第8章 肌电课件

第八章肌电1第8章肌电

第1节骨骼肌的结构

肌肉组织骨骼肌平滑肌——血管、消化道、膀胱、子宫等心肌——心脏根据肌细胞的形态与分布的不同可将肌肉组织分为3类

2第8章肌电骨骼肌心肌平滑肌3第8章肌电骨骼肌心肌平滑肌横纹肌非横纹肌随意肌非随意肌肌组织分类受意志支配

受自主性神经支配

4第8章肌电肌外膜（epimysium）肌束膜（perimysium）肌内膜（endomysium）肌膜（sarcolemma）骨骼肌

(skeletalmuscle)肌组织（muscletissue）的基本成分是肌细胞。肌细胞间有少量结缔组织、血管、淋巴管及神经等。肌细胞呈细索条状，故又称肌纤维（musclefiber）。肌细胞的细胞膜叫做肌膜5第8章肌电骨骼肌纤维一般呈细长圆柱形，直径为10～100μm，长度不等，一般为1～40mm，长者可达10cm，两端钝圆，与肌腱纤维相连接、有的肌纤维末端可分支（表情肌和舌肌）。6第8章肌电在骨骼肌纤维的肌浆内有大量其长径平行排列的肌原纤维（myofibril）。肌原纤维呈细丝状，直径约l～2μm。光镜下，每条肌原纤维是由许多明暗相间的带所组成，所有肌原纤维上的明带和暗带都整齐地排列在同一平面上，故使纵切的肌纤维呈现明、暗相间的横纹7第8章肌电1.肌原纤维（myofibril）明带（lightband）在偏光显微镜下呈单折光，为各向同性（isotropic），故又称Ⅰ带，长约0.8μm，着色浅。在明带中央可见一条暗线，实际是一薄膜，称Z线或Z膜（Zline或ZmembranZ是德文zwischem的字头，“间”的意思，故也称间线）。暗带（darkband）在偏光显微镜下呈双折光，为各向异性（anisotropic），故又称A带，长约1.5μm。暗带中央有一较明的窄带，称H带（德文Hall“明”的意思），H带的中央仍有一条深色的暗线，实际仍是一薄膜，称M线或M膜（德文Mittle，“中”的意思，故也称中线）。相邻两个Z膜之间的一段肌Zp原纤维称为一个肌节（sarcomere），所以每个肌节包括有1/2明带+暗带+1/2明带，肌节的长度约2～3μm。一个肌原纤维可由几百个肌节所组成，肌节是肌纤维结构和功能的基本单位。肌节的长度，随肌纤维的收缩或舒张而改变。

Ⅰ带Z线A带H带M线8第8章肌电肌节是肌细胞收缩的基本结构和功能单位。肌节=1/2明带＋暗带＋1/2明带=2条Z线间的区域2.肌管系统：

横管系统：肌管的走行方向和肌原纤维相垂直，T管[transversetubule]（肌膜内凹而成在Z线附近形成环绕肌原纤维的管道。肌膜AP沿T管传导）。

纵管系统：L管[longitudinaltubule

]（也称肌浆网。肌节两端的L管称终末池，富含Ca2+)。三联管：T管+终池×29第8章肌电纵管10第8章肌电肌原纤维（myofibril）由粗、细肌丝规律排列构成明带：I带，Z线暗带：A带，含H带，M线(1/2I带+A带+1/2I带)细肌丝(thinfilament):

一端固定于Z线另一端游离，止于H带粗肌丝(thickfilament):

两端游离，中间固定于M线肌节(sarcomere)仅有细肌丝有粗、细肌丝仅有粗肌丝11第8章肌电粗肌丝的分子结构肌球蛋白（myosin）规律聚合形成头部：朝向粗肌丝中部，借M线聚集成粗肌丝主体朝向粗肌丝两端，外露形成横桥，具有ATP酶活性，能与细肌丝的肌动蛋白结合杆部：12第8章肌电细肌丝的分子结构肌动蛋白(Actin)原肌球蛋白(Tropomyosin)肌钙蛋白(Troponin)TnT：能与Tropomyosin结合TnC：能与Ca2+结合TnI：Inhibit肌动、球蛋白结合13第8章肌电第2节兴奋的神经肌肉传递每个骨骼肌纤维都是一个独立的功能和结构单位，它们至少接受一个运动神经末梢的支配，并且在体骨骼肌纤维只有在支配它们的神经纤维有神经冲动传来时，才能进行收缩。

