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第一部分 前 言 究背景 自 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái),隨著電子技術(shù)的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),肌電信號(hào)的定量分析技術(shù)得到迅速發(fā)展,并廣泛地滲透到與人體疾病及肌電生理有關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域,在神經(jīng)系統(tǒng)檢查、肌功能及疲勞分析、口腔頜面系統(tǒng)等領(lǐng)域起到了巨大的作用,這極大地推進(jìn)了與肌電生理學(xué)相關(guān)的問(wèn)題的研究 1。 電信號(hào)的生理學(xué)基礎(chǔ) 肌是人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)重要的組成部分。人體的各種運(yùn)動(dòng) (包括外部運(yùn)動(dòng)和生理運(yùn)動(dòng) )都或多或少地與肌的活動(dòng)有關(guān)。因此,對(duì)肌 功能及 運(yùn)動(dòng)的各種 檢測(cè) 成為人們研究肌生理功能的重要途徑。 骨骼肌接受軀體運(yùn)動(dòng)神經(jīng)支配, 運(yùn)動(dòng)單位 (運(yùn)動(dòng)的基本單位,是由運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元及其所支配的全部肌纖維構(gòu)成。隨著肌收縮而出現(xiàn)的電生理活動(dòng), 神經(jīng)傳導(dǎo)將沖動(dòng)傳遞到神經(jīng)肌接頭處,形成終板電位,將沖動(dòng)傳遞到肌,引起肌收縮,由此 神經(jīng)肌接頭起到了傳遞信息的作用 2機(jī)體受到外界的刺激,運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元發(fā)生興奮,并產(chǎn)生電脈沖,電脈沖信號(hào)沿軸突傳遞到肌纖維,在肌受到電脈沖信號(hào)刺激時(shí),這些運(yùn)動(dòng)單位并不都是同時(shí)感到興奮而產(chǎn)生收縮的,事實(shí)上,運(yùn)動(dòng)單位是以極不同步的方式通過(guò)一串 又一串從脊髓傳向運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的電脈沖信號(hào)而產(chǎn)生興奮的。這些電脈沖信號(hào)引起肌纖維抽縮從而產(chǎn)生肌張力,同時(shí)傳播中的電脈沖在人體軟組織中引起電流場(chǎng),并在檢測(cè)電極間引起電位差。肌電圖作為一種診斷工具,在記錄肌活動(dòng)信號(hào)的同時(shí),對(duì)肌功能活動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià),已經(jīng)廣泛用于周圍神經(jīng)病、神經(jīng)肌傳導(dǎo)疾病、肌本身的病變等的診斷及治療效果的評(píng)價(jià)。 在臨床醫(yī)學(xué)中, 肌電圖也稱為一種應(yīng)用廣泛的工具,不僅在診斷疾病方面得到了廣泛的應(yīng)用,而且在治療的評(píng)價(jià)及某些肌的生理功能方面研究方面具有重要的作用 4。 肌電信號(hào) ( 肌電圖, 是應(yīng)用電子學(xué)儀器記錄肌靜止或收縮時(shí)的電活動(dòng)的曲線。肌電信號(hào) 根據(jù)電極的不同 分成兩大類,即針 插 電極肌電信號(hào) ( 和表面肌電信號(hào) ( 5。插入電極(針形) 一般為針電極,獲得的肌電信號(hào)即為針電極肌電信號(hào), 采用針狀電極 可以對(duì)單個(gè)運(yùn)動(dòng)單位進(jìn)行狀態(tài)的了解。表面電極所取肌電信號(hào)反映體內(nèi)較大區(qū)域內(nèi)肌電活動(dòng)的總和,不能確切反映個(gè)別肌纖維的活動(dòng),但是由于使用方便且無(wú)痛苦,因此應(yīng)用很廣。與傳統(tǒng)的針電極相比 ,表面肌電信號(hào)具有無(wú)創(chuàng)性,操作簡(jiǎn)單,病人易接受的特點(diǎn) 6。 面肌電信號(hào) 表面肌電信號(hào)是從皮膚表面通過(guò)電極引導(dǎo)記錄下來(lái)的神經(jīng)肌 肉 系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào) 7; 該信號(hào) 與肌的活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)存在著 密切 的 聯(lián)系,他能在 一定程度上反映神經(jīng)肌肉的 功能狀態(tài) ,在 康復(fù)醫(yī)學(xué)、假肢研究、神經(jīng)肌疾病、及 體育科學(xué)中的疲勞判定、等方面均有重要價(jià)值 8。 眾所周知,肌收縮產(chǎn)生的電流只能以微幅計(jì)算,只有將這種微幅的信號(hào)放大后才能進(jìn)行觀察。而 表面肌電圖 儀可以看作 是一個(gè)非常敏感的電流放大器 , 將肌收縮產(chǎn)生的非常小的電流(以微伏計(jì) 算)通過(guò)表面肌電圖儀放大到合適的范圍后再進(jìn)行觀察。由于周圍環(huán)境的復(fù)雜性及干擾的多樣性,早期的表面肌電圖儀記錄電流時(shí)常常受到干擾,需要在屏蔽罩或屏蔽室內(nèi)進(jìn)行工作,以避免干擾的產(chǎn)生。隨著生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展,表面肌電圖儀不斷改進(jìn),開始應(yīng)用于臨床疾病的診斷及治療后的療效觀察,并顯示出巨大的優(yōu)勢(shì),并逐漸普及 9。然而,表面肌電圖還存在一 系列的 基本的問(wèn)題: 1)肌電信號(hào)源 的募集 。運(yùn)動(dòng)單位電位( 是 表面肌電圖的信號(hào) 來(lái) 源。 由于 大量的運(yùn)動(dòng)單位同時(shí)興奮 ,使得 電位 發(fā)生 募集。電流通過(guò)人體組織到達(dá) 人體表面 皮膚,再通過(guò) 表面 記 錄電極、 前置 放大器 、數(shù)據(jù)采集卡 后顯示 在肌電圖儀 。 表面 記錄電極距產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)單位電位的肌纖維的距離越遠(yuǎn),動(dòng)作電位越小,對(duì)振幅的貢獻(xiàn)就越小 10。 2)表面肌電圖的主要干擾源。 50頻干擾是表面肌電信號(hào)的主要干擾源之一 11。另外, 表面肌電圖的干擾來(lái)自電源和 外界的 噪音。 簡(jiǎn)言之,除表面肌電信號(hào)以為的信號(hào)來(lái)源均可視為干擾 。心電是 機(jī)體的 主要噪音之一。心電持續(xù)存在, 并 且心電信號(hào)比肌電信號(hào)強(qiáng) ,其消除顯得非常必要 。 所以表面肌電信號(hào)的干擾來(lái)源甚多,其消除干擾顯得尤為重要12。 3)電極移動(dòng)產(chǎn)生局部電流是表面肌電 信號(hào) 的 另一干擾源。在患者運(yùn)動(dòng)過(guò)程,電極很容易發(fā)生微小的移位,在電極局部產(chǎn)生電位 13。 