【毕业学位论文】（Word原稿）咀嚼肌多通道表面肌电信号数据采集和分析系统的研制与临床初步应用

第一部分 前 言 究背景 自 20 世纪 60 年代以来，随着电子技术的发展和电子计算机的出现，肌电信号的定量分析技术得到迅速发展，并广泛地渗透到与人体疾病及肌电生理有关的各个领域，在神经系统检查、肌功能及疲劳分析、口腔颌面系统等领域起到了巨大的作用，这极大地推进了与肌电生理学相关的问题的研究 1。 电信号的生理学基础 肌是人体运动系统重要的组成部分。人体的各种运动 (包括外部运动和生理运动 )都或多或少地与肌的活动有关。因此，对肌 功能及 运动的各种 检测 成为人们研究肌生理功能的重要途径。 骨骼肌接受躯体运动神经支配， 运动单位 (运动的基本单位，是由运动神经元及其所支配的全部肌纤维构成。随着肌收缩而出现的电生理活动， 神经传导将冲动传递到神经肌接头处，形成终板电位，将冲动传递到肌，引起肌收缩，由此 神经肌接头起到了传递信息的作用 2机体受到外界的刺激，运动神经元发生兴奋，并产生电脉冲，电脉冲信号沿轴突传递到肌纤维，在肌受到电脉冲信号刺激时，这些运动单位并不都是同时感到兴奋而产生收缩的，事实上，运动单位是以极不同步的方式通过一串 又一串从脊髓传向运动神经的电脉冲信号而产生兴奋的。这些电脉冲信号引起肌纤维抽缩从而产生肌张力，同时传播中的电脉冲在人体软组织中引起电流场，并在检测电极间引起电位差。肌电图作为一种诊断工具，在记录肌活动信号的同时，对肌功能活动进行评价，已经广泛用于周围神经病、神经肌传导疾病、肌本身的病变等的诊断及治疗效果的评价。 在临床医学中， 肌电图也称为一种应用广泛的工具，不仅在诊断疾病方面得到了广泛的应用，而且在治疗的评价及某些肌的生理功能方面研究方面具有重要的作用 4。 肌电信号 （ 肌电图， 是应用电子学仪器记录肌静止或收缩时的电活动的曲线。肌电信号 根据电极的不同 分成两大类，即针 插 电极肌电信号 （ 和表面肌电信号 （ 5。插入电极（针形） 一般为针电极，获得的肌电信号即为针电极肌电信号， 采用针状电极 可以对单个运动单位进行状态的了解。表面电极所取肌电信号反映体内较大区域内肌电活动的总和，不能确切反映个别肌纤维的活动，但是由于使用方便且无痛苦，因此应用很广。与传统的针电极相比 ，表面肌电信号具有无创性，操作简单，病人易接受的特点 6。 面肌电信号 表面肌电信号是从皮肤表面通过电极引导记录下来的神经肌 肉 系统活动时的生物电信号 7； 该信号 与肌的活动状态和功能状态存在着 密切 的 联系，他能在 一定程度上反映神经肌肉的 功能状态 ，在 康复医学、假肢研究、神经肌疾病、及 体育科学中的疲劳判定、等方面均有重要价值 8。 众所周知，肌收缩产生的电流只能以微幅计算，只有将这种微幅的信号放大后才能进行观察。而 表面肌电图 仪可以看作 是一个非常敏感的电流放大器 ， 将肌收缩产生的非常小的电流（以微伏计 算）通过表面肌电图仪放大到合适的范围后再进行观察。由于周围环境的复杂性及干扰的多样性，早期的表面肌电图仪记录电流时常常受到干扰，需要在屏蔽罩或屏蔽室内进行工作，以避免干扰的产生。随着生物医学工程的发展，表面肌电图仪不断改进，开始应用于临床疾病的诊断及治疗后的疗效观察，并显示出巨大的优势，并逐渐普及 9。然而，表面肌电图还存在一 系列的 基本的问题： 1）肌电信号源 的募集 。运动单位电位（ 是 表面肌电图的信号 来 源。 由于 大量的运动单位同时兴奋 ，使得 电位 发生 募集。电流通过人体组织到达 人体表面 皮肤，再通过 表面 记 录电极、 前置 放大器 、数据采集卡 后显示 在肌电图仪 。 表面 记录电极距产生运动单位电位的肌纤维的距离越远，动作电位越小，对振幅的贡献就越小 10。 2）表面肌电图的主要干扰源。 50频干扰是表面肌电信号的主要干扰源之一 11。另外， 表面肌电图的干扰来自电源和 外界的 噪音。 简言之，除表面肌电信号以为的信号来源均可视为干扰 。心电是 机体的 主要噪音之一。心电持续存在， 并 且心电信号比肌电信号强 ，其消除显得非常必要 。 所以表面肌电信号的干扰来源甚多，其消除干扰显得尤为重要12。 3）电极移动产生局部电流是表面肌电 信号 的 另一干扰源。在患者运动过程，电极很容易发生微小的移位，在电极局部产生电位 13。 4）电阻。记录的信号大小和噪音大小的比 值即为信噪比 14。信噪比越大，记录的信号越好，说明仪器的性能越佳。