运动神经纤维在到达神经末梢处时先失去髓鞘，以裸露的轴突末梢嵌入到肌细胞膜上称作终板的膜凹陷中，但轴突末梢的膜和终板膜并不直接接触，而是被充满了细胞外液的接头间隙隔开，其中尚含有成分不明的基质

14第8章肌电细胞间的兴奋传递（一）N—M接头处的兴奋传递1、N-M接头的结构

接头前膜：囊泡内含ACh,并以囊泡为单位释放ACh（称量子释放）。

接头间隙：约50-60nm。

接头后膜：又称终板膜。存在ACh受体（N2受体），能与ACh发生特异性结合。化学门控性钠通道。无电压门控性钠通道。15第8章肌电N-M接头处的兴奋传递过程(Nerve-Muscle)当神经冲动传到轴突末梢膜Ca2＋通道开放，膜外Ca2＋向膜内流动接头前膜内囊泡移动、融合、破裂，囊泡中的ACh释放(量子释放,quantalrelease)ACh与终板膜上的N2受体结合，受体蛋白分子构型改变终板膜对Na＋、K＋(尤其是Na＋)通透性↑终板膜去极化→终板电位（endplatepotential,EPP）EPP电紧张性扩布至肌膜去极化达到阈电位爆发肌细胞膜动作电位N2受体—乙酰胆碱受体16第8章肌电EPP的特征：无“全或无”现象；无不应期；有总和现象；EPP的大小与Ach释放量呈正相关。N-M接头处的兴奋传递特征:

（1）是电-化学-电的过程：N末梢AP→ACh＋受体→EPP→肌膜AP

（2）具1对1的关系：

①接头前膜传来一个AP，便能引起肌细胞兴奋和收缩一次（因每次ACh释放的量，产生的EPP是引起肌膜AP所需阈值的3-4倍）。

②神经末梢的一次AP只能引起一次肌细胞兴奋和收缩（因终板膜上含有丰富的胆碱酯酶，能迅速水解ACh）。

17第8章肌电肌肉的电-机械耦联肌肉的收缩原理——滑行理论（slidingtheory）肌丝滑行理论:是肌肉收缩机制的一种理论。主要指：横纹肌收缩时在形态上的表现为整个肌肉和肌纤维的缩短，但在肌细胞内并无肌丝或它们所含的分子结构的缩短，而只是在每一个肌小节内发生了细肌丝向粗肌丝之间的滑行。结果使肌小节长度变短，造成整个肌原纤维、肌细胞和整条肌肉的缩短。其证据是：肌肉收缩时，肌细胞的暗带长度不变，明带长度变短，而肌球蛋白（粗肌丝）在暗带，肌动蛋白（细肌丝）在明带。18第8章肌电19第8章肌电按任意键飞入横桥摆动动画肌节缩短=肌细胞收缩牵拉细肌丝朝肌节中央滑行横桥摆动横桥与结合位点结合，分解ATP释放能量原肌球蛋白位移，暴露细肌丝上的结合位点Ca2+与肌钙蛋白结合肌钙蛋白的构型改变终池膜上的钙通道开放终池内的Ca2+进入肌浆肌纤维收缩的分子机制20第8章肌电

肌丝滑行几点说明:

1.肌细胞收缩时肌原纤维的缩短,并不是肌丝本身缩短,而是细肌丝向肌节中央(粗肌丝内)滑行。因①相邻Z线靠近,即肌节缩短；②暗带长度不变,即粗肌丝长度不变；③从Z线到H带边缘的距离不变,即细肌丝长度不变;④明带和H带变窄。21第8章肌电2.横桥的循环摆动，细肌丝向肌节中央(粗肌丝内)滑行，滑行中由于肌肉的负荷而受阻，便产生张力。

3.横桥的循环摆动在肌肉中是非同步地，从而肌肉产生恒定的张力和连续的缩短。

4.横桥循环摆动的参入数目及摆动速率，是决定肌肉缩短程度、速度和肌张力的关键因素。

22第8章肌电肌纤维的兴奋-收缩耦联

三个主要步骤：

①肌膜电兴奋的传导:指肌膜产生AP后,AP由横管系统迅速传向肌细胞深处，到达三联管和肌节附近。②三联管处的信息传递：（尚不很清楚）③肌浆网（纵管系统）中Ca2+的释放:指终池膜上的钙通道开放，终池内的Ca2+顺浓度梯度进入肌浆，触发肌丝滑行，肌细胞收缩。

∴Ca2+是兴奋-收缩耦联的耦联物23第8章肌电运动神经冲动传至末梢↓N末梢对Ca2+通透性增加Ca2+内流入N末梢内↓接头前膜内囊泡向前膜移动、融合、破裂↓ACh释放入接头间隙↓

