具有高級(jí)CODAS的肌電圖波形分析軟件

隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的出現(xiàn)，從實(shí)際應(yīng)用中獲取數(shù)據(jù)從未如此簡單、準(zhǔn)確或可靠。一旦采集，就可以同樣輕松地檢查和分析數(shù)據(jù)文件。在某些應(yīng)用程序中，數(shù)據(jù)幾乎不需要分析。只需查看獲取的數(shù)據(jù)即可顯示所需的信息。在其他應(yīng)用中，您必須分析獲取的數(shù)據(jù)以得出所需或有意義的信息。

肌電圖（EMG）是后一種應(yīng)用的一個(gè)例子。當(dāng)肌肉收縮時(shí)，會(huì)產(chǎn)生小電勢。當(dāng)表面電極放置在肌肉上時(shí)，可以感知這種肌肉活動(dòng)潛力。電極檢測到的信號(hào)被放大并用儀器記錄，稱為肌電圖。對于研究人員來說，肌電圖信號(hào)“按原樣”幾乎毫無意義。然而，當(dāng)分析信號(hào)時(shí)，可以得出肌肉所做的功的度量，稱為活動(dòng)指數(shù)。在實(shí)踐中，特定肌肉的活動(dòng)指數(shù)被確立為基準(zhǔn)。然后將該基準(zhǔn)與同一肌肉的另一個(gè)活動(dòng)指數(shù)進(jìn)行比較，但在不同的條件下（例如疲勞后或給藥后等）產(chǎn)生。這種比較使活動(dòng)指數(shù)正常化，并提供了一種測量疲勞或藥物對肌肉的影響的方法。用于分析采集的EMG信號(hào)的主要工具是整流和積分功能。

DATAQ Instruments的WinDaq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高級(jí)CODAS波形分析選項(xiàng)包含本應(yīng)用筆記中用于分析的整流和積分功能。

通過集成解決問題

積分是一種數(shù)學(xué)工具，用于獲得曲線下的面積。在科學(xué)技術(shù)中確定曲線下面積的應(yīng)用很多。例如，假設(shè)我們有兩個(gè)通用波形，如圖1的頂部通道所示，我們需要知道哪個(gè)波形包含更多的能量。您能通過考慮它們的物理外觀來確定哪個(gè)波形包含更多能量嗎？左邊的波形比右邊的要高得多，但是要薄得多。相反，右邊的波形比左邊的波寬得多，但沒有那么高。那么哪個(gè)波形包含的能量更多呢？找出答案的唯一可靠方法是將兩個(gè)波形積分以確定曲線下的面積。圖1的底部通道顯示了積分后的兩種波形。在這方面，積分被用作比較工具。曲線下面積最大的波形也包含最多的能量。在我們的示例中，左側(cè)的波形包含更多的能量，因?yàn)樗姆逯捣e分值大于右側(cè)的波形。

圖 1— 兩個(gè)通用波形在頂部通道中以原始狀態(tài)顯示，在底部通道中顯示為積分波形。請注意，左側(cè)的積分波形具有較大的峰值積分值，這意味著它比右側(cè)的波形包含更多的能量。沒有整合，這種決心就不明顯。

曲線下面積計(jì)算得出的單位與任何面積計(jì)算得出的單位相同。例如，一塊 85 英尺寬、170 英尺長的土地面積為14，450 英尺?英尺，或簡稱為平方英尺。以曲線為界的區(qū)域也不例外。表示伏特作為時(shí)間函數(shù)（以秒為單位）的波形在積分時(shí)將攜帶伏特?秒單位。

肌電圖應(yīng)用

從肌電圖波形導(dǎo)出活動(dòng)指數(shù)是積分的特定應(yīng)用。以下示例說明了如何將高級(jí)CODAS的整流和積分功能應(yīng)用于EMG通道以導(dǎo)出活動(dòng)指數(shù)。圖2所示的肌電圖信號(hào)是從連接到一對相距幾厘米的表面電極的生物電放大器獲得的。信號(hào)是通過安裝在東芝便攜式個(gè)人計(jì)算機(jī)中的WinDaq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的。生物電放大器的輸出通過選件 01 模塊連接到WinDaq板的輸入端，并使用WinDaq采集軟件的實(shí)時(shí)交互式程序功能施加 1000 的總增益。每秒 1000 個(gè)樣本的采樣率提供了優(yōu)于 100Hz 的響應(yīng)。這類似于使用筆式示波圖記錄儀可以實(shí)現(xiàn)的最佳響應(yīng)。圖2顯示了應(yīng)用壓縮系數(shù)為16的采集的EMG信號(hào)，相當(dāng)于將圖表記錄儀的紙張速度減慢了16倍。

