【专科特色第八十三期】表面肌电技术

一、简介

    表面肌电图(surface electromyography, sEMG)，又称动态肌电图(dynamicelectromyography, DEMG)，是从肌肉表面通过电极引导、记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号。它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性，因而能在一定程度上反映神经肌肉的活动。肌肉运动中产生的生物电通过两个测量电极（相对于参考电极）产生电位差，差分放大器检测到该信号后，经过放大、记录后所得到的图形。现代高档的sEMG都是把放大的信号再转化为数字信号，经过通讯系统传输给微机。微机中的分析软件对所获得的数据进行分析处理，从而完成测试评估，以便于临床诊断或实验数据收集。

二、表面肌电特点

   （一）简单、无创、容易被受试者接受。sEMG不像针式肌电图，需要用针插入到检测的肌肉，它仅需在被检测的肌肉表面贴放电极。

   （二）测试范围较大。可检测一组功能肌群在肌肉运动时的EMG信号，并有助于反映运动过程中肌肉生理、生化等方面的改变。

   （三）便于临床诊断或实验数据收集。可检测到肌电活动电位的发生时期、振幅、积分值、频率等，最终提供各种分析报告。

   （四）可测定静止状态的肌肉活动，是一种较好的生物反馈治疗技术（即：肌电信号的收集→人体控制中枢→调控肌肉组织生物电活动）。

 

三、临床应用

表面肌电图常用于肌力/肌张力评定、平衡功能评定、步态分析、受损肌肉功能评定、颈腰疾患的运动功能评定和疗效评价。此外，在临床上还可以用于量化评定痉挛、量化评定肌肉疲劳程度，以及指导和评价康复训练。

 

四、分析指标

表面肌电图的分析指标主要包括：频域分析、时域分析、幅频联合分析(JASA)、小波分析法等。其中，频域分析和时域分析是临床上最常用的分析指标。

（一）频域分析

频域分析是对sEMG信号进行快速傅立叶转换(FFT)，获得sEMG信号的频谱或功率谱，反映sEMG信号在不同频率分量的变化。目前，在频域分析方面常用以下两种指标进行分析，即平均功率频率(meanpower Frequency, MPF)和中位频率(MedianFrequency, MF)。

    sEMG的FFT频谱曲线并非呈典型的正态分布，因而从统计学角度而言，使用MF刻画sEMG的频谱特征的变化要优于MPF，但在具体实践中人们发现，在反映肌肉的活动状态和功能状态上MPF更具敏感性。

（二）时域分析

    时域分析是将肌电信号看作时间的函数，用来刻画时间序列信号的振幅特征，主要包括积分肌电值(iEMG)、均方根值(RMS)、平均肌电值(average EMG, AEMG)等。

    iEMG值代表了一段肌电信号在单位时间下的面积总和（单位为：V·s），代表了这段时间内肌电值输出的加和量。

    RMS一样也可在时间维度上反映sEMG信号振幅的变化特征，它直接与EMG信号的能量直接相关，具有更加直接的物理意义，其在实际应用中常常被用于体现产生肌电的能量。

AEMG是反映sEMG信号振幅变化的特征性指标，其变化主要反映肌肉活动时运动单位激活的数量、参与活动的运动单位类型以及其同步化程度，与不同肌肉负荷强度条件下的中枢控制功能有关。AEMG对于一段选定长度的EMG可能是重要的指标，当EMG信号平均后，消除了时间长短的影响，从而可以在很大程度上反映所选肌肉在给定任务或动作下表面肌电的EMG信号。

（三）幅频联合分析（JASA）

   JASA分析是Alivin.Luttmann 等最先提出的，是一种新的疲劳测定方法，它同时考虑EMG振幅和频谱变化，能更好地反映肌肉疲劳的真实情况，并且有效的辨别因肌力或疲劳状态发生改变而肌电信号产生变化的现象。即：肌力增加（幅度和频谱都上升，处于第一象限）；肌肉疲劳（幅度上升，频谱下降，处于第二象限）；肌力下降（幅度和频谱都下降，处于第三象限）；肌肉恢复（幅度下降，频谱上升，处于第四象限）。

（四）小波分析法

    小波分析法是一种把时域分析和频域分析结合起来的分析方法，其时域和频域分析窗口可根据肌电信号的实际情况发生改变，为信号的实时处理提供了一条可靠的途径。通过适当的小波变换，可以在不同尺度下观察不同功能状态下的肌电信号频率的变化和时间的特性。利用小波变换的时、频定位特性，可以实现信号的时变谱分析，可以在任意细节上分析信号，而对噪声不敏感。因此小波变换是表面肌电信号分析的有力工具。