ACh与终板膜受体结合↓受体构型改变↓终板膜对Na+、K+(尤其Na+)的通透性增加↓产生终板电位(EPP)↓EPP累积达到阈电位引起肌膜AP↓肌膜AP沿横管膜传至三联管↓终池膜上的钙通道开放终池内Ca2+进入肌浆↓Ca2+与肌钙蛋白结合引起肌钙蛋白的构型改变↓原肌凝蛋白发生位移暴露出细肌丝上与横桥结合位点↓横桥与结合位点结合激活ATP酶作用,分解ATP↓横桥摆动↓牵拉细肌丝朝肌节中央滑行↓肌节缩短=肌细胞收缩小结：骨骼肌收缩全过程1.兴奋传递2.兴奋-收缩（肌丝滑行）耦联24第8章肌电（四）骨骼肌舒张机制兴奋-收缩耦联后肌膜电位复极化终池膜对Ca2+通透性↓肌浆网膜Ca2+泵激活肌浆网膜[Ca2+]↓Ca2+与肌钙蛋白解离原肌凝蛋白复盖横桥结合位点骨骼肌舒张25第8章肌电骨骼肌收缩的机械变化肌肉收缩的两种基本形式：等张收缩等长收缩26第8章肌电骨骼肌的收缩形式1、等张收缩：肌肉收缩时,只有长度缩短而张力不变的收缩,又称为等张收缩，等张是相对的。等张收缩所作功＝负荷重量×距离。2、等长收缩：肌肉收缩时,只有张力增加而长度不变的收缩,称为等长收缩。又称静力性收缩。无做功。

注：等长收缩和等张收缩与肌肉收缩时所遇到的负荷大小有关:①当负荷等于或大于肌张力时,出现等长收缩；②当负荷小于肌张力时,出现等张收缩；③正常人体骨骼肌的收缩大多是混合式的,而且总是等张收缩在前,当肌张力增加到超过后负荷时,才出现等长收缩。如：作蹲起动作时－－－。27第8章肌电等张收缩:肌肉在收缩时,张力相等,长度发生改变的收缩.28第8章肌电(二)等长收缩概念：肌肉在收缩对其长度不变。（静力收缩）如体操中的“十字支撑”“直角支撑”和武术中的站桩

29第8章肌电

单收缩：肌肉受到一次刺激，引起一次收缩和舒张的过程。

复合收缩:肌肉受到连续刺激，前一次收缩和舒张尚未结束，新的收缩在此基础上出现的过程。①不完全强直收缩:当新刺激落在前一次收缩的舒张期,所出现的强而持久的收缩过程称之为②完全强直收缩:

当新刺激落在前一次收缩的缩短期,所出现的强而持久的收缩过程称之为机制:强直收缩是各次单收缩的机械叠加现象(并非动作电位的叠加，动作电位始终是分离的)，所以,强直收缩的收缩幅度和收缩力比单收缩大。30第8章肌电骨骼肌的收缩31第8章肌电骨骼肌特性一、骨骼肌的物理特性伸展性，弹性，粘滞性。这些物理特性与温度有关。当温度升高时，肌肉的粘滞性下降，伸展性和弹性增加。在运动实践中，作好充分准备活动，就是利用此原理，提高运动员的运动成绩。二、骨骼肌的生理特性及其兴奋条件兴奋性和收缩性是紧密联系又有不同的两个基本生理过程。32第8章肌电要引起骨骼肌兴奋的刺激应满足以下适当的条件：刺激强度：①阈强度：能够使膜的静息电位去极化达到阈电位的外加刺激的强度。②阈刺激：阈强度的刺激，可以作为评定组织兴奋性高低的指标。阈刺激小表示组织的兴奋性高。比阈强度强的刺激为阈上刺激、比阈强度弱的刺激为阈下刺激，前二者能使膜电位去极化达到阈电位引发AP，在细胞膜内施加负相电流（或膜外施加正相电流）刺激时，会引起超极化，不会引发AP；相反，会引起去极化，引发AP；；后者只能引起低于阈电位的去极化（即局部电位）不会引发AP。刺激的作用时间：无论刺激强度多大，要使可兴奋组织兴奋，刺激必须有足够时间。在一定范围内，刺激强度越小，需要的刺激时间就越长。