皮肤的表面有 各种分泌物及坏 死细胞等 都会 增加皮肤的电阻，使信噪比下降。 尽量降低皮肤的电阻，可以使获得的 表面肌电 信号越好。并且要 尽量平衡两个记录电极之间的电阻。 目前，最 常用的办法是用 75%的酒精脱脂 来降低皮肤的电阻 ， 因为酒精会破坏表面电极，所以要 让酒精挥发后再粘贴记录电极。皮下组织是影响信噪比的另一个因素。 另外， 记录电极和 放大器是主要的电阻，加大放大器的电阻，使之大大超过记录电极的电阻，可以使损失减小。 一般要求，表面 记录电极的电阻需 小于500大器的输入电阻要求为皮肤电阻的 10 15。 肌电信号是一种非常微弱的电信号。肌电信号的幅度范围一般在 0收缩时为60，松弛时约为 20，一般不会超过噪音水平 16。表面肌电信号的能量一般主要集中在 1000下，绝大部分频谱集中在 50间 17。目前常用的肌电信号参数有以下 5 种： 1） 峰值电位：峰值即 波幅，代 表肌电电位活动的大小，是肌作功的表现，是指在时相范围内，最大负峰与最大正峰之间的幅度差。肌电图上出现明显的电位变化，表面肌在所测的运动单位增加。波幅增高，说明肌纤维密度增加。波幅减小，说明出现肌源性损伤 18。原始峰值 计算费时，并且存在人为误差，是很粗略的定量分析。 2）平滑平均电位：从表面电极采集的咬肌肌电信号的功率谱分析中发现，其频率范围约 20700值频率约 7050% 90%累积功率谱率分别为 说明表面电极采集的咬肌肌电信息呈偏态分布，即 低频分量占主要成分 19。因此采用低通滤波器进行平滑平均处理的方法可以获取反映肌电信号特征的低频分量及幅值的均值，较原始肌电波的方法精确、方便。 3）肌电静息期：在颌反射的肌电图中（叩击颏部或其他刺激所引发），在发生一系列波峰后，出现的肌抑制状态，出现在升颌肌群的 观察到的肌电活动的暂停，此时，不再有冲动传递到肌，这称之为肌电静息期，其时间很短，约为 16后，再有冲动传递到肌，引起肌继续收缩。肌电静息是一种保护性的牵张反射，与肌梭、牙周膜本体感受器等有关。静息期延长是咀嚼功能紊乱的咀嚼肌 特征表现之一 20。 4）时限 (指电位从最初偏离基线，又回到基线的时间过程，反映运动单位最可靠和最有用的数据 21。正常咀嚼肌运动单位电位的平均时限为 床上，神经源性疾病的时限通常增加，肌源性疾病时限减小。 5）积分电位：一段时间内肌电峰值的叠化，例如 肌 10积分值（ 录的电位变化，主要用于评价一块肌的作用、判断一块肌的功能是否正常和鉴别肌源性和神经源性损害。在口腔医学临床上，常常借助于咀嚼肌 判断肌功能状态，为口腔疾病的诊 断提供一定客观依据。 面肌电信号的采集 表面肌电信号是肌中很多运动单元动作电位在时间和空间上的叠加，能够反映神经及肌的功能状态，其实质是一种交流电压，有研究显示肌电图仪记录的幅值与肌产生的力大致成比例。 由于 肌 的 松弛存在和紧张 会产生表面肌电信号，这种 表面肌电 信号的 电压幅度与肌的收缩和紧张 之间 有 着良好的线性关系。 众所周知，表面 肌电信号是一种 非常 微弱的信号 ，其 幅度 特别低 ，而且一般 比噪音水平低 22。 因此，表面肌电信号的采集比较困难，另外，表面肌电信号的采集过程中受各种因素的干扰，使本来就弱的信号的采 集更加困难。 近年来，关于表面肌电信号的采集系统其设计也层出不穷。基于 表面肌电信号数据采集系统是采用 术研制的一种应用于 集实验的实时数据采集系统 ， 该系统应用 理器、 线、虚拟仪器等先进技术，具有性价比高、支持热插拔、方便易用、性能稳定等特点，可对 行实时采集 23。 采用 式的数字电路构成了基于 8 路高速采集与传送系统 24。有研究将前端放大电路采用 2 片 成并联型双运，其肌电信 号的采集系统主要由 成 25。 表面肌电信号的采集设计主要集中 在改善共模抑制能力方面，抑制低频噪声的干扰，有效提取到表面肌电信号。 另外，在表面电极的选取、信号前处理的设计、数据采集卡的设计方面，不同的设计方面其应用的设计不同，达到的效果亦不同。 面肌电信号常用的分析指标 号受多种因素的影响，其信号的分析 及特征的提取 和鉴定仍旧是一种挑战26。 较微弱，单一应用传统的时域 、频域 分析虽然获得了信号的一些特征，但大部分信息难以提取 27。 