采用陣列電極記錄前臂肌肉 FDS sEMG信號(hào)， 提取 sEMG 信號(hào)特征值 RMS， 分析其與食指力量 水平的相關(guān)性， 研究不同解剖位置處運(yùn)動(dòng)單位的募 集情況。

　　1 方法

　　實(shí)驗(yàn)對(duì)象 8名大學(xué)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(shí)驗(yàn)前兩天沒(méi)有進(jìn)行高 強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)神經(jīng)類疾病， 對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程知曉。

　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 受試者掌心向下， 拇指內(nèi)收，1～4 放傳感器上，按要求依次完成 1012 個(gè)不同水平的單指力量跟蹤實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中， 為受者提供目標(biāo)力量曲線， 并實(shí)時(shí)反饋實(shí)際指力的大， 使其盡力模仿目標(biāo)線完成任務(wù)， 完成一輪6 1012 N的力量跟蹤實(shí)驗(yàn)為一組， 重復(fù)5 min實(shí)驗(yàn)前， 每個(gè)受試者有熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程的練環(huán)節(jié) 避免實(shí)驗(yàn)中受試者產(chǎn)生適應(yīng)性，測(cè)試完成任務(wù)的順序是隨機(jī)的

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參數(shù) 采用表面陣列電極和 RM6280C 多道生理參數(shù)記錄儀記錄前臂指淺屈肌(FDS)表面肌 電信號(hào)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(hào)采樣率設(shè)為2000 Hz。

　　2 數(shù)據(jù)處理

　　實(shí)驗(yàn)中采用在時(shí)域范圍內(nèi)對(duì) sEMG 信號(hào)進(jìn)行分析。 信號(hào)段選取 根據(jù)生理記錄儀6280 記錄軟件中的標(biāo)定結(jié)果， 將指力傳感器的輸出電壓轉(zhuǎn)換為力量曲線， 選擇長(zhǎng)度為1 25N%范圍內(nèi)波動(dòng)的力量平穩(wěn)段，將該段 sEMG 信號(hào)用于分析。

　　濾波處理 在Matlab7.0中，用橢圓濾波器對(duì)原始sEMG 號(hào)進(jìn)行帶通濾波，計(jì)算各通道濾波處理后sEMG 信號(hào) RMS 值。首先以500 點(diǎn)為一個(gè)時(shí)間窗， 窗不重疊， 將經(jīng)過(guò)濾波處 sEMG信號(hào)分成4段，分別計(jì)算每段的RMS值。

　　3 結(jié)果

　　計(jì)算出每個(gè)受試者所有動(dòng)作的 RMS 然后對(duì)每一力量水平下重復(fù)5 次的特征值數(shù)據(jù)取平均。圖 顯示了各通道sEMG 信號(hào)RMS 值在不同力量水平下的幅值變化。

　　各通道sEMG 信號(hào) RMS 值隨力量水平變化

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

　　各通道sEMG 信號(hào) RMS 隨力量水平變化曲線

　　4討論

　　各通道 sEMG 信號(hào) RMS 隨力量水平增加呈現(xiàn)遞增趨勢(shì) 通過(guò)圖 觀察發(fā)現(xiàn)，不同電極點(diǎn)位置記錄到的sEMG 信號(hào) 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(yùn)動(dòng)單位的發(fā)放率均隨 肌肉力量的增加而呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)， 當(dāng)肌肉收縮力量較小時(shí)， 低閾值的運(yùn)動(dòng)單位被募集， 其發(fā)放率較低， 產(chǎn)生的動(dòng)作電 位較小;當(dāng)肌肉收縮力量較大時(shí)， 閾值較高的運(yùn)動(dòng)單位被募 高閾值運(yùn)動(dòng)單位發(fā)放率更快，也較不規(guī)則， 電極測(cè)得 的動(dòng)作電位較大[12]。

　　另外， 以傳統(tǒng)雙電極結(jié)構(gòu)也記錄到 sEMG 信號(hào)的幅度 (RMS)隨力量增加而增加的變化趨勢(shì)。

　　這說(shuō)明隨力量水平增加而募集的高閾值、 高發(fā)放率的運(yùn) 動(dòng)單元的電活動(dòng)通過(guò)肌肉組織和皮膚的傳導(dǎo)與綜合， 也顯著 地表現(xiàn)為 sEMG 信號(hào)幅值的增加;而本研究通過(guò)陣列電極采集 二維 sEMG 信號(hào)進(jìn)一步證實(shí)， 與力量水平相關(guān)的運(yùn)動(dòng)單元募 集模式及其電活動(dòng)水平還體現(xiàn)在肌肉表面不同解剖位置的電 活動(dòng)強(qiáng)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(qiáng)。

　　神經(jīng)纖維產(chǎn)生興奮和傳導(dǎo)符合“0”或“1”的規(guī)律，只有“有” 或“無(wú)”，沒(méi)有強(qiáng)弱之分，為什么在刺激時(shí)卻有強(qiáng)弱的感覺，過(guò) 強(qiáng)時(shí)還會(huì)疼痛難忍呢?因?yàn)樨?fù)脈沖作用時(shí)，實(shí)際上同時(shí)刺激多束 神經(jīng)纖維共同產(chǎn)生興奮和傳導(dǎo)，如不同粗細(xì)的纖維，傳入和傳出 纖維，還刺激肌肉收縮，而收縮本身又會(huì)激發(fā)其他感受器(包括 痛覺感受器)向中樞發(fā)出信號(hào)，因此感覺是很復(fù)雜的。

　　2 FDS不同空間解剖結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)處電極記錄到的 sEMG 信號(hào) RMS差異性較大。

　　圖3給出了實(shí)驗(yàn)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(hào) RMS的均值和方差， 當(dāng)肌肉以 一定力量收縮時(shí)， 相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)單位發(fā)生募集， 動(dòng)作電位由 神經(jīng)支配區(qū)域沿肌纖維向兩側(cè)傳輸， 神經(jīng)支配區(qū)域和肌腱附 近的動(dòng)作電位較低，而處于中間區(qū)域的動(dòng)作電位相對(duì)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(hào) RMS 均隨力量水平的增加而增加。 同時(shí)，電極在 FDS 不同空間解剖位置記錄到的sEMG 信號(hào) RMS 幅值不同。各通道記錄到的 sEMG信號(hào) RMS 幅值大小 差異性較大，表1給出了各通道 sEMG 信號(hào) RMS 值的均值與 標(biāo)準(zhǔn)差， 可觀察到通道2 和通道5 RMS幅值均值和標(biāo)準(zhǔn)差 以及方差均較其他通道大。

　　5 結(jié)論

　　本研究利用陣列電極， 在食指單指力量輸出實(shí)驗(yàn)中， 多點(diǎn)采集 FDS 高密度 sEMG 信號(hào)， 提取 sEMG信號(hào) RMS， 分析其隨力量水平的變化情況。

　　研究結(jié)果表明， RMS 幅值隨手指力量水平的增加呈現(xiàn) 出遞增趨勢(shì)， 可作為 sEMG 信號(hào)的特征值， 用于反映肌肉 活動(dòng)水平;

　　FDS 不僅存在不同的功能分區(qū)， 對(duì)于同一功能分區(qū)， 不同解剖位置參與手指活動(dòng)控制程度不同。

　　本研究雖然是小樣本量的探索研究， 但證實(shí)了陣列電極 可用于檢測(cè) FDS 肌電活動(dòng)的空間信息， 估計(jì) FDS 的空間激 活特性及對(duì)手指的控制模式， 為進(jìn)一步研究前臂肌肉的空間 活動(dòng)模式提供技術(shù)支持。