式,包含有最基本的肌電活動信息。利用它可以直接評定肌肉是否被激活參與活動,肌肉活動的時程長短,肌電活動的強度,以及肌肉間的協調模式。利用原始肌電圖定性分析肌電活動時程和振幅,用于判定某個動作的主動肌和協同肌、肌肉激活的時序特征和計算肌肉活動反應時等。原始肌電圖通過整流和平滑后,是定量分析和計算的基礎。


  原始肌電圖經過全波整流后得到全波整流肌電圖,它把原始肌電圖中負電位振幅全部轉變為正的電位振幅包括了與原始肌電圖一樣多的信息。全波整流肌電圖可以非常直觀地評價一塊肌肉的肌電活動強度和波形變化情況,對肌電活動進行更深一步的定量分析計算,也都是基于全波整流肌電圖,如積分肌電和幅值計算。


  在肌電測試過程中,如果測試的動作能夠重復完成時,經常采用多次重復測試來獲取某一變量的平均變化,也即平均模式。平均模式能更好地反映運動時的各個變量的真實情況。通過重復采集同一動作獲得的肌電圖,再進行肌電信號的平均疊加,使不能重復出現的肌電信號在疊加中削弱了影響,現頻率比較高的肌電信號又能得到加強。這樣使采集到的肌電信號能更加接近真實肌電活動情況,減小了干擾或噪聲的影。經過全波整流后的肌電圖信號,用低通濾波器進行濾波平滑處理后,便可得到線性包絡肌電圖。肌電信號的線性包絡線與整流后肌電圖的變化趨向一致,可以很好地表示整流肌電圖的變化,是進行肌電幅值參數的定量分析和平均計算的依據。


  表面肌電圖有關指標及其分析


  對表面肌電信號的分析主要集中在時域和頻域兩個領域,信號分析的目的在于通過研究表面肌電信號的時、頻特征與肌肉結構以及肌肉活動狀態和功能狀態之間的關聯性,探討表面肌電信號變化的可能原因及應用表面肌電信號的變化有效反映肌肉的活動和功能。隨著人們對神經肌肉系統非線性性質認識的深入,人們開始采用非線性數學方法分析肌電信號。


  時域分析是將肌電信號看作時間的函數,通過分析得到肌電信號的某些統計特征,其主要指標有:肌電圖積分值、肌電圖波幅平均值、肌電圖波幅均方根值等。利用時域分析可間接推斷肌肉力量。但考慮到肌肉的長度、收縮的形式等因素。時域分析的變異較大,可信度較低。


  頻譜分析方法是通過傅立葉變換將時域信號轉換為頻域信號,對信號進行頻譜或功率譜分析,常用快速傅立葉變換(FFT)。其主要指標是中值頻率、均值頻率、頻率范圍、最高波峰頻率、最高波峰幅值。表面肌電信號的功率譜分析運動單位的募集和肌肉疲勞的研究。使用傅立葉變換研究信號時,要求獲得信號信息很難滿足,因此采用傳統的傅立葉變換實時分析肌電信號受到了限制。


  小波分析是一種把時域和頻域結合起來的分析方法,具有可變的時域和頻域分析窗口,是肌電信號的實時處理的一條可靠的途徑,被稱為數學顯微鏡。小波變換對于不同功能狀態下的肌電信號,可以在不同尺度下觀察其頻率的變化和時間的特性。可以利用小波分析研究了最大自主等動收縮到疲勞時的肌電特征。


  肌電的非線性動力學分析是從一維肌電圖時間序列中提取出多維動力系統的信息,如:關聯維數、肌電復雜度等。


  世紀天鴻國際集團為美國Delsys表面肌電測試系統大中華區總代理。


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