刺激强度变化率：必须有足够的强度变化率。33第8章肌电力量－速度曲线缩短速度(cm/s)VmaxPo102030405060负荷(g)肌肉收缩的快慢和所克服的外部阻力相关.当负荷较小时,肌肉收缩速度加快;当负荷较大时,肌肉收缩速度减慢.。肌肉收缩速度取决于能量释放速度和肌球蛋白ATP酶活性;而肌肉收缩时所产生的张力大小,取决于活化的横桥数目.34第8章肌电

第4节

肌电图与神经电图

肌电：骨骼肌在兴奋时，会由于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。

肌电图：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（Electromyogram,EMG)。为医学诊断和科学研究提供可靠的依据。35第8章肌电肌肉动作电位的记录可以使用安置在肌肉上的皮肤电极，也可以使用插入肌肉的针电极。皮肤电极可以收集到肌肉和神经干上的综合的电活动，针极收集到的是在针极周围有限范围内的运动单元电位的总和。进行肌电诊断所需要的仪器包括电极、放大器、显示器、扩音器、记录器以及储存各种数据的部件。36第8章肌电

容积导体指三维尺寸不能忽略的大块导体，如人体。人体中的结缔组织和间质液体都是围绕电源的容积导体物质。解容积导体中的电流分布问题,须用欧姆定律的微分形式j=σE，它确定导体中任一点的电流密度j和该点的电场强度E的关系,σ是导体在该点的电导率。在稳定电流情况,j、E以及电荷分布都不随时间改变,所以j=σE式中的E指的是静电场,解决问题的途径应当是由空间的电荷分布利用库仑定律求出导体中的电场分布,再由j=σE式定出电流分布。

容积导体37第8章肌电容积传导电场从电源处扩散，电源由一个偶极子表示，也就是一对正、负电荷。在一容积导体中，电流以最大的密度、呈直路流进这个偶极子的正负两极之间的、无数通道之中。电流的降低与离开电源的距离的平方成正比。因此，两个记录电极(一个为活动电极，位于高电流密度区;一个为参考电极，位置较远)之间，由于偶极子的作用产生了电压差。不管是记录正、还是负电位，都取决于电极与带相反电荷的偶极子的空间方向。决定电位波幅的因素包括:电荷密度、偶极子的表面面积及其与记录电极之间的距离远近。38第8章肌电肌电图（EMG）将单个或多个细胞在各种功能状态下的生物电活动加以拾取、放大、记录和显示，通过对肌电位或整体图形分析，以诊断疾病或评定肌肉、神经功能的方法，称为肌电图检查法。细胞的电性质形成了临床肌电图学的基础。用同心圆针极记录的肌肉动作电位，是通过容积导体在细胞外所记录到的、一个正相起始的三相电位，这是冲动接近、到达、以及离去记录电极时形成的。在不同的肌肉部位测到的运动单位电位(motorunitpotential,MUP)由于MU与记录针尖的距离不同而不同。如果用一个很小面积的电极，只要针极离开电的起源lmm就会使波幅下降到只有原来的1/10。正常情况下，神经冲动使一个MU的所有肌纤维同步放电，产生一个MUP。但在失去神经的肌肉中就不复如此。它们会自发地发放电位，也就是纤颤电位。39第8章肌电

对一块肌肉进行肌电图测定，一般分四个步骤:①插入电位，将记录针极插入肌肉所引起的电位变化;②静息期，观察肌肉在不收缩时是否有异常自发电活动;③MUP，这是在受试者轻微收缩时所测定的;④大力收缩时引出募集电位。40第8章肌电41第8章肌电42第8章肌电

43第8章肌电

44第8章肌电以往我们使用传统肌电图同心圆针极所测定到的是一个MUP，但是不能测到一个MU内的单个肌纤维状况，因为同一MU的肌纤维是同步性发放的。单纤维肌电图(SFEMG)则能够解决这个间题，它可以测定一个MU内的单个肌纤维在细胞外的电位。因此，SFEMG技术对EMG学的贡献是很大的。它使我们进一步了解肌肉的生理和病理生理;在临床方面，SFEMG也有进一步的测定效能，这就是:①肌纤维密度，即在记录范围内的单纤维电位数目;②测知肌电颤抖，即同一MU中肌纤维之间的电位传导变化。单纤维肌电图45第8章肌电46第8章肌电神经电图应用一定参数的电流对神经刺激，引出肌肉或神经的动作电位，计算传导速度，或研究各种诱发电位出现的时间，电位波形、时限和波幅等参数，以诊断疾病、评定神经肌肉功能的方法称为神经电图。47第8章肌电运动神经传导速度测定在运动神经路径的两个点上，用超强电量进行刺激，在该神经所支配的肌肉上记录诱发电位。运动神经传导速度=两点之间的距离/两点之间潜伏期之差

