Name: 从表面肌电信号的提取资源增值计划的组件 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-12-16T16:05:00.000+00:00
Duration: 7 min 16 s
Description: 学习从表面肌电信号中提取终板电位成分的方法，利用数字滤波技术分离约30赫兹振荡信号。该技术有助于神经肌肉功能研究和医学诊断应用。

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我谨向松本齿科大学英语教授David Carlson表示衷心感谢，感谢他在撰写本报告过程中给予的大力支持。同时，我也要感谢本实验室的研究生Tadafumi Adachi，感谢他作为受试者积极配合本项研究。

1. 肌电图电极的制备
 <ol>
 <li>首先准备九个电极。其中八个用于记录来自肌肉表面位点的信号，另一个作为参考电极。</li>
 <li>将记录电极和参考电极连接至放大器后，向电极盘内填充导电膏。任何类型的导电膏均可使用，但低流动性类型更佳。</li>
 <li>在将电极贴附于皮肤之前，让受试者保持稳定，并确定面部咬肌的大致位置。</li>
 <li>咬肌的上部肌腱附着于颧弓，下部肌腱附着于下颌角。</li>
 <li>将八个记录电极以相等的电极间距排列在一条长条状粘性胶带上，并将该电极阵列贴附于皮肤表面。第一个记录电极置于颧弓处，最后一个置于下颌角处。</li>
 <li>最后，将参考电极贴附于鼻尖。</li>
</ol>
2. 肌电图记录
<ol>
	<li>开始记录前，首先设置多通道模拟放大器（MEG6100）的参数：增益设为 ×500，高通滤波器设为 0.5 Hz，低通滤波器设为 10 kHz。</li>
	<li>将模拟放大器的八个输出端连接至模拟-数字转换器（PCI-MIO-16E-4）。数字信号通过 LabView 软件处理，采样频率为 20 kHz。</li>
	<li>当所有设备连接完毕后，记录受试者在同侧快速咀嚼口香糖并紧咬时的肌电图（EMG）。</li>
	<li>记录过程结束后，八个通道的信号将立即显示在 LabView 的显示屏上。</li>
</ol>
3. EPP 的提取及其特征观察
<ol>
	<li>为了提取终板电位（EPP）成分，首先使用高截止数字滤波器（巴特沃斯滤波器）从原始肌电图（EMG）中去除动作电位成分。</li>
	<li>开始应用截止频率为 10 Hz 的滤波器。此时应出现一个向正向或负向偏转的慢波。该波对应于终板电位（EPP），其极性差异反映了终板电流的汇-源关系。</li>
	<li>当从咬肌记录时，最下方记录位点的波形中应出现最显著的负向偏转，且极性应在距离该位点约三个位点处发生转换。</li>
	<li>终板电位（EPP）成分的幅度可测量为偏转的峰值点或偏转期间的面积。</li>
	<li>通过将每个通道的终板电位（EPP）波形相对于显示最显著负向偏转的参考通道作图，可确定终板电位（EPP）成分的极性变化。</li>
	<li>现在通过提高截止频率，慢波将变为振荡波形。随着截止频率升高，振荡将增强，通常在截止频率达到 30 Hz 时变得明显。</li>
	<li>波形的相位将在 10 Hz 滤波后终板电位（EPP）波形发生极性反转的记录轨迹处发生反转。</li>
	<li>振荡的相位偏移可通过与 10 Hz 滤波终板电位（EPP）波形相同的图形进行检查。</li>
	<li>根据振荡中相邻正峰和/或负峰之间的时间间隔，可估算出振荡频率。</li>
</ol>
4. 肌电图记录结果
<img src="/files/ftp_upload/1653/1653Fig1a.jpg" alt="面部肌肉解剖图，显示颞肌和咬肌及其标记的肌腱。" data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="图1a"> 图1a： 此处显示的是从咬肌上八个记录位点的示意图。
<img src="/files/ftp_upload/1653/1653Fig1b.jpg" alt="多通道脑电图数据图，电压随时间变化，脑信号分析，插图细节显示信号模式。" data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="图1b"> 图1b： 我们观察到在同侧咀嚼肌区域记录到的单极肌电图（EMG）样本，该信号是在快速咬紧口香糖时同步采集的。通过截止频率为10 Hz的高切数字滤波器提取出EPP成分，并将其叠加在每条原始EMG曲线上。在此试验中，最明显的负向偏转出现在第5和第6道迹线上，而极性在第3道迹线处发生改变。
<img src="/files/ftp_upload/1653/1653Fig1c.jpg" alt="显示脑电波活动模式的脑电图信号图，插图突出显示波形细节。" data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="图 1c"> 图 1c： 当高通数字滤波器的截止频率设置为 30 Hz 时，慢波出现振荡。其相位在迹线 3 处发生偏移，此处经 10 Hz 滤波的 EPP 波的极性发生变化。测量了相邻正峰之间的时间间隔。在该受试者中，16 次记录的平均峰间间隔为 31.7 ± 6.5 毫秒。