传 统的 表面肌电信号分析方法主要有时域分析、频域分析等， 频域分析方法通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，传统的频域分析方法，是通过傅里叶变换将信号分解为多个正弦函数的和，即将时域信号转换为频域信号，频域分析要求进行两次计算，计算量大，并且傅立叶变换要求获得信号在时域的全部信息，这很难满足，并且，傅立叶变换信号 在时域中 不明显 缺乏分辨，信号在 不同 时刻 复杂 变化将影响到整个频谱的特性 28不 平稳性和 复杂 性 或非线性 是表面肌电信号的一大特点，并且，表明肌电信号是一种随机的信号 30，因此肌电信号采用传统的傅 立叶变换实时分析受到了限制。小波变换是傅立叶变换的新发展，它既能在整体上提供信号的全部信息，又能提供在任一局部时段信号变化剧烈程度的信息 31 因此，自小波分析出现以来，在肌电信号分析方面得到了广泛的应用。 然而，单一的方法仍旧很难满足复杂 号的分析。因此，研制一种多通道多种分析方法并存的 号采集和分析系统显得尤为重要。 题的目的和意义 目前，表面肌电信号的研究随着测量技术的提高以及无创测量的优点而得到快速发展，许多学者都在对肌电信号进行深入的研究。表面肌电图已经广泛应用与康 复医学、运动研究及神经系统疾病的研究，并显示出巨大的作用 33然而，表面肌电信号是一种微弱的信号，其采集及分析仍旧是一种挑战。 在设计和开发表面肌电信号数据采集仪器 时 ，常用的是通过 置式接口实现 据采集卡一般都是内置于 内。但由于 有限的 口资源 ，并 且需要对接口卡的硬件资源进行合理的配置，常会出现一块或多块插卡无法合理配置 ， 而不能正常工作的情况，严重时可导致系统崩溃；另外（ 1）内置式插卡容易受到 而降低系统的采样精度和稳定性；（ 2）像笔记本之类的小体积 难用接口插卡进行扩展；这些弱点使得他们的应用受到了很大的限制。因此，如果能够开发出便携式的采集设备则是一种比较好的解决方案。 另外，在口腔医学领域，其肌电图的应用仍然受到许多限制。现存的表面肌电图仍旧不能很好的应用于咀嚼肌功能的研究及诊断 35 本研究的目的是研制一种简单、经济的基于高共模抑制比、前置放大的多通道咀嚼肌号采集和分析系统，对通道肌电信号进行全面整合分析，辅助诊断与咀嚼肌功能相关的一些疾病以及估价某些治疗措施的疗效提供依据。同时，咀嚼肌表面肌电信号 数据采集和分析系统将为研制便捷性肌电记录仪奠定基础。该咀嚼肌表面肌电信号数据采集及分析系统的研制使肌电图在口腔医学领域的应用具有重要的意义。 电图在口腔领域的应用现状 目前， 泛用于口腔颌面系统检测咀嚼肌和面部肌群的状况以及口腔正畸的疗效 37利用表面肌电图可以了解口腔颌面系统的生理和病理状况 40。 有研究将表面肌电图用于研究下颌骨方块切除患者的咀嚼肌的活动和下颌骨的运动，发现咀嚼力量与咀嚼肌的功能密切相关 41。另有研究发现 颌功能紊乱患者咀嚼肌肌电图发生异常 42。 . 3等用 行的研究表明长期患有颞下颌关节紊乱病（ 病人具有更多的颞肌前肌不对称运动。在一侧 颞下颌关节紊乱 性疼痛的患者，其肌电图在疼痛侧比不疼痛侧的肌电图活动低 44。另外，在磨牙症、错秸畸形患者， 测对诊断疾病和评价治疗效果均有一定的指导作用 45 目前，咀嚼肌表面肌电图在口腔领域的应用也逐渐增多，并不断的应用到研究口腔不良习惯（偏侧咀嚼、磨牙症）、错颌畸形治疗效 果评价、评价义齿修复效果等方面。 由此可见表面肌电图已经广泛应用于口腔领域。 客观地诊断与咀嚼肌功能相关的一些疾病以及估价某些治疗措施的疗效提供了一定依据。大量的临床实践与实验研究表明， 表面肌电图在口腔医学领域的应用显得很有 意义 。 研究的主要研究内容 本研究的主要内容是针对咀嚼肌表面肌电信号幅度小、信噪比低问题，研制一种简单、经济的基于高共模抑制比、前置放大的多通道咀嚼肌 号采集和分析系统，利用现行 口技术，采集和管理咀嚼系统功能紊乱患者的肌电数据，对通道肌电信号进行 时域分析、 频域分析、短时傅里叶变换、小波分析等的 全面整合分析，辅助诊断与咀嚼肌功能相关的一些疾病以及估价某些治疗措施的疗效提供依据。同时，探讨 该系统 在颞下颌关节紊乱病（ 的应用价值， 并辅助诊断内下颌关节紊乱病， 并为今后研制便捷型咀嚼肌肌电采集系统提供前期研究基础。 本文的具体研究内容如图 1示，每 部分 所涉及的内容描述如下： 第一 部分 ：绪论。 主 要概述了 号的生理基础和表面肌电信号的采集及分析方法，以及表面肌电图在口腔领域的应用现状。