第卷年第期月北京生物医学工程”基于低频电刺激诱发表面肌电信号的肌肉疲劳度研究王颖'摘要靳静娜'李颖茶宏志,刘志朋殷涛,信号和诱目的通过对肌肉疲劳过程中非诱发表面肌电发表面肌电信号的研究分析,寻找有效评价肌肉疲劳的分析测量方法。方法对名受试者进行自主运动和电刺激两种致肌疲劳的实验,并在两组实验中分别记录电刺激诱发与非诱发肌电信号,然后对甸组信号进行傅里叶变换求取功率谱和近似嫡。结果随着疲劳的产生,两组实验诱发信号的频谱曲线左移效果优于非诱发信号,近似嫡分析中电刺激组诱发信号出现先上升后下降的变化,自主运动组诱发信一号则呈现单调递减的趋势。结论低频电刺激诱发表面肌电信号更适于测量肌疲劳的动态变化。相对于传统功率谱,近似嫡分析方法更适于处理电刺激诱发的表面肌电信号。关键词表面肌电信号肌疲劳电刺激近似嫡功率谱一中图分类号文献标志码文章编号一一一',',',',',',,了一,咭,`了,一砂,,一,〕卿《—基金项目国家自然科学基金仪器专项资助作者单位中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所天津通信作者殷涛。一。。引言电刺激作为一种安全有效的康复治疗方式,正天津大学精密仪器与光电子工程学院天津第期王颖,等基于低频电刺激诱发表面肌电信号的肌肉疲劳度研究越来越多地应用于临床,然而,电刺激的广泛应用同时还受到一个因素的限制,就是由其诱发的肌疲劳。肌疲劳通常是指该系统最大做功能力或者最大收缩能力的暂时下降川,它的产生直接影响刺激的效果,降低了肌肉的收缩反应。在电刺激的临床治疗和神经机理研究中,肌疲劳的测量和实时监控都是一个重要问题。肌疲劳的测量方法有时域法、频域法和非线性法,可用于实时测量的方法多为频域法,的定义将近似嫡定义为相似向量在由维增加至维时继续保持其相似性的条件概率,其物理意义是当维数变化时时间序列中产生新模式的概率越大、序列越复杂,相应的近似嫡也就越大。近似嫡对各种带有噪声的短数据信号的分析处理具有良好的效果,尤其在生物电信号分析的领域得到了广泛的应用,并取得了很好的成效〔一川。本文利用近似嫡对不同疲劳程度下的电刺激诱发表面肌电信号进行分析,以进一步发掘疲劳相关的定量化肌电特征。传统上刺激作用时的非诱发表面肌电信号的平均频率和中值频率等参数可以用来实时测量肌疲劳程度与动态变化〔',而由于表面肌电信号的干扰较大、信噪比较低,基于非诱发表面肌电信号的功率谱参数对于肌疲劳的测量效果不理想。近年来已有研究开始尝试采用电刺激诱发表面肌电信号来测量肌疲劳的变化`',相对于非诱发肌电信号而言,诱发肌电信号具有信噪比更高、时间过程易于掌握的优点,但目前基于电刺激诱发表面肌电信号的肌疲劳研究仅采用时域波形参数,分析方式有待进一步拓展。本研究采用低频电刺激诱发表面肌电信号的方法进行肌疲劳研究,分别从传统功率谱频谱分析的角度和非线性系统分析中表征系统状态的近似嫡角度对电刺激诱发肌电信号以及非诱发肌电信号进行分析和对比,以寻找更适于评价电刺激诱发肌疲劳的方法。实验方法实验对象与设备实验受试者为名年龄在一岁的在校研未从事剧烈究生,身体健康状况良好,实验前运动,无肌肉疲劳症状。实验中,肌电信号的放大滤波和数据采集采用的是意大利电医疗设备公司生产的用于神经诊断的多导生理信号采集系统。记录电极采用双电极法,将正负两个表面电极贴在健康受试者右上肢前臂〔”火尺侧腕屈肌处,电极直径为极之间间隔为,电,接地电极则放置在右手腕豌豆骨处。电极安置前用磨砂膏对皮肤进行摩擦清理,以减少皮肤电阻。系统自带电刺激器选用恒流刺激方式,该方式能保证电刺激程度不因受试者与刺激电极间的阻抗不同而发生较大变化。刺激波形为单脉冲波,电流为实验设计功率谱密度是在年由著名控制理论专家在他的著作中首次精确定义,并把谱分析建立在了随机过程统计特征的基础上,即定义“功率谱密度是随机过程二阶统计量自相关函数的傅里叶变换”。