具有高级CODAS的肌电图波形分析软件

随着数据采集系统的出现，从实际应用中获取数据从未如此简单、准确或可靠。一旦采集，就可以同样轻松地检查和分析数据文件。在某些应用程序中，数据几乎不需要分析。只需查看获取的数据即可显示所需的信息。在其他应用中，您必须分析获取的数据以得出所需或有意义的信息。

肌电图（EMG）是后一种应用的一个例子。当肌肉收缩时，会产生小电势。当表面电极放置在肌肉上时，可以感知这种肌肉活动潜力。电极检测到的信号被放大并用仪器记录，称为肌电图。对于研究人员来说，肌电图信号“按原样”几乎毫无意义。然而，当分析信号时，可以得出肌肉所做的功的度量，称为活动指数。在实践中，特定肌肉的活动指数被确立为基准。然后将该基准与同一肌肉的另一个活动指数进行比较，但在不同的条件下（例如疲劳后或给药后等）产生。这种比较使活动指数正常化，并提供了一种测量疲劳或药物对肌肉的影响的方法。用于分析采集的EMG信号的主要工具是整流和积分功能。

DATAQ Instruments的WinDaq数据采集系统的高级CODAS波形分析选项包含本应用笔记中用于分析的整流和积分功能。

通过集成解决问题

积分是一种数学工具，用于获得曲线下的面积。在科学技术中确定曲线下面积的应用很多。例如，假设我们有两个通用波形，如图1的顶部通道所示，我们需要知道哪个波形包含更多的能量。您能通过考虑它们的物理外观来确定哪个波形包含更多能量吗？左边的波形比右边的要高得多，但是要薄得多。相反，右边的波形比左边的波宽得多，但没有那么高。那么哪个波形包含的能量更多呢？找出答案的唯一可靠方法是将两个波形积分以确定曲线下的面积。图1的底部通道显示了积分后的两种波形。在这方面，积分被用作比较工具。曲线下面积最大的波形也包含最多的能量。在我们的示例中，左侧的波形包含更多的能量，因为它的峰值积分值大于右侧的波形。

图 1— 两个通用波形在顶部通道中以原始状态显示，在底部通道中显示为积分波形。请注意，左侧的积分波形具有较大的峰值积分值，这意味着它比右侧的波形包含更多的能量。没有整合，这种决心就不明显。

曲线下面积计算得出的单位与任何面积计算得出的单位相同。例如，一块 85 英尺宽、170 英尺长的土地面积为14，450 英尺•英尺，或简称为平方英尺。以曲线为界的区域也不例外。表示伏特作为时间函数（以秒为单位）的波形在积分时将携带伏特•秒单位。

肌电图应用

从肌电图波形导出活动指数是积分的特定应用。以下示例说明了如何将高级CODAS的整流和积分功能应用于EMG通道以导出活动指数。图2所示的肌电图信号是从连接到一对相距几厘米的表面电极的生物电放大器获得的。信号是通过安装在东芝便携式个人计算机中的WinDaq数据采集系统采集的。生物电放大器的输出通过选件 01 模块连接到WinDaq板的输入端，并使用WinDaq采集软件的实时交互式程序功能施加 1000 的总增益。每秒 1000 个样本的采样率提供了优于 100Hz 的响应。这类似于使用笔式示波图记录仪可以实现的最佳响应。图2显示了应用压缩系数为16的采集的EMG信号，相当于将图表记录仪的纸张速度减慢了16倍。

图 2— 通过皮肤表面电极在二头肌上相距几厘米的原始肌电图信号获取。除了肌肉收缩的持续时间和强度外，波形在这种状态下传达的有意义的信息很少。

图 3— 通道 2 和 3 显示了活动指数波形。通道 2 显示启用了采样/保持的活动索引，而通道 3 显示禁用采样/保持的活动索引。

从原始信号（如图2所示）可以推导出绝对值或全波整流波形。将绝对值函数应用于波形会将信号的负部分折叠到零参考值以上，以连接信号的正半部分。在这种情况下，全波整流是可取的，因为我们有兴趣了解波形所包含的总能量（正能量和负能量）。应用半波整流将导致仅正能量或仅负能量评估。

完成此操作后，您可能会注意到基线中出现嘈杂。这种噪声是典型的EMG波形，应在积分前消除。我们的下一步是消除这种基线噪声，并实现信号的标准或正常形式。这可以做到这一点，以便随后与其他归一化信号的比较将揭示肌肉性能的差异，而不是由于噪音水平引起的差异。通过将整流信号移到零参考以下（刚好足以将噪声带淹没在零以下），在基线处重新建立零，然后对重新归零的信号进行正半波整流，可以消除不需要的基线噪声。通过对该重新归零的信号进行正半波整流，零参考线以下的所有信号部分（噪声）将被阻挡。需要注意的是，这一步对于集成来说确实不是必需的。高级CODAS的集成功能直接支持整流，但不显示整流信号作为中间结果。我们提出整流信号的原因是记录肌电图分析中涉及的步骤。

图3的顶部通道说明了我们的目标，即从原始输入信号得出的活动指数波形。该波形从 0 到 0.1 毫伏•秒缩放，峰值为 0.07824 毫伏•秒，并且在任何 100 毫秒间隔处具有与原始信号直接相关的离散值，噪声较小。积分每 100 毫秒（或每 100 个样本）复位一次，复位功能启用前的“采样/保持”。

采样/保持功能将先前积分的值保存在显示屏上，直到计算并显示下一个整数值。它还屏蔽了集成波形的复位转换，从而产生整洁的阶跃式直方图显示。如果禁用采样/保持功能，则显示重置过渡。图3的顶部通道显示了禁用采样/保持的集成EMG波形。请注意显示的重置过渡如何使显示混乱。如您所见，启用采样/保持功能的优点是它使集成波形更易于解释。启用采样/保持的缺点是，它将原始输入波形的积分波形延迟一个周期。这是因为采样/保持功能需要知道积分的值，然后才能将显示保持在此值。由于我们只对峰值积分值感兴趣，因此这种延迟影响不大，因此首选整洁的显示。

就其本身而言，一个集成的肌电图波形在评估肌肉活动方面几乎没有价值。然而，与类似评估的肌电图波形相比，很容易分辨出哪种情况代表肌肉完成的最大工作量。如果您对峰值整数以外的分析感兴趣，则可以应用WinDaq强大的统计功能来进一步分析和解释波形数据。统计函数从波形中获取统计信息，例如：波形中包含的数据点数、平均值、标准偏差、最小值、中值、最大值、均方根、总和、平方和、方差和偏度。

审核编辑：郭婷