速度（V）＝两个刺激点的距离（S)/两个刺激点从刺激开始到肌肉收缩开始的时间差（t)48第8章肌电尺神经运动神经传导速度的测定S1：肘部的刺激电极S2：腕部的刺激电极R：记录电极

49第8章肌电POSTERIORTIBIALMOTOR/AH

Distance=14cmPERONEALMOTOR/EDB

Distance=7cm50第8章肌电感觉神经传导与运动神经传导测定不同，没有神经肌肉接头和肌肉参与在神经纤维的一点进行刺激，沿着该神经不同点记录动作电位。51第8章肌电仿生人52第8章肌电§5．功能性神经肌肉刺激(FNS)如果一对表面电极对运动神经施加刺激而产生动作电位，它将传递到受神经支配的肌肉并出现收缩。肌肉对于人为产生的神经信号的反应和对自然产生的信号的反应一样。例如，脊髓损伤的病人，由于脊髓断裂，大脑产生的信号不能传递到所要求的运动神经，这时所支配的肌肉就处于瘫痪状态：其实这些肌肉的其他方面可能都正常，如同样能够兴奋和收缩。此时，人为加在神经上的信号可引起肌肉的反应。FNS的目的是设计一种刺激运动神经元的方法，以此产生所期望的肌肉收缩。53第8章肌电功能电刺激装置受激肌肉的数学模型FNS控制方法MuscleandnervephysiologyElectricalengineeringElectricalsafetyBiomechanicsControlsystemsFNS54第8章肌电功能电刺激装置电极表面电极经皮电极神经套电极刺激器提供合适的电刺激脉冲序列的装置。传感器55第8章肌电ExampleforanimplantablemultichannelFNSsystemFunctionsofthewearableprocessor:Processingofbiomechanicalparameters(jointangles,footcontact);Generationofcontrolsignals;Maintainjointforceagainstthemusclefatigue.Stimulationwithtranscutaneouselectrodes:Widelyused(nosurgicalinterventionisrequired)PoorselectivelityandreachibilityofdeeplocatedmusclesGreatvaluesofthestimulationvoltageisrequired.56第8章肌电Responseofthelocomotor(运动)systemtotheFESIndividualcharacter(blackbox)MethodsforparametersidentificationA./grippingforce/electricalstimulus57第8章肌电B./Elbowflexionforce/FESC./ExperimentalparameterizationoflowerextremityforFEScontrol58第8章肌电受激肌肉的数学模型肌肉的模型反映了输入刺激量（脉宽、脉频、脉幅）与输出力或力矩的关系静力学模型非线性动态模型59第8章肌电DevelopmentofthestrategiesforFESbasedonthemodelingoftheanatomicalstructureandlocationofmusclesandtendonsKnowingthelocationofthestimulatedmusclesandtheaverageforce,producedduringtheirstimulation,anefficientFESstrategycanbedeveloped.(a)Anatomicallocationofthemuscletobestimulated;(b)SimplemodeloftheRectusfemorismuscle;(c)mechanicalmodeloftheRectusfemorismuscle.60第8章肌电DescriptionoftheFNSsignalThecurrentoftheFNSdependsontheproximityoftheelectrodestothetargetmuscletissue.Typically1-50mA.Pulserepetitionrate(frequency)pulsewidth(duration),amplitude.Stimulusstrengthisrelatedtothechargedensity.chargedensity=current•time/arearangeof10-300mCcm261第8章肌电PulsedwaveformMonophasicorbiphasicpulsesBurst(carrier)signal–reductionofthepotentialpainSufficientcurrentinthetargetareaforalengthoftime(100–600mS)Pulseamplitude–dependsonthesizeoftheelectrodeandthedegreeofcurrentspreadbetweentheelectrodeandtargets.Currentgenerator:Produceregulatedcurrentbetween0and60mA;Voltage–from0to180VMaximum50pulsespersecondtopreventthefastfatigueLowduty-cycle–tomaintainthechargebalanceandtominimizetheriskoftissuedamageOptimalstimulationoftheconcretemusclegroup–veryimportantconditionforsuccessfulFNS.Requiresknowledgeoftheresponseofeachmuscletostimulationandknowledgeofthemusclefatigue.62第8章肌电Thetimedelaybetweenmusclestimulationandmuscleactivationiscalledtheneuraldynamics.Non-linearrelationshipbetweeninputactivationandgeneratedjointtorque(dependsonthejointangle,thejointvelocityandacceleration).Limbdynamics–dependsonthemassandinertiachar