它可以反映表面肌电信号在不同频率分量的变化,故能较好地在频率维度上反映表面肌电信号的变化特征。功率谱估计在泛的应用,如世纪年代初,,脉宽为畔。刺激电极采用铜制鞍状电极,放置于右手肘部上方尺神经处。在神经支配下肌肉随意收缩和电刺激下收缩是肌肉收缩的两种方式,两种收缩方式下,肌电信号有所不同,但二者均能从不同方面反映外周神经肌肉系统的功能和状态〔”」。本文设计了两组采用不同分析上具有广利用傅里叶变换对肌电信号做了功率谱分析,通过高频与低频的幅值比了解到正常个体的自发用力、控制用力及神经肌肉疾病患者之间的功率谱的差异川。近来,杨广映、罗志增提出了一种新的表面肌电收缩方式导致肌肉疲劳的实验,其流程见图在电刺激组中,肌肉疲劳是由频率为。的电刺激作用于受试者导致的。在实验开始时,首先记录一组肌肉静息状态时的肌电信号以及一组电刺激诱发的肌电信号作为初始值。然后对受试者施加致疲劳的电刺激,刺激频率为肌电信号,以及一组由频率为,时间为。作用后记录一组肌肉静止时的非诱发表面信号特征提取方法一功率谱比值法,用以控制电动假肢的动作,在实验中的识别成功率可以达到以上。在肌电疲劳研究中,肌电信号的功率谱分析至今仍被视为最为经典的方法汇〕。的电刺激诱发的的致疲劳近似嫡纪年代初由阳提出的,,是在。根据世氏嫡表面肌电信号,休息后再重复的电刺激继续下一次数据记录,实验此过程共循环··北京生物医学工程第卷记录一组静息息信号号然后要求受试者进行握力训练次,训练后记录一组肌肉静止时的非诱发肌电信号,以及一组由记录一组电刺激诱发发信号号电刺激诱发的表面肌电信号,休息环巧次。为尽量较少后再重复次的握力训练并继续下一次数据记录,此过程同样循的电刺激对肌肉疲劳的个,持续时间为。影响,记录时施加的电刺激共数据预处理方法记录一组非诱发发信号号根据肌电信号的产生原理,由于肌电信号本身是一种具有一定能量特性的生理信号,所以当肌肉收缩时,肌纤维的运动单元将产生一定的动作电位,随着肌肉力的增加,肌电信号的能量也就越高相反,当没有动作发生时,肌肉处于放松状态,肌纤维记录一组电刺激诱诱发的信号号的运动单元不产生动作电位,因而肌电信号的能量就低。为此,本文从能量的角度出发,根据信号在一实验结束束电刺激组短时间窗内的肌电信号能量值的大小来判断信号是否处于诱发动作信号段,从而对信号进行自动实时分割,去除刺激波形以及非动作信号段。记录一组静息息信号号艺巴一·``不宜记录一组电刺激诱发发信号号式中口为代表某动作在处的肌电信号能量值点的原始肌电信号值。短时间窗进行次的握力器器运动,时间为而太大,否则动作信号的提取会不准确,影响动作的识别但也不可太小,否则难以辨别噪声与弱动作信号,于是取经验值'。分析方法记录一组非诱发发信号号本文首先采用了功率谱的方法对采集到的肌电记录一组电刺激诱发发厂刺激频率为'的信号号信号进行分析。利用数学工具进行功率谱能量的求解,采用直接法选取相应的数据点进行傅里叶变换得到其频谱,对比实验过程中所有信号频谱能量的变化,针对变化不明显信号计算其中值实验结束束山自主运动组频率然后采用近似嫡的方法对采集到的信号进行处理,计算出非诱发信号的近似嫡值以及预处理后诱发信号的近似嫡值,将所有样本在各阶段的嫡值进行平均评价整体变化最后采用统计方法分析。图两种致肌疲劳的实验流程图七一双侧检验的巧次诱发肌电的电刺激和致疲劳的电刺激频率不同但电流和脉宽相同。另外一组为自主运动组,这组实验中的肌肉疲劳则是由受试者通过握力器快速握力训练而造成的,握力器的平均握力为。同上结果与分析信号原始波形与采用能量闭值法提取分割后的信号波形图为电刺激诱发肌电波形与非诱发肌电波一组一样首先记录一组肌肉静息状态时的肌电信号以及一组电刺激诱发的肌电信号作为初始值。