持续收缩中前臂指伸肌的空间活动特性研究

摘要

手是人类最灵活的运动器官之一。探究手指活动的神经调控机制，在手部神经肌肉疾病的临床诊断、功能康复及假肢手的研制等方面都有非常重要的意义。然而手的复杂的解剖结构和生理功能是探知手指活动神经调控机制的巨大障碍。人体前臂的手外肌控制手指力量的输出，检测手外肌的表面肌电信号（surfaceelectromyography,sEMG），分析其与手指活动的联系，是分析手指活动控制机制的有效手段。随着肌电采集技术的发展，采用二维的电极阵列采集的多通道表面肌电信号（Multi-channelsurfaceElectromyography,MCsEMG），可以提供肌肉活动的空间信息，有利于对肌肉的激活情况以及肌肉的功能角色进行更加准确地判断，为探究肌肉活动的神经调控策略提供了更加行之有效的方法。本文利用阵列电极采集不同手指模式下指伸肌（Extensordigitorum，ED）持续收缩中的多通道表面肌电信号，提取指伸肌活动的空间激活特性，分析其与手指活动的关系，进而探究手指活动的神经肌肉控制机制。
　　为提取多通道表面肌电信号所携带的空间信息，通常需要将多通道信号进行可视化展示。为了满足实验室肌电采集的需要，本文首在Labwindows/CVI平台下实现了多通道表面肌电信号采集系统的数据采集、显示、存储和回放，以及数据处理模块中的地形图绘制。本文的程序可满足实验室肌电信号的采集要求，实现了多通道表面肌电信号的实时采集显示以及存储等功能，程序所绘制的地形图也能够较好地表现出肌肉中活动强度的差异，基本可用于展示肌肉活动的空间分布情况。
　　本文利用实验室自主研制的指力检测装置和二维阵列电极采集了前臂指伸肌的多通道表面积电信号进行手指活动的调控机制的初步探究。实验设计为采集食指和中指在最大随意收缩力量（maximumvoluntarycontraction,MVC）的15％、30%和45%三个力量水平下完成时长为90秒的伸指的单指任务，利用32通道的二维阵列电极连续采集指伸肌在持续收缩中的多通道sEMG信号。提取每个通道sEMG信号的均方根值（RootMeanSquare，RMS），并绘制为地形图，采用地形图总功率提取地形图的信息，并分析地形图和地形图总功率与手指活动的联系，得到如下结果：（1）地形图总功率随着力量水平的增加呈现出近似的线性相关性，指伸肌的激活强度与力量水平有关；（2）通过地形图展示，相同力量水平下，指伸肌的激活区域和激活强度在不同手指模式下明显不同，食指活动时激活区域靠近桡侧而中指活动时的激活区域靠近近端，且中指活动时肌肉激活强度较食指活动时高；（3）不同力量水平下，食指的地形图总功率随持续时间增加都呈增加趋势。以上结果的分析表明，指伸肌的激活区域和激活强度受手指模式的影响，且空间活动分布随着力量水平和持续时间增加呈现不均匀的变化。
　　地形图总功率主要评价肌肉的整体活动，为分析肌肉活动的局部信息，本文还提取了上述实验采集的各通道信号的中值频率（Medianfrequency,MF）特征，以肌肉活动中MF显著变化的通道数量及其分布信息分析肌肉的募集变化。结果显示：（1）MF显著变化的通道数量受到力量水平和持续时间的影响；（2）MF显著变化通道的空间分布受手指模式和力量水平影响但不随时间变化；（3）MF显著下降区域的地形图总功率相对于第一时段的增长率显著高于整体的总功率增长率。本文的初步结果表明，指伸肌的募集模式随力量水平和持续时间变化，肌肉募集的空间分布则受到手指模式和力量水平的影响。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2神经系统调控肌肉活动的国内外研究现状

1.3研究目的和内容

1.4本文内容安排

2 基于Labwindows/CVI的前臂多腱肌电活动可视化程序设计

2.1肌肉活动的空间特性

2.2编程平台 Labwindows/CVI简介

2.3 系统功能模块架构

2.4 主要模块的设计

2.5 用户界面设计

2.6 可视化程序各模块的实现

2.7 测试

2.8小结

3 基于地形图特征的指伸肌空间激活特性研究

3.1肌电地形图的总功率

3.2持续收缩中不同任务模式下指伸肌电信号采集

3.3地形图总功率与手指活动的关系

3.4 讨论

3.5小结

4 基于多通道sEMG信号MF变化的指伸肌空间激活特性研究

4.1疲劳评价参数的选择

4.2 MF显著变化通道与手指活动的关系

4.3 持续收缩中肌肉活动的交替募集

4.4小结

5 总结和展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献