基于USB与C#的多通道肌电信号采集系统设计文献综述

 2022-10-28 14:40:35

文献综述(或调研报告):

人们在日常的生产和生活所作的各种形式的躯体和四肢运动都是以骨骼肌的活动为基础的。每一块骨骼肌都有肌腹和肌腱两部分组成。肌腹主要由肌纤维,肌腱位于肌腹两端,主要由平行的胶原纤维束组成,肌腹以腱附于骨。骨骼肌通常以两端附着于两块或两块以上的骨或软骨,中间跨过一个或多个关节。骨骼肌的纤维分成两种,梭外纤维(Extrafusal fiber)和梭内纤维(Intrafusal fiber)组成,梭外纤维占据整块肌肉的大部分,有收缩功能,由a运动神经元(Motor neuron, MN)支配。梭内纤维感受牵拉(Strench-sensitive),构成肌梭,与梭外纤维平行,由gamma;-MN支配。高尔基腱器(Golgitendonorgan)与梭外纤维的肌腱成串列排列,它也对牵拉起反应。肌梭和高尔基腱器,不断地监控和调节肌肉反射性收缩或肌肉随意收缩时的张力(Tonus)。

每个脊髓前角细胞(神经元)及其轴突(神经纤维)与它们所支配的多条肌纤维,构成了神经肌肉的功能单位,称为运动单位(Motor unit),如图2所示。运动单元不论在功能方面或营养方面都有相对的独立性。单个脊髓的前角细胞所支配的肌纤维数,按肌肉的不同相异,这种单个脊髓前角细胞所支持的肌纤维数称为神经支配比例。对不同的骨骼肌,单个运动单位所支配的肌纤维数互不相同,因此每一个运动单位所属肌纤维分部的范围就有大小的差异。如肱二头肌的运动单位平均有5mm的范围,股四头肌、胫骨前肌,拇指对掌肌平均为8~9mm,股二头肌则约有12mm的范围。

运动单位在骨骼肌中的分布形态有三类:(l)各个运动单位所支配的肌纤维的范围由严密的分群,界限清楚,互不干涉;(2)单个的运动单位所支配的肌纤维以10~30条肌纤维为基础,组成小束状的亚运动单位;(3)各个运动单位所支配的肌纤维在肌束中呈弥撒性分布。

肌纤维有白肌纤维与红肌纤维,支配不同肌纤维的运动单位的功能亦有所不同。凡支配白肌纤维的运动单位,称运动性运动单位,又称快速运动单位。其神经元是脊髓前角中体形较大的大a运动细胞。凡支配红肌纤维的运动单位,称张力性运动单位,又称缓慢运动单位。其神经元是脊髓前角中体形较少的小a运动细胞,多数位于前角的内侧部,主要功能是维持与调节姿势。运动单位的功能不同,主要是由于其所受支配的神经纤维不同。实验证实,如果把支配运动性与张力性运动单位的神经纤维互换,则原来是运动性运动单位的白肌纤维收缩可以变慢,而原来是张力性运动单位的红肌纤维的收缩亦可变快。

肌肉运动过程中的电生理及肌电信号的产生:

骨骼肌是人体运动系统的主要组成部分,人在生活和劳动中所进行的各种形式的躯体运动都是以骨骼肌的活动为基础的。由肌肉的解剖学知道,每个运动神经元所支配的肌纤维不是单一的,而是由一个神经元支配的多条肌纤维构成神经肌肉的功能单位,即运动单位。肌肉的运动是受意识控制的,当大脑发出兴奋并向下传导后,中枢神经系统的运动神经元的胞体和树突在来自突触的刺激下,产生电脉冲(动作电位),此电脉冲沿神经元的轴突传导到末梢的神经与肌肉的接点,当运动神经接触到肌肉时,其轴突分支到许多肌纤维上,每一分支终止在肌纤维上形成突触叫做运动终板。由兴奋传导和传递的1对1关系,这一动作电位将触发整个运动单位内各肌纤维的兴奋,在各条肌纤维上引起可传导的动作电位。电信号(肌纤维的动作电位)的传播导致了肌肉收缩,同时传播中的电信号在人体软组织中引起电流场,并在检测电极间表现出电位差,即肌电信号。

由于肌肉内组成单一运动单位的肌纤维被包围在兴奋和未兴奋的众多肌纤维及其他导电性良好的组织和体液中,各肌纤维动作电位的产生和传导都会在其外部介质中形成所谓“容积导体导电”现象。产生动作电位的各条肌纤维成为一个共同的电场。由于神经与肌肉动作中动作电位传导的速度有限,组成单一运动单位的各肌纤维又有一定的几何分布,因此这个电场随着兴奋的传递和传导过程,在每一瞬间均有不同的空间和时间分布。在活体上通过电极纪录肌肉的电活动实际纪录的就是这一电场的活动。各肌纤维在检测点间引起电位的总和构成所谓运动单元动作电位(Motor unit action potential,MUAP)。由于在神经轴突上的电发放是脉冲序列,在检测点间引起的电位波动也是动作电位序列,记为MUAPT,肌肉中各独立的运动单位产生的MUAPT的总和构成了生理肌电EMG。如图所示。

生理肌电信号是一种微弱的信号,幅度在100~5000mu;V,针电极记录的肌电信号的频带为1000~10000Hz,采用表面电极是肌电信号的能量主要集中在1000Hz以下,波士顿大学神经肌肉研究中心发现利用双极型模型的肌电频谱分布在20~500Hz,绝大部分谱集中在50~150Hz之间。表面肌电放大器的频带一般为10~500Hz,针电极肌电放大器的频带一般为20~1000Hz。

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