分析了当前 测需要解决的问题，并 以图的形式 给出来论文的研究内 容。 生物传感器 前置放大器 表面肌电信号数据采集系统 数据采集卡 数据储存回放 时域分析 表面肌电信号数据分析系统 频域分析（功率谱分析、双谱分析） 时频域分析（短时傅里叶变换、小波分 析） 8 例颞下颌关节紊乱病患者 表面肌电图在颞下颌关节紊乱病中的应用 8 例正常对照 测量两组下颌姿势位、牙尖交错位和叩齿 运动时双侧颞肌前束、咬肌的肌电活性 图 1本文研究内容示意图 第二 部分 ：咀嚼肌多通道表面肌电信号数据采集系统的研制。基于表面肌电数据信号弱，采集困难的 情况，尤其对于咀嚼肌的研究，本文 研制了 基于高共模抑制比、前置放大的多通道表面肌电信号采集系统。借助 作系统和图形化界面，利用 口技术，构建咀嚼肌 集与处理系统的并进行安装和调试。咀嚼肌表面肌电信号采集分析系统主要由硬件和软件两部分构成。硬件部分又包括表面电极、前置放大电路、 数据采集卡、 模数转换和传输电路，以及个人电脑；软件部分实现信号采集、实时显示、数据分析、结果显示和数据存储 和回放 的功能。 第三 部分 ：咀嚼肌多通道表面肌电信号数据分析系统的研制。传统的 析方法虽然能获得 一些信息，但大量的信息无法获得，使数据的分析不够全面。 时分析是信号采集系统的一部分，在信号采集的同时即进行信号的分析。回放分析系统对每个通道信号进行时域分析、 频域分析、双谱分析、傅里叶变换和小波分析的整合分析，获取 特征参数。 第四 部分 ：咀嚼肌多通道表面肌电信号数据采集和分析系统在 颞下颌关节紊乱病 诊断中的应用。 8 例 者（ 4 例男性， 4 例女性）和 8 例正常对照（ 4 例男性， 4 例女性）纳入此项研究。利用多通道表面肌电数据采集系统，分别测量 者和正常对照下颌姿势位（ 牙尖交错位（ 叩齿运动（ 双侧颞肌前束、咬肌的肌电活性。 第五 部分 ：结论、总结与展望。对论文内容进行了总结，概括本文的研究特色与创新之处，并对今后需要更深入探讨的研究方向进行了分析。 第二部分 咀嚼肌多通道表面肌电信号采集系统的研制 言 在将信号送入计算机存储、记录、处理、分析以前，必须将模拟形式的信号变为数字形式的信号。从模拟域到数字 域之间的接口系统定义为数据采集系统 (47。 在生物 肌 电信号的采集过程中，不可避免地会引入干扰 ， 尤其是采集微弱生物电信号时。使用合理的方法区分并排除干扰显得至关重要，也是是生物信号采集过程中的非常重要的任务。有时，一项试验成败的关键就在于能都正确的区分并排除各种外界及自身的干扰 48。 表面肌电信号干扰的 各种 来源主要有以下几方面： 1） 50频干扰：在应用肌电图仪记录肌电信号时，表面肌电信号中常常存在较为严重的 50频干扰，该干扰来源于市 电电源。到达放大器对肌电图记录的肌电信号产生作用的方式主要是靠分布电容。这种干扰，在越是靠近电源的地方就越是明显。另外，磁辐射也起部分作用。 50频干扰通常是实验中最常出现、幅度最大的干扰 49 2） 高频干扰： 当高、中压变电站内开关分、合操作时都会产生高频阻尼振荡波，即通常称为高频干扰。也可来源于电台、无线通讯设施、其他仪器等。通常不直接引起干扰。避免高频干扰的基本思路是尽量降低高频信号电磁场的干扰，也就是所谓的串扰(可用拉大高速信号和模拟信号之间的距离 51。 3） 其他 信号 ： 干扰 与 信号 是相对的，当采集 一种生物信号 时 另一种信号则 被视为干扰。 例如，在采集肌电信号时，心电信号是一种干扰 52。因此，目的信号以外的其他生物电信号均可视为干扰。 4） 背景噪声：一般与放大器内部元件的质量和性能有关 ， 主要来源于放大器电子元件本身 的背景噪声，会对目的信号 产生杂乱无章的电压和电流等噪声。 影响肌电信号的因素主要有： 1） 测试局部的组织特性 ： 包括皮肤及皮下脂肪的厚薄、 局部组织的 温度 及 生理变化等都会影响肌电信号。电极电位 也是影响肌电信号的因素之一。对肌电信号 要求高时 可以应用乏极化电极。 电极电位可以 使放大器 前级接近饱和或截止，产生削波干扰或阻塞 ； 使电极引线荷电，产生电容话筒相应，把引线的移动或震动转变为电信号，形成干扰。 2） 串扰（ ：既有相邻肌组织对测试部位肌电信号的串扰，也有可能来自其它设备的干扰，如： 波峰信号常可以干扰 记录。 3） 接触电阻： 接触 电极较细、接触的部位 越 小或中间有阻隔 时，接触电极较大，中间阻隔如 皮肤的角化层及皮脂。