表面肌电的产生过程

人体的运动是由骨骼肌收缩通过肌腱牵动骨骼产生的，肌肉收缩是人体运动的动力源泉。肌肉是由许多肌束聚集在一起形成的，外面包以结缔组织膜；许多肌纤维排列成束，即肌束，表面被肌束膜包绕，是肌肉的基本结构和功能单位（又称肌细胞）（图1-1-1）。骨骼肌的基本功能是兴奋和收缩，这是肌电图形成的基础。

图1-1-1　肌肉解剖结构模型^[4]

一个α运动神经元及其所支配的全部肌纤维所组成的功能单位称为运动单位（motor unit，MU），是最基本的肌肉收缩单位。神经与肌纤维接头处叫运动终板（motor endplate）（图1-1-2）。每个运动单位包括数条至数百条肌纤维，肌肉包括数十万条肌纤维。因此，每块肌肉由数个至数百个运动单位组成。不同骨骼肌纤维由大小不同的α运动神经元所支配，大α运动神经元支配Ⅱ型肌纤维，其轴突较粗，神经冲动传导速度快（＞90m／s）；小α运动神经元支配Ⅰ型肌纤维，其轴突较细，神经冲动传导速度较慢（50～80m／s）。一个大α运动神经元连同其所支配的快或Ⅱ型肌纤维，称为快运动单位；一个小α运动神经元连同其所支配的慢或Ⅰ型肌纤维又称为慢运动单位。为使主动肌产生最大可能的力，肌肉中所有运动单位都必须被激活（动员）。

图1-1-2　传入神经对肌纤维的作用过程示意图

肌肉活动受神经支配，运动神经元的轴突至肌肉表面时，发生许多分支，终止于运动终板。运动终板将神经兴奋冲动传递至肌肉，使肌肉兴奋，产生电活动和收缩。

图1-1-3^[5]示意了离子流学说，即细胞膜的去极化（depolarization）和复极化（repolarization）过程。由于筋膜为半透膜（semi-permeable membrane）结构，在离子泵（ion pump）的作用下，膜外Na+浓度高于膜内，形成膜外为正、膜内为负的极化状态，存在静息电位（resting potential）差（-80～-90mV）。细胞膜受到刺激，细胞膜的通透性发生改变，更多Na+通道打开，Na+大量内流，膜去极化（0mV）至超极化（+30mV）；Na+平衡电位，通道关闭，K+通道打开，K+快速外流，至静息状态，为复极化。这就是肌电信号源（signal origin）。

图1-1-3　动作电位形成过程示意图

肌电的产生源于人体细胞对体内各种离子的选择性吸收能力不同，形成了人体内环境中细胞内外离子浓度的不平衡性。在静息状态下，由于浓度梯度、电位梯度和细胞膜的选择通透性作用，使K+外流速度远大于Na+的内流速度，形成细胞外正离子浓度高于细胞内正离子浓度，从而引起静息时细胞内负外正的跨膜电位，称为静息电位。当肌细胞受到刺激或接受了神经冲动的传导，会引起细胞膜对Na+的通透性突然增大，Na+急速内流，使静息电位发生去极化，肌细胞膜突变为内正外负，这一电位称为动作电位。动作电位能够沿着肌纤维膜迅速传导，以引起整个肌纤维的兴奋，最后引发肌肉收缩（图1-1-4）。可见肌肉收缩与肌肉的动作电位之间有十分密切的偶联关系。当中枢神经系统动员一个运动单位时，它能使运动单位以不同的频率“放电”。中枢神经系统运动神经元的兴奋性水平越高，运动单位的放电速率越快（图1-1-5）。骨骼肌在兴奋时，可因肌纤维动作电位的传导和扩布而发生电位变化，这种电位变化称为肌电。用适当的方法将骨骼肌兴奋时发生的电位变化引导、放大并记录所得到的图形，称为肌电图。被记录下来的数据就是表面肌电的原始数据。

图1-1-4　表面肌电信号形成过程示意图^[6]

图1-1-5　不同电极间的电位差（势差）①

通过肌电图仪所获得的肌电信号是较弱的一维时间序列信号，它是表面电极所触及的多个运动单位活动时产生的电变化在时间和空间上叠加的结果，其变化与参加活动的运动单位数量、类型、单个运动单位的放电频率和动作电位的传导速度、运动单位活动同步化程度、运动单位募集方式以及电极放置位置、皮下脂肪厚度、体温变化等因素有关^[7]。表面肌电信号实质上是多个运动单位活动电位差的总和，是受中枢神经系统所控制的，因而能在一定程度上直观反映神经-肌肉系统的功能变化特性等（图1-1-6，图1-1-7）。由于肌肉收缩产生的电流非常小，只能以微伏（μV）计算，需要用敏感的放大器将其放大后才能直接观察。也有文献指出，表面肌电图仪事实上就是一个非常敏感的电流放大器。早期的表面肌电图仪记录电流时常常受周围电场的干扰，需要在镀铜的屏蔽罩内进行工作。随着生物医学工程的发展，表面肌电图仪被不断改进，开始应用于临床，并逐渐普及。

图1-1-6　单个肌纤维的动作电位及其动作电位的叠加效应^[8]

图1-1-7　不同放电频率的多个运动单位的叠加效果形成的肌电信号

参与活动的运动单位数目与兴奋频率的结合，称为运动单位动员（motor unit involvement，MUI），又称为运动单位募集（motor unit recruitment）。运动单位募集指的是运动过程中不同类型运动单位参与活动的次序和程度。运动时，人体骨骼肌运动单位的募集具有以下几个体征：就募集的运动单位数目而言，肌肉收缩产生的张力小，募集的运动单位数量少，产生的张力大，募集的运动单位数量多，此乃运动单位募集的大小原则（size principle）。就不同类型的肌纤维募集顺序而言，低强度运动如走路和慢跑时，Ⅰ类肌纤维被优先募集；运动强度增大如快跑时，Ⅱa类肌纤维被动员参加活动；最大强度运动如短跑时，Ⅱb类肌纤维成为主要纤维。以上不同类型纤维随运动强度增加而表现出来的募集模式称为肌纤维类型的选择募集（selective recruitment）或顺序性原则（orderly recruitment）。此外，就长时间大强度运动而言，运动初期，以Ⅰ和Ⅱa类纤维的活动为主，随着运动时间的延长以及肌糖原消耗的增加，Ⅱb纤维也被动员参加活动。图1-1-8说明了4类代表性运动单位的结构与功能间的关系。

图1-1-8　4种代表性运动单位的动员阈值和放电频率范围

图1-1-9是肌肉收缩时的原始肌电图。可以直观地看出，在积极收缩时（active contraction burst）表面肌电的振幅明显增大，即肌肉放电量增加；当肌肉处于放松状态时（rest period）表面肌电振幅值非常小，接近基线（base line）水平。由此可以看出，肌肉的表面肌电输出与肌肉收缩（肌力）间存在着密切的相关关系。

图1-1-9　股二头肌长头3次收缩和放松状态下的原始肌电图^[9]