4)電阻。記錄的信號(hào)大小和噪音大小的比 值即為信噪比 14。信噪比越大,記錄的信號(hào)越好,說(shuō)明儀器的性能越佳。皮膚的表面有 各種分泌物及壞 死細(xì)胞等 都會(huì) 增加皮膚的電阻,使信噪比下降。 盡量降低皮膚的電阻,可以使獲得的 表面肌電 信號(hào)越好。并且要 盡量平衡兩個(gè)記錄電極之間的電阻。 目前,最 常用的辦法是用 75%的酒精脫脂 來(lái)降低皮膚的電阻 , 因?yàn)榫凭珪?huì)破壞表面電極,所以要 讓酒精揮發(fā)后再粘貼記錄電極。皮下組織是影響信噪比的另一個(gè)因素。 另外, 記錄電極和 放大器是主要的電阻,加大放大器的電阻,使之大大超過(guò)記錄電極的電阻,可以使損失減小。 一般要求,表面 記錄電極的電阻需 小于500大器的輸入電阻要求為皮膚電阻的 10 15。 肌電信號(hào)是一種非常微弱的電信號(hào)。肌電信號(hào)的幅度范圍一般在 0收縮時(shí)為60,松弛時(shí)約為 20,一般不會(huì)超過(guò)噪音水平 16。表面肌電信號(hào)的能量一般主要集中在 1000下,絕大部分頻譜集中在 50間 17。目前常用的肌電信號(hào)參數(shù)有以下 5 種: 1) 峰值電位:峰值即 波幅,代 表肌電電位活動(dòng)的大小,是肌作功的表現(xiàn),是指在時(shí)相范圍內(nèi),最大負(fù)峰與最大正峰之間的幅度差。肌電圖上出現(xiàn)明顯的電位變化,表面肌在所測(cè)的運(yùn)動(dòng)單位增加。波幅增高,說(shuō)明肌纖維密度增加。波幅減小,說(shuō)明出現(xiàn)肌源性損傷 18。原始峰值 計(jì)算費(fèi)時(shí),并且存在人為誤差,是很粗略的定量分析。 2)平滑平均電位:從表面電極采集的咬肌肌電信號(hào)的功率譜分析中發(fā)現(xiàn),其頻率范圍約 20700值頻率約 7050% 90%累積功率譜率分別為 說(shuō)明表面電極采集的咬肌肌電信息呈偏態(tài)分布,即 低頻分量占主要成分 19。因此采用低通濾波器進(jìn)行平滑平均處理的方法可以獲取反映肌電信號(hào)特征的低頻分量及幅值的均值,較原始肌電波的方法精確、方便。 3)肌電靜息期:在頜反射的肌電圖中(叩擊頦部或其他刺激所引發(fā)),在發(fā)生一系列波峰后,出現(xiàn)的肌抑制狀態(tài),出現(xiàn)在升頜肌群的 觀察到的肌電活動(dòng)的暫停,此時(shí),不再有沖動(dòng)傳遞到肌,這稱之為肌電靜息期,其時(shí)間很短,約為 16后,再有沖動(dòng)傳遞到肌,引起肌繼續(xù)收縮。肌電靜息是一種保護(hù)性的牽張反射,與肌梭、牙周膜本體感受器等有關(guān)。靜息期延長(zhǎng)是咀嚼功能紊亂的咀嚼肌 特征表現(xiàn)之一 20。 4)時(shí)限 (指電位從最初偏離基線,又回到基線的時(shí)間過(guò)程,反映運(yùn)動(dòng)單位最可靠和最有用的數(shù)據(jù) 21。正常咀嚼肌運(yùn)動(dòng)單位電位的平均時(shí)限為 床上,神經(jīng)源性疾病的時(shí)限通常增加,肌源性疾病時(shí)限減小。 5)積分電位:一段時(shí)間內(nèi)肌電峰值的疊化,例如 肌 10積分值( 錄的電位變化,主要用于評(píng)價(jià)一塊肌的作用、判斷一塊肌的功能是否正常和鑒別肌源性和神經(jīng)源性損害。在口腔醫(yī)學(xué)臨床上,常常借助于咀嚼肌 判斷肌功能狀態(tài),為口腔疾病的診 斷提供一定客觀依據(jù)。 面肌電信號(hào)的采集 表面肌電信號(hào)是肌中很多運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢辉跁r(shí)間和空間上的疊加,能夠反映神經(jīng)及肌的功能狀態(tài),其實(shí)質(zhì)是一種交流電壓,有研究顯示肌電圖儀記錄的幅值與肌產(chǎn)生的力大致成比例。 由于 肌 的 松弛存在和緊張 會(huì)產(chǎn)生表面肌電信號(hào),這種 表面肌電 信號(hào)的 電壓幅度與肌的收縮和緊張 之間 有 著良好的線性關(guān)系。 眾所周知,表面 肌電信號(hào)是一種 非常 微弱的信號(hào) ,其 幅度 特別低 ,而且一般 比噪音水平低 22。 因此,表面肌電信號(hào)的采集比較困難,另外,表面肌電信號(hào)的采集過(guò)程中受各種因素的干擾,使本來(lái)就弱的信號(hào)的采 集更加困難。 近年來(lái),關(guān)于表面肌電信號(hào)的采集系統(tǒng)其設(shè)計(jì)也層出不窮?;?表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是采用 術(shù)研制的一種應(yīng)用于 集實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) , 該系統(tǒng)應(yīng)用 理器、 線、虛擬儀器等先進(jìn)技術(shù),具有性價(jià)比高、支持熱插拔、方便易用、性能穩(wěn)定等特點(diǎn),可對(duì) 行實(shí)時(shí)采集 23。 采用 式的數(shù)字電路構(gòu)成了基于 8 路高速采集與傳送系統(tǒng) 24。有研究將前端放大電路采用 2 片 成并聯(lián)型雙運(yùn),其肌電信 號(hào)的采集系統(tǒng)主要由 成 25。 表面肌電信號(hào)的采集設(shè)計(jì)主要集中 在改善共模抑制能力方面,抑制低頻噪聲的干擾,有效提取到表面肌電信號(hào)。 另外,在表面電極的選取、信號(hào)前處理的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)方面,不同的設(shè)計(jì)方面其應(yīng)用的設(shè)計(jì)不同,達(dá)到的效果亦不同。 面肌電信號(hào)常用的分析指標(biāo) 號(hào)受多種因素的影響,其信號(hào)的分析 及特征的提取 和鑒定仍舊是一種挑戰(zhàn)26。 較微弱,單一應(yīng)用傳統(tǒng)的時(shí)域 、頻域 分析雖然獲得了信號(hào)的一些特征,但大部分信息難以提取 27。 傳 統(tǒng)的 表面肌電信號(hào)分析方法主要有時(shí)域分析、頻域分析等, 頻域分析方法通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),傳統(tǒng)的頻域分析方法,是通過(guò)傅里葉變換將信號(hào)分解為多個(gè)正弦函數(shù)的和,即將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),頻域分析要求進(jìn)行兩次計(jì)算,計(jì)算量大,并且傅立葉變換要求獲得信號(hào)在時(shí)域的全部信息,這很難滿足,并且,傅立葉變換信號(hào) 在時(shí)域中 不明顯 缺乏分辨,信號(hào)在 不同 時(shí)刻 復(fù)雜 變化將影響到整個(gè)頻譜的特性 28不 平穩(wěn)性和 復(fù)雜 性 或非線性 是表面肌電信號(hào)的一大特點(diǎn),并且,表明肌電信號(hào)是一種隨機(jī)的信號(hào) 30,因此肌電信號(hào)采用傳統(tǒng)的傅 立葉變換實(shí)時(shí)分析受到了限制。