接触电阻大使干扰和噪声加大， 还可以使信号发生 衰减。 4） 测试电极 放置 位置不同 ： 每次测试电极位置在肌腹上的位置都不可能完全一致，或者电极在不同测试对象 同一肌肌腹表面的放置位置也不可能完全一样，因此得到的肌电信号结果也不可能具有绝对可比性 。 另外，外部杂音即来自外界的电磁环境中的杂音，它可能使肌电图肌电信号基线增宽或干扰肌电信号的记录。 干扰的排除主要有以下几方面： 1） 屏蔽 干扰 用金属材料将实验对象、电极、连线及放大器的前级遮蔽起来，防止干扰的方法称为屏蔽 (电学屏蔽 )。一般屏蔽层应该可靠接地，或接屏蔽驱动电路。根据所需屏蔽物体的大小，可使用屏蔽 盒、屏蔽室 等设备或装置。一般来说 ， 不应该把电源直接引到屏蔽 室 内，仪器也要尽可能放在 屏蔽室 外。 2） 设置参考电极 设置参考 电极的目的是使基础电位相一致。 如果不 设置参考电极 ， 那么相比较的两个电位基础水平不相同，也就无比较的价值 。我们处在一个无处不在的大电场（ 50模干扰）之中，人体变成一个大的电容，体表本身就有一定的电势。为了排除非人体自主产生的电压，这需要有一个基准电压，这个电压就是参考电压，必须由参考电极提供。这就是为什么要摆放参考电极。 综上，在设计表面肌电信号采集系统时，要充分考虑干扰的来源、干扰产生的因素及干扰的排除，以便能够更好的采集信号。 嚼肌 时采集系统设计 表面肌电信号数据采集系统的硬件部分 主要由肌电电极、信号前处理部分（前置放大器等）、数据采集部分、数据存储部分（ 等）、数据分析部分构成。其工作过程如下：肌电电极获取的肌电信号经过信号前处理部分预处理后或前置放大器滤除干扰信号， 有用信号放大到合适范围后进入数据采集卡进行模 /数转换， 再由数据采集卡的 出口送至 存储 ，信号能够在计算机中回放与分析。 图 2理示意图 据采集原理（图 2信号采集系统在 台设计，四通道肌电分别同时采集双侧咬肌和颞肌前束的肌电信号。信号采集界面（图 2 界面右侧可对采集的信号进行参数设置。 图 2信号采集界面 面电极 肌电信号的获取是由各类电极来实现的，因此，选择肌电表面电极在整个系统的设计中显得至关重要。肌电表面电极在肌电采集中起到了换能的作用，能将生物体的电流信号转换为电子电流信号，并且，在转换过程中应做到信号的真实性和不引进干扰。 表面电极粘贴于皮肤的表面，因此也称皮肤电极，其最大的特点是使用简便、安全及具有无创性，通常情况下只需要简单的粘贴于所研究肌表面即可。表面电极的缺点是作用区域大，在与皮肤的接触传递信号的过程中影响因素较 多，测量的均一性很难保证 53。另外，表面电极只能记录表面的肌电信号特征，因为身体组织内部深层的肌电信号需要经过长距离的传输才能到达表明，这会导致所得的信号严重失真或减弱，因此不宜记录深层肌的肌电信号。故在选择表面电极时应考虑如下因素： 1） 接触电阻。电极与皮肤接触会形成一个接触电阻，由于人体皮肤表面汗液含氯化钠等化学成分，在电极与皮肤的接触面上可能发生电解等化学反应，并有可能产生损害皮肤组织的物质，所以在肌电信号获取中，应使电极的接触阻抗尽量保持稳定，并避免产生对人体有害的物质。 2） 电极安放位置。肌电信号在人 体组织传递会发送衰减，其距离越长，衰减越明显，因此，为减少临近肌和组织的影响，表面电极的安放位置显得至关重要，应放置在肌电发放最强的肌腹部。 3） 运动干扰。肌运动时，电极与皮肤间可能发生微小的位移，这会引起噪音，干扰肌电信号。 综上所述因素，本文选择 司生产的 面双电极。当 面电极通过小电流时，非常接近于完全不极化电极。 面肌电信号的前处理 肌电信号的幅值在 10 间，经过预处理后的信号要达到 V 级，故需要将信号放大数千倍。该系统采用的前置放大器 的目的是去除混在表面肌电信号中的各种噪声，如由于肌电所引起的高频干扰，由体位变化、电极接触不良引起的低频干扰及基线漂移，由电源所引起的工频干扰等，同时将微弱的表面肌电信号放大到一定的范围。考虑到肌电信号放大的要求，放大器的增益要高而且可变，电路的共模抑制比要大，电极的输入阻抗高于电极与皮肤的接触阻抗。 据采集卡 基于微功耗、小型化、成本低、效率高的原则，设计出了高度集成的数据采集卡，它有两部分组成： 1） 数据采集电路，主要实现系统的多路数据同步采集和转换，包括信号调理电路和A/D 转换电路； 2） 核心控制 电路，包括单片机、通信电路和存储器，主要负责协调各部分有序工作。