<ol><li>Eccles, J. C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aEccles%2C+JC+%22The+physiology+of+synapses%22">The physiology of synapses</a>. , 1st ed, Springer-Verlag. Berlin. (1964).</li>
<li>Mitzdorf, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+source-density+method+and+application+in+cat+cerebral+cortex%3A+investigation+of+evoked+potentials+and+EEG+phenomena%5BTitle%5D)+AND+%22Physiol.+Rev%22%5BJournal%5D)">Current source-density method and application in cat cerebral cortex: investigation of evoked potentials and EEG phenomena.</a> Physiol. Rev. 65, 37-100 (1985).</li>
<li>Rall, W., Shepherd, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theoretical+reconstruction+of+field+potentials+and+dendrodendritic+synaptic+interactions+in+olfactory+bulb%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Theoretical reconstruction of field potentials and dendrodendritic synaptic interactions in olfactory bulb.</a> J. Neurophysiol. 31, 884-915 (1968).</li>
<li>Richardson, T. L., Turner, R. W., Miller, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Action-potential+discharge+in+hippocampal+CA1+pyramidal+neurons%3A+current+source+density+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Action-potential discharge in hippocampal CA1 pyramidal neurons: current source density analysis.</a> J. Neurophysiol. 58, 981-996 (1987).</li>
<li>Kumai, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Location+of+the+neuromuscular+junction+of+the+human+masseter+muscle+estimated+from+the+low+frequency+component+of+the+surface+electromyogram%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Jpn.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Location of the neuromuscular junction of the human masseter muscle estimated from the low frequency component of the surface electromyogram.</a> J. Jpn. Physiol. 55, 61-68 (2005).</li>
<li>Mito, K., Sakamoto, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distribution+of+muscle+fiber+conduction+velocity+of+m.+masseter+during+voluntary+isometric+contraction%5BTitle%5D)+AND+%22Electroencephalogr.+Clin.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Distribution of muscle fiber conduction velocity of m. masseter during voluntary isometric contraction.</a> Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 40, 275-285 (2000).</li>
<li>Tokunaga, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-dimensional+configuration+of+the+myoneural+junctions+of+human+masticatory+muscle+detected+with+matrix+electrode%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Oral+Rehabili%22%5BJournal%5D)">Two-dimensional configuration of the myoneural junctions of human masticatory muscle detected with matrix electrode.</a> J. Oral Rehabili. 25, 329-334 (1998).</li>
<li>Rohen, J. H., Yokochi, C., Lűtjen-Drecoll, E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRohen%2C+JH+%22Color+atlas+of+anatomy%22">Color atlas of anatomy</a>. , 6th ed, Lippincott Williams and Wilkins. Philadelphia. (2006).</li>
<li>Wichmann, T., DeLong, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oscillation+in+the+basal+ganglia%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Oscillation in the basal ganglia.</a> Nature. 400, 621-622 (1999).</li>
</ol>