小波變換是傅立葉變換的新發(fā)展,它既能在整體上提供信號(hào)的全部信息,又能提供在任一局部時(shí)段信號(hào)變化劇烈程度的信息 31 因此,自小波分析出現(xiàn)以來(lái),在肌電信號(hào)分析方面得到了廣泛的應(yīng)用。 然而,單一的方法仍舊很難滿足復(fù)雜 號(hào)的分析。因此,研制一種多通道多種分析方法并存的 號(hào)采集和分析系統(tǒng)顯得尤為重要。 題的目的和意義 目前,表面肌電信號(hào)的研究隨著測(cè)量技術(shù)的提高以及無(wú)創(chuàng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)而得到快速發(fā)展,許多學(xué)者都在對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行深入的研究。表面肌電圖已經(jīng)廣泛應(yīng)用與康 復(fù)醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)研究及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究,并顯示出巨大的作用 33然而,表面肌電信號(hào)是一種微弱的信號(hào),其采集及分析仍舊是一種挑戰(zhàn)。 在設(shè)計(jì)和開發(fā)表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)采集儀器 時(shí) ,常用的是通過(guò) 置式接口實(shí)現(xiàn) 據(jù)采集卡一般都是內(nèi)置于 內(nèi)。但由于 有限的 口資源 ,并 且需要對(duì)接口卡的硬件資源進(jìn)行合理的配置,常會(huì)出現(xiàn)一塊或多塊插卡無(wú)法合理配置 , 而不能正常工作的情況,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰;另外( 1)內(nèi)置式插卡容易受到 而降低系統(tǒng)的采樣精度和穩(wěn)定性;( 2)像筆記本之類的小體積 難用接口插卡進(jìn)行擴(kuò)展;這些弱點(diǎn)使得他們的應(yīng)用受到了很大的限制。因此,如果能夠開發(fā)出便攜式的采集設(shè)備則是一種比較好的解決方案。 另外,在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,其肌電圖的應(yīng)用仍然受到許多限制?,F(xiàn)存的表面肌電圖仍舊不能很好的應(yīng)用于咀嚼肌功能的研究及診斷 35 本研究的目的是研制一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的基于高共模抑制比、前置放大的多通道咀嚼肌號(hào)采集和分析系統(tǒng),對(duì)通道肌電信號(hào)進(jìn)行全面整合分析,輔助診斷與咀嚼肌功能相關(guān)的一些疾病以及估價(jià)某些治療措施的療效提供依據(jù)。同時(shí),咀嚼肌表面肌電信號(hào) 數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)將為研制便捷性肌電記錄儀奠定基礎(chǔ)。該咀嚼肌表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)的研制使肌電圖在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義。 電圖在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀 目前, 泛用于口腔頜面系統(tǒng)檢測(cè)咀嚼肌和面部肌群的狀況以及口腔正畸的療效 37利用表面肌電圖可以了解口腔頜面系統(tǒng)的生理和病理狀況 40。 有研究將表面肌電圖用于研究下頜骨方塊切除患者的咀嚼肌的活動(dòng)和下頜骨的運(yùn)動(dòng),發(fā)現(xiàn)咀嚼力量與咀嚼肌的功能密切相關(guān) 41。另有研究發(fā)現(xiàn) 頜功能紊亂患者咀嚼肌肌電圖發(fā)生異常 42。 . 3等用 行的研究表明長(zhǎng)期患有顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病( 病人具有更多的顳肌前肌不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)。在一側(cè) 顳下頜關(guān)節(jié)紊亂 性疼痛的患者,其肌電圖在疼痛側(cè)比不疼痛側(cè)的肌電圖活動(dòng)低 44。另外,在磨牙癥、錯(cuò)秸畸形患者, 測(cè)對(duì)診斷疾病和評(píng)價(jià)治療效果均有一定的指導(dǎo)作用 45 目前,咀嚼肌表面肌電圖在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸增多,并不斷的應(yīng)用到研究口腔不良習(xí)慣(偏側(cè)咀嚼、磨牙癥)、錯(cuò)頜畸形治療效 果評(píng)價(jià)、評(píng)價(jià)義齒修復(fù)效果等方面。 由此可見表面肌電圖已經(jīng)廣泛應(yīng)用于口腔領(lǐng)域。 客觀地診斷與咀嚼肌功能相關(guān)的一些疾病以及估價(jià)某些治療措施的療效提供了一定依據(jù)。大量的臨床實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)研究表明, 表面肌電圖在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用顯得很有 意義 。 研究的主要研究?jī)?nèi)容 本研究的主要內(nèi)容是針對(duì)咀嚼肌表面肌電信號(hào)幅度小、信噪比低問(wèn)題,研制一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的基于高共模抑制比、前置放大的多通道咀嚼肌 號(hào)采集和分析系統(tǒng),利用現(xiàn)行 口技術(shù),采集和管理咀嚼系統(tǒng)功能紊亂患者的肌電數(shù)據(jù),對(duì)通道肌電信號(hào)進(jìn)行 時(shí)域分析、 頻域分析、短時(shí)傅里葉變換、小波分析等的 全面整合分析,輔助診斷與咀嚼肌功能相關(guān)的一些疾病以及估價(jià)某些治療措施的療效提供依據(jù)。同時(shí),探討 該系統(tǒng) 在顳下頜關(guān)節(jié)紊亂?。?的應(yīng)用價(jià)值, 并輔助診斷內(nèi)下頜關(guān)節(jié)紊亂病, 并為今后研制便捷型咀嚼肌肌電采集系統(tǒng)提供前期研究基礎(chǔ)。 本文的具體研究?jī)?nèi)容如圖 1示,每 部分 所涉及的內(nèi)容描述如下: 第一 部分 :緒論。 主 要概述了 號(hào)的生理基礎(chǔ)和表面肌電信號(hào)的采集及分析方法,以及表面肌電圖在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。分析了當(dāng)前 測(cè)需要解決的問(wèn)題,并 以圖的形式 給出來(lái)論文的研究?jī)?nèi) 容。 