形图为采用能量阑值法对诱发肌电信号预处理的对比结果看前与预处理后的对比结果。从图第期王颖,等基于低频电刺激诱发表面肌电信号的肌肉疲劳度研究··出,采用能量闽值法可以很好地将肌肉基础能量信号和电刺激信号去除,有效地提取出电刺激所诱发的肌电信号,为后续对信号的处理减少了干扰。」警擎县心信号的功率谱图。可见虚线图谱相对于实线图谱发生了左移现象,也即,随着疲劳的增加肌电功率谱能量左移。这与目前普遍认同的随疲劳程度加深信号频谱分布将向左压缩的观点是一致的〔”〕。`」︺、咤哎盆︸,·。勺一﹄声·一了一,、门—初始态信号功率谱一疲劳态信号功率谱擎认巧科以勺、月日︸入洲护`勒喻··︸︸,口·,万俘哥脚一一。山一采样点个非诱发肌电信号波形、一、图诱发肌电波形与非诱发肌电波形采样频率,频率用电刺激组—初始态信号功率谱一疲劳态信号功率谱一川曰八二遍瞥司··卜、一采样点个单脉冲刺激波形浅︺曰﹄气一二迪丫一擎】,侧八频率用自主运动组采样点个山提取信号图电刺激诱发信号的功率谱图原始信号与有效动作信号采样频率图信号功率频谱能量与中值频率为两组实验中非诱发表面肌电信号的功率谱频谱结果图。红色表示实验开始前对受试者采集图图可见,为对电刺激组和自主运动组中诱发的频率通常在一之间,有用内。实线表的静息肌电信号的功率谱图,蓝色表示实验采集的最后一组非诱发肌电信号的功率谱图。可以明显看出在低频之内疲劳状态时肌电功率谱能量高于静息状态时肌电功率谱能量。但功率谱能量是否左移在图中并未明显体现。于是,本文又对两组实验采集的非诱发肌电信号进行了功率谱中值频率信号有效动作段所做的功率谱频谱分析结果图。由的信号频率成分一般位于示实验开始前对受试者采集的静息状态时诱发肌电信号的功率谱图,虚线表示实验采集的最后一组肌电··北京生物医学工程第卷的求取分析。—初始态信号功率谱谱一初始态信号功率讲讲一疲劳态信号功率谱谱的近似墒值变化曲线。两组信号起始点差异较大,自主运动组呈现先下降又上升的变化,而电刺激组则相对变化波动幅度较小,嫡值较稳定。图为两组实验中电刺激诱发所示—疲劳态信号功率琳琳信号的平均近似嫡值变化曲线。从图中可明显看出两组信号起始点相差不大,且在自主运动组中,随着运动次数的增加,俘哥散俘哥教近似嫡值呈单调下降的变化趋势,最终趋于稳定,此时应为深度疲劳状态。在电刺激组中,随着刺激次数的增加,近似嫡值出现了先上升后下降的趋势,最终也达到稳定趋势。针对两组信号结果规律性的变化,本文通过一步分析。一双侧检验的统计分析方法对其进频率泪自主运动组频率泪电刺激组图非诱发信号的功率谱】自主运动组电刺激组且只图所示为非诱发表面肌电信号的功率谱中值泪草埃频率的变化结果。可以看出,自主运动组中中值频率的结果呈现缓慢下降趋势,且相对初始值有较明显的减少。电刺激组的中值频率的变化为先上升后下降,但最终下降的结果与初始时的结果相差并不明显,一统计检验分析也证实两者之间不具有显著性差异。图非诱发信号平均近似嫡值】次数于壕并粤自主运动组电刺激组次数电刺激组迥哥恶纂命一嫂草。泪一沐几一下丫幸一伞“一一一一次数自主运动组图非诱发信号中值频率次数方专叙迄担】图诱发信号平均近似嫡值信号近似嫡图所示为两组实验中采集的非诱发肌电信号第期王颖,等基于低频电刺激诱发表面肌电信号的肌肉疲劳度研究··而起始阶段并未与初始值有显著性意义的差异,直二泪嫂牟草只到第第次记录信号时,近似嫡结果与初始信号的嫡信号结果在次记录之后基本趋于稳定变化。值差异已具有显著性意义尸…““菩“”们一```次数………………【……'电刺激组组讨论与结论实验结果表明,从功率谱分析的结果中看出,电刺激诱发的表面肌电信号随着肌肉疲劳程度的加深,功率谱结果图出现左移现象,也即,低频能量增加,高频能量减少。这与目前普遍认同的随疲劳度增加频谱向左压缩的观点是相一致的。