<ol><li>由于负电位被认为是由终板电流流入形成，而正向偏转则由其流出所致[1,2,3,4]，因此显示最显著负向偏转的轨迹必定对应于神经肌肉接头所在的位置[5]。图1b显示咬肌的神经肌肉接头位于其下部，靠近下颌角处，这与利用运动单位动作电位传导方式的另一种方法所得结果大致相同[6,7]。</li>
<li>咬肌具有解剖学上的特征性结构：其上部肌腱较长，而下部肌腱则较短[8]。终板电位（EPP）成分的极性（及其振荡相位）在肌纤维估计过渡至肌腱的区域附近倾向于发生转变。这提示大部分突触电流可能从肌腱处流出。</li>
<li>终板电位振荡被认为主要起源于α-运动神经元的节律性群集放电，表明肌肉收缩是以间歇方式进行调节的。尽管此类放电模式可能由高级中枢神经系统建立[9]，但也有可能源于由支配肌梭的γ-运动神经元所设定的、高尔基腱器官对α-运动神经元活动的抑制性反馈作用。</li>
<li>人类中已知存在多种类型的异常震颤。这些震颤以约5–10 Hz的频率不自主发生。尽管这些频率低于本实验中观察到的终板电位振荡频率，但此类异常震颤很可能是由该终板电位振荡变慢且难以终止所引起。</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>模拟滤波器</td><td>Nihon Kohden</td><td>MEG6100</td><td>前置放大器、主放大器</td></tr><tr><td>A/D 转换器</td><td>National Instruments</td><td>PCI-MIO-16E-4</td><td>计算机用 PCI 板卡</td></tr><tr><td>连接接口</td><td>National Instruments</td><td>BNC-2090</td><td>8 通道 BNC 适配器</td></tr><tr><td>盘状电极</td><td>Nihon Kohden</td><td>NS-11</td><td>Ag/AgCl（&amp;#934;8mm）</td></tr><tr><td>电极糊</td><td>Sanshin</td><td>SA-5</td><td>半流体碳糊</td></tr><tr><td>LabVIEW（数字滤波器）</td><td>National Instruments</td><td>V. 8.5</td><td>编程语言</td></tr><tr><td>口香糖</td><td>Lotte</td><td>Green gum</td><td>咬合测试用食物</td></tr></tbody></table>

从表面肌电图中提取epp组分

Extraction of the EPP Component from the Surface EMG

表面肌电图（EMG）在靠近神经肌肉接头处记录时，预期包含终板电位（EPP）成分，该成分可通过适当的信号滤波器提取。两个因素至关重要：EMG 必须以单极方式记录，且记录过程中必须保留对应于 EPP 的低频信号。本报告说明如何从人类受试者的咬肌 EMG 中提取 EPP 成分。使用传统的盘状电极，在咬肌上沿颧弓至下颌角方向等距排列的八个位点进行表面 EMG 记录，以响应快速咀嚼肌咬合。参考电极置于鼻尖。通过应用截止频率范围为 10–35 Hz 的高切数字滤波器（二维 Butterworth 滤波器），从原始 EMG 信号中提取 EPP 成分。当滤波器设置为 10 Hz 时，提取出的 EPP 波形在不同记录位点呈现负向或正向偏转。偏转极性的差异反映了终板电流的汇-源关系，其中偏转最负的位点对应神经肌肉接头的位置。对于咬肌而言，神经肌肉接头估计位于靠近下颌角的下部区域。当高切数字滤波器的截止频率设为 30 Hz 时，EPP 成分表现出明显的振荡现象。EPP 振荡表明肌肉收缩以间歇性方式进行调节。伴随多种疾病的异常震颤可能主要源于这种 EPP 振荡，其频率变慢且难以终止。