生物傳感器 前置放大器 表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存回放 時(shí)域分析 表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng) 頻域分析(功率譜分析、雙譜分析) 時(shí)頻域分析(短時(shí)傅里葉變換、小波分 析) 8 例顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病患者 表面肌電圖在顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病中的應(yīng)用 8 例正常對(duì)照 測(cè)量?jī)山M下頜姿勢(shì)位、牙尖交錯(cuò)位和叩齒 運(yùn)動(dòng)時(shí)雙側(cè)顳肌前束、咬肌的肌電活性 圖 1本文研究?jī)?nèi)容示意圖 第二 部分 :咀嚼肌多通道表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制?;诒砻婕‰姅?shù)據(jù)信號(hào)弱,采集困難的 情況,尤其對(duì)于咀嚼肌的研究,本文 研制了 基于高共模抑制比、前置放大的多通道表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)。借助 作系統(tǒng)和圖形化界面,利用 口技術(shù),構(gòu)建咀嚼肌 集與處理系統(tǒng)的并進(jìn)行安裝和調(diào)試。咀嚼肌表面肌電信號(hào)采集分析系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分又包括表面電極、前置放大電路、 數(shù)據(jù)采集卡、 模數(shù)轉(zhuǎn)換和傳輸電路,以及個(gè)人電腦;軟件部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 和回放 的功能。 第三 部分 :咀嚼肌多通道表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的研制。傳統(tǒng)的 析方法雖然能獲得 一些信息,但大量的信息無(wú)法獲得,使數(shù)據(jù)的分析不夠全面。 時(shí)分析是信號(hào)采集系統(tǒng)的一部分,在信號(hào)采集的同時(shí)即進(jìn)行信號(hào)的分析?;胤欧治鱿到y(tǒng)對(duì)每個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、 頻域分析、雙譜分析、傅里葉變換和小波分析的整合分析,獲取 特征參數(shù)。 第四 部分 :咀嚼肌多通道表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)在 顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病 診斷中的應(yīng)用。 8 例 者( 4 例男性, 4 例女性)和 8 例正常對(duì)照( 4 例男性, 4 例女性)納入此項(xiàng)研究。利用多通道表面肌電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),分別測(cè)量 者和正常對(duì)照下頜姿勢(shì)位( 牙尖交錯(cuò)位( 叩齒運(yùn)動(dòng)( 雙側(cè)顳肌前束、咬肌的肌電活性。 第五 部分 :結(jié)論、總結(jié)與展望。對(duì)論文內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié),概括本文的研究特色與創(chuàng)新之處,并對(duì)今后需要更深入探討的研究方向進(jìn)行了分析。 第二部分 咀嚼肌多通道表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的研制 言 在將信號(hào)送入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、記錄、處理、分析以前,必須將模擬形式的信號(hào)變?yōu)閿?shù)字形式的信號(hào)。從模擬域到數(shù)字 域之間的接口系統(tǒng)定義為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (47。 在生物 肌 電信號(hào)的采集過(guò)程中,不可避免地會(huì)引入干擾 , 尤其是采集微弱生物電信號(hào)時(shí)。使用合理的方法區(qū)分并排除干擾顯得至關(guān)重要,也是是生物信號(hào)采集過(guò)程中的非常重要的任務(wù)。有時(shí),一項(xiàng)試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵就在于能都正確的區(qū)分并排除各種外界及自身的干擾 48。 表面肌電信號(hào)干擾的 各種 來(lái)源主要有以下幾方面: 1) 50頻干擾:在應(yīng)用肌電圖儀記錄肌電信號(hào)時(shí),表面肌電信號(hào)中常常存在較為嚴(yán)重的 50頻干擾,該干擾來(lái)源于市 電電源。到達(dá)放大器對(duì)肌電圖記錄的肌電信號(hào)產(chǎn)生作用的方式主要是靠分布電容。這種干擾,在越是靠近電源的地方就越是明顯。另外,磁輻射也起部分作用。 50頻干擾通常是實(shí)驗(yàn)中最常出現(xiàn)、幅度最大的干擾 49 2) 高頻干擾: 當(dāng)高、中壓變電站內(nèi)開關(guān)分、合操作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生高頻阻尼振蕩波,即通常稱為高頻干擾。也可來(lái)源于電臺(tái)、無(wú)線通訊設(shè)施、其他儀器等。通常不直接引起干擾。避免高頻干擾的基本思路是盡量降低高頻信號(hào)電磁場(chǎng)的干擾,也就是所謂的串?dāng)_(可用拉大高速信號(hào)和模擬信號(hào)之間的距離 51。 3) 其他 信號(hào) : 干擾 與 信號(hào) 是相對(duì)的,當(dāng)采集 一種生物信號(hào) 時(shí) 另一種信號(hào)則 被視為干擾。 例如,在采集肌電信號(hào)時(shí),心電信號(hào)是一種干擾 52。因此,目的信號(hào)以外的其他生物電信號(hào)均可視為干擾。 4) 背景噪聲:一般與放大器內(nèi)部元件的質(zhì)量和性能有關(guān) , 主要來(lái)源于放大器電子元件本身 的背景噪聲,會(huì)對(duì)目的信號(hào) 產(chǎn)生雜亂無(wú)章的電壓和電流等噪聲。 影響肌電信號(hào)的因素主要有: 1) 測(cè)試局部的組織特性 : 包括皮膚及皮下脂肪的厚薄、 局部組織的 溫度 及 生理變化等都會(huì)影響肌電信號(hào)。電極電位 也是影響肌電信號(hào)的因素之一。對(duì)肌電信號(hào) 要求高時(shí) 可以應(yīng)用乏極化電極。 電極電位可以 使放大器 前級(jí)接近飽和或截止,產(chǎn)生削波干擾或阻塞 ; 使電極引線荷電,產(chǎn)生電容話筒相應(yīng),把引線的移動(dòng)或震動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),形成干擾。 2) 串?dāng)_( :既有相鄰肌組織對(duì)測(cè)試部位肌電信號(hào)的串?dāng)_,也有可能來(lái)自其它設(shè)備的干擾,如: 波峰信號(hào)常可以干擾 記錄。 3) 接觸電阻: 接觸 電極較細(xì)、接觸的部位 越 小或中間有阻隔 時(shí),接觸電極較大,中間阻隔如 皮膚的角化層及皮脂。接觸電阻大使干擾和噪聲加大, 還可以使信號(hào)發(fā)生 衰減。 