这篇硕士论文介绍了单纤维动作电位(SFAP),运动单元动作电位(MUAP)的波形,运动单元动作电位与单纤维动作单位的关系,运动单元动作电位序列(MUAPTs)。
笔记
MUAP的形成
动作电位形成后由终板沿肌纤维向两侧传导,形成单纤维动作电位( Single Fiber Action Potential, SFAP)。通常情况下, SFAP 的波形主要由肌纤维直径、肌纤维的相对位置、 AP 传导速度和所使用的检测电极等因素共同决定。 SFAP 波形幅值与肌纤维直径成正比例关系; AP 传导速度越快,相应 SFAP 波形的时程越小。
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当运动单元(MU)被激活时,其包含的所有肌纤维的 SFAP 在检测电极处综合叠加形成运动单位动作电位(Motor Unit Action Potential, MUAP),如图 2. 3 所示。从图中可以看出,不同肌纤维的终板位置不同,导致各个 SFAP 传导至检测电极的时延和相位不同;而各肌纤维终板与检测电极的相对距离的最大值决定了此MUAP 的持续时间,SFAP 的时延和相位共同决定了 MUAP 的相位,单相、双相或多相,在正常肌肉中,双相或三相结构的 MUAP 波形是最常见的,只有极少数MUAP 波形呈现多相结构。
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MUAPT的定义:
其中,$MUAP_{jk}$ 表示运动单元$j$ 发放的第 $k$ 个 MUAP; $M_j$ 表示运动单元 $j$ 所发放的 MUAP 总个数; $\delta_{j k}$ 为运动单元 $j$ 发放的第 $k$ 个 MUAP 在 MUAPT 中出现的时刻点 。
由于神经-肌肉控制系统的复杂性,迄今为止,有关中枢神经系统对 MU募集和 MUAP 的发放特性目前仍是一个未解之谜。经典的理论认为 MU 的募集遵循”大小原理“,即 MU 按体积从小到大的顺序依次募集,较小的 MU 在较低的收缩力水平下兴奋,较大的 MU 在较高的收缩力水平下兴奋。
MUAP和EMG的关系:
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MUAP的识别
造成MUAP波形识别困难的因素:
波形湮灭:这是 MUAP 波形识别所面临的最大挑战。当某一时刻同时有多个 MUAP 发放时,幅值大的 MUAP 波形就会覆盖掉幅值小的 MUAP 波形;
波形叠加:除了波形湮灭这种完全叠加以外,如果不同 MU发放的 MUAP 时刻点十分相近, MUAP 波形的部分叠加也会大大增加 MUAP 的识别难度;
波形相似:不同 MU 所发放的 MUAP 波形具有一定的相似性;
波形变异:同一 MU 所发放的 MUAP 波形也并非一成不变的,不同肌肉状态下所放的 MUAP 波形存在着一定的差异,如肌肉疲劳时所发放的 MUAP 波形与疲
劳前所发放的 MUAP 波形就略为不同
目前, sEMG 信号分解技术可以大致分为两种类型:
一类是系统辨识法。该方法从系统理论的角度出发,将神经-肌肉系统看作是一个多输入多输出( MIMO)系统,把 MUAPTs 混合形成 sEMG 信号的假设成是线性混合或是非线性混合的过程。通过盲源分离等方法将多通道 sEMG 信号分解成为不同的分量,所得到的分量中与 MUAP 发放具有相似特性的即看作是 MUAPT。
另一类是 MUAP 形态学方法。这类方法以 MUAP 的生理背景为基础并未对 MUAPT 的具体混合形式进行假设,是从客观存在的 MUAP 波形特点出发,采用波形检测、波形分类和叠加波形分解的方式进行分解。下面分别对两种不同的 sEMG 分解方法的思路进行叙述。
除此之外,De Luca团队还提出了reconstruct-and-test评价方法:
该方法的基本思路是先用 sEMG 分解算法分解得到不同 MUAP 序列,然后,将所分解得到的 MUAP 序列相加,并加入高斯噪声,再完成一次分解。最后,通过对比分析两次分解得到的 MUAP 序列的信息来评价算法的准确性。
综上所述,就现有的 sEMG 分解效果评价方法而言,比较完善的评价方案是先通过仿真 sEMG 信号从理论上验证算法的分解准确性,然后通过实验研究对算法的有效性进行验证。它既克服了同步采集 iEMG 给受试者带来的创伤,又具有比较高的可行度