然而非诱发表面肌电信号并没有明显的变化,因此,在判定疲劳方面,电刺激诱发表面肌电信号更优于非诱发表面肌电信号。从近似嫡结果也可得知,电刺激诱发表面肌电信号的近似嫡结果呈现出规律性的变化,而非诱发肌电信号则杂乱无章,同样可以说明电刺激诱发的表面肌电信号在判定疲劳方面更优于非诱发表面肌电信号。电刺激所致的肌肉疲劳过程与自主运动所致的肌肉疲劳过程不同。前者疲劳过程中曲线先上升后下降,这一点可以验证电刺激有增强肌肉功能的作用上'一'了,这也是电刺激得以广泛应用的关键所图,电刺激诱发信号平均近似嫡值图中为两组实验电刺激诱发信号的平均近似嫡条形结果图。为了消除个体差异图中结果已经过归一化处理,表示实验前记录的初始信号的嫡值。图中明显看出,在电刺激组实验中,结果在起始阶段逐渐增加,且在第差异尸次和第次记录的次信号近似嫡的结果与初始信号的结果产生显著性的随后结果值逐渐减小,并在第记录时,近似嫡结果值已低于初始信号近似嫡值,但不具有显著性意义尸然而当实验进行到在。而传统的功率谱分析方法并没有对此变化给出清晰的描述,因此近似嫡方法在分析电刺激诱发肌疲劳的过程中优于传统功率谱分析方法。因此,确定出电刺激作用效果何时为最佳状态以及肌肉何时开始疲劳是保证电刺激进一步发展过程中不可缺少的因素。实验中,在电刺激组肌电近第次记录以后,减少的近似嫡结果与初始值之间,且嫡值下降的差异具有了显著性意义尸速度减缓,此时肌肉已处于深度疲劳。在自主运动组实验中,信号近似嫡结果始终呈现下降的变化,然似嫡值曲线下降阶段,肌肉就已经开始出现疲劳,于,。。。一口。垠口困困草勺喇一亥以阵是电刺激的作用效果开始被削弱,所以第约为显著的阶段。组大电刺激之前为电刺激作用于人体效果最目前针对肌肉运动疲劳以及电刺激诱发肌肉疲'自主运动组组劳的研究有很多,无论从哪个领域分析,定量的确定肌肉疲劳变化点的却相对很少。本文虽然从近似嫡的角度初步确定了电刺激诱发肌肉疲劳时的时间二一困困困困。。。。段,但仅是以少样本的统计数据来实现的。因此下。。次数一步将重点增加样本数量来更进一步的确定肌肉疲劳变化的拐点。为避免电刺激诱发肌疲劳的研究奠定基础,从而进一步促进电刺激的发展。图电刺激诱发信号平均近似嫡值参考文献〕忿··一物理学杂志,,,一,一北京生物医学工程,,第卷陈伟婷基于嫡的表面肌电信号疲劳特征分析〔中国医学,一罗志增基于的,一一信号模式分类【〕华中科技大,,一学学报,〔」颜芳,曾孝平,何庆华,等肌肉疲劳过程中电诱发表面肌电信号的小波分析【,仁盯,,一贬。重庆大学学报,,,,一法及应用王奎,刘建红,宋刚,,技术在评价运动性疲劳方而的方,一一」安徽体育科技,」一,一,,吐,。,。,,一一【〕北卢蕾,基于表面肌电信号区分上肢动作的实验研究【,,,京北京协和医学院,一〔一杨广映,罗志增肌电信号的功率谱分析方法「〕传感技术学报,一口,一〔,,、一,,一,一群,,一〔〕〔〕一,,一,仁砂盯,一」,【」一甲,,一鲁建清,常永玲,黎冬电刺激增强肌肉力量的机制及应用,,〕湘南学院学报,,,,一··,,,,,一袁华,,一肌力训练联合神经肌肉电刺激对痉挛型脑性瘫痪患儿的疗效」中国现代医生,,一·」韩清鹏人体学学报,,信号的检测及其复杂性分析〔一江南大,,一」一一,,一收稿,一一修回上接第页学报,,一参考文献〔〕王维强线机外电源问题初探「」医疗设备信息,,许刚装备外电源线路故障引起,线管损坏一例【医疗卫生林国祥,刘亚芹,苏重清,等谈电源频率和相序的改变对医线设备的影响【医疗疗设备的影响「医疗设备信息,,一线机故障【〕中国茶俊辉,毛露霞,高守乐电源对设备信息,,刘保刚,郁文江,王庚生相序颠倒导致医疗设备,,一彭文化电源问题引起放射设备故障二例【〕医疗卫生装备,,〕林一苏医疗影像设备电源应用问题分析〔南昌教育学院一一收稿,一一修回