4) 測(cè)試電極 放置 位置不同 : 每次測(cè)試電極位置在肌腹上的位置都不可能完全一致,或者電極在不同測(cè)試對(duì)象 同一肌肌腹表面的放置位置也不可能完全一樣,因此得到的肌電信號(hào)結(jié)果也不可能具有絕對(duì)可比性 。 另外,外部雜音即來(lái)自外界的電磁環(huán)境中的雜音,它可能使肌電圖肌電信號(hào)基線增寬或干擾肌電信號(hào)的記錄。 干擾的排除主要有以下幾方面: 1) 屏蔽 干擾 用金屬材料將實(shí)驗(yàn)對(duì)象、電極、連線及放大器的前級(jí)遮蔽起來(lái),防止干擾的方法稱為屏蔽 (電學(xué)屏蔽 )。一般屏蔽層應(yīng)該可靠接地,或接屏蔽驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)所需屏蔽物體的大小,可使用屏蔽 盒、屏蔽室 等設(shè)備或裝置。一般來(lái)說(shuō) , 不應(yīng)該把電源直接引到屏蔽 室 內(nèi),儀器也要盡可能放在 屏蔽室 外。 2) 設(shè)置參考電極 設(shè)置參考 電極的目的是使基礎(chǔ)電位相一致。 如果不 設(shè)置參考電極 , 那么相比較的兩個(gè)電位基礎(chǔ)水平不相同,也就無(wú)比較的價(jià)值 。我們處在一個(gè)無(wú)處不在的大電場(chǎng)( 50模干擾)之中,人體變成一個(gè)大的電容,體表本身就有一定的電勢(shì)。為了排除非人體自主產(chǎn)生的電壓,這需要有一個(gè)基準(zhǔn)電壓,這個(gè)電壓就是參考電壓,必須由參考電極提供。這就是為什么要擺放參考電極。 綜上,在設(shè)計(jì)表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)時(shí),要充分考慮干擾的來(lái)源、干擾產(chǎn)生的因素及干擾的排除,以便能夠更好的采集信號(hào)。 嚼肌 時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分 主要由肌電電極、信號(hào)前處理部分(前置放大器等)、數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分( 等)、數(shù)據(jù)分析部分構(gòu)成。其工作過(guò)程如下:肌電電極獲取的肌電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)前處理部分預(yù)處理后或前置放大器濾除干擾信號(hào), 有用信號(hào)放大到合適范圍后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換, 再由數(shù)據(jù)采集卡的 出口送至 存儲(chǔ) ,信號(hào)能夠在計(jì)算機(jī)中回放與分析。 圖 2理示意圖 據(jù)采集原理(圖 2信號(hào)采集系統(tǒng)在 臺(tái)設(shè)計(jì),四通道肌電分別同時(shí)采集雙側(cè)咬肌和顳肌前束的肌電信號(hào)。信號(hào)采集界面(圖 2 界面右側(cè)可對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。 圖 2信號(hào)采集界面 面電極 肌電信號(hào)的獲取是由各類電極來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此,選擇肌電表面電極在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中顯得至關(guān)重要。肌電表面電極在肌電采集中起到了換能的作用,能將生物體的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子電流信號(hào),并且,在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)做到信號(hào)的真實(shí)性和不引進(jìn)干擾。 表面電極粘貼于皮膚的表面,因此也稱皮膚電極,其最大的特點(diǎn)是使用簡(jiǎn)便、安全及具有無(wú)創(chuàng)性,通常情況下只需要簡(jiǎn)單的粘貼于所研究肌表面即可。表面電極的缺點(diǎn)是作用區(qū)域大,在與皮膚的接觸傳遞信號(hào)的過(guò)程中影響因素較 多,測(cè)量的均一性很難保證 53。另外,表面電極只能記錄表面的肌電信號(hào)特征,因?yàn)樯眢w組織內(nèi)部深層的肌電信號(hào)需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸才能到達(dá)表明,這會(huì)導(dǎo)致所得的信號(hào)嚴(yán)重失真或減弱,因此不宜記錄深層肌的肌電信號(hào)。故在選擇表面電極時(shí)應(yīng)考慮如下因素: 1) 接觸電阻。電極與皮膚接觸會(huì)形成一個(gè)接觸電阻,由于人體皮膚表面汗液含氯化鈉等化學(xué)成分,在電極與皮膚的接觸面上可能發(fā)生電解等化學(xué)反應(yīng),并有可能產(chǎn)生損害皮膚組織的物質(zhì),所以在肌電信號(hào)獲取中,應(yīng)使電極的接觸阻抗盡量保持穩(wěn)定,并避免產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)。 2) 電極安放位置。肌電信號(hào)在人 體組織傳遞會(huì)發(fā)送衰減,其距離越長(zhǎng),衰減越明顯,因此,為減少臨近肌和組織的影響,表面電極的安放位置顯得至關(guān)重要,應(yīng)放置在肌電發(fā)放最強(qiáng)的肌腹部。 3) 運(yùn)動(dòng)干擾。肌運(yùn)動(dòng)時(shí),電極與皮膚間可能發(fā)生微小的位移,這會(huì)引起噪音,干擾肌電信號(hào)。 綜上所述因素,本文選擇 司生產(chǎn)的 面雙電極。當(dāng) 面電極通過(guò)小電流時(shí),非常接近于完全不極化電極。 面肌電信號(hào)的前處理 肌電信號(hào)的幅值在 10 間,經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的信號(hào)要達(dá)到 V 級(jí),故需要將信號(hào)放大數(shù)千倍。該系統(tǒng)采用的前置放大器 的目的是去除混在表面肌電信號(hào)中的各種噪聲,如由于肌電所引起的高頻干擾,由體位變化、電極接觸不良引起的低頻干擾及基線漂移,由電源所引起的工頻干擾等,同時(shí)將微弱的表面肌電信號(hào)放大到一定的范圍??紤]到肌電信號(hào)放大的要求,放大器的增益要高而且可變,電路的共模抑制比要大,電極的輸入阻抗高于電極與皮膚的接觸阻抗。 據(jù)采集卡 基于微功耗、小型化、成本低、效率高的原則,設(shè)計(jì)出了高度集成的數(shù)據(jù)采集卡,它有兩部分組成: 1) 數(shù)據(jù)采集電路,主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多路數(shù)據(jù)同步采集和轉(zhuǎn)換,包括信號(hào)調(diào)理電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路; 2) 核心控制 電路,包括單片機(jī)、通信電路和存儲(chǔ)器,主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各部分有序工作。