其中，数据采集电路板采用插件方式与单片机总线相连，灵活地配置了数据采集通道路数。 据存储与回放 数据采集系统需要同时具备在数据采集完成后将数据导出成文件及回放信号的功能。这种数据存储文件必须能被再次调用及回放，并可以直接使用分析系统中的函数及分析方法处理采集后的原始数据，以便实现后续的数据处理分析及模式识别。同时还需要通过虚拟仪器软件提供对文件读写的操作将外部数据文件导入应用软件。 本研究设计的数据采集系统能够实时显示采集的肌电数据 ，并且能将肌电数据存储为件， 件能够支持多平台，能够提升存取数据的价值，以便进行回放分析等，方便了肌电数据的分析。 第三 部分 咀嚼肌多通道表面肌电信号分析系统的研制 言 近年来，肌电信号的检测与分析技术得到了迅速发展，国内外对表面肌电信号的分析研究也越来越引起人们的关注。肌电信号在本质上是一种具有非平稳、非高斯特性的生理信号 54。在其信号的提取仍然面临许多的挑战。 实验表明，表面肌电信号是一种非常微弱的生物电信号。目前，对于表面肌电信号的研究，人们已采用了诸多的方法，但就其所 利用的理论方法而言，主要分为以下六个方面：时域分析法、频域分析法、时频分析法、高阶谱、混沌与分形、神经网络分类器等。在诸多分析方法中，小波分析是一种新的、应用广泛的分析方法，它是继傅里叶以后纯粹数学与应用数学工具，素有“数学显微镜的美称。从各方面来说，小波变换是计算机应用、肌电信号指标的处理、图像变化的分析、非线性信号科学和工程信号技术等方面应用上产生重大突破。实际上，计算机应用科学、信号和图像处理科学、应用数学和纯粹数学、物理应用科学和地球变化科学等对小波变换的产生、发展、完善和应用的整个过程中都产生了 深远的影响，目前，小波变化分析已经成为肌电研究中不可或缺的重要的研究方法之一，也是科学研究和工程技术应用中涉及面极广泛的一个热门话题 55。然而，任何单一的分析方法都无法满足现实的需要，因此，研究一种整合各种方法并存分析的方法显得尤为重要。 嚼肌 析方法 本研究设计的咀嚼肌多通道 号分析系统分为实时分析系统和回放分析系统。实时分析是信号采集系统的一部分，在信号采集的同时即进行信号的分析。回放分析系统对每个通道信号进行时域分析、频域分析、双谱分析、傅里叶变换和小波分析的整合分析，获取 特征参数。 析界面（图 3 图 3表面肌电信号分析界面 在肌电信号回放与分析中，对四通道 析方法包括时域分析、频域分析、短时傅里叶变换和小波分析等的整合分析。获取肌电信号中有价值的信息。 域分析 表面肌电信号反映的是体内较大区域内肌活动的总和。时域分析是最直接的肌电信号分析方法，用于刻画时间序列信号的振幅特征， 以电位时间曲线来表达 肌电信号 某一记录点的特征 。它同其它生物电信号一样，本身 的 信号 幅值低 ，信噪比 也低 ， 而 其中较大的噪声来源于 50 把肌电信号近似看成 随机的信号，并 服从零均值、方差与其强弱有关 ，这是最传统的处理方式 。时域分析是将肌电信号看作时间 与频域的 函数，通过分析得到肌电信号 在这一函数中 的某些统计特征，如对肌电信号进行整形 分析 ，计算 对比信号的整形平均值、方差、过零次数、 肌电信号 幅值的直方图、均方值，将其作为信号特征 进行 模式分类 56。时域特征的提取相对比较简单，故时域分析方法在肌电信号应用领域得到了 普遍 的应用。最常用的肌电信号 的 时域 分析 特征有 以下几种： 1)积分肌电值 ( 肌电信号围绕基线 上下浮动，有正值也有负值，其均值为零，直接采用均值作为肌电信号的特征，不能表征信号间的差异，所得特征值近似为零。积分肌电值是对肌电信号取绝对值， 则得到的信号的均值将恒大于零 。 2)过零点数 ( 神经系统发放的电脉冲，到达肌引起肌的收缩，所以，肌电信号的强度与神经系统发放的电脉冲的频率有密切的关系， 所以过零点数也 可以 作为肌电信号的一个 重要 特征。 3)方差 ( 对肌电信号取绝对值，所得 信号的均值等于其积分肌电值 。但 当对肌电信号不作任何处理时，其均值 则 等于零 。 显然，两种情况 的方差不同。 4)肌电 信号的时序 模型：信号的时序模型主要 中应用较为广泛的是 5)肌电信号 直方图：检测不同幅值的 肌电 信号的采样个数可作为一种有效的特征 ，这是因为 肌高度收缩时， 肌电 信号 会 极其偏离其基线 。 在临床和康复医学研究中，常被应用于实时、无损伤地反映肌活动状态，其数值变化通常与肌收缩力大小等有关。 