肌电信号评价电刺激致肌疲劳方法的研究

近年来,随着经济的发展,国家、国民对健康的投入,电刺激的发展更加受到临床医学、康复医学等领域的青睐。然而,电刺激在长期使用时会导致被刺激者的肌肉疲劳,这严重制约了电刺激的应用和推广。本研究通过电刺激前后的握力实验研究电刺激致肌疲劳的进程规律,并通过表面肌电信号尝试建立肌疲劳的实时测量技术,为肌疲劳调控的研究奠定基础。 本研究中首先采用临床上最具准确性的最大握力值作为肌疲劳参照判定参数,对电刺激(频率为5Hz,持续5分钟用以致疲劳的电刺激)致肌疲劳和运动致肌疲劳两组实验过程中的肌肉最大作功能力变化进行对比评定。两组实验中在致疲因素作用完毕后,均再对受试者施加电刺激(频率为1Hz,持续时间为5秒用以诱发肌电的电刺激),并在右前臂尺侧腕屈肌处采集电刺激诱发的肌电M波信号,诱发刺激完毕后采集静息状态下的静息肌电信号。诱发肌电信号与静息肌电信号经预处理后,分别采用功率谱分析和非线性功率谱熵与近似熵分析进行特征提取和统计分析。 研究结果发现,电刺激作用于人体过程肌肉最大作功能力的反应与自主运动过程肌肉最大作功能力的反应不同,运动致疲劳实验中受试者平均最大握力值呈单调减小趋势,而电刺激致疲劳实验中,作用初期受试者平均最大握力值呈增大趋势,随着实验中疲劳的产生,握力值在到达峰值后逐渐减小,这说明电刺激有增强肌肉最大作功能力的作用。肌电信号分析电刺激致肌疲劳的结果显示,随着肌疲劳的产生,诱发肌电信号频域中低频能量增加,高频能量减少,即信号功率谱向左偏移,在实验初期,诱发肌电信号功率谱熵和近似熵结果均呈升高趋势,随着实验的进行肌疲劳程度逐渐加深,熵值也逐渐减少；静息肌电信号的功率谱能量有增大变化,但功率谱左移现象并不明显,同样在实验初期,静息肌电信号的功率谱熵结果呈上升变化,之后虽有相对的下降,但仅在实验末期时熵值才低于初始状态时熵值结果,近似熵结果在实验初期却出现下降的变化。熵值升高说明电刺激作用初期,激发了神经肌肉纤维的兴奋性,增强了肌电信号的复杂度,使肌纤维反应更为活跃。肌电信号分析运动致肌疲劳的结果显示,诱发肌电信号随着肌疲劳的产生,信号功率谱也出现了向左偏移的现象,低频能量增加,高频能量减少,实验中诱发肌电的功率谱熵和近似熵结果随着实验的进行单调减小；静息肌电信号功率谱能量得到了增强,在实验过程中,相邻两组静息肌电信号的功率谱熵结果和近似熵结果都相差不大,疲劳时熵值结果也都没有很明显的减小。从肌电信号对两种肌疲劳的分析中发现,基于诱发肌电信号提取的功率谱结果与目前较一致认可的结论相同,诱发肌电的功率谱熵与近似熵结果与最大握力值所得结果相同；而基于静息肌电提取的特征量的变化情况与最大握力值结果有很大不同。因此诱发肌电信号在表述肌肉的特征变化中更优于静息表面肌电信号。结合肌疲劳过程中所有阈值的变化结果可发现电刺激在有效时间段内具有提高肌肉兴奋性,增强肌肉收缩能力的作用,且在本文电刺激参数刺激下,该有效时间段为25分钟。 本研究证实电刺激作用于人体的过程分为两个阶段,第一阶段中电刺激首先起到一种提高肌肉兴奋性,增强肌肉收缩能力的作用,第二个阶段中电刺激将导致肌肉逐渐疲劳。相对于静息状态下的静息肌电信号,采用电刺激诱发的肌电M波信号的功率谱熵与近似熵参数可以较准确的检测出肌疲劳的变化过程。本研究所建立的基于表面肌电信号的量化分析方法可为电刺激致肌疲劳的进展规律研究、疲劳监测及调控技术奠定了研究基础。 本论文的创新点主要有： 1、在基于肌电信号的实验中,选取肌肉静息状态下的静息肌电作为信号提取特征量以评价肌疲劳； 2、对电刺激诱发的肌电M波信号提取近似熵值的处理方法； 3、发现了电刺激作用于人体引起肌肉变化的两个阶段,并将肌肉的变化进行量化。