其中,數(shù)據(jù)采集電路板采用插件方式與單片機(jī)總線相連,靈活地配置了數(shù)據(jù)采集通道路數(shù)。 據(jù)存儲(chǔ)與回放 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要同時(shí)具備在數(shù)據(jù)采集完成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出成文件及回放信號(hào)的功能。這種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件必須能被再次調(diào)用及回放,并可以直接使用分析系統(tǒng)中的函數(shù)及分析方法處理采集后的原始數(shù)據(jù),以便實(shí)現(xiàn)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析及模式識(shí)別。同時(shí)還需要通過(guò)虛擬儀器軟件提供對(duì)文件讀寫的操作將外部數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入應(yīng)用軟件。 本研究設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示采集的肌電數(shù)據(jù) ,并且能將肌電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為件, 件能夠支持多平臺(tái),能夠提升存取數(shù)據(jù)的價(jià)值,以便進(jìn)行回放分析等,方便了肌電數(shù)據(jù)的分析。 第三 部分 咀嚼肌多通道表面肌電信號(hào)分析系統(tǒng)的研制 言 近年來(lái),肌電信號(hào)的檢測(cè)與分析技術(shù)得到了迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)外對(duì)表面肌電信號(hào)的分析研究也越來(lái)越引起人們的關(guān)注。肌電信號(hào)在本質(zhì)上是一種具有非平穩(wěn)、非高斯特性的生理信號(hào) 54。在其信號(hào)的提取仍然面臨許多的挑戰(zhàn)。 實(shí)驗(yàn)表明,表面肌電信號(hào)是一種非常微弱的生物電信號(hào)。目前,對(duì)于表面肌電信號(hào)的研究,人們已采用了諸多的方法,但就其所 利用的理論方法而言,主要分為以下六個(gè)方面:時(shí)域分析法、頻域分析法、時(shí)頻分析法、高階譜、混沌與分形、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器等。在諸多分析方法中,小波分析是一種新的、應(yīng)用廣泛的分析方法,它是繼傅里葉以后純粹數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)工具,素有“數(shù)學(xué)顯微鏡的美稱。從各方面來(lái)說(shuō),小波變換是計(jì)算機(jī)應(yīng)用、肌電信號(hào)指標(biāo)的處理、圖像變化的分析、非線性信號(hào)科學(xué)和工程信號(hào)技術(shù)等方面應(yīng)用上產(chǎn)生重大突破。實(shí)際上,計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)、信號(hào)和圖像處理科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和純粹數(shù)學(xué)、物理應(yīng)用科學(xué)和地球變化科學(xué)等對(duì)小波變換的產(chǎn)生、發(fā)展、完善和應(yīng)用的整個(gè)過(guò)程中都產(chǎn)生了 深遠(yuǎn)的影響,目前,小波變化分析已經(jīng)成為肌電研究中不可或缺的重要的研究方法之一,也是科學(xué)研究和工程技術(shù)應(yīng)用中涉及面極廣泛的一個(gè)熱門話題 55。然而,任何單一的分析方法都無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)的需要,因此,研究一種整合各種方法并存分析的方法顯得尤為重要。 嚼肌 析方法 本研究設(shè)計(jì)的咀嚼肌多通道 號(hào)分析系統(tǒng)分為實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)和回放分析系統(tǒng)。實(shí)時(shí)分析是信號(hào)采集系統(tǒng)的一部分,在信號(hào)采集的同時(shí)即進(jìn)行信號(hào)的分析?;胤欧治鱿到y(tǒng)對(duì)每個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、雙譜分析、傅里葉變換和小波分析的整合分析,獲取 特征參數(shù)。 析界面(圖 3 圖 3表面肌電信號(hào)分析界面 在肌電信號(hào)回放與分析中,對(duì)四通道 析方法包括時(shí)域分析、頻域分析、短時(shí)傅里葉變換和小波分析等的整合分析。獲取肌電信號(hào)中有價(jià)值的信息。 域分析 表面肌電信號(hào)反映的是體內(nèi)較大區(qū)域內(nèi)肌活動(dòng)的總和。時(shí)域分析是最直接的肌電信號(hào)分析方法,用于刻畫時(shí)間序列信號(hào)的振幅特征, 以電位時(shí)間曲線來(lái)表達(dá) 肌電信號(hào) 某一記錄點(diǎn)的特征 。它同其它生物電信號(hào)一樣,本身 的 信號(hào) 幅值低 ,信噪比 也低 , 而 其中較大的噪聲來(lái)源于 50 把肌電信號(hào)近似看成 隨機(jī)的信號(hào),并 服從零均值、方差與其強(qiáng)弱有關(guān) ,這是最傳統(tǒng)的處理方式 。時(shí)域分析是將肌電信號(hào)看作時(shí)間 與頻域的 函數(shù),通過(guò)分析得到肌電信號(hào) 在這一函數(shù)中 的某些統(tǒng)計(jì)特征,如對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行整形 分析 ,計(jì)算 對(duì)比信號(hào)的整形平均值、方差、過(guò)零次數(shù)、 肌電信號(hào) 幅值的直方圖、均方值,將其作為信號(hào)特征 進(jìn)行 模式分類 56。時(shí)域特征的提取相對(duì)比較簡(jiǎn)單,故時(shí)域分析方法在肌電信號(hào)應(yīng)用領(lǐng)域得到了 普遍 的應(yīng)用。最常用的肌電信號(hào) 的 時(shí)域 分析 特征有 以下幾種: 1)積分肌電值 ( 肌電信號(hào)圍繞基線 上下浮動(dòng),有正值也有負(fù)值,其均值為零,直接采用均值作為肌電信號(hào)的特征,不能表征信號(hào)間的差異,所得特征值近似為零。積分肌電值是對(duì)肌電信號(hào)取絕對(duì)值, 則得到的信號(hào)的均值將恒大于零 。 2)過(guò)零點(diǎn)數(shù) ( 神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)放的電脈沖,到達(dá)肌引起肌的收縮,所以,肌電信號(hào)的強(qiáng)度與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)放的電脈沖的頻率有密切的關(guān)系, 所以過(guò)零點(diǎn)數(shù)也 可以 作為肌電信號(hào)的一個(gè) 重要 特征。 