时域分析将肌电信号看做时间的函数，能够不经过任何处理转换直接快速提取波形特征，其直观性强、物理意义较明确，可供临床疾病进一步的分析和判断 57。时域分析中的平均肌电值反映 。另外，由于 此采用肌电积分值可反映肌电信号随时间进行的强弱变化58。 尽管时域特征比较容易提取，但大量研究表明，当肌收缩力大小 发生 变化时，表面 肌电信号 的时域特征变化较大， 并且 不稳定 。 而通过傅立叶变换将 肌电 信号变换成频域中的频谱或功率谱 时 ，其波形变化 就 不是很大， 由此可见， 肌电信号的频域描述 比时域描述 稳定。 域分析 是一种非常重要的信号提取分析方法， 也能提供关于肌某种特征的有价值信息。频域分析主要方法是对 立叶转换（ 获得 中位频率（ 用来定量描述 常与肌功能状态即疲劳程度有关。 早在 80年代， 有人就 利用 傅里叶 变换对表面肌电信号 进行了 功率谱分析 59。了解用力 及 神经肌肉疾病之间的功率谱差异 ，可以通过高频 /低频的幅值比来估计 。 另有研究以倒频谱系数为矢量特征， 对 表面肌电 信号进行了倒 频谱分析 60。 有研究 总结和比较了基于 傅里叶 变换与基于人 讨论了它们的实用性和局限性 61， 另有研究发现皮肤厚度在表面肌电信号 功率谱形状随力程度的增加 中起决定性的作用 62。 本研究应用频 域分析主要的是对 获得 们可反映 以能够较好的在频率维度上反映 63 功率谱提取的频域特征相对稳定，因此，提取的频域特征有利于后续的肌电信号 模式识别。功率谱可用来表征不同肌电信号对应的动作模式 65。本研究中功率谱分析信号的能量随频率变化的分布情况（图 3图中第三通道表示正常肌电功率谱的形态，肌电频率集中在 0间，第二通道表示异常肌电功率谱的形态，肌电频率分布集中出现在大于 500高频率，故可以推断第二通道肌活动存在异常。 图 3正常和异常肌电功率谱形态图 谱分析 频域分析中的双谱分析是研究非平稳信号的一种有效方法。该方法通过在三维平面上表述信号的频率特征，能够清晰地反映出信号的频率随时间的变化 66。本研究中正常和异常肌电双谱分析（图 5），肌电第三通道双谱分析中，肌电频率较集中，符合正常肌电特征。肌电二通道双谱分析中，肌电频率较分散，出现多个频率点，提示为异常肌电。 图 3常和异常肌电双谱分析图 频域分析 肌电信号在本质上是一种非平稳、非线性的信号，由于肌电 信号 具有 非平稳 的 特性 ，大量学者利用时频分析 方法 中的短时傅立叶变换、小波变换等方法对表面肌电信号进行分析处理 67传统的傅里叶变换只能较好地刻画信号的全局频率特征，而几乎不提供信号在任何时域中的频率信息 。将时域分析 与频域分析结合起来的方法即使时频域分析，即同时在时域和频域的两域对信号进行分析，这种方法得到了研究者的广泛关注。 目前用于表面 表面肌电信号 分析的时频分析方法主要有短时傅立叶变换、 1946 年提出 短时傅里叶变换 ，其变换的基本思想 主要是 在傅立叶变换的框架内，把非平稳 的 信号看成是一系列短时平稳信号的叠加，其短时性可通过时域上的加窗来获得。 到的时频特性图能显示出信号的某些特征，方便观察信号随着肌状态的不同而变化的频率 69。本研究中截取患者某一时间段内肌电图，肌能量的频率图，颜色越深，代表能量越高，颜色越多代表频率越分散。很明显，第三、四通道肌能量高，频率分布分散，并且二者颜色深浅差异明显，提示左右咬肌明显的不对称（图 6）。 图 3肉能量频率图 A：左侧颞肌前束 B: 左侧咬肌 C:右侧颞肌前束 D:右侧咬肌 波分析 小波分析最初来源于傅立叶变换分析的思想，它是在傅立叶变换的基础上发展起来的，传统的傅立叶变换不能反映肌电信号的局部特征，因此，在小波分析出现以前，对肌电信号局部特征的分析 显得非常困难，自小波分析出现以后，小波变换系数能够给出这种局部性能的丰富信息，它在时域和频域都有局部性质。小波分析中的正交函数系，是首先在选择适当的基本小波后，经过不同的尺度变换和移位来产生小波。小波分析的作用相当于一组带宽相等、中心频率可变的带通滤波器，能够实现信号的放大和缩小以及平移等。小波分析能够充分体现相对带宽频率分析，亦能够适应变分辨率分析的思想，从而为肌电信号的实时处理及后期处理提供了一条非常重要的途径。 小波分析中，不同分解层显示信号不同的频率成分，使信号频域的分解达到很精细的程度。每个分解层 内的肌电信号表征了原信号在该频率范围内的动作特征信息。