关键词：表面肌电图，终板电位，神经肌肉接头，咬肌，高切滤波器，振荡，肌肉收缩

可通过数字滤波器从表面肌电图中提取终板电位（EPP）成分。提取出的EPP显示出频率约为30 Hz的振荡。

从表面肌电图中提取EPP组分

表面肌电图（EMG）在记录位置靠近神经肌肉接头时，预期会包含终板电位（EPP）成分……

对于离子型突触机制，突触后膜构成了去极化电位电流的汇点。在终板周围的细胞外介质中应产生一个相对于远端参考点的负电位场，该电位场可能通过单极性表面肌电图检测到。如果能够从皮肤表面检测到对应于终板电位（EPP）的电位，将为多个医学领域提供有用的信息。您好，我是马萨诸塞大学口腔医学院Max Maxillofacial实验室的Kuma。今天我将向您展示一种从表面肌电图（EMG）中提取EPP成分的实验方法。我们实验室采用该方法来研究EPP的特性。那么，让我们开始。首先准备九个电极，并将它们连接到放大器的相应位置上。其中八个用于记录肌肉表面位点的信号，另一个为参考电极。将记录电极和参考电极连接至放大器后，向电极盘中填充导电膏，任何类型的导电膏均可使用，但低液体含量的类型更佳。在将电极贴附于皮肤之前，让受试者用力咬紧牙关，以确定面部咬肌的大致位置。咬肌的上部肌腱附着于颧弓，下部肌腱附着于下颌角，可使用一段长的粘性胶带进行定位。在颧弓和下颌角处分别标记八个记录位点。现在将八个记录电极以相等的电极间距放置在胶带上，并将电极阵列贴附于皮肤表面。第一个记录电极置于颧弓处，最后一个置于下颌角处。最后，将参考电极连接至鼻尖。放置好电极后，即可开始进行肌电图（ELECTROMYOGRAM 或 EMG）记录。首先设置多通道模拟放大器的参数：将增益设为 ×500，高通滤波器设为 0.5 赫兹，低通滤波器设为 10 千赫兹。将模拟放大器的a输出端连接至模拟-数字转换器。当所有设备连接完毕后，使用LabVIEW软件以20千赫兹的采样率处理数字信号。记录受试者在同侧快速咀嚼口香糖并紧咬时的肌电图（EMG）。记录过程完成后，八个通道的信号迹线会立即显示在实验室视图界面上。现在我们来看如何提取信号中的终板电位成分以获得EPP成分。首先，从原始肌电图信号中去除动作电位成分。使用高截止数字滤波器，从10赫兹的截止频率开始应用滤波。应出现一个向正方向或负方向偏转的慢波。该波形对应于终板电位（EPP），其极性的差异反映了终板电流的同步源关系。记录咬肌肌肉信号时，最下方记录位点的波形应出现最显著的负向偏转，且极性应在距离该位点约三个记录位点处发生转换。终板电位（EPP）成分的幅度可测量为偏转的峰值，或偏转过程中的曲线下面积。通过将各通道记录的EPP波形相对于显示最显著负向偏转的参考通道进行绘图，可确定EPP成分的极性变化。通过提高所用滤波器的截止频率，慢波将变得具有振荡性。随着截止频率的增加，振荡会增强，通常在截止频率达到30赫兹时变得明显。在10赫兹滤波的EPP波显示极性反转的轨迹处，该波的相位将发生反转。可以通过相同的图形检查振荡的相位偏移，这些图形用于分析10赫兹滤波后的EPP波，分析区间为振荡相邻正峰和/或负峰之间。我们可以大致估算出此处所示振荡的频率。图中示意性地展示了从咬肌上记录信号的八个位点。现在我们看到的是同时从咬肌各记录位点获得的单极EMG样本。在对同侧进行快速咬牙动作时，通过使用截止频率为10赫兹的高通数字滤波器，从每个原始肌电图信号中提取出EPP成分。在本实验中，当高通数字滤波器的截止频率设置为30赫兹时，最显著的负向偏转出现在第负五和负六条轨迹中，而极性在第负三轨迹处发生改变。慢波表现出振荡特征。在第三道迹线中，其相位也发生了偏移，此处经过10赫兹滤波的终板电位波形极性发生了改变。在该受试者中测量了振荡相邻正向波峰之间的时间间隔。在16次记录中，平均峰间间隔为31.7毫秒。我们刚刚向您展示了如何从表面肌电图记录中提取终板电位（EPP）成分。在进行此操作时，重要的是要记住设置适合EPP信号的各种记录参数，并以单极方式记录肌电图。就是这样。感谢观看，祝您的实验顺利成功。

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生物学

从表面肌电信号的提取资源增值计划的组件

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