3)方差 ( 對(duì)肌電信號(hào)取絕對(duì)值,所得 信號(hào)的均值等于其積分肌電值 。但 當(dāng)對(duì)肌電信號(hào)不作任何處理時(shí),其均值 則 等于零 。 顯然,兩種情況 的方差不同。 4)肌電 信號(hào)的時(shí)序 模型:信號(hào)的時(shí)序模型主要 中應(yīng)用較為廣泛的是 5)肌電信號(hào) 直方圖:檢測(cè)不同幅值的 肌電 信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)可作為一種有效的特征 ,這是因?yàn)?肌高度收縮時(shí), 肌電 信號(hào) 會(huì) 極其偏離其基線 。 在臨床和康復(fù)醫(yī)學(xué)研究中,常被應(yīng)用于實(shí)時(shí)、無(wú)損傷地反映肌活動(dòng)狀態(tài),其數(shù)值變化通常與肌收縮力大小等有關(guān)。 時(shí)域分析將肌電信號(hào)看做時(shí)間的函數(shù),能夠不經(jīng)過(guò)任何處理轉(zhuǎn)換直接快速提取波形特征,其直觀性強(qiáng)、物理意義較明確,可供臨床疾病進(jìn)一步的分析和判斷 57。時(shí)域分析中的平均肌電值反映 。另外,由于 此采用肌電積分值可反映肌電信號(hào)隨時(shí)間進(jìn)行的強(qiáng)弱變化58。 盡管時(shí)域特征比較容易提取,但大量研究表明,當(dāng)肌收縮力大小 發(fā)生 變化時(shí),表面 肌電信號(hào) 的時(shí)域特征變化較大, 并且 不穩(wěn)定 。 而通過(guò)傅立葉變換將 肌電 信號(hào)變換成頻域中的頻譜或功率譜 時(shí) ,其波形變化 就 不是很大, 由此可見, 肌電信號(hào)的頻域描述 比時(shí)域描述 穩(wěn)定。 域分析 是一種非常重要的信號(hào)提取分析方法, 也能提供關(guān)于肌某種特征的有價(jià)值信息。頻域分析主要方法是對(duì) 立葉轉(zhuǎn)換( 獲得 中位頻率( 用來(lái)定量描述 常與肌功能狀態(tài)即疲勞程度有關(guān)。 早在 80年代, 有人就 利用 傅里葉 變換對(duì)表面肌電信號(hào) 進(jìn)行了 功率譜分析 59。了解用力 及 神經(jīng)肌肉疾病之間的功率譜差異 ,可以通過(guò)高頻 /低頻的幅值比來(lái)估計(jì) 。 另有研究以倒頻譜系數(shù)為矢量特征, 對(duì) 表面肌電 信號(hào)進(jìn)行了倒 頻譜分析 60。 有研究 總結(jié)和比較了基于 傅里葉 變換與基于人 討論了它們的實(shí)用性和局限性 61, 另有研究發(fā)現(xiàn)皮膚厚度在表面肌電信號(hào) 功率譜形狀隨力程度的增加 中起決定性的作用 62。 本研究應(yīng)用頻 域分析主要的是對(duì) 獲得 們可反映 以能夠較好的在頻率維度上反映 63 功率譜提取的頻域特征相對(duì)穩(wěn)定,因此,提取的頻域特征有利于后續(xù)的肌電信號(hào) 模式識(shí)別。功率譜可用來(lái)表征不同肌電信號(hào)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作模式 65。本研究中功率譜分析信號(hào)的能量隨頻率變化的分布情況(圖 3圖中第三通道表示正常肌電功率譜的形態(tài),肌電頻率集中在 0間,第二通道表示異常肌電功率譜的形態(tài),肌電頻率分布集中出現(xiàn)在大于 500高頻率,故可以推斷第二通道肌活動(dòng)存在異常。 圖 3正常和異常肌電功率譜形態(tài)圖 譜分析 頻域分析中的雙譜分析是研究非平穩(wěn)信號(hào)的一種有效方法。該方法通過(guò)在三維平面上表述信號(hào)的頻率特征,能夠清晰地反映出信號(hào)的頻率隨時(shí)間的變化 66。本研究中正常和異常肌電雙譜分析(圖 5),肌電第三通道雙譜分析中,肌電頻率較集中,符合正常肌電特征。肌電二通道雙譜分析中,肌電頻率較分散,出現(xiàn)多個(gè)頻率點(diǎn),提示為異常肌電。 圖 3常和異常肌電雙譜分析圖 頻域分析 肌電信號(hào)在本質(zhì)上是一種非平穩(wěn)、非線性的信號(hào),由于肌電 信號(hào) 具有 非平穩(wěn) 的 特性 ,大量學(xué)者利用時(shí)頻分析 方法 中的短時(shí)傅立葉變換、小波變換等方法對(duì)表面肌電信號(hào)進(jìn)行分析處理 67傳統(tǒng)的傅里葉變換只能較好地刻畫信號(hào)的全局頻率特征,而幾乎不提供信號(hào)在任何時(shí)域中的頻率信息 。將時(shí)域分析 與頻域分析結(jié)合起來(lái)的方法即使時(shí)頻域分析,即同時(shí)在時(shí)域和頻域的兩域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析,這種方法得到了研究者的廣泛關(guān)注。 目前用于表面 表面肌電信號(hào) 分析的時(shí)頻分析方法主要有短時(shí)傅立葉變換、 1946 年提出 短時(shí)傅里葉變換 ,其變換的基本思想 主要是 在傅立葉變換的框架內(nèi),把非平穩(wěn) 的 信號(hào)看成是一系列短時(shí)平穩(wěn)信號(hào)的疊加,其短時(shí)性可通過(guò)時(shí)域上的加窗來(lái)獲得。 到的時(shí)頻特性圖能顯示出信號(hào)的某些特征,方便觀察信號(hào)隨著肌狀態(tài)的不同而變化的頻率 69。本研究中截取患者某一時(shí)間段內(nèi)肌電圖,肌能量的頻率圖,顏色越深,代表能量越高,顏色越多代表頻率越分散。很明顯,第三、四通道肌能量高,頻率分布分散,并且二者顏色深淺差異明顯,提示左右咬肌明顯的不對(duì)稱(圖 6)。 圖 3肉能量頻率圖 A:左側(cè)顳肌前束 B: 左側(cè)咬肌 C:右側(cè)顳肌前束 D:右側(cè)咬肌 波分析 小波分析最初來(lái)源于傅立葉變換分析的思想,它是在傅立葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,傳統(tǒng)的傅立葉變換不能反映肌電信號(hào)的局部特征,因此,在小波分析出現(xiàn)以前,對(duì)肌電信號(hào)局部特征的分析 顯得非常困難,自小波分析出現(xiàn)以后,小波變換系數(shù)能夠給出這種局部性能的豐富信息,它在時(shí)域和頻域都有局部性質(zhì)。小波分析中的正交函數(shù)系,是首先在選擇適當(dāng)?shù)幕拘〔ê?,?jīng)過(guò)不同的尺度變換和移位來(lái)產(chǎn)生小波。小波分析的作用相當(dāng)于一組帶寬相等、中心頻率可變的帶通濾波器,能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的放大和縮小以及平移等。小波分析能夠充分體現(xiàn)相對(duì)帶寬頻率分析,亦能夠適應(yīng)變分辨率分析的思想,從而為肌電信號(hào)的實(shí)時(shí)處理及后期處理提供了一條非常重要的途徑。 小波分析中,不同分解層顯示信號(hào)不同的頻率成分,使信號(hào)頻域的分解達(dá)到很精細(xì)的程度。