小波分析提供了一种自适应的时域和频域同时局部化的分析方法，能够反应信号在时域和频域的局部信息 70在信号处理中、不同的小波包函数具有不同的特性，选择小波函数至关重要，本系统具有多个小波函数可供选择使用。本研究选取一位患者的肌电图（图 7），（ a）图为患者的一段肌电图，用 波函数进行分层处理，共分解为五层，分别为 谱( 谱 ( 谱 (125 谱 (250从频 谱图中我们可以直观的看出 于其他频谱达 以可推断 这段肌电的主要频率范围，并且明显高于正常的肌电频率范围，说明该患者肌电存在异常。 图 3波分解表面肌电信号示意图 原始 号； (号在第三个层面的分解信号； (号在第五个层面的分解信号； (号在第四个层面的分解信号； (号在第五个层面的分解信号。 通过以上对表面肌电信号的综合分析，可以获得表面肌 电信号的大量的信息，以便对采集的数据进行更好的分析，获得更多有用的信息。 第四部分 咀嚼肌多通道表面肌电信号采集系统和分析系统在 言 口腔颌面颈部的肌群包括表情肌、咀嚼肌、腭咽部肌和颈项部肌，其中，咀嚼肌是咀嚼系统发挥口腔生理功能的主要肌群，包括：咬肌（ 颞肌 (翼内肌 (翼外肌 (咀 嚼肌的功能状态构成了影响颅颌生长发育的重要外环境因素。 咀嚼肌功能的强弱不仅可以改变颅颌骨骼周缘的血运及机械力学环境而影响整个面部的生长型；同时，咀嚼肌与牙颌关系的平衡稳定是咀嚼系统肌功能正常的重要因素。人的一生中，咬合不断变化，肌功能也在不断调整以适应咬合的改变、维持其平衡，当肌功能不能适应咬合的改变，或者说咬合的改变已超出机体所能适应的限度，就会出现异常和病变；久之可引起其他肌群的不适，临床上可见咬合异常导致的颈、肩部疼痛 72。咀嚼肌收缩时产生的生物电活动 ， 通过 皮肤电极及 肌电传感器 等设备 导入 到 肌电图 仪 中进行显示和储存 ，形成 的 一种波形，称为 仅 能够 反映了肌本身的兴奋 性 ，而且还在一定程度上反映出支配该肌的运动神经元的活动。因此， 研究 及检测 神经肌肉系统功能必备 的重要 的测试手段 之一 ，同时为临床 诊断及 治疗 的评估 提供了客观的科学依据。近 20以来，国内外学者对咀嚼肌的生理 功能，以及病理状态都有了深刻的研究，同时，对 诊断 与评价 、 行 口腔颌面外科手术后 机体 功能的恢复 评价 、错颌畸形及义齿修复前后效果的判断 及评估 等 也 都进行了大量的肌电研究 73 这 为客观地诊断与 评价 咀嚼肌功能相关 的一些疾病 ， 以及估价某些治疗措施的疗效提供了一定依据。采用 咀嚼肌肌电记录不仅是诊断咀嚼肌功能紊乱的重要手段，而且是评定治疗手段和效果的重要工具。通常进行 大紧咬时双侧 二腹肌的肌电检查。在对颞下颌关节疾病、磨牙症、后牙严重磨损或缺失、下颌骨位置异常、头颈姿势异常等的诊断和治疗中有着广泛的应用。 颞下颌关节（ 人体最为复杂、精细的关节之一，在咀嚼、吞咽、发音等功能运动中起着重要的作用。 口腔常见疾病，据统计约有20%人患有颞下颔关节紊乱病。它并非指单一疾病，而是一类病因尚未完全清楚，而又有共同发病因素和临床主要症状的一组疾病的总称。 有研究表明， 者关节区疼痛侧颞肌后束姿势电位明显高于对照组 75。但，肌电图并未作为一种诊断方法用于 因此，该咀嚼肌多通道表面肌电信号数据采集和分析系统的研制为颞下颌关节紊乱病的诊断提供了新的思路。 料与方法 8例 4例男性， 4例女性）和 8例正常对照（ 4例男性， 4例女性）纳入此项研究。年龄 2040岁。两组年龄、性别基本匹配。 011年 1月 2月期间就诊于兰州大学口腔医学院的患者。所有研究对象均签署了知情同意书。本研究得到兰州大学伦理中心的同意。利用多通道表面肌电数据采集系统，分别测量 牙尖交错位（ 叩齿运动（ 双侧颞肌前束、咬肌的肌电活性。电极安放位置参见文献 76，如图 4 图 4电极安放位置 于咀嚼肌多通道 经过一系列 分析软件 的开发与调试， 采集及分析 系统平台按照最初所提出的设计方案最终 安装 完成。经过多次 采集 表面肌 电 信号 的采集 实验的测试与整合，系统已经达到了最初的设计要求，并应用于兰州大学口腔医学院表面肌电信号 的 采集 及储存及回放 实验中，取得了良好的 预期 效果。 应用软件基于 软件 采集 界面如图 4应用软件包含菜单栏、波形显示控件、 参数设置界面 等部分。其中菜单栏，包括通道设置、采集模式设 置、波形显示模式、文件打开 /存储等功能；波形显示