圖 2— 通過皮膚表面電極在二頭肌上相距幾厘米的原始肌電圖信號(hào)獲取。除了肌肉收縮的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度外，波形在這種狀態(tài)下傳達(dá)的有意義的信息很少。

圖 3— 通道 2 和 3 顯示了活動(dòng)指數(shù)波形。通道 2 顯示啟用了采樣/保持的活動(dòng)索引，而通道 3 顯示禁用采樣/保持的活動(dòng)索引。

從原始信號(hào)（如圖2所示）可以推導(dǎo)出絕對值或全波整流波形。將絕對值函數(shù)應(yīng)用于波形會(huì)將信號(hào)的負(fù)部分折疊到零參考值以上，以連接信號(hào)的正半部分。在這種情況下，全波整流是可取的，因?yàn)槲覀冇信d趣了解波形所包含的總能量（正能量和負(fù)能量）。應(yīng)用半波整流將導(dǎo)致僅正能量或僅負(fù)能量評(píng)估。

完成此操作后，您可能會(huì)注意到基線中出現(xiàn)嘈雜。這種噪聲是典型的EMG波形，應(yīng)在積分前消除。我們的下一步是消除這種基線噪聲，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)或正常形式。這可以做到這一點(diǎn)，以便隨后與其他歸一化信號(hào)的比較將揭示肌肉性能的差異，而不是由于噪音水平引起的差異。通過將整流信號(hào)移到零參考以下（剛好足以將噪聲帶淹沒在零以下），在基線處重新建立零，然后對重新歸零的信號(hào)進(jìn)行正半波整流，可以消除不需要的基線噪聲。通過對該重新歸零的信號(hào)進(jìn)行正半波整流，零參考線以下的所有信號(hào)部分（噪聲）將被阻擋。需要注意的是，這一步對于集成來說確實(shí)不是必需的。高級(jí)CODAS的集成功能直接支持整流，但不顯示整流信號(hào)作為中間結(jié)果。我們提出整流信號(hào)的原因是記錄肌電圖分析中涉及的步驟。

圖3的頂部通道說明了我們的目標(biāo)，即從原始輸入信號(hào)得出的活動(dòng)指數(shù)波形。該波形從 0 到 0.1 毫伏?秒縮放，峰值為 0.07824 毫伏?秒，并且在任何 100 毫秒間隔處具有與原始信號(hào)直接相關(guān)的離散值，噪聲較小。積分每 100 毫秒（或每 100 個(gè)樣本）復(fù)位一次，復(fù)位功能啟用前的“采樣/保持”。

采樣/保持功能將先前積分的值保存在顯示屏上，直到計(jì)算并顯示下一個(gè)整數(shù)值。它還屏蔽了集成波形的復(fù)位轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生整潔的階躍式直方圖顯示。如果禁用采樣/保持功能，則顯示重置過渡。圖3的頂部通道顯示了禁用采樣/保持的集成EMG波形。請注意顯示的重置過渡如何使顯示混亂。如您所見，啟用采樣/保持功能的優(yōu)點(diǎn)是它使集成波形更易于解釋。啟用采樣/保持的缺點(diǎn)是，它將原始輸入波形的積分波形延遲一個(gè)周期。這是因?yàn)椴蓸?保持功能需要知道積分的值，然后才能將顯示保持在此值。由于我們只對峰值積分值感興趣，因此這種延遲影響不大，因此首選整潔的顯示。

就其本身而言，一個(gè)集成的肌電圖波形在評(píng)估肌肉活動(dòng)方面幾乎沒有價(jià)值。然而，與類似評(píng)估的肌電圖波形相比，很容易分辨出哪種情況代表肌肉完成的最大工作量。如果您對峰值整數(shù)以外的分析感興趣，則可以應(yīng)用WinDaq強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)功能來進(jìn)一步分析和解釋波形數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)函數(shù)從波形中獲取統(tǒng)計(jì)信息，例如：波形中包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最小值、中值、最大值、均方根、總和、平方和、方差和偏度。

審核編輯：郭婷