每個(gè)分解層 內(nèi)的肌電信號(hào)表征了原信號(hào)在該頻率范圍內(nèi)的動(dòng)作特征信息。小波分析提供了一種自適應(yīng)的時(shí)域和頻域同時(shí)局部化的分析方法,能夠反應(yīng)信號(hào)在時(shí)域和頻域的局部信息 70在信號(hào)處理中、不同的小波包函數(shù)具有不同的特性,選擇小波函數(shù)至關(guān)重要,本系統(tǒng)具有多個(gè)小波函數(shù)可供選擇使用。本研究選取一位患者的肌電圖(圖 7),( a)圖為患者的一段肌電圖,用 波函數(shù)進(jìn)行分層處理,共分解為五層,分別為 譜( 譜 ( 譜 (125 譜 (250從頻 譜圖中我們可以直觀的看出 于其他頻譜達(dá) 以可推斷 這段肌電的主要頻率范圍,并且明顯高于正常的肌電頻率范圍,說(shuō)明該患者肌電存在異常。 圖 3波分解表面肌電信號(hào)示意圖 原始 號(hào); (號(hào)在第三個(gè)層面的分解信號(hào); (號(hào)在第五個(gè)層面的分解信號(hào); (號(hào)在第四個(gè)層面的分解信號(hào); (號(hào)在第五個(gè)層面的分解信號(hào)。 通過(guò)以上對(duì)表面肌電信號(hào)的綜合分析,可以獲得表面肌 電信號(hào)的大量的信息,以便對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的分析,獲得更多有用的信息。 第四部分 咀嚼肌多通道表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)和分析系統(tǒng)在 言 口腔頜面頸部的肌群包括表情肌、咀嚼肌、腭咽部肌和頸項(xiàng)部肌,其中,咀嚼肌是咀嚼系統(tǒng)發(fā)揮口腔生理功能的主要肌群,包括:咬?。?顳肌 (翼內(nèi)肌 (翼外肌 (咀 嚼肌的功能狀態(tài)構(gòu)成了影響顱頜生長(zhǎng)發(fā)育的重要外環(huán)境因素。 咀嚼肌功能的強(qiáng)弱不僅可以改變顱頜骨骼周緣的血運(yùn)及機(jī)械力學(xué)環(huán)境而影響整個(gè)面部的生長(zhǎng)型;同時(shí),咀嚼肌與牙頜關(guān)系的平衡穩(wěn)定是咀嚼系統(tǒng)肌功能正常的重要因素。人的一生中,咬合不斷變化,肌功能也在不斷調(diào)整以適應(yīng)咬合的改變、維持其平衡,當(dāng)肌功能不能適應(yīng)咬合的改變,或者說(shuō)咬合的改變已超出機(jī)體所能適應(yīng)的限度,就會(huì)出現(xiàn)異常和病變;久之可引起其他肌群的不適,臨床上可見咬合異常導(dǎo)致的頸、肩部疼痛 72。咀嚼肌收縮時(shí)產(chǎn)生的生物電活動(dòng) , 通過(guò) 皮膚電極及 肌電傳感器 等設(shè)備 導(dǎo)入 到 肌電圖 儀 中進(jìn)行顯示和儲(chǔ)存 ,形成 的 一種波形,稱為 僅 能夠 反映了肌本身的興奮 性 ,而且還在一定程度上反映出支配該肌的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的活動(dòng)。因此, 研究 及檢測(cè) 神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能必備 的重要 的測(cè)試手段 之一 ,同時(shí)為臨床 診斷及 治療 的評(píng)估 提供了客觀的科學(xué)依據(jù)。近 20以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)咀嚼肌的生理 功能,以及病理狀態(tài)都有了深刻的研究,同時(shí),對(duì) 診斷 與評(píng)價(jià) 、 行 口腔頜面外科手術(shù)后 機(jī)體 功能的恢復(fù) 評(píng)價(jià) 、錯(cuò)頜畸形及義齒修復(fù)前后效果的判斷 及評(píng)估 等 也 都進(jìn)行了大量的肌電研究 73 這 為客觀地診斷與 評(píng)價(jià) 咀嚼肌功能相關(guān) 的一些疾病 , 以及估價(jià)某些治療措施的療效提供了一定依據(jù)。采用 咀嚼肌肌電記錄不僅是診斷咀嚼肌功能紊亂的重要手段,而且是評(píng)定治療手段和效果的重要工具。通常進(jìn)行 大緊咬時(shí)雙側(cè) 二腹肌的肌電檢查。在對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)疾病、磨牙癥、后牙嚴(yán)重磨損或缺失、下頜骨位置異常、頭頸姿勢(shì)異常等的診斷和治療中有著廣泛的應(yīng)用。 顳下頜關(guān)節(jié)( 人體最為復(fù)雜、精細(xì)的關(guān)節(jié)之一,在咀嚼、吞咽、發(fā)音等功能運(yùn)動(dòng)中起著重要的作用。 口腔常見疾病,據(jù)統(tǒng)計(jì)約有20%人患有顳下頷關(guān)節(jié)紊亂病。它并非指單一疾病,而是一類病因尚未完全清楚,而又有共同發(fā)病因素和臨床主要癥狀的一組疾病的總稱。 有研究表明, 者關(guān)節(jié)區(qū)疼痛側(cè)顳肌后束姿勢(shì)電位明顯高于對(duì)照組 75。但,肌電圖并未作為一種診斷方法用于 因此,該咀嚼肌多通道表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)的研制為顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的診斷提供了新的思路。 料與方法 8例 4例男性, 4例女性)和 8例正常對(duì)照( 4例男性, 4例女性)納入此項(xiàng)研究。年齡 2040歲。兩組年齡、性別基本匹配。 011年 1月 2月期間就診于蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院的患者。所有研究對(duì)象均簽署了知情同意書。本研究得到蘭州大學(xué)倫理中心的同意。利用多通道表面肌電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),分別測(cè)量 牙尖交錯(cuò)位( 叩齒運(yùn)動(dòng)( 雙側(cè)顳肌前束、咬肌的肌電活性。電極安放位置參見文獻(xiàn) 76,如圖 4 圖 4電極安放位置 于咀嚼肌多通道 經(jīng)過(guò)一系列 分析軟件 的開發(fā)與調(diào)試, 采集及分析 系統(tǒng)平臺(tái)按照最初所提出的設(shè)計(jì)方案最終 安裝 完成。經(jīng)過(guò)多次 采集 表面肌 電 信號(hào) 的采集 實(shí)驗(yàn)的測(cè)試與整合,系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)要求,并應(yīng)用于蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院表面肌電信號(hào) 的 采集 及儲(chǔ)存及回放 實(shí)驗(yàn)中,取得了良好的 預(yù)期 效果。 應(yīng)用軟件基于 軟件 采集 界面如圖 4應(yīng)用軟件包含菜單欄、波形顯示控件、 參數(shù)設(shè)置界面 等部分。其中菜單欄,包括通道設(shè)置、采集模式設(shè) 置、波形顯示模式、文件打開 /存儲(chǔ)等功能;波形顯示
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