五、各报告模块的意义

（一）标准模式

1.标准报告提供的参数：原始波形、正波化或通过RMS处理的肌电信号各周期的平均幅值、各周期的面积。

2.可用于分析和说明：

  设定一个肌肉收缩动作或一个给定的动作，对比同一时期所有肌肉的活动情况。（如：屈膝困难的病人，让病人做一个屈膝动作，观察病人膝部周围几块肌肉的活动情况，看哪块肌肉存在肌电信号过大或过小等异常情况）

  在一系列时期内，肌肉活动在时域的变化，可作为肌肉募集、神经肌肉协同变化、疲劳等分析的基础。

 

（二）频率/疲劳度模式

1.频率/疲劳报告提供的参数：平均功率频率值（MPF）、中位频率值（MF）、肌电过零率值、平均波幅值及各种数值回归线的处理结果。

2.可用于分析和说明：

  在康复临床实践中，检测患者治疗前后肌电疲劳指数变化以评价康复效果。（如：脑卒中的患者，让病人做一个拱桥动作，观察病人腰部多裂肌或竖脊肌的耐力情况，以患者臀部距离支撑面的高度为标准，当高度降至一定数值时终止实验，记录耐力时间，比较治疗前后的效果。）

 

（三）平均活动模式

这种测试通过提供平均EMG曲线，来对复性运动进行描述。一张报告中展示了EMG重复性运动平均运动曲线和每块肌肉相对应的数据（均值和峰值）。

通过平均叠加技术，EMG激活的典型行为会被检测数来，单个重复的变异性经过平滑，这种运动的激活形式会通过特有的图形表现出来。这种EMG处理提高了EMG方式的高度重复性。这些图表可以直接在重复测试中重复并作为重复测试的基础。

1.平均活动模式报告提供的参数：包络图、波幅均值、波幅峰值。

2.可用于分析和说明：

  两种医疗训练或者治疗方式的肌电图的区别变化；

  EMG在治疗前后、训练、药物或者其他干预后的活动模式变化；

  测试与再测试的EMG活动模式变化的纵向调查；

  病人和正常人EMG活动模式的区别；

  普通人与高技术运动员之间在运动执行和技巧方面，肌肉协调方面的区别。

 

（四）功率谱

功率谱测试是对原始信号的频率特点进行分析。总功率谱基于FFT并且对选中记录间期进行计算。频率表中数据值展示了功率的分布。

1.功率谱报告提供的参数：功率图、各频段频率分布。

2.可用于分析和说明：

  分析所检测肌肉疲劳程度与频段信号变化的相关性。（研究者发现：低频段的信号会随着疲劳程度的增加而变大。因此，通过提取低频的肌电信号即可直观的观察肌肉是否处于疲劳状态。）

 

（五）对称测试

对称测试为测量双侧运动时两边肌肉活动对称性而设计的。肌肉EMG信号自动的正波和平滑后，对每对肌肉活动进行比较。单张的报告中包括了每对肌肉的直观对比，时间和振幅的活动方式。可计算不同肌肉在活动过程中的肌电输出百分比，并可对不同肌肉之间的肌电输出进行百分比比较分析。

式

1.对称测试报告提供的参数：原始对称波形比较、波幅均值、波幅峰值、肌电输出百分比。

2.可用于分析和说明：

  重复运动的肌肉募集的一致性；

  原动肌的开始和结束特点；

  姿势控制肌肉募集的特征；

  相关侧和对侧募集肌肉的电位差。

 

（六）协调测试

协调测试是基于对采集过程中EMG信号RMS处理，对选中活动中肌肉的协调性进行分析。报告展示了每块肌肉EMG单独活动方式。可对肌肉之间的波幅均值进行百分比比较。

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（四）功率谱

功率谱测试是对原始信号的频率特点进行分析。总功率谱基于FFT并且对选中记录间期进行计算。频率表中数据值展示了功率的分布。

1.协调测试报告提供的参数：测试波形、波幅均值、波幅峰值。

2.可用于分析和说明：

  通过重复运动时肌肉活动顺序说明肌肉募集的连贯性；

  原动肌的特点；

  肌肉在姿势控制中的募集特点；

  不同肌肉的协调作用。

 

参考文献

1. 蔚二文,陈维毅. 表面肌电图在肌肉功能评估中的应用[J]. 大众科技,2007,No.9501:120-122.

2. 李建华, 王健. 表面肌电图诊断技术临床应用[M]. 杭州：浙江大学出版社，2015. 12.