肌肉兴奋时人体肌电信号的研究

在肌肉骨骼疾病(腰椎或颈椎综合征等)的康复和预防方面，非常需求高质量且符合生物力学的训练设备。这些设备是一个合格的治疗机构最重要的支柱之一。在托拜厄斯·沃恩的学士论文中，他使用测量肌电图的方法来测试不同的力量装置是如何激活肌肉的。

图1:来自不同肌纤维的几个电脉冲的叠加

肌电图(Electromyography，简称EMG)让“观察肌肉”成为可能。EMG测量在动作电位(AP)存在时产生的偶极电压。在这个区域，每一块肌肉的工作方式都是一样的。如果一个从大脑而来的信号刺激(动作电位)通过骨骼肌的神经束传播，下列过程将以不同的强度产生：传入的刺激通过突触间隙和神经递质传递到运动终板的肌肉纤维，由于受到刺激，此处钙离子的浓度发生变化，细胞膜的“门”短暂地开启。在电压水平方面，这会导致细胞从静止膜电位-80 mV到大约+30 mV的再极化。这恰好证明了可以通过电极在肌肉表面测量的电压。此外，被控肌肉中所有被控肌纤维的所有电场都是叠加的(图1)。如果肌肉被激活，就会导致张力的变化，进一步导致肌肉中最小单位(肌节)的收缩。这就会在关节中产生一个力的扭矩，使得人体的每个关节都能进行有针对性的运动。

肌肉活化检查

实验将利用来自躯干区域5个不同肌肉群(2块背伸肌、1块侧弯肌和2块腹肌)的肌电图信号，研究不同的力量装置如何控制和激活这些肌肉。在治疗过程中，只有实现目标肌肉组织清洁活化的训练设备才能实现有效和有目的的使用。最后，在治疗期间的干预应使可能太弱、过度紧张或萎缩的肌肉有可能强化，并使它们的负荷达到最大的活动范围，从而使它们进入积极的调整状态。这种针对性的训练可以提高肌肉的力量、灵活性和协调性，同时增加患者在手术后或康复住院后的自我效能感。因此，首先改善或应对日常生活成为可能。同样，在预防层面上也可以使用有效的设备进行疾病预防或防止疾病发展。

图2:腹部肌肉活动的测量。

在总共六种不同的训练设备中对肌肉的激活状态进行测量。其中三个是旋转动作装置，另外三个是新开发的系列装置，用于平移动作。在旋转动作情况下，测试对象围绕固定的旋转中心在圆形路径上移动;在平移的情况下，测试对象将自己和负载沿着线性路径推离。在每组测试中，一个装置用于激活后伸肌，另一个用于激活躯干外侧肌，第三个装置用来激活腹肌。该研究的主要重点是比较两组设备的肌肉激活相对于预定的最大激活水平(MVC)。这意味着相对于各自MVC值的激活度越高，运动过程中肌肉的兴奋度就越高。在这种类型的检查中，往往需要注意的是，在肌电图中不能由于曲线图中含有更高的振幅或更高的频率而证明增加了肌肉力量的使用，这种说法只能根据各自肌肉组织的最大张力水平或活动持续时间作出。

使用DASYLab软件进行测量和评估

最新版DASYLab测量软件可用于信号的采集和评估，该软件简单且直接与所使用的硬件兼容。所有必要的驱动程序都可以从NI的主页上直接免费下载。这使得在硬件端无需额外的A/D转换器来将原始数据传输到PC。基于这一方面，使用DASYLab 2016是你的不二之选。此外，使用DASYLab处理数据对用户来说非常友好。拖放使用的方法直观且实用。DASYLab提供了肌电图研究所需的所有模块和数学结构，极大地便利了数据的大量处理和对原始数据的深度评估。

对该研究而言，基于奈奎斯特定理设定的采样率和后续从肌肉组织到PC的数据转换的交互精确度尤为重要。在DASYLab 2016中，这些和所有其他相关设置都可以通过接口配置器轻松实现。此外，一个良好的滤波器系统(低通和高通滤波器)以及测量值的平均精确度对研究来说也是十分重要的，因为经过滤波和平均，测量的原始值必须始终为正。这可以有效减少对测量信号的干扰耦合，即使不是所有的干扰(心电信号)都可以完全消除。

图 3：使用 DASYLab 2016 创建一个正值、平均和滤波后的EMG测量曲线

在处理完所有的原始数据后，可以使用DASYLab 2016中的各种图形工具来显示测量结果，并使用直接评价函数来检查各个时期中各自的最大值的平均值(图3)。基于此方法，所有对结果的进一步评价和分析都在统计基准上继续进行。设置不同的颜色或显示格式，多达16路的测量通道就能够清楚地显示在用户选定的界面上，这使得相互比较数据变得十分容易。

DASYLab 2016保证了最佳测量记录的所有必要步骤。甚至可以为肌电测量设计用户专用的特殊触发功能。这意味着每一步重复测量都可以与其他的重复测量清晰地分开。在测量开始和结束时输出的声音信号有效地支持了在单个测量运行期间测试的执行。所有必要的步骤——从原始数据的记录和存储，到这些所有渠道数据的处理、评估和图形显示——都可以完全在DASYLab 2